研究生多相复合材料课件3.ppt

15.1 纳米概念的形成 早期，石墨、炭黑中的颗粒 1959年，美国物理学家Richard Feynman提出“what would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?” 20世纪70年代康乃尔大学C.G.Granqvist R.A.Buhrman 小组气相沉积制备纳米 20世纪80年代，原西德Gleiter首次制备金属纳米，提出纳米材料及其应用 20世纪80年代末期，日本丰田研究中心制得PA6/粘土纳米复合材料 15.2 纳米效应 主要有以下四种基本纳米效应。 1、表面效应 表面能随着粒径减小而增加的现象称为表面效应。 当颗粒状材料的直径降低到纳米尺度时，比表面积会非常 大，这样处在表面的原子或离子所占的百分数将会显著地增加。 然而由于缺少相邻的粒子，则出现表面的空位效应，表现出表面 粒子配位不足，表面能会大幅度增加。这种在纳米尺度范围内发 生的表面效应称为纳米表面效应。 纳米表面效应使表面原子或离子具有高活性，极不稳定，易 于与外界原子结合。如，金属的纳米颗粒在空气中会燃烧，无机 的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与气体发生反应等。 2、小尺寸效应 当颗粒小至纳米尺寸时，所引起的宏观物理性质的变化称为 纳米小尺寸效应。纳米小尺寸效应主要反映在熔点、磁学、电学 和光学性能等方面均与大尺寸同类材料明显不同。 ①、光学性质 当材料的尺寸小至纳米尺寸时，其光的吸收、反射、散射能 力会发生较大变化。这种变化称为纳米材料的光学效应。 例如，金属纳米颗粒对光的吸收率提高，反射率降低，因此 各种纳米级金属粉未均呈黑色。利用这个特性可以作为高效率的 光热、光电等转换材料。纳米级的无机盐颗粒对可见光有绕射 （衍射）作用，因此加入纳米级填加剂的复合材料可以做到无色 透明。 ②、热学性质 当固态物质颗粒的外形尺寸小至纳米尺寸时，引起的熔点的 显著变化称为纳米材料的热效应。 固态物质在较大外形尺寸时，其熔点是固定的。但是，当外 形尺寸小至纳米尺寸时，其熔点将显著降低，当颗粒小于10 nm 量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减 小到10 nm 时，则降低27℃. ③、磁学性质 颗粒状磁性材料的磁学性质，由于外部尺寸小至纳米尺寸 时，引起的独特的磁性变化称为纳米材料的磁效应。 例如，大块纯铁的矫顽力约为80 A／m，而当颗粒尺寸减小到 10 nm时，其矫顽力可增加 1千倍。但是若进一步减小其尺寸，达 到大约小于6 nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。 利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以制作高密度信息存 储材料。利用超顺磁性，可以将磁性纳米颗粒制成用途广泛的磁 性液体。 ④、力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米颗粒压制成的纳 米陶瓷材料却具有良好的韧性。这种力学性质的变化称为纳米材 料的力学效应。 这是因为纳米材料具有大的界面，界面上的原子排列是相当 混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳 的韧性与一定的延展性。 除此之外，纳米颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电 性能、声学特性以及化学性能等诸多方面。 3、量子尺寸效应 当颗粒状材料的尺寸小至纳米尺寸时，其电子能级由连续转 变为量子化（最高占据分子轨道和最低空轨道，使能隙变宽，出 现能级的量子化）。这时，纳米材料电子能级之间的间距，随着 颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能、静电能 以及磁能等的能量时，就会出现一系列与块体材料截然不同的反 常特性，这种效应称之为纳米量子尺寸效应。 例如，纳米颗粒具有高的光学非线性及特异的催化性能均属 此列。 4、宏观量子隧道效应 微观粒子（电子、原子）具有穿越势垒的能力称之为隧道效 应。一些宏观的物理量，如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件 中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统 的势垒而产生性能变化，称为宏观量子隧道效应。 利用宏观量子隧道效应，可以解释纳米镍粒子在低温下继续 保持超顺磁性的现象。这种纳米颗粒的宏观量子隧道效应和量子 尺寸效应，将会是未来微电子器件发展的基础，它们确定了微电 子器件进一步微型化的极限。 插层剂的作用 利用离子交换的原理进入蒙脱土片层之间； 扩张片层间距； 改善层间的微环境； 使蒙脱土的内外表面由亲水性转化为疏水性； 增强蒙脱土片层与聚合物分子链之间的亲和性； 降低硅酸盐材料的表面能。 聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料特点 需要填料体积分数少； 具有优良的热稳定性及尺寸稳定性； 性价比高