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有机无机复合材料中的界面第二

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《复合材料》课件——第二章_复合材料界面和优化设计

《复合材料》课件——第二章_复合材料界面和优化设计
强体的浸润和结合，严重的界面反应将造成增强体 的损
伤和形成脆性界面相等十分有害。碳纤维/铝钛铜合 金复
合材料中，生成TiC，使界面附近的铝、铜富集。 500℃
时，在C纤维/铝材料界面生成Al4C3脆性层。
2.4 复合材料的界面
2.4.5 界面反应或界面扩散理论
在复合材料组分之间发生原
子或分子间的扩散或反应，从
因此，在研究和设计界面时，不应只追求界面结合而应考 虑到最优化和最佳综合性能。
2.3复合材料组分的相容性
物理相容性： 1. 是指基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷均匀
地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续现象。 2. 由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力不应在增
强剂上形成高的局部应力。 3. 另一个重要的物理关系是热膨胀系数。基体与增强相热膨
物理和化学吸附作用。液态树脂对纤维表面的良好浸润是 十分重要的。浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺 陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润将使 界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。
2.4 复合材料的界面
2.4.1界面润湿理论 ： 从热力学观点来考虑两个结合面与其表面能的关系，一般用 表面张力来表征。
胀系数的差异对复合材料的界面结合产生重要的影响，从 而影响材料的各类性能。
2. 3复合材料组分的相容性
物理相容性： 例如：
对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。这是因 为热膨胀系数较高的相从较高的加工温度冷却是将受到张 应力；
对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于抗拉强度， 处于压缩状态比较有利。
2.3复合材料组分的相容性
化学相容性： ➢ 对复合材料来说， 以下因素与复合材料化学相容性有关的

复合体系的典型界面反应

复合体系的典型界面反应
3C + 4Al → Al4C3
5.3.2 碳化硅-铝基复合体系 碳化硅纤维具有极高的熔点，在空气和金属中它的化
学惰性也较强。碳化硅纤维主要由非晶态SiC构成，表 面缺陷很小，并且十分光滑。这种纤维在真空中于 1400℃时强度开始下降。
5.3.3 氧化铝纤维-铝基复合体系
5.3.4 硼纤维-铝复合体系
采用纤维的目的：
玻璃纤维是水泥基复合材料常用的增强材料。 中碱与无碱玻璃纤维在普通硅酸盐水泥水化物中受到了两 种类型的侵蚀： 一种是化学侵蚀，即水泥水化生成的Ca(OH)2与玻璃纤 维的硅氧骨架之间发生化学反应生成水化硅酸钙，当水泥液 相中有NaOH、KOH存在时则加速了这一反应； 另一种是应力侵蚀，由于玻璃纤维表面存在着缺陷，水泥 水化生成的晶体可进入这些缺陷中，在缺陷端部造成应力集 中并使缺陷扩展。 从而破坏了玻璃纤维与水泥基体之间的界面结合。
表面处理后的碳纤维表面上形成各种不同类型的化 学络合物，除了含氧官能团与树脂形成氢键缔合或化学 键外，其他类型的基团也可能使各种聚合物在凝胶化时 改性，在界面形成不同力学和流变性能的层区。
因此，通过各种途径来改变表面官能团的种类和数 量，就有可能使纤维树脂形成更好的粘结而提高其复合 材料的综合性能。
物基体发生界 面反应。
表面处理剂的分子结构：
玻璃纤维表面基团：
硅氧硅基团≡Si－O－Si≡ 硅羟基 ≡Si－OH
一般都带有能与硅 羟基起化学反应的 活性羟基。
以硅烷偶联剂为例来说明这种反应的过程： (1)有机硅烷水解，生成硅醇：
OH (2)玻璃纤维表面吸水，生成羟基：
(3)硅醇与吸水的玻璃纤维表面反应，又分三步： 第一步：硅醇与玻璃纤维表面反应生成氢键：
材料的强度、延展性和韧性。很明显，如能控制这些反应， 就能使难熔金属丝增强的高温合金具有出色的性能。

第四章 材料的表面与界面 2

第四章 材料的表面与界面 2

14.3.2. 多晶体的晶界在无机材料中，多晶体的组织变化发生在晶粒接触处即晶界上，晶界形状是由表面张力的相互关系决定的，晶界在多晶体中的形状、构造和分布称为晶界构形。

为了便于讨论，我们仅仅分析二维的多晶截面，并假定晶界能是各向同性的。

如果两个颗粒间的界面在高温下经过充分的时间使原子迁移或气相传质而达到平衡，形成了固－固－气界面，如图4-17（A ）所示。

根据界面张力平衡关系： 2c o s2ψγγSVSS= (4-21)经过抛光的陶瓷表面在高温下进行热处理，在界面能的作用下，就符合(4-21)式的平衡关系。

式中ψ角称为槽角。

如果是固-固-液系统，这在由液相烧结而得到的多晶体中是十分普遍的。

如传统长石质瓷、镁质瓷等，这时晶界构形可以用图4-17(B)表示。

此时界面张力平衡可以写成： SLSS γγϕ⋅=212cos(4-22)由(4-22)式可见，二面角ϕ大小取决于γSS (固-固界面张力)与γSL (固-液界面张力)的相对大小。

如果γSS /γSL ≥2，则ϕ等于零，液相穿过晶界，晶粒完全被液相浸润，相分布如图4-18(A)和图4-19(D)所示。

如果γSL ＞γSS ，ϕ就大于120°，这时三晶粒处形成孤岛状液滴如图4-18(D)和图4-19（A ）所示。

γSS /γSL ＞3，ϕ就小于60°，液相沿晶界渗开，如图4-19(B)所示。

γSS /γSL 比值与ϕ角关系见表4-2。

图4-17 多晶体的晶界2无机材料制品在烧结后，是多相的多晶材料，当气孔未从晶体中排出时，即使由单组分的晶粒组成的最简单多晶体(如Al 2O 3瓷)也是多相材料，在许多由化学上不均匀的原料制备的无机材料中，除了不同相的晶粒和气孔外，当含SiO 2的高粘度液态熔体冷却时，还形成数量不等的玻璃相。

在实际材料烧结时，晶界的构形除了与γSS /γSL 之比有关外，高温下固-液之间、固-固之间还会发生溶解过程和化学反应，溶解和反应过程改变了固-液相比例和固-液相的界面张力，因此多晶体组织的形成是一个很复杂的过程。

有机_无机纳米复合材料的制备与界面特性

有机_无机纳米复合材料的制备与界面特性
第 + 卷第 & 期 ’##’ 年 "’ 月
功能材料与器件学报 2345167 38 8419:;3167 <6:=5;67> 61? ?=,;9=>
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有机 % 无机纳米复合材料的制备与界面特性
水解、 聚合与高分子单体的聚合同时进行， 形成高分 子 " 无机网络。为了控制材料的均匀性、纳米相的 大小和形状，使不相容的两相也能形成纳米复合材 料，必须采用两相同步形成网络的方法。在溶胶 " 凝胶过程中能同时进行的有机聚合有自由基加成聚 合和水性开环易位聚合，利用这种方法可以把不溶 的聚合物均匀地引入无机网络中，并达到纳米分散 的互穿网络界面。 例如 ##$ 在 %&’! 网络中聚合， 溶 胶 " 凝胶过程和单体分子聚合同时进行；又如开环 （’(） 聚合性高分子聚合与 %& ) 水解同时进行形成自 旋。 *+ ! 聚合物网眼限域复合法 这种方法的基本思想是高分子亚浓溶液可以提 供由纳米级至微米尺寸变化的网络空间。高分子链 上的基团与无机纳米微粒的某一元素形成的离子键 或配位键构成了有机 " 无机纳米复合材料两相之间 的界面作用力，经转化反应后生成金属化合物纳米 晶材料，致使聚合物和无机纳米微粒结合稳定。溶 液的浓度越高， 网眼的尺寸越小， 制备的微粒尺寸也 越小。纳米微粒在网眼中生成，由于受到网链的限 制，必然具有一定的稳定性。以下的方法可以实现 网络复合。
)期
韩高荣等 O 有机 " 无机纳米复合材料的制备与界面特性

复合材料的界面

复合材料的界面
是目前应用广泛的钛酸酯偶联剂，如三异硬酯酰基钛酸 异丙酯(TTS)。 适合范围：
用于不含游离水，只含化学键合水或物理结合水的干燥 填料体系。
Eg：碳酸钙、水合氧化铝等。
13
2 单烷氧基焦磷酸酯基型 适合范围： 用于含湿量较高的填料体系，如陶土、滑石粉等。 三(二辛基焦磷酰氧基)钛酸异丙酯(TTOPP—385)就是典型 的单烷氧基焦磷酸酯基型偶联剂。
9
填充、增强材料的表面处理
为了改进增强纤维与基体之间的界面结构，改善两者间的结合性能， 需要对增强纤维进行适当的表面处理。
表面处理的方法是在增强纤维表面涂覆上一种称为表面处理剂的物质， 包括浸润剂、偶联剂等其它助剂，以制造与基体间好的粘结界面。
10
１ 粉状颗粒的表面处理技术
无机粉体填料与有机高聚物的不相容性，重视研究改善粉 体填料的表面性质。
3
聚合物基复合材料界面的形成及作用机理 1. 界面的形成 两个阶段：基体与增强材料的接触与浸润过程；基体与增强 材料通过相互作用使界面固定阶段 界面层的结构包括：界面的结合力、界面区域的厚度和界面 的微观结构 通常对纤维进行表面处理以增强界面结合力
4
2. 界面作用机理
（1）界面张力、表面自由能、比表面能
lv
sv sl时，cos 0, 90o,不润湿
lv sv sl 0时，0<cos 1, 0o 90o,润湿
sv sl lv时，cos 1， 0o，完全润湿，粘附功最大
8
B. 化学键理论 偶联剂作用机理 强调增加界面的化学作用是改进复合材料性能的关键 硅烷偶联剂具有两种性质不同的官能团，一端为亲玻璃纤维的官能团 (X)，一端为亲树脂的官能团(R)，将玻璃纤维与树脂粘结起来，在界面 上形成共价键结合

复合材料的界面定义

复合材料的界面定义

复合材料的界面定义
复合材料是由两种或两种以上的材料组合而成的新材料，具有优异的性能和特点。

在复合材料中，界面是指不同组分之间的交界面，是复合材料中最重要的部分之一。

界面的性质和特点直接影响着复合材料的整体性能和应用范围。

因此，对复合材料的界面进行准确的定义是非常重要的。

首先，复合材料的界面可以被定义为不同组分之间的交界面，包括纤维和基体
之间的界面、不同填料之间的界面等。

这些界面通常是由于材料的不同成分或性质所导致的，因此界面的性质往往会对整体材料的性能产生显著的影响。

其次，复合材料的界面还可以被定义为材料的微观结构和相互作用的区域。

在
这些区域中，不同组分之间的相互作用会产生一系列的界面效应，如界面扩散、界面结合、界面应力传递等。

这些效应会直接影响着复合材料的力学性能、热学性能、耐久性等方面。

另外，复合材料的界面还可以被定义为材料的表面区域，包括纤维表面、填料
表面、基体表面等。

这些表面区域往往是复合材料与外界环境或其他材料之间的直接接触区域，因此界面的性质会直接影响着复合材料的耐腐蚀性、黏附性、润湿性等方面。

综上所述，复合材料的界面可以被定义为不同组分之间的交界面、材料的微观
结构和相互作用区域，以及材料的表面区域。

界面的性质和特点直接影响着复合材料的整体性能，因此对复合材料的界面进行准确的定义是非常重要的。

在未来的研究中，我们需要进一步深入理解复合材料的界面定义，探索界面效应对复合材料性能的影响机制，为复合材料的设计、制备和应用提供更加科学、准确的理论基础。

第五章 有机-无机复合材料中的界面第一讲


安远炮台始建于清光绪十年（1884年）中法战争镇海 役之前，安远炮台为黄泥、沙、石灰、和糯米的混合 物夯实而成，极坚固。
复合材料的定义
关于复合材料的定义人们说法不同。有人说“复合材料 是由两种或者两种以上单一材料构成的具有一些新性能的 材料”，这种解释虽容易被人理解，但从科学的角度来看，
尚不完善，也不够确切。
(3)散射和吸收效应：光波、声波、热弹性波、冲击波等在界面产生 的散射和吸收，加透光性、隔热性、隔音性、耐冲击性等。
(4)感应效应 在界面产生的感应效应，特别是应变、内部应力和由 此而引起的现象，如弹性、热膨胀性、抗冲击性和耐热性的改变 等。感应(或诱导)可以是一种物质(通常是增强物)的表面结构使另 一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构出了诱导作用而 改变。
thermosetting 酚醛树脂 phenolic resin 热固性树脂
（重要）
不饱和树脂 unsaturated resin etc.
聚合物基CM thermoplastic 热塑性树脂
金属基CM Al、Mg、Ti
聚烯烃： PE、PP、Polyolefin
Polyamide
Polycarbonate
我国在封建时代故宫的 建造中所使用了粘合剂
茅草和泥土的复 合－建造房子
紫金山庄稻草裹水泥制盖板 负责 人称是竹篾环保型
安远炮台
120多年前，清朝 军队在镇海大战 103天，击败了入 侵法军，取得中法 战争期间(1883年12 月至1885年4月)海 岸保卫战的首次胜 利。法远东舰队司 令孤拔 此役受重伤！
传统颗粒增强复合材料的粒子要求
1.粒子的尺寸为1~50 μm以下。其它参数粒子间距为1~25μm，体积分数 为0.05~0.5。 2.粒子具有亲水表现粒子的极性 3.粒子的化学成分、制备方法、晶型、颗粒形状、粒度分布、比表面积、 表面结构、杂质含量

第4章复合材料的界面

• 物理效应，引起各组分间相互浸润、扩散、相溶性、界面吉布斯自 由能等变化； • 化学效应，导致界面上的化学反应，形成新的界面层结构； • 力学效应，引起界面上的应力分布。具有弱界面的复合材料有较低 的强度和刚度，但它的断裂抗力较高；具有强界面的复合材料有较高 的强度和刚度，但非常脆。
界面的基本概念
界面的形成与作用机理
§界面的作用机理
（七）优先吸附理论
树脂胶液中，各组分在玻璃纤维上的吸附能力各不相同，纤维表面优 先吸附基体体系中的助剂。例如胺类固化环氧树脂，优先吸附胺类，使界 面层基体内分布为一梯度，有利于消除应力，改善复合材料的力学性能。
界面的破坏机理
§影响界面黏结强度的因素
（1）纤维表面晶体大小及比表面积
碳纤维复合材料的界面黏结强度随纤维表面晶体尺寸增大而下降。 纤维的比表面积大，黏结的物理界面大，粘结强度高。但对于不同的 纤维和不同的表面处理，应该具体问题具体分析。 （2）浸润性 界面的黏结强度随浸润性增加而增大，随空隙率的上升而下降。 （3）界面反应性 界面黏结强度随界面反应性的增大而增大，界面的反应性大小与复合 材料层剪强度紧密相关。制备复合材料时要尽可能多地向界面引入反应基 团，增加界面化学键合比例，提高复合材料性能。
第4 章 聚合物基复 合材料的界面
本章主要内容
1 2 3 4 5
第一节 界面的基本概念 第二节 界面的形成与作用机理 第三节 界面的破坏机理 第四节 纤维的表面处理
第五节 复合材料界面的研究
界面的基本概念
• 界面——纤维复合材料中增强纤维和基体之间
共有的接触面。 • 聚合物基复合材料的三要素：界面、纤维和基 体。 • 影响复合材料性能的因素：①增强材料的性能， 如纤维的形状、排列等；②基体的性能；③复 合材料的结构及成型技术；④复合材料中纤维 和基体界面的结合状态，即界面层的性能。

复合材料界面理论简介

复合材料界面理论简介摘要：纤维复合材料作为先进材料，质量轻，强度高等特点使其在航空、航天、船舶、汽车等工程领域应用越来越发挥其重要性。

随着复合材料应用领域的扩展，对材料性能提出了更高的要求。

复合材料的性能取决于增强体纤维、树脂基体和界面性能，其中纤维和树脂之间的界面粘结力是一个重要因素。

界面粘结强度，即纤维断裂处通过基体向纤维传递应力的能力，直接影响到复合材料的强度、韧性和破坏模式等宏观力学行为。

因此，研究界面之间的相互作用，对于界面的设计、预测有非常重要的作用。

本文介绍了几种常见的几面之间的相互作用理论。

关键词：界面；形成；相互作用理论；1界面简介复合材料是由两种或两种以上化学和物理性质不同的材料复合而成的，那么必然存在着异种材料的接触面，这个接触面就是界面。

一般人们对复合材料界面的定义是，指基体与增强物之间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。

聚合物基复合材料界面的形成可以分成两个阶段：第一阶段是基体与增强纤维的接触与浸润过程。

增强纤维优先吸附能较多降低其表面能的组分，因此界面聚合物在结构上与聚合物基体是不同的。

第二阶段是聚合物的固化阶段。

聚合物通过物理的或化学的变化而固化，形成固定的界面层。

2界面作用理论2.1浸润性理论1963年，Zisman提出浸润性理论，认为浸润是形成界面的基本条件之一，若两相物质能实现完全浸润，则表面能较高的一相物体表面的物理吸附将大大超过另一相物体的内聚能强度，从而使两相物体具有良好的粘合强度。

这种理论认为两相物体间的结合模式属于机械互锁和浸润吸附。

其中机械粘合是一种机械互锁现象，即在形成复合材料的两相相互接触过程中，若浸润性差，两相接触的只是一些点，接触面有限（见图1(a)）。

若浸润性好，液相可扩展到另一相表面的坑凹中，因而两相接触面积大，结合紧密，产生机械锚合作用（见图1(b)）。

而物理吸附主要为范德华力的作用。

图1浸润与不浸润的界面显然，聚合物基体对增强材料良好的浸润性将有利于提高界面的复合强度，但浸润性不是界面粘接的唯一条件。

第二章 复合材料的界面及界面优化

18
19
机械结合 基体与增强材料之间不发生化学反应，靠 纤维的粗糙表面与基体产生机械互锁而实现的。
在钢筋与混凝土之间的界面上会产生剪应力， 为此，在预应力钢筋的表面带有螺纹状突起。
20
表面越粗糙，互锁作用越强，机械粘结作 用越有效。
在大多数情况下，纯粹机械粘结作用很 难遇到，往往是机械粘结作用与其它粘结机理 共同起作用。但机械结合方式几乎存在于所有 复合材料中。
类型3
纤维与基体互不反应 纤维与基体互不反 纤维与基体反应形成界面
亦不溶解
应但相互溶解
反应层
钨丝 / 铜 Al2O3 纤维 / 铜 Al2O3 纤维 / 银 硼纤维（BN表面涂 层） / 铝 不锈钢丝 / 铝 SiC 纤维 / 铝 硼纤维 / 铝 硼纤维 / 镁
镀铬的钨丝 / 铜 碳纤维 / 镍 钨丝 / 镍 合金共晶体丝 / 同 一合金
二、界面的效应
(3)不连续效应 在界面上产生物理性能的不连续性和 界面摩擦出现的现象，如抗电性、磁性、耐热性等。
(4)散射和吸收效应 光波、声波、热弹性波、冲击 波等在界面产生散射和吸收，如透光性、隔音性、隔 热性、耐机械冲击及耐热冲击性等。
(5)诱导效应 一种物质(通常是增强相)的表面结构使 另一种(通常是聚合物基体)与之接触的物质的结构由 于诱导作用而发生改变，由此产生一些新的现象，如 低的膨胀性、耐冲击性和耐热性等。
钨丝 / 铜 – 钛合金 碳纤维 / 铝（ 580 C） Al2O3 纤维 / 钛 硼纤维 / 钛 硼纤维 /钛-铝 SiC 纤维 / 钛 SiO2 纤维 / 钛
37
界面结合结合太弱，受载时，纤维大量拔出，强度 低；结合太强，纤维受损，复合材料脆断，既降低 强度，又降低韧性。只有界面结合适中的复合材料 才呈现高强度和高韧性。
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(4). 影响纳米微粒前驱体水解、缩聚的因素 （a）催化剂 酸性条件下，亲电取代为主 碱性条件下，亲核取代为主 在不同的 PH条件下生成的无机物网络结构不同 Ti(OC4H9)4 + H2O TiO2 沉淀 Ti(OC4H9)4 + H+ (pH ~ 3-5 ） TiO2 凝胶 Ti(OC4H9)4 + H+ (pH <1) TiO2 溶胶
5.5插层复合材料 南京工业大学 材料学院
5.5 插层复合材料 5.5.1 简介
插层复合材料，纳米级粘土与高分子有机化合物以某种方式形成的复合材料。这类纳米复合材料最早是 由日本学者在1987年开创合成的。现在已商品化的粘土纳米复合材料，作为工程塑料用于制造汽车零 部件等。
对于制备纳米复合材料的粘土，应具有以下特殊性质：
高岭土层间距很小，很难插层高分子聚合物，可以通过先插层极性酰胺类物质，使层间距扩大，再进行 高分子聚合物取代插层，
形成复合材料。
(2) 海泡石 海泡石属斜方晶系，为链层状水镁硅酸盐或镁铝硅酸盐矿物，化学式为Mg3[Si1203](OH)4(H20)4·8H20， 结构单元晶层由2层硅氧四面体之间夹一层金属阳离子八面体组成，为2：1构型。
•层状超晶格结构
缩氨酸
超晶格层状结构 phage 抗菌素
Characterization of the liquid crystalline suspensions of A7 phage–ZnS nanocrystals (A7ZnS) and cast film.
AFM micrograph of a cast film from an A7-ZnS suspension (30 mg/ml) showing close-packed structures of the A7 phage particles.
Dendron Rodcoil分子及其与ZnO形成杂化材料
杂化材料特点 ： (1)有机分子与无机分子间以化学键键合，具有良好的物化性能及光学性能，兼备无机材料 和有机材料的性质；
(2) 合成反应处于液相分子状态，所得材料结构均匀，人们可按照预定性质“定做”玻璃杂 化材料；
(3)有机改性玻璃是由无机物和有机物在原子或分子尺度上复合而成的，其中的无机网络具 有优良的抗磨性能，而良好的塑性则归之于其中的有机基团；
（1）Si02-聚碳酸酯杂化复合材料 polycarbonate;PC; [—O—R—O—C(O)—]n
TEOS为纳米SiO2的前驱体 PC的CHCl3溶液中进行酸性水解和缩聚 经净化处理，最后高温成型 纳米SiO2相复合聚碳酸酯杂化材料。
SiO2组成的聚碳酸酯杂化材： 1)无色透明状态; 2)SiO2均形成粒径为300-400 nm左右的颗粒，并均匀分散在聚碳酸酯连续相中; 3)纳米SiO2颗粒边界非常模糊； 4) 由于无机纳米SiO2网络的存在，杂化材料的玻璃化温度有了明显的提高。
有机无机复合材料中的界面第二
1
2020/11/26
5.3.1溶胶－凝胶（sol-gel)技术 分散相：以颗粒状态存在的不连续相称为分散相，颗粒又称分散质 分散质所处的介质称为分散介质，为连续相 分散质在某个方向上的尺度介于1-100 nm时这种分散体系称为胶体体系，称为胶体，如果胶 体是流动性的称为溶胶（sol)，若缺少流动性，处于软固体状态称为凝胶(gel)。 (1)水－金属盐形成sol-gel体系 金属离子水解：
SiO2杂化材料 以聚合物前躯体或其预聚体或聚合物的形式，通过溶胶—凝胶技术形成的Si02纳米杂化材料.
聚合物或齐聚物或前躯体主要有：聚二甲基硅烷、聚环氧丁烷、聚环氧乙烷、聚环氧丙烷、聚甲基唿 唑啉(PMOZO)、聚对苯乙炔、聚乙烯基吡咯烷酮、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯基亚胺、聚醚酮、环氧 树脂、聚己内酯、聚氨酯、聚硅酸酯、聚碳酸酯、聚乙烯醇、聚乙酸乙烯酯、聚丙烯酸、聚丙烯酸酯、 聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚苯乙烯、聚乙烯基吡啶、聚二甲基丙烯酰胺、纤维素、乙酸纤维素， 以及聚丁二烯、丁苯橡胶、丁基橡胶、硅橡胶、丁腈橡胶等各种橡胶。
粘土的种类：高岭土、蒙脱土、伊利土、凹凸棒石、海泡石等。
粘土大多数属于2：1型的层状或片状硅பைடு நூலகம்盐矿物，主要结构单元是二维排列的硅氧四面体和二维排列的 铝氧八面体
二维排列的硅氧四面体(a)和铝氧八面体(b) 晶格顶点是一个氧原 子
几种典型粘土的结构： （1）高岭土 高岭土的化学式为Al(Si4010)(OH)8。 一层硅氧四面体和一层铝氧八面体通过共同的氧互相连接形成一个晶层单元，所以称为1：l型层状硅 酸盐 .
PC锅 盖
(3) SiO2·聚丙烯酸酯杂化复合材料 甲基丙烯酸甲酯+TEOS 甲基丙烯酸环氧丙酯和氨丙基三乙氧基硅烷改性剂 SiO2-聚丙烯酸酯 杂化复合材料
(3) Si02-聚硅氧烷杂化复合材料 聚硅氧烷是一类杂原子链高分子弹性材料，高柔性材料。在溶胶—凝胶技术制备 Si02玻璃态材料时，利用二甲 基硅氧烷或甲基硅氧烷参与硅氧烷的溶胶—凝胶过程中的水解和缩聚，形成有机-无机杂化材料。
(4) 影响材料的光学透明性，提高复合材料的硬度、抗磨性。
任务：A12O3杂化复合材料的制备和特点
5.4 自组装有机-无机材料中的界面
了解国内外有关化学材料研究动态；增加知识面，开阔眼界；培养和提高良好科学素养，提高认识客观规 律和进行科学研究的能力.
Keywords: Aggregation; organization; self-aggregation; self- organization; self-assembly
水解后的化合物缩聚形成凝胶： 无机物缩聚 三Si—OH + HO—Si三 三Si—O—Si三+H20 三Si—OR+HO—Si三——三Si—O—Si三+HOR
水解－缩聚形成纳米微粒:
iphone硅胶套.
除Si元素之外，还Ti，Zr，Al，B。常见可水解化合物的是Si(OEt)4，其他还有(CH3)2Si(OEt)2， CH3Si(OMe)3；Ti(OC4H9)4。
海泡石层状结构
(3) 蒙脱土 蒙脱土的最简单化学成分是A1203·4Si02·3H20, 属于2：1型的3层结构的粘土矿物
蒙脱土的晶体结构示意图
蒙脱土显微的片层结构
5.5.2 粘土的有机化处理 粘土因层间有大量无机离子，对有机化合物呈疏性。利用粘土晶层间金属离子的可交换性，以有机阳
离子交换金属离子，使粘土有机化。粘土被有机阳离子处理后，与插层的有机聚合物或有机分子化合物 有了良好的亲和性，有机化合物可以较容易地插层 到粘土的层间 蒙脱土的有机化改性
b）金属离子的相对活性
金属烷氧化合物的反应活性顺序是： Zr(OR)4 >A1(OR)3> Ti(OR)4> Sn(OR)4 >Si(OR)4
(c)溶胶-凝胶的介质 常用的介质是水、醇、酰胺类、酮、卤代烃等，它们有的既是溶剂，又是参与反应的组分。
5.3.2 采用sol-gel技术制备杂化复合材料的方法 (1)硅氧烷为前驱体的分散体系
Si(OR)4 H+ OH-1 H2O(RO)3Si-OH (RO)3Si-O-Si(OR)3 (2) 金属烷氧化物为前驱体的分散体系原位生成杂化复合材料
M(OR)n M = Ti, Zr, Al, Si, etc Ti(OC4H9)4 + 四氢呋喃 苯乙烯－顺丁烯二酸酐 聚合物 苯乙烯－顺丁烯二酸酐 /TiO2杂化材料 利用无机组分溶胶－凝胶过程中与聚合单体分子同时进行聚合形成模糊界面/无界面有机-无机杂化材料 （3）分散质在大分子分散剂中原位生成纳米复合材料 在溶胀交联的、离子聚合体的或者结晶化的聚合物溶液与金属烷氧化物的相应溶液具有可溶性，通过无机组 分的溶胶－凝胶反应形成几十纳米大小粒子。 钛酸四丁酯+聚2-乙烯基吡咯在水催化下形成TiO2/聚2-乙烯基吡咯杂化材料
1)在催化剂的作用下，TEOS首先水解，形成可缩聚的水解物；
2)随着TEOS的水解，形成硅氧烷低聚物，反应的形式主要以TEOS水解和自缩聚为主。反应形 式如下：
第一，硅氧烷化合物的水解，形成溶胶： Si(OR)4+H20(HO)Si(OR)3+ROH (HO)Si(OR)3+H20 (HO)2Si(OR)2+ROH (HO)2Si(OR)2+H20 (HO)3Si(OR)+ROH (HO)3Si(OR)+H20 Si(HO)4+ROH 一般的水解反应表达形式： Si(OR)4 + xH20 M(OH)x(OR)n-x +xROH
M n+ + n H2O M(OH)n + H+ (2)醇－金属盐形成sol-gel体系 水解：M(OR)n +xH2O M(OH)x(OR)n-x + xROH M = Ti, Zr, Al, Si, etc
(3) 醇-金属盐形成sol-gel体系的水解机理 Si(OR)4(TEOS)是最早用于制备纳米复合材料的无机组分的前驱体. TEOS的水解和缩聚大致可以分为两个步骤。
由于蒙脱土中的钠离子更易被有机阳离子所置换，将普通蒙脱 土“钠化” ，钠型蒙脱土与有机铵阳离 子诸如脂肪烃基三甲基氯化 铵在水溶液中进行离子交换反应，交换反应可表示为：
R为C12H25、C14H29、C6H33、C18H37等脂肪烃基
插层方法：物理插层和化学插层
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2020/11/26
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①粘土层状的矿物。②粘土的纯度。③可以通过有机阳离子和无机金属离子的离子交换反应来调节粘土 的表面化学特性。④粘土稳定性好粘土的典型结构：
粘土矿物的结构由四面体配位阳离子(Si 4+，Al 3+，Fe 3+)和八面体配位阳离(Al 3+，Fe 3+，Fe 2+，Mg 2+)结合成层状格子或链状格子。