纳米复合材料与分子复合材料.ppt

纳米复合材料和分子复合材料 沈卫平 材料学院 纳米复合材料是继单组分材料、复合材料和功能梯度材料之后的第四代材料。 纳米复合材料的出现先于概念的形成。早在上世纪70年代末，实际上就已出现了聚合物／SiO2纳米复合材料，只是人们还未认识到其特殊的性能与实际应用意义。 纳米复合材料(Nanocomposites)是80年代初由Roy提出的，与单一相组成的纳米结晶材料和纳米相材料不同，它是由两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级(1-100nm)复合而成的复合材料，这些固相可以是非晶质、半晶质、晶质或者兼而有之，而且可以是无机、有机或二者都有。 纳米相与其它相间通过化学(共价键、整合键)与物理(氢键等)作用在纳米水平上复合，即相分离尺寸不得超过纳米数量级。因而，它与具有较大微相尺寸的传统的复合材料在结构和性能上有明显的区别，近些年已成为聚合物化学和物理、物理化学和材料科学等多门学科交叉的前沿领域，受到各国科学家和政府的重视． 一、纳米粉体的合成 1、纳米粉体的物理制备方法 1）惰性气体冷凝法 将装有待蒸发物质的容器抽至10-6 Pa高真空后，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状粒子，随惰性气体冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度的粒子收集，即得到纳米粉体。如采用多个蒸发源，可制备复合粉体或化合物粉体。颗粒尺寸可通过蒸发速率和凝集气的压力来进行调控。这种方法是制备清洁界面纳米粉的主要方法之一。 2）高能机械球磨法 高能机械球磨是一个颗粒循环剪切形变的过程。在球磨过程中，大晶粒内部不断产生晶格缺陷，致使颗粒中大角度晶界重新组合，颗粒尺寸下降数量级为103~105，进入纳米晶粒范围。高能机械球磨法可以实现机械合金化，得到合金纳米晶和复合纳米晶。但容易带进杂质，比较适合于金属材料。 3）其他方法： 电子束蒸发法、激光剥离法、DC或RF溅射法等。 2、纳米粉体的化学制备方法 1）湿化学制备方法 主要有共沉淀法、乳浊液法、水热法等。特别适合于制备纳米氧化物粉体。以氧化锆为例，在含有可溶性阴离子的盐溶液中，加入适当的沉淀剂（OH-、CO32-、C2O42-、SO42-）使之形成不溶性的沉淀。经过多次洗涤，再将沉淀物进行热分解，即可获得纳米粉体。但此法往往容易得到硬团聚体，会对以后的致密化烧结带来困难。通过控制沉淀中反应物的浓度、pH值以及冷冻干燥技术来避免形成硬团聚，以获得颗粒分布范围窄、大小为15~25nm的超细纳米粉。 2、纳米粉体的化学制备方法 2）水热法 主要利用水热沉淀和水热氧化反应合成纳米粉。通过这两种反应可得到金属纳米粉氧化物或复合氧化物（ZrO2、Al2O3、ZrO2-Y2O3、BaTiO3等）在水中的悬浮液，得到的纳米晶尺寸一般在10~100nm范围内。此外还用高压水热处理使氢氧化物进行相变，通过控制高压釜中的压力和温度，以获得形状规则的超细纳米粉，颗粒尺寸为10~15nm。 3）冰冻干燥法 采用冰冻干燥硝酸盐溶液制备纳米晶BaTiO3。首先快速冰冻钡和铁的硝酸盐溶液，随后在低温下挥发溶剂，得到冰冻干燥的硝酸盐前驱体，然后热处理得到粒度为10~15nm 的稳定立方相BaTiO3纳米晶体。 2、纳米粉体的化学制备方法 4）微乳液法 微乳液法一般是由表面活性剂、助表面活性剂、油和水组成的透明、热力学稳定的各向同性体系。其中含有表面活性剂和助表面活性剂组成的单分子所包裹而形成的微乳液滴状物，称之为微反应器。 在此微反应器内的物质可以透过单分子层外壁进行扩散活动。因此，如果将两种需要进行反应的组分分别溶于两种组成完全相同的微乳液中，并在适当的条件下进行混合，则这两个组分可以分别透过外壁进入另一个微反应器发生反应。由于它受到外壁的限制，因此生成纳米级微乳液滴尺寸的纳米颗粒。通常所用的表面活性剂为非离子型的烷基酚聚氧乙烯等或离子型的碱金属皂活性剂。 据报道，用醇盐化合物、油和水形成的微乳液制备出无团聚的BaTiO3立方形纳米晶，其尺寸为6~17nm。由于乳液中微液滴的大小决定BaTiO3的尺寸，同时液滴的大小仅受表面活性剂分子的亲水性部分的尺寸所控制。因此纳米晶颗粒粒径分布较窄。这正是此方法的特点。 2、纳米粉体的化学制备方法 5）化学气相法 化学气相法是利用高温裂解原理，采用直流等离子、微波等离子或激光作为光源，使前驱体发生分解，反应成核并长大成纳米粉体。这种方法更适合于纳米非氧化物粉体。 其优点是能获得粒径均匀、尺寸可控以及小于50nm的粉体，粉末可以是晶态或非晶态。缺点是原料价格高，且对设备要求高。 对非晶态粉末可以通过晶化处理来获得纳米晶。应用化学气相法时，反应气体的浓度、温度、反应物在热带的停留时间以及冷却速率等，均可影响到最终纳米粉体的结构、粒度和团聚情况。 因此低浓度、短停留时间和快速冷却