第九章 纳米复合材料

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1、第九章纳米复合材料9.1定义及分类9.2金属基纳米复合材料9.3陶瓷基纳米复合材料9.4聚合物基纳米复合材料9.1定义及分类•纳米复合材料(Nanocomposites)：纳米材料与其它材料复合而成的材料•1984年，Roy,Komamenis首次提出Nanocomposites概念•分类：金属基纳米复合材料按基材分陶瓷基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料9.1定义及分类按材料的维度分0-0复合：即不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体。包括金属/金属、金属/陶瓷、金属/高分子、陶瓷/

2、陶瓷、陶瓷/高分子；0-1复合：把纳米粒子负载到一维纳米材料上；0-2复合：把纳米粒子负载到二维的纳米薄膜材料上；0-3复合：纳米粒子分散到常规的三维固体中。包括金属纳米粒子/另一种金属或合金、金属纳米粒子/常规的陶瓷材料或高分子、纳米陶瓷粒子(氧化物、氮化物)/常规的金属、高分子及陶瓷、高分子纳米粒子/高分子。1-3复合：一维纳米材料分散到常规的三维固体中。2-3复合：纳米片分散到常规的三维固体中。9.2金属基纳米复合材料•金属基纳米复合材料(Metalmatrixnanocomposite

3、s，MMNCs)是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强相相结合的复合材料。•纳米粒子可存在于晶界界面或晶粒内部Fe、Cu、Ni、TiO、纳米碳管、2Mg、Au等SiC机械性能•高强度、高韧性•高比强度、高比模量•抗蠕变、抗疲劳性好•高温性能好•断裂安全性高制备方法（1）高能球磨法PureelementalpowdersofAlBallmilling(99.99%,10m)andSiC(99.9%,100m)随着SiC含量的增加，材料的显微硬度增加，最高达2.6GPa，远高于纯Al的

4、硬度(0.95GPa)，杨氏模量也有同样的变SiC/Alnanocompositesp化趋势。制备方法(2)大塑性变形法•利用SPD技术对纳米-微米混合粉末进行压实可以制备出高强度、高热稳定性的金属-陶瓷纳米复合材料。•SiO/Cu和AlO/Al两种高强度、高热稳定性的金属基纳223米复合材料•SPD工艺合成了TiO2/Ti纳米复合材料，样品力学分析显示，Ti基体(粒径为21m)中加入纳米TiO颗粒(粒径为36nm)可2同时提高材料的显微硬度和热稳定性。制备方法（3）原位复合技术•原理：根据材料设计的

5、要求选择适当的反应剂(气相、液相或固相)，在适当的温度下借助于基材之间的物理化学反应，原位生成分布均匀的第二相(或称增强相)例热压SiC+TiTiC/TiSi纳米复合材料533SiC+8Ti3TiC+Ti5Si3合成的TiC/TiSi纳米复合材料的室温强度比采53用相同工艺的纯TiSi材料提高近6倍。53制备方法(4)快速凝固工艺•镍基合金In600+碳纳米管粉为熔化料，采用单辊法快速凝固工艺制备了碳纳米管/In600复合材料，拉伸强度和显微硬度测试结果表明，与快速凝固In600和In600+石墨相比，

6、其室温拉伸强度分别提高了80％和40％，并且硬度也略有提高。制备方法(5)纳米复合镀法•用于制备金属基纳米复合镀层•原理：运用电镀或化学镀原理，将悬浮在镀液中的不溶性纳米微粒，共沉积到单一金属或合金上，经过二次热处理而形成金属基纳米复合涂层。例：在镀锌液中分别加入纳米CeO2粉末(平均粒径为30nm)和微米CeO粉末进行共沉积，在基片上分别获得CeO/Zn纳米复22合镀层和CeO/Zn微米复合镀层2CeOZn纳米复合镀层的耐蚀性较纯锌镀层有明显改善，而2/CeO/Zn微米复合镀层的耐蚀性与纯锌镀层相比变

7、化不大2制备方法（6）其它方法•喷射与喷涂共沉积法•加盐反应法•反应-喷雾沉积法•反应低压等离子喷射沉积法等9.3陶瓷基纳米复合材料•1988年Izaki首次将纳米碳化硅用来补强Si3N4陶瓷，使力学性能在Si3N4陶瓷的基础上有了显著改善。•日本大阪大学新原皓一等采用热压工艺、无压烧结和热等静压工艺成功地制备出多种体系的微米/纳米复合陶瓷。种类：Al2O3/SiC、MgO/SiC、Si3N4/SiC、莫来石/SiC等；•作用：大幅度提高断裂强度；显著提高断裂韧性；明显改善耐高温性能；9.3.1陶瓷基纳

8、米复合材料的力学性能9.3.1陶瓷基纳米复合材料的力学性能9.3.1陶瓷基纳米复合材料的力学性能9.3.2陶瓷基纳米复合材料的强韧化机制(1)内晶型结构的形成(2)残余应力引起裂纹偏转或裂纹被钉轧由于纳米颗粒在微米级基体晶内的存在，次界面处存在较大残余应力，使基体晶粒内产生大量亚晶界和潜在微裂纹。(3)微米晶粒的潜在纳米化这种亚晶界或微裂纹的存在实际上使基体晶粒处于一种潜在分化状态，我们称之为“纳米化效应”。9.3.2陶瓷基纳米复合材料的强