第六章--纳米复合材料课件.ppt
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- 第六 纳米 复合材料 课件
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1、.第六章第六章 纳米复合材料纳米复合材料 纳米复合材料的概念于纳米复合材料的概念于20世纪世纪80年代中期年代中期由由Roy提出。纳米复合材料指的是由两种提出。纳米复合材料指的是由两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小(小(1-100nm)复合而成的复合材料。纳)复合而成的复合材料。纳米复合材料构成可示意如下:米复合材料构成可示意如下:5.1 概论概论5.1.1纳米复合材料的定义与组成纳米复合材料的定义与组成.非聚合物基非聚合物基 陶瓷陶瓷/金属金属 纳米复合材料纳米复合材料 金属金属/陶瓷陶瓷 陶瓷陶瓷/陶瓷陶瓷 有机聚合物有机聚合物/陶瓷陶瓷 纳米复
2、合材料纳米复合材料 无机物无机物/聚合物聚合物 聚合物基纳米复合材料聚合物基纳米复合材料 聚合物聚合物/聚合物聚合物.纳米复合材料与常规的无机填料纳米复合材料与常规的无机填料/聚合物复聚合物复合体系不同,不是有机相与无机相的简单混合体系不同,不是有机相与无机相的简单混合,而是两相在纳米尺寸范围内复合而成。合,而是两相在纳米尺寸范围内复合而成。由于分散相与连续相之间界面积非常大,界由于分散相与连续相之间界面积非常大,界面间有很强的相互作用,产生理想的粘接性面间有很强的相互作用,产生理想的粘接性能,使面模糊。作为分散相的有机聚合物通能,使面模糊。作为分散相的有机聚合物通常是指刚性棒状高分子,包括溶
3、致液晶聚合常是指刚性棒状高分子,包括溶致液晶聚合物和热致液晶聚合物等,它们以分子水平分物和热致液晶聚合物等,它们以分子水平分散在柔性聚合物基体中,构成有机聚合物散在柔性聚合物基体中,构成有机聚合物/有有机聚合物纳米复合材料;机聚合物纳米复合材料;.作为连续相有机聚合物可以是热塑性聚作为连续相有机聚合物可以是热塑性聚合物、热固性聚合物。聚合物基无机纳米合物、热固性聚合物。聚合物基无机纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等特性,而且将无机物的刚量子尺寸效应等特性,而且将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物
4、的韧性、加工性及介电性能结合在一起,从而性、加工性及介电性能结合在一起,从而产生许多特异的性能。产生许多特异的性能。.纳米复合材料的构成形式,概括起来有以纳米复合材料的构成形式,概括起来有以下几种:下几种:0-0型,型,0-1型,型,0-2型,型,0-3型,型,1-3型,型,2-3型等主要形式。型等主要形式。(1)0-0型复合,指不同成分、不同相或不型复合,指不同成分、不同相或不同种类的纳米微粒复合而成的纳米固体或同种类的纳米微粒复合而成的纳米固体或液体,通常采用原位压块、原位聚合、相液体,通常采用原位压块、原位聚合、相转变,组合等方法实现,具有纳米构造非转变,组合等方法实现,具有纳米构造非均
5、匀相,也成为聚集型。目前,聚合物基均匀相,也成为聚集型。目前,聚合物基纳米复合材料的纳米复合材料的0-0型复合主要体现在纳米型复合主要体现在纳米微粒填充聚合物原位形成的纳米复合材料。微粒填充聚合物原位形成的纳米复合材料。.(2)0-2型复合,指把米微粒填充到二维的纳米薄膜型复合,指把米微粒填充到二维的纳米薄膜中,得到纳米复合薄膜材料。它有可分为均匀弥散和中,得到纳米复合薄膜材料。它有可分为均匀弥散和非均匀弥散两类。非均匀弥散两类。(3)0-3型复合,指把米微粒分散在常规固体粉体中,型复合,指把米微粒分散在常规固体粉体中,这是聚合物基无机纳米复合材料合成的主要形式之一。这是聚合物基无机纳米复合材
6、料合成的主要形式之一。(4)1-3型复合,主要指纳米碳管、纳米晶须与常规型复合,主要指纳米碳管、纳米晶须与常规聚合物粉体的复合,对聚合物的增强有明显的作用。聚合物粉体的复合,对聚合物的增强有明显的作用。(3)2-3型复合,指无机纳米片体与聚合物粉体或聚型复合,指无机纳米片体与聚合物粉体或聚合物粉体前驱体的复合,主要体现在插层纳米复合材合物粉体前驱体的复合,主要体现在插层纳米复合材料的合成。从目前纳米复合材料的发展趋势看,料的合成。从目前纳米复合材料的发展趋势看,2-3型型复合纳米复合材料的发展非常强劲。复合纳米复合材料的发展非常强劲。.5.2 纳米复合材料的命名与分类纳米复合材料的命名与分类一
7、般有两种命名方式:一是根据复合材料的命名原则一般有两种命名方式:一是根据复合材料的命名原则来命名纳米复合材料,用来命名纳米复合材料,用“复合材料复合材料”作后缀,用纳作后缀,用纳米材料和基体材料的名称来命名,将增强纳米材料的米材料和基体材料的名称来命名,将增强纳米材料的名称写在基体材料的名称前面。如纳米氧化锌在纳米名称写在基体材料的名称前面。如纳米氧化锌在纳米量级上复合环氧树脂形成一种新的复合材料,就称为量级上复合环氧树脂形成一种新的复合材料,就称为“纳米氧化锌环氧树脂复合材料纳米氧化锌环氧树脂复合材料”,另一种以,另一种以“纳米纳米复合材料复合材料”作为后缀,用纳米材料的无机名称与有机作为后
8、缀,用纳米材料的无机名称与有机基体的聚合物名称来命名,将无机物与有机物用基体的聚合物名称来命名,将无机物与有机物用“/”隔隔开后缀纳米复合材料。如氧化锌以纳米微粒分散在连开后缀纳米复合材料。如氧化锌以纳米微粒分散在连续相聚氯乙烯基体中,形成纳米无机物与有机物于一续相聚氯乙烯基体中,形成纳米无机物与有机物于一体的新型复合材料,就称为体的新型复合材料,就称为“氧化锌氧化锌/聚氯乙烯纳米复聚氯乙烯纳米复合材料合材料”。5.2.1纳米复合材料的命名纳米复合材料的命名.5.2.2纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类可按其用途、性能、形态、基纳米复合材料的分类可按其用途、性能、形态、基体
9、材料、分散相组分类型等方式进行分类。体材料、分散相组分类型等方式进行分类。按用途分类:催化剂纳米复合材料、塑料纳米复按用途分类:催化剂纳米复合材料、塑料纳米复合材料、涂料纳米复合材料、纤维纳米复合材料、合材料、涂料纳米复合材料、纤维纳米复合材料、生物仿生纳米复合材料、黏合剂和密封剂纳米复合生物仿生纳米复合材料、黏合剂和密封剂纳米复合材料等。材料等。按性能分类:光电转换纳米复合材料、增强剂纳按性能分类:光电转换纳米复合材料、增强剂纳米复合材料、光学纳米复合材料、磁学纳米复合材米复合材料、光学纳米复合材料、磁学纳米复合材料等。料等。按形态分类:粉体纳米复合材料、膜材纳米复合按形态分类:粉体纳米复合
10、材料、膜材纳米复合材料、型材纳米复合材料等。材料、型材纳米复合材料等。.按基体材料分类:环氧树脂纳米复合材料、按基体材料分类:环氧树脂纳米复合材料、不饱和树脂纳米复合材料、丙烯酸树脂纳米不饱和树脂纳米复合材料、丙烯酸树脂纳米复合材料、聚烯烃树脂纳米复合材料等。复合材料、聚烯烃树脂纳米复合材料等。按分散相组分类型分类:氧化物纳米复合材按分散相组分类型分类:氧化物纳米复合材料、硫化物纳米复合材料、含氧酸盐纳米复料、硫化物纳米复合材料、含氧酸盐纳米复合材料、复合型纳米复合材料、纳米片状粘合材料、复合型纳米复合材料、纳米片状粘土矿物等构成的纳米复合材料等。土矿物等构成的纳米复合材料等。.按制备方法分类
11、:填充纳米复合材料,即按制备方法分类:填充纳米复合材料,即无机纳米组分以粉体形式分散在聚合物基无机纳米组分以粉体形式分散在聚合物基体中形成的复合材料,也可以由纳米微粒体中形成的复合材料,也可以由纳米微粒存在下有有机化合物原位复合而成。插层存在下有有机化合物原位复合而成。插层纳米复合材料,即粘土矿物为插层主体形纳米复合材料,即粘土矿物为插层主体形成的复合材料,粘土层状硅酸盐被剥离为成的复合材料,粘土层状硅酸盐被剥离为二维纳米片层分散在聚合物基体中;、杂二维纳米片层分散在聚合物基体中;、杂化纳米复合材料,即通过溶胶化纳米复合材料,即通过溶胶-凝胶技术合凝胶技术合成的无机组分为分散相的复合材料。成的
12、无机组分为分散相的复合材料。.5.3纳米复合材料的性能与特点纳米复合材料的性能与特点5.3.1纳米复合材料的基本性能纳米复合材料的基本性能l 可综合发挥各种组分的协同效能。这是单一可综合发挥各种组分的协同效能。这是单一的任何一种材料都不具备的多种性能,是复的任何一种材料都不具备的多种性能,是复合材料的协同效应赋予的。纳米复合材料的合材料的协同效应赋予的。纳米复合材料的这种协同效应非常显著。这种协同效应非常显著。l 性能可设计性,可针对纳米复合材料的性能性能可设计性,可针对纳米复合材料的性能需求进行材料的设计和制造。如:当强化紫需求进行材料的设计和制造。如:当强化紫外光屏蔽作用时,可选用外光屏蔽
13、作用时,可选用TiO2纳米材料进行纳米材料进行复合;当强化耐热性时,可选用聚酰胺基体复合;当强化耐热性时,可选用聚酰胺基体材料与纳米材料进行复合。材料与纳米材料进行复合。l 可按需要加工材料的形状。可按需要加工材料的形状。.5.3.2 纳米复合材料的特殊性能纳米复合材料的特殊性能1)同步增韧增强效应。)同步增韧增强效应。无机材料具有刚性,无机材料具有刚性,有机材料具有韧性,无机材料对有机材料有机材料具有韧性,无机材料对有机材料的复合改性,会提高有机材料的刚性,但的复合改性,会提高有机材料的刚性,但同时也会降低有机材料的韧性。因此,如同时也会降低有机材料的韧性。因此,如果仅是简单地把不同材料锚和
14、,这些复合果仅是简单地把不同材料锚和,这些复合性的效果往往是单一的。甚至是矛盾的。性的效果往往是单一的。甚至是矛盾的。而纳米材料对有机聚合物的复合改性,却而纳米材料对有机聚合物的复合改性,却使在发挥无机材料增强效应的同时,又能使在发挥无机材料增强效应的同时,又能起到增韧的效果,这是纳米材料对有机聚起到增韧的效果,这是纳米材料对有机聚合物的复合改性最显著的效果之一。合物的复合改性最显著的效果之一。.2)新品功能高分子材料。)新品功能高分子材料。传统功能高分子传统功能高分子材料一般包括化学功能高分子材料、光材料一般包括化学功能高分子材料、光功能高分子材料、电功能高分子材料、功能高分子材料、电功能高
15、分子材料、声功能高分子材料和生物医用高分子材声功能高分子材料和生物医用高分子材料等,基本都是通过化学反应合成的。料等,基本都是通过化学反应合成的。纳米复合材料是通过纳米材料改性有机纳米复合材料是通过纳米材料改性有机聚合物而赋予复合材料新的功能。纳米聚合物而赋予复合材料新的功能。纳米材料以纳米级水平分散在复合材料之中,材料以纳米级水平分散在复合材料之中,没有所谓的官能团,但可直接或间接地没有所谓的官能团,但可直接或间接地达到具体功能团的目的,诸如光电转换、达到具体功能团的目的,诸如光电转换、高效催化、紫外光屏蔽等。高效催化、紫外光屏蔽等。.3)强度大、模量高。)强度大、模量高。普通无机粉体对有机
16、聚普通无机粉体对有机聚合物基复合材料有较高的强度、模量,而合物基复合材料有较高的强度、模量,而纳米材料增强的有机聚合物复合材料却有纳米材料增强的有机聚合物复合材料却有更高的强度、模量,加入量很小(更高的强度、模量,加入量很小(3-5)即可使聚合物强度、刚度、韧性及阻隔性即可使聚合物强度、刚度、韧性及阻隔性能获得明显提高。能获得明显提高。4)阻隔性能。)阻隔性能。对与插层纳米复合材料,由于对与插层纳米复合材料,由于聚合物分子链进入到层状无机纳米材料片聚合物分子链进入到层状无机纳米材料片层之间,分子链段的运动受到限制,而显层之间,分子链段的运动受到限制,而显著提高了二维方向阻碍各种气体的渗透,著提
17、高了二维方向阻碍各种气体的渗透,从而达到很好的阻燃、气密的作用。从而达到很好的阻燃、气密的作用。.q在纳米复合材料的设计中,主要关注纳在纳米复合材料的设计中,主要关注纳米复合材料的功能设计、合成设计和这种米复合材料的功能设计、合成设计和这种特殊的复合体体系的稳定性设计,力求解特殊的复合体体系的稳定性设计,力求解决复合材料组分的选择、复合时的混合与决复合材料组分的选择、复合时的混合与分散、复合工艺、复合材料的界面作用及分散、复合工艺、复合材料的界面作用及复合材料物理稳定性等问题,最终获得高复合材料物理稳定性等问题,最终获得高性能、多功能的纳米复合材料。性能、多功能的纳米复合材料。5.4 纳米复合
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