高分子纳米复合材料.详解课件.ppt

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1、高分子纳米复合材料ZHONGSHANUNIVERSITY提纲引言纳米粒子的结构、性能及制备纳米颗粒填充聚合物复合材料纳米复合材料的表征技术颗粒填充复合材料—从微米到纳米宏观Macro>mm(10-3m)微米Microm(10-6m)纳米Nanonm(10-9m)3D纳米粒子(例如二氧化硅等)2D纳米管(例如碳纳米管、晶须等)1D纳米片(如层状硅酸盐等)纳米填料普通高分子材料纳米复合材料石块撞击引起应力发白喷漆抗刮擦能力普通高分子材料纳米复合材料阻燃性纳米复合材料普通高分子材料成炭不蔓延不滴落不成炭蔓延滴落1980–2002年纳米复合材料国际专利统计一、纳米粒子的结构、性能及制备纳米粒子的

2、尺寸范围一般是1~100nm。当材料尺寸减小到纳米级的某一尺寸，材料的物性会发生突变，与同组份的常规材料的性能完全不同，所以纳米级材料表现出强烈的尺寸依赖性。而粒子的尺寸小于1nm时，称为团簇，其总原子数从几个至几十个，几乎所有的原子都排列在粒子的表面上。纳米粒子尺寸小，比表面积大，位于表面上的原子占相当大的比例，因此粒子表现为具有壳层结构（包括键态、电子态、配位数等）。具有闭壳层电子结构的金属，如II主族的Ca、Mg等，其纳米粒子内部的原子间距比常规块材的要大，相应地结合力性质从金属键向范德华力转变；常规的Si、Ge等材料是典型的共价键型材料，而其纳米粒子表现出金属键的性质；常规的离子键

3、材料，如金属卤化物等，其纳米粒子带有共价键的性质，且主要是由于表面原子的贡献。原子间相互作用变化示图高分子半导体陶瓷纳米粒子的性能由于纳米粒子的结构和原子间相互作用发生了上述变化，导致在化学、物理（热、光、电磁等）性质方面表现出特异性;小尺寸效应（材料周期性边界条件的破坏）；表面或界面效应（表面能和活性的增大）；量子尺寸效应（电子能级或能带结构的尺寸依赖性）等。化学性质方面金属纳米粒子在空气中易氧化，甚至燃烧；纳米粒子具有常规材料所没有的催化性能，且可以有特征反应，在提高催化反应效率、优化反应路径、提高反应速度和定向等方面，提供了新的途径。物理性能方面热性能：由于纳米粒子尺寸小，表面能高，

4、其熔点、开始烧结温度和晶化温度比常规粉体低；例如纳米银的熔点可低于373K；常规氧化铝烧结温度在1973~2073K之间，而纳米氧化铝可在1423~1673K之间烧结，致密度可达99.0％以上。电性能：粒子尺寸小于某一临界尺寸后，材料的电阻会发生突变，例如金属会变为非导体。纳米粒子的光学性能由于受量子尺寸效应和表面效应的影响，其变化尤为显著。如贵金属所呈现的三阶非线性光学性能等。磁性能：铁磁性材料粒子的尺寸减小至单畴态时，通常呈现高的矫顽力，进一步减小尺寸，则受热扰动影响，表现为超顺磁性。纳米单元的制备方法通常有两种形式的制备：从小到大的构筑式，即由原子、分子等前体出发制备；从大到小的粉碎

5、式，即由常规块材前体出发制备（一般为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构性能，常采用构筑式制备法）。总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法三种。物理方法物理粉碎法：采用超细磨制备纳米粒子，利用介质和物料间相互研磨和冲击，并附以助磨剂或大功率超声波粉碎，达到微粒的微细化。物理气相沉积法（PVD）：在低压的惰性气体中加热欲蒸发的物质，使之气化，再在惰性气体中冷凝成纳米粒子，加热源可以是电阻加热、高频感应、电子束或激光等，不同的加热方法制备的纳米粒子的量、大小及分布等有差异；还有流动液面真空蒸发法，放电爆炸法，真空溅射法等。物理气相沉积法电子束加热等离子和激光加热适合实验室规模量产蒸发容

6、器的结构简单，除金属外，对SiC同样有效流动液面真空蒸发法通电加热蒸发法制备碳化物，Cr、Ti、V、Zr发烟量大，高熔点金属给出非晶物质，Nb、Ta、Mo化学方法化学气相沉积法（CVD）：采用与PVD法相同的加热源，将原料（金属氧化物、氢氧化物，金属醇盐等）转化为气相，再通过化学反应，成核生长得到纳米粒子；水热合成法：高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成；化学沉淀法：将沉淀剂加入金属盐溶液中，得到沉淀后进行热处理，包括直接沉淀，共沉淀、均一沉淀等；溶胶－凝胶（Sol-Gel）法：将金属有机醇盐或无机盐溶液经水解，使溶质聚合成溶胶再凝胶固化，再经低温干燥，磨细后再煅烧得到纳米粒子微乳液和反相

7、胶束法：微乳液和反相胶束是利用两种互不相容的溶剂（有机溶剂和水溶液），通过选择表面活性剂及控制相对含量，可将其水相液滴尺寸限制在纳米级，不同微乳液滴相互碰撞发生物质交换，在水核中发生化学反应，得到纳米粒子。表面活性剂可吸附在纳米粒子的表面，对生成的粒子起稳定和保护作用，防止粒子的进一步生长。另外通过选择表面活性剂及助剂还可以控制水相微区的形状，从而得到不同形状的纳米粒子包括球形、棒状、碟状，还可以制备纳米级核－壳双金属粒