高分子纳米复合材料.ppt
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1、第十章 高分子纳米复合材料,纳米科学是,20世纪末兴起的最重要的科技研究新领域,当今世界各国都将纳米科学技术列入重点研究开发的课题。,人类对物质的认识,宏观,微观,经典力学,基础理论,量子力学和相对论,介观领域,纳米科学,基础理论,基础理论,纳米科学: 1、纳米及纳米体系 、纳米是一个长度单位,1nm = 10-3m = 10-9m 。 、通常界定1100 nm的体系为纳米体系。 2、纳米科学 纳米体系,略大于分子尺寸的上限,恰好能体现分子间强相互作用。这种分子间强相互作用引起的许多性质,与常规物质相异,正是这种特异性质构成了纳米科学。,、纳米体系尺寸上限以上为宏观领域,尺寸下限以下为微 观领
2、域。其中,宏观领域以宏观物体作为研究对象,理论基础是 经典力学和电磁学;微观领域则以分子、原子作为研究对象,理 论基础是量子力学和相对论。 、显然,纳米体系领域需要用全新的理论为理论基础。即 形成纳米科学。 纳米晶体材料 纳米非晶体材料 纳米材料 纳米相颗粒材料 纳米复合材料 纳米科学 纳米结构材料 (内容上) 纳米技术:在纳米尺寸范围内对物质的加工、分 析、表征、利用等相关技术。,其中,聚合物纳米复合材料及其技术(聚合物纳米科学), 是当今发展最为迅速、最为贴近实用化的领域。 第一节 高分子纳米复合材料概述 一、纳米材料与纳米技术 1、纳米材料 是以纳米结构为基础的材料,或者以纳米结构为基本
3、单元构 成的复合材料。 、纳米结构 以具有纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑或营造 的一种新结构体系,称为纳米结构体系。,、纳米材料 纳米材料是在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围的物质,或者由它们作为基本单元构成的复合材料。 从微观角度分类,纳米材料大致有以下两类: A、纳米尺度范围的物质 一维纳米结构的膜型纳米材料,二维纳米结构的丝状纳米材料,三维纳米结构的纳米粉或者纳米颗粒材料。 B、纳米复合材料 无机-无机复合、无机-有机物复合、金属-陶瓷复合、聚合物-聚合物复合等多种复合形式的纳米复合材料。,从宏观角度分类,纳米材料大致有以下四类: A、纳米粉末 又称为超微粉或超细粉,是介于
4、原子、分子与宏观物质之间处 于中间物态的固体颗粒材料,在块状材料和复合材料制备方面应用 较多。 B、纳米纤维 指填加纳米粉的纤维材料。 C、纳米膜 分为单层膜和多层膜的纳米膜材料,在光电子学领域和膜分离 领域应用广泛。 D、纳米块体 由纳米粉末通过高压或烧结成型,或者用高分子材料复合构成 的块状材料。,2、纳米技术 纳米技术是借助现代科学技术手段的全新的实用科学,包括 纳米加工技术、纳米分析表征技术、纳米操控技术等新型的科技 方法和手段。目前在纳米技术领域最显著的现代技术主要有以下 几种。 、扫描隧道显微镜技术 扫描隧道显微镜(scanning tunnel microscope STM),是
5、 目前为止进行表面分析的最精密仪器之一。 直接观察到原子和分子,而且直接操纵和安排原子和分子。,、原子力显微技术 原子力显微镜(atomic force microscope,AFM)也是高分辨的显微仪器,具有与STM相近的分辨率。AFM不仅可以观察到非导电样品表面形态,而且还可以对数十个原子、甚至数个分子进行操控,包括化学反应,从而对其表面进行微加工,大大拓展了其应用范围,展示了 AFM 在未来大规模集成电路纳米级蚀刻技术方面的应用潜力。,二、纳米效应 纳米尺寸的物质,其电子的波性以及原子间的相互作用将受 到尺寸大小的影响。诸如,熔点等热学性能、磁学性能、电学性 能、光学性能、力学性能和化学
6、活性会出现与传统材料截然不同 的性质。一般认为导致纳米材料独特性能,主要基于以下四种基 本纳米效应。 1、表面效应 表面能随着粒径减小而增加的现象称为表面效应。 当颗粒状材料的直径降低到纳米尺度时,比表面积会非常 大,这样处在表面的原子或离子所占的百分数将会显著地增加。 然而由于缺少相邻的粒子,则出现表面的空位效应,表现出表面 粒子配位不足,表面能会大幅度增加。这种在纳米尺度范围内发 生的表面效应称为纳米表面效应。,2、小尺寸效应 当颗粒小至纳米尺寸时,所引起的宏观物理性质的变化称为纳米小尺寸效应。纳米小尺寸效应主要反映在熔点、磁学、电学和光学性能等方面均与大尺寸同类材料明显不同。 3、量子尺
7、寸效应 当颗粒状材料的尺寸小至纳米尺寸时,其电子能级由连续转 变为量子化(最高占据分子轨道和最低空轨道,使能隙变宽,出 现能级的量子化)。这时,纳米材料电子能级之间的间距,随着 颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能、静电能 以及磁能等的能量时,就会出现一系列与块体材料截然不同的反 常特性,这种效应称之为纳米量子尺寸效应。 例如,纳米颗粒具有高的光学非线性及特异的催化性能均属 此列。,4、宏观量子隧道效应 微观粒子(电子、原子)具有穿越势垒的能力称之为隧道效 应。一些宏观的物理量,如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件 中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统 的势垒而产
8、生性能变化,称为宏观量子隧道效应。 利用宏观量子隧道效应,可以解释纳米镍粒子在低温下继续 保持超顺磁性的现象。这种纳米颗粒的宏观量子隧道效应和量子 尺寸效应,将会是未来微电子器件发展的基础,它们确定了微电 子器件进一步微型化的极限。,三、纳米材料的制备方法 可分为物理法和化学法两大类。 1、物理方法 、真空冷凝法 是在采用高真空下加热(如电阻法、高频感应法等)金属等 块体材料,使其材料的原子气化或形成等离子体,然后快速冷 却,最终在冷凝管上获得纳米粒子。 真空冷凝方法特别适合制备金属纳米粉,通过调节蒸发温度 场和气体压力等参数,可以控制形成纳米微粒的尺寸。 真空冷凝法的优点是纯度高、结晶组织好
9、以及粒度可控且分 布均匀,适用于任何可蒸发的元素和化合物;缺点是对技术和设 备的要求较高。,、机械球磨法 是以粉碎与研磨相结合,利用机械能来实现材料粉未纳米化 的方法。该方法适合制备脆性材料的纳米粉。 机械球磨法的优点是操作工艺简单,成本低廉,制备效率 高,能够制备出常规方法难以获得的高熔点金属合金纳米超微颗 粒。缺点是颗粒分布太宽,产品纯度较低。 、喷雾法 喷雾法是通过将含有制备材料的溶液雾化,然后制备微粒的 方法。适合可溶性金属盐纳米粉的制备。,、冷冻干燥法 这种方法也是首先制备金属盐的水溶液,然后将溶液冻结, 在高真空下使水分升华,原来溶解的溶质来不及凝聚,则可以得 到干燥的纳米粉体。
10、采用冷冻干燥的方法还可以避免某些溶液粘度大,无法用喷 雾干燥法制备的问题。 2、化学方法 、气相沉积法 是利用金属化合物蒸气的化学反应来合成纳米微粒的一种方 法。 这种方法获得的纳米颗粒具有表面清洁、粒子大小可控制、 无粘接以及粒度分布均匀等优点。,、化学沉淀法 是液相法的一种。即,将沉淀剂加入到包含一种或多种离子 的可溶性盐溶液中,使其发生化学反应,形成不溶性氢氧化物、 水合氧化物或者盐类而从溶液中析出,然后经过过滤、清洗,并 经过其他后处理步骤就可以得到纳米颗粒材料。 常用的化学沉淀法可以分为共沉淀法、均相沉淀法、多元醇 沉淀法、沉淀转化法以及直接转化法等。 化学沉淀法的优点是工艺简单,适
11、合于制备纳米氧化物粉体 等材料。缺点是纯度较低,且颗粒粒径较大。 、水热合成法 水热法是在高温、高压反应环境中,采用水作为反应介质, 使得通常难溶或不溶的物质溶解、反应,还可进行重结晶操作。,、溶胶-凝胶法(Sol-Gel) 是将前驱物(一般用金属醇盐或者非醇盐)在一定的条件下水解成溶胶,再转化成凝胶,经干燥等低温处理后,制得所需纳米粒子的方法。 溶胶-凝胶法适合于金属氧化物纳米粒子的制备。 、原位生成法 原位生成法也称为模板合成法,是指采用具有纳米孔道的基 质材料作为模板,在模板空隙中原位合成具有特定形状和尺寸的 纳米颗粒。 模板可以分为硬模板和软模板两类。常见用于合成的模板有 多孔玻璃、分
12、子筛、大孔离子交换树脂等。这些材料也称为介孔 材料。,综上所述,目前纳米颗粒的制备方法,以物料状态来分基本 上可归纳为固相法,液相法和气相法三大类。 A、固相法制备的产物易固结,需再次粉碎,成本较高。物理 粉碎法工艺简单、产量高,但制备过程中易引人杂质。 B、气相法可制备出纯度高,颗粒分散性好,粒径分布窄而细 的纳米微粒。 C、近年来采用液相的化学方法加工纳米颗粒显示出巨大的优 越性和广阔的应用前景。这是因为依据化学手段,往往不需要复杂 的设备仪器,并可以获得规模化生产,这是物理法无法比拟的。,四、纳米结构材料(nanostructured materials) 纳米结构材料是,指含有纳米单元
13、的结构材料,即首先是具有宏观尺寸的结构材料,同时又具有纳米材料所具有的微尺寸性质。也就是纳米微观材料的某种集合或聚集态。 1、纳米结构材料的特征: 、具有尺寸小于100 nm 的原子区域(晶粒或相); 、显著的界面原子数; 、组成区域间相互作用。,2、纳米结构材料的分类 零维的原子簇和原子簇的集合(纳米分散材料) 按照空间维数分类 一维的多层薄膜(纳米层状材料) 二维的超细颗粒覆盖膜(纳米薄膜材料) 三维的纳米块体材料(纳米三维材料) 纳米晶态材料 按照颗粒结构状态分类 纳米非晶态材料 纳米准晶态材料 3、纳米结构材料的结构单元及特性 纳米结构材料一般包含两类组元,即结构组元和界面组元,其中最
14、重要的是界面组元。界面组元具有以下两个特点:首先是原子密度相对较低,其次是邻近原子配位数有变化。因为界面在纳米结构材料中所占的比例较高,以至于对材料性能产生较大影响。,五、纳米复合材料(nanocomposites) 1、纳米复合材料的分类 复合材料的复合方式可以分为四大类: 、0-0型复合 复合材料的两相均为三维纳米尺度的零维颗粒材料,是指将不同 成分,不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米复合物。 、0-2型复合 把零维纳米粒子分散到二维的薄膜材料中。 这种复合材料又可分为均匀分散和非均匀分散两大类,、0-3型复合 即,把零维纳米粒子分散到常规的三维固体材料中。 例如,把金属纳米粒子分
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