《纳米复合材料复习资料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米复合材料复习资料（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第一章1、定义宏观领域：指人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体。微观领域：指以原子、分子为最大起点，下限是无限。介观领域：介于宏观领域与微观领域之间的领域。纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm。纳米技术：是研究在千万分之一米（10-7）到十亿分之一米（10-9米）内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化 的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术。纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在1-100纳米范围的具有特殊功能的材料称为纳米材料。纳米复合材料：与单一组分的纳米结晶材料和纳米相材料不同，它是指材料两相（或多相）微观结构中至少有一
2、相 的一维尺度达到纳米级尺寸（1100nm）的材料。2、纳米复合材料命名是根据复合材料的命名原则来命名纳米复合材料，用“复合材料”作后缀，用纳米材料和基体材料的名称来命名， 将增强纳米材料的名称写在基体材料的名称前面。如纳米氧化锌在纳米量级上复合环氧树脂形成一种新的复合材 料，就称为“纳米氧化锌环氧树脂复合材料”。另一种以“纳米复合材料”作为后缀，用纳米材料的无机名称与有 机基体的聚合物名称来命名，将无机物与有机物用“/”隔开后缀纳米复合材料。如氧化锌以纳米微粒分散在连续相 聚氯乙烯基体中，形成纳米无机物与有机物于一体的新型复合材料，就称为“氧化锌/聚氯乙烯纳米复合材料”。3、纳米复合材料性能
3、基本性能1）可综合发挥各种组分的协同效能。2）性能可设计性，可针对纳米复合材料的性能需求进行材料的设计 和制造。3）可按需要加工材料的形状。特殊性能同步增韧增强效应。新品功能高分子材料。强度大、模量 咼。阻隔性能。定义：量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半 导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 小尺寸效应：由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化。表面效应：表面效应是指纳米微粒的表面原子数与总原子数之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面 结合能随之增加，从
4、而引起纳米微粒性质变化的现象。宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相 干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。超顺磁性：在小尺寸下，当磁晶的各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方 向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。巨磁电阻效应：在Fe/Cr 周期性多层膜中，观察到当施加外磁场时，其电阻下降，变化率高达50%。蓝移：纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。纳米微粒：纳米微粒是指颗粒尺寸一般在1100 nm之间的粒状物质，它的尺度大于原子簇，小于
5、通常的微粉。 量子效应与小尺寸效应的区别：量子尺寸效应是因能级间距不连续、离散引起的，与温度有关，要求是低温。性能 的变化对温度有一突变。小尺寸效应不要求低温，性能随温度的变化没有突变。两者都能引起材料性能的极大变化。 纳米效应引起的物质性能的变化：1. 热学性能：熔点下降，比热容提高。 2.光学性能：宽频带强吸收，蓝移现象（“蓝移”的原因：量子尺寸效 应，由于颗粒尺寸下降，能隙变宽，导致光吸收带移向短波方向。），纳米微粒的发光，纳米微粒分散体系的光学性质（丁达尔效应）3.磁学性能：超顺磁性，巨磁电阻效应4.力学性能：硬度，韧性，断裂应力5.电学性能：电导（电阻），介电特性，压电效应6化学性能
6、：吸附性，纳米微粒的分散和团聚，表面高活性一一催化性能 典型的纳米结构单元：1富勒烯结构：球笼状应用：新型半导体材料 良好的非线性光学材料 合成金刚石的理想原料富勒烯虽然是非常稳定 的分子，但化学性质很活泼的增强金属新型催化剂C60分子间在一定条件下还可以相互结合成聚合物在生理医学方面2. 碳纳米管：即管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米管。 结构：多壁碳纳米管一般由几个到几十个单壁碳纳米管同轴构成，可以有直形、弯形、螺旋等不同外形。每个单壁管侧面由碳原子六边形组成，两端由碳原子的五边形参与封顶。性质：1.电学性质：具有一些特殊的电学性质2.热学性
7、质：碳纳米管是目前世界上最好的导热材料，导热系数高。高压可以促使碳纳米管管结构的破裂，减小了它的热稳定性。3. 力学性质：高模量、高强度。4.光学性质：碳纳米管具有卓越的发光性质5其他性质：高耐磨性，自润滑性3.石墨烯又称单层石墨，是只有一个碳原子厚度的二维材料。结构：完美的石墨烯是二维的，它只包括六角元胞（等角六边形）如果有五角元胞和七角元胞存在，那么他们构成 石墨烯的缺陷。如果少量的五角元胞细胞会使石墨烯翘曲；12个五角元胞的会形成富勒烯。碳纳米管也被 认为是卷成圆桶的石墨烯；性第:-力学章质比钻石还要硬电学性质优良的导电性一、概述定义：1聚合物基纳米复合材料：聚合物纳米复合材料是聚合物基
8、体树脂与至少有一维尺度达到纳米级尺寸的无机 颗粒组合成的。（Polymer nanocomposites are generally defined as the combination of a polymer matrix resin and inorganic particles （particles, layers or fibres） which have at least one dimension （i.e. length, width, or thickness） in the nanometer size range.）2.填充纳米复合材料：将纳米材料以粉体形式分散在聚合物基
9、体中形成的复合材料，可以与基体共混形成，也可 以原位聚合而成。3聚合物纳米复合材料的性能特点？ 1）高分子纳米复合材料多是由金属、陶瓷、粘土等作为纳米添加材料，高分子 基体材料与添加材料之间性能差别大，因此形成的复合材料互补性好，容易获得两种材料都不具备的性能，有利于 纳米效应的发挥。2）由于高分子基体材料具有易加工、耐腐蚀等优异性能，工业化成本较低，有利于成果的产业 化过程。3）高分子基体材料自身的特点决定了，它还能抑制纳米颗粒的氧化和团聚过程，使体系具有较高的长效 稳定性，能充分发挥纳米单元的特异性能。4）由于纳米粒子小，表面积大，与聚合物间的界面面积大，能引起更大 的界面相互作用和获得更
10、理想的界面粘结；5）两组分的热膨胀系数不匹配问题也得到消除。从而使得高分子 材料具有更优异的物理与力学性能。二、纳米材料与分散体系定义4.硬团聚：在强的作用力（化学键力）下引起的聚集5. 软团聚：由颗粒间静电引力和范德华力作用引起的聚集6. 影响水性和油性分散体系稳定性的因素？ 1）.有机溶剂的影响：有机溶剂的性质对纳米粒子的分散程度有明显 的影响。2）.表面活性剂的影响：a.表面改性的纳米粉体以及良好的有机溶剂分散性，是获得纳米粉体良好分 散体系的先决条件。b.阴离子表面活性剂，就能得到稳定的纳米Fe2O3分散体系，而非离子表面活性剂却难以 得到的原因？阴离子表面活性剂在纳米粒子表面产生吸附
11、，改变了纳米粒子的表面电荷分布，对纳米粒子起到了空 间立体保护作用，能有效的防止纳米Fe2O3成团聚体。3）.分散工艺的影响：a.分散工艺优化后，可以使其分 散粒径 达 到21nm比如：调节PH值、反应时间、溶剂的量等。b.在DMF中 经过分散工艺优化后，可 保持悬浮体系的相对稳定性。4）.分散温度的影响：适当提高温度有助于纳米粉体的分散，但温度过高，纳米粉 体易团聚。5）.纳米粉体的粒径：纳米粉体的粒径越小，则越难分散。三、纳米粉体的表面修饰与改性定义7.表面物理修饰：通过吸附、涂敷、包覆等物理作用对微粒进行表面改性。利用紫外线、等离子射线等对粒 子进行表面活化改性也属于物理修饰。8表面化学
12、修饰：通过纳米微粒表面与处理剂之间进行化学反应，改变纳米微粒表面结构和状态，达到表面改性 的目的9纳米粉体不稳定的原因？ 1）.纳米粒子结构的特殊性:a.纳米粒子表现为壳层结构，其表面结构不同于内部完整 的结构。b.纳米粒子的体相结构也受尺寸制约，而不同于常规的结构。C.几乎所有的纳米粒子都部分的失去了 其常规的化学结合力性质，表现出混杂性。2）.纳米粒子具有很强的活性：为了降低纳米微粒的表面能，它们倾向于聚结，而形成软、硬团聚，造成纳米尺 寸的不稳定性。3）.纳米粒子表面结构复杂：纳米粉体的表面结构决定纳米粉体的状态、性能及应用，而它的表 面结构取决于纳米粉体的制造方法（气相法、固相法、液相
13、法）。10. 纳米粉体改性方法？ 1）作用方式不同：表面物理改性（包覆）、表面化学改性（偶联）2）改性手段不同：溶 液混合改性、机械力化学改性、高能处理改性11. 两种表面物理改性方法优缺点？ 1）.通过范德华力、氢键等将异质材料吸附在纳米微粒的表面a.主要是利用 表面活性剂在固液表面上的吸附作用，能在颗粒表面形成一层分子膜阻碍颗粒之间相互接触，同时增大了颗粒之间 的距离，避免了架桥羟基和真正化学键的形成。b.表面活性剂还可以降低表面张力，提高固-液浸润。c.加入高 分子表面活性剂还可起到一定的空间位阻作用d.纳米粒子在非极性基体中分散e.欲对SiO2及TiO2有机化改 性，可直接吸附阳离子表
14、面活性剂，但阳离子表面活性剂价格相当高，往往有毒性，是其主要缺点。2）:表面沉积 法该方法的不足:包覆物质的金属盐溶液加入到纳米陶瓷微粒的水悬浮液中，然后向溶液中加入沉淀剂使金属离子发 生沉淀反应,在纳米陶瓷微粒表面析出并对其进行包覆。沉淀法制备多相包覆层。反应周期较长，过程不易控制。12三种表面化学改性方法优缺点?1）偶联剂法：适用范围：无机纳米粒子与有机物进行复合。一般无机纳米粒子， 如氧化物A12O3, SiO2等，表面能比较高，与表面能比较低的有机体的亲和性差.两者在相互混合时不能相溶， 导致界面上出现空隙。解决上述问题可采取偶联技术，即纳米粒子表面经偶联剂处理后可以与有机物产生很好的
15、相 容性.通过有机硅烷偶联剂能使两种不同性质的材料很好地偶联起来即形成有机相-偶联剂-无机相的结合层,从而使 复合材料获得较好的粘结强度.2）酯化反应法：利用酯化反应对纳米微粒表面修饰改性最重要的是使原来亲水疏油 的表面变成亲油疏水的表面。酯化反应采用的醇类最有效的是伯醇，其次是仲醇，叔醇是无效的。酯化反应表面修 饰法对于表面为弱酸性和中性的纳米粒最有效，例如，SiO2, Fe2O3, TiO2, A12O3, Fe3O4, ZnO和Mn2O3等。 此外，碳纳米粒子也可以用酯化法进行表面修饰。3）表面接枝改性法：三种类型：（i）聚合与表面接枝同步进行法（Graft in）：当无机纳米粒子表面有
16、较强的自由基捕捉能力。单体在引发剂作用下完成聚合的同时，立即被无机纳 米粒子表面强自由基捕获，使高分子的链与无机纳米粒子表面化学连接，实现了颗粒表面的接枝。这种边聚合边接 枝的修饰方法对炭黑等纳米粒子特别有效。（ii）颗粒表面聚合生长接枝法（Graft from）：这种方法是单体在引发 剂作用下直接从无机粒子表面开始聚合，诱发生长，完成了颗粒表面高分子包敷。这种方法特点是接技率较高。（iii） 大分子偶联接枝法（Graft to）这种方法是通过纳米粒子表面的官能团与高分子的直接反应实现接枝。这种方法的 优点是接枝的量可以进行控制，效率高。表面接枝改性方法的优点：A：可以充分发挥无机纳米粒子与高分子各 自的优点，实现优化设计，制备出具有新功能纳米微粒.B：纳米微粒经表面接枝后，大大地提咼了它们在有机溶 剂
