纳米复合材料

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1、第11章　纳米复合材料纳米复合材料是继单组分材料、复合材料和梯度功能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／Si02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，它是指分散相尺寸至少有一维小于100nm的复合材料。梯度功能材料指的是一种组分、结构、物性参数和物理、化学、生物等单一或复合性能都呈连续变化，以适应不同环境，实现某一特殊功能的一类新型复合材料。11.1先进

2、纳米增强剂的制备1.碳化硅纳米晶须碳化硅晶须具有低密度、高熔点、高强度、高模量、低的热膨胀率，以及耐磨、耐蚀、抗高温氧化性等优良特性，因而是制备陶瓷基、金属基、树脂基等复合材料最理想的晶须材料之一，被称之为“晶须之王”。>碳化硅纳米晶须的制备机理根据碳热还原原理，在高温电炉中SiO2和C发生反应可生成SiC。通过控制温度和调整CO气体的分压，就可以控制SiC颗粒与晶须的生成比例以及晶须的形貌。原料:合成碳化硅纳米晶须所用的原料主要有SiO2微粉、硅粉、硅溶胶、炭黑、碳溶胶、CH4、碳纳米管、树脂热解炭、硅碳有机化合物等，其中碳源有碳纳米管、CH4

3、、炭溶胶、热解碳。加热方式:合成碳化硅纳米晶须的加热方式有常规加热、微波加热、双重加热和弧光放电加热等。2.碳纳米管自1991年日本的NEC电镜专家用真空电弧蒸发石墨电极时发现碳纳米管以来，对碳纳米管的研究一直是国际新材料领域的前沿和热点。碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物，管子一般由单层或多层组成，因此有单壁纳米碳管(SWNT)和多壁纳米碳管(MWNT)之分。碳纳米管的直径在几纳米到几十纳米之间，长度可达数微米。碳纳米管可看作是二维石墨烯片层卷积的结果，层与层之间相距0.34nm，相当于石墨中碳原子层之间的间隙或碳纳米球的半径。同一

4、层碳管内原子间键合力强，碳纳米管有极高的同轴向强度，因而可用作高性能复合材料的增强体。碳纳米管具有独特的电子能带结构，呈现金属导体或半导体特性，是理想的一维量子导线，并可用作场效应三极管、场发射电子源及分子开关、扫描隧道显微镜(STM)的针尖等。此外，碳纳米管还具有储氢能力、吸附能力和微波吸收能力，用作储氢材料、催化剂载体和吸波材料极具潜力。>碳纳米管的制备碳纳米管的制备方法很多，有电弧放电法、催化热分解法、激光蒸发石墨棒法、等离子体法、电解法等。电弧放电法电弧放电法通常是惰性气氛下，相距几毫米的石墨在强电流的作用下产生电弧放电，消耗阳极，在阴极

5、表面形成沉积物。在石墨电弧放电制备碳纳米管的基础上，发展了催化电弧法即在阳极中掺杂金属催化剂，如Fe、Co、Ni等，利用两极弧光放电来制备碳纳米管，催化电弧法设备与石墨电弧法基本相同，催化电弧法有望实现单壁纳米碳管的批量、连续化生产，因此目前较为流行。1997年，C.Journet等采用Ni和Y为联合催化剂，在氦气下进行放电，实现了单臂纳米碳管的大量制备。成会明等采用自行研制的装置，将Fe、Co、Ni联合催化剂与石墨粉、生长促进剂等均匀混合，在氢气气氛下(1.3×10-2MPa－5.3×10-2MPa)直流放电，实现了单臂纳米碳管的半连续大量(2

6、g／h)制备，应用氢电弧放电制备的碳纳米管产量大、纯度高、碳管直径大。(中科院金属研究所，沈阳）催化电弧法制备碳纳米管的生长机理一般为：碳纳米管的生长始于碳原子在催化剂颗粒的表面析出，重排呈管状，此后当周围环境中的碳原子通过碰撞等方式与碳管“开口”端碳原子结合成键时，碳管逐渐长大，而当“开口”端封闭时，碳纳米管结束生长。催化裂解法催化裂解法是以Fe、Co、Ni等金属为催化剂，从碳氢化合物裂解产生自由碳原子而生成碳纳米管的方法，其机理为：高温下碳氢化合物在催化剂微粒表面热分解出碳原子，碳原子在金属微粒中扩散，最终在催化剂微粒另一面释放出，形成碳纳米

7、管。催化裂解法因制备的碳纳米管纯度高、尺寸分布均匀且有望实现规模生产而为人们广泛研究，并取得了很大进展。国外有人最早采用铁／石墨颗粒为催化剂，常压下700℃裂解乙炔／氮气获得了长度达50μm的碳纳米管。董树荣等用Co／硅胶为催化剂裂解C2H2，得到了管壁清洁层数约40层的碳纳米管。解深思等利用sol-gel法制备出含有纳米Fe粒子的硅模板，并在此模板上裂解C2H2，成功制备了迄今最长的碳纳米管，长达2-3mm，比一般碳纳米管长2-3数量级，该成果具有很高的理论价值和实际应用价值。于作龙等以Fe、Co、Ni、La为催化剂，利用移动床催化裂解反应器实

8、现了碳纳米管的批量生产。(中科院成都有机化学研究所）利用催化裂解法可制备大面积定向碳管阵列，中科院合成的纳米碳管阵列，直径约20nm，长