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纳米复合材料精选PPT

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高分子纳米复合材料详解ppt课件

高分子纳米复合材料详解ppt课件

物理性能方面
热性能：由于纳米粒子尺寸小，表面能高，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。
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。
物 理 气 相 沉 积 法
电 子 束 加 热
等
离
子
和
激 蒸发容器的结
光 加
构简单，除金 属外，对SiC 同样有效
热
适合实验室规模 量产
流 动 液 面 真 空 蒸 发 法
通
制备碳化物，
电
Cr、Ti、V、Zr
加
发烟量大，高
热
熔点金属给出 非晶物质，Nb、
蒸
Ta、Mo
发
法
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；
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
高分子纳米复合材料课件.ppt

高分子纳米复合材料课件.ppt


最重要的是界面组元。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。
高分子纳米复合材料课件
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：
①、0-0型复合
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。
高分子纳米复合材料课件
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 ①、真空冷凝法
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。
高分子纳米复合材料课件
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 的势垒而产生性能变化，称为宏观量子隧道效应。
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单元构
成的复合材料。 ①、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，称为纳高分米子纳结米构复合体材料系课件。
②、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：
衡合金固态分解、溶胶-凝胶法、气相沉积法、快速凝固法、晶晶 化法、深度塑性变形法等。
纳米复合塑料PPT课件

纳米复合塑料PPT课件

分类： 纳米微粒原位聚合法 聚合物基体原位聚合法 两相同步原位合成法
特点： 可一次聚合成型，适于各类单体及聚合方法，并保持纳米复 合材料良好的性能。多用于功能复合材料的制备。
19
纳米SiO2
通常粒径为20-60nm，化学纯度高，分散性好，比 表面积大。化学工业中成白炭黑，是目前世界上大规 模工业化生产的产量最高的纳米粉体材料。 将纳米SiO2加入到聚酯树脂、环氧树脂、乙烯基树 脂等可加工树脂材料中，能明显提高产品质量、方便 加工成型，提高生产效率、增加品种，扩大应用范围 等。 橡胶中加入纳米SiO2，产品强度、耐磨性、抗老化 性等得到很大提高。
15
层间插入法制备PCH的结构和分类
从材料微观形态的角度，可以将PCH材料分成以下三种类型
普通型
插层型
解离型
聚合物／粘土纳米复合材料可能的类型示意图
16
共混法
简介： 类似于聚合物的共混改性，将各种无机纳米微粒与聚合物直 接进行分散混合而得。可分为溶液共混法、悬浮或乳液共 混法、熔融共混法、机械共混法。
优点： 是制备纳米复合材料最简单、方便的方法，适合于各种形态 的纳米粒子。纳米材料可任意组合，粒子形态、尺寸可控 。
缺点： 无机纳米粒子易团聚，故控制粒子微区相尺寸及尺寸分布是 关键。解决方法：需对其进行表面处理，除采用分散剂、 偶联剂和表面功能改性剂等综合处理外，还可用超声波辅 助分散。
17
共混法
1，溶液共混 把基体树脂溶于溶剂，加入纳米粒子混合均匀后，除去溶剂或使之聚
合。 如：把PS溶于St中，加入纳米Al2O3，再使St聚合即得PS/ Al2O3纳米
复合材料。 2，乳液共混
先制成聚合物乳液，再与纳米粒子共混。 3，机械共混
聚合物纳米复合材料-课件1

聚合物纳米复合材料-课件1


进化的复合材料-贝壳
17
复合材料的基本结构模式
复合材料由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成复合材料的连续相； 增强剂（增强相、增强体）：复合材料中独立的形态分 布在整个基体中的分散相，这种分散相的性能优越，会使 材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度、模量较基体大， 或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。
- Melt Processing –(常规做法)
hp
New method(加入层状无机材料的悬浮液)
a novel compounding process using Na–montmorillonite water slurry for preparing novel nylon 6/Na–montmorillonite nanocomposites
用此技术已制备了丁苯橡胶/ 粘土、丁腈橡 胶/ 粘土、氯丁橡胶/ 粘土等纳米复合材料。
③聚合物插层法的有机溶液插层法
该法可分两步骤： 溶剂分子插层
通过有机溶剂降低蒙脱土片层间的表面极性，从而 增加与聚合物的相容性。 聚合物对插层溶剂分子的置换
有机改性的蒙脱土与聚合物溶液共混，聚合物大分 子在溶液中借助于溶剂而插层进入蒙脱土的片层间， 然后再挥发掉溶剂。
R（脂肪烃基）：
粘土改性剂
①C12H25 →十二烷基三甲基氯化铵 ②C16H33 →十六烷基三甲基氯化铵 ③C18H37 →十八烷基三甲基氯化铵 此外，十二烷基二甲基苄基氯化铵、
十八烷基二甲基苄基氯化铵等。
其它的阳离子 还能与该离子 进行交换吗？
有机铵盐改性后的粘土在酸性介质中水解， 水中的质子很难将铵盐基团置换下来，这说明 由离子键所形成的复合物是比较稳定的。
《纳米复合材料》PPT课件

《纳米复合材料》PPT课件


（1）热压烧结 热等静压(HIP)也属于热压烧结的一种。它是用金属箔代 替橡胶模具，用气体代替液体，使金属箔内的陶瓷基体 和纳米增强体混合粉末均匀受压。通常所用气体为氦气、 氩气等惰性气体，金属箔为低碳钢、镍、钼等。一热等静压烧结。 与一般热压烧结法相比，HIP法使混合物料受到各向同 性的压力，使显微结构均匀；另外HIP法施加压力高，在 较低温度下即可烧结。
（1）高强度、高韧性



陶瓷基纳米复合材料，特别是氧化物系陶瓷基纳米复合材料力学 性能的明显改善大致可归结如下： (1)纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大， 起到细晶强化作用。 (2)在弥散相内或弥散相周围存在高的局部应力，这种应力是基体和弥 散相之间热膨胀失配而产生的，使冷却期间产生位错。纳米级粒子钉 扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，使基体晶粒再细化而起增 强作用。 (3)纳米级粒子周围的局部拉伸应力引起穿晶断裂，并由于硬粒子对裂 纹尖端的反射作用而产生韧化。破坏模式从穿晶和晶间到单纯晶间断 裂，晶界相(通常约10％体积的无定形相)的改变和对高温力学性能影 响的减小，使高温力学性能获得明显改善。 (4)纳米级粒子在高温牵制位错运动，从而也能使高温力学性能获得明 显改善。
基体中的显微缺陷及晶须密集处同样存在较大内应力和孔 穴的积累而形成的疲劳裂纹。 疲劳裂纹的扩展是由于裂纹前沿所形成的微孔的连接而引 起的。当裂纹的扩展遇到SiC微粒或晶须时，裂纹扩展会停 止，而等待附近其他微孔的积累、连接，再引发裂纹形成 及扩展。 含有复合基体的SiCw增强纳米复合材料，其裂纹的形成及 扩展受基体韧化的影响，因而提高了其疲劳性能。
3 抗蠕变、抗疲劳性好
颗粒增强的纳米复合材料的最小蠕变速率要比基体合金低 2个数量级；在相同蠕变速率下，颗粒增强时可比未增强 基体的蠕变应力增加1倍左右，即纳米复合材料所承受的 应力提高了1倍。 晶须增强时又要比颗粒增强时抗蠕变性能更好。 一般纳米复合材料的应力指数n明显高于基体。基体的n约 为4—5，而纳米复合材料的n约为9—20。这反映了纳米 复合材料的蠕变速率对应力的敏感性大。 颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的疲劳强度和疲劳寿 命一般比基体金属高。纳米复合材料疲劳性能的提高可能 与其强度和刚度的提高有关。
功能高分子材料 第十章高分子纳米复合材料PPT课件

功能高分子材料 第十章高分子纳米复合材料PPT课件

纳米研究的范围是1到100纳米， 0.1纳米是单个氢原子的尺寸，因此所 谓0.1纳米层面的“纳米技术”是不存 在的。
材料
2
2．纳米科技概念的提出与发展
最早提出纳米尺度上科学和技术问题
的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理
查德·费恩曼。纳米科技的迅速发展是
在80年代末、90年代初。80年代初发明
当代最受爱戴的科 了费恩曼所期望的纳米科技研究的重要
纳米材料结构的特殊性[如大的比表面以及一系列新的效 应(小尺寸效应、界面效应、量子效应和量子隧道效应)]决定 了纳米材料出现许多不同于传统材料的独特性能，进一步优 化了材料的电学、热学及光学性能。
研究方面：一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和 谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律， 建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论；二是发展新型 纳米材料。
学家之一。他不但 仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子
以其科学上的巨大 贡献而名留青史，
力显微镜(AFM)等微观表征和操纵技术，
而且因在“挑战者” 它们对纳米科技的发展起到了积极的促
号航天飞机事故调 查中的决定性作用 而名闻遐迩。他还
进作用。与此同时，纳米尺度上的多学 科交叉展现了巨大的生命力，迅速形成
子、构造纳米结构，同时为科学家提供
在纳米尺度下研究新现象、提出新理论
的微小实验室。
同时，与纳米材料和结构制备过程
相结合，以及与纳米器件性能检测相结
合的多种新型纳米检测技术的研究和开
发也受到广泛重视。如激光镊子技术可
用于操纵单个生物大分子。
07.11.2020
材料
9
07.11.2020
10.3 纳米科技前景的展望
是一个撬开原子能 为一个有广泛学科内容和潜在应用前景
纳米复合材料 ppt课件

纳米复合材料 ppt课件

• 0-0复合：不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与 金属、陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷 、陶瓷与高分子等构成。
纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料，HRA达到91
2020/11/29
9
• 0-2复合：把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到 的纳米复合薄膜材料。
• 零维在空间三继尺度均在纳米尺 度，如纳米颗粒、原子团簇等；
• 一维在三继空间有两维处于纳米 尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米 管等；
• 二维在三维空间中有一维在纳米 尺度，如超薄膜、多层膜、超晶 格等。
2020/11/29
0维纳米Au颗粒
1维纳米Au线
6
• 纳米复合材料(Nano-composites)是由两种或两种以 上的固相至少在一维以纳米级大小(1~100nm)复合 而成的复合材料。
15
无机纳米复合材料制备 高能球磨法
• 将两种或两种以上无机粉末放入球磨机中，利用球 磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击 、研磨和搅拌，粉末颗粒经压延，压合，碾碎，再 压合的反复过程，获得纳米复合粉末，烧结后得到 纳米复合材料。
2020/11/29 行星式高能球磨机
不锈钢磨球
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• 高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金， 如 Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-W等材料，还可用于制备 TiAl、NiAl等金属间化合物和超硬合金等。
复合材料
Composite Materials
纳米复合材料
Nano-Composite Materials
2020/11/29
2
主要内容
➢纳米复合材料的定义 ➢纳米复合材料的分类 ➢纳米复合材料的制备 ➢纳米复合材料的应用
纳米及分子复合材料课件

纳米及分子复合材料课件


合，则这两个组分可以分别透过外壁进入另一个微反
应器发生反应。
纳米及分子复合材料
2、纳米粉体的化学制备方法
由于它受到外壁的限制，因此生成纳米级微乳 液滴尺寸的纳米颗粒。通常所用的表面活性剂为非 离子型的烷基酚聚氧乙烯等或离子型的碱金属皂活 性剂。据报道，用醇盐化合物、油和水形成的微乳 液制备出无团聚的BaTiO3立方形纳米晶，其尺寸为 6~17nm。由于乳液中微液滴的大小决定BaTiO3的 尺寸，同时液滴的大小仅受表面活性剂分子的亲水 性部分的尺寸所控制。因此纳米晶颗粒粒径分布较 窄。这正是此方法的特点。
纳米及分子复合材料
(4)以热解碳作碳源 以甲醛和甲酚合成了改性的酚醛树脂，在电炉中、
惰性气氛下，将酚醛树脂缓慢加热使之分解。升温速率 不大于30C／min，最终温度为1000℃。停电降温，在 惰性气氛保护下随炉冷却，得到高反应活性的多孔热解 碳。以此种树脂热解碳和SiO2微粉为原料，用不同的加 热方式均得到了碳化硅纳米晶须。高分子化合物制备高 反应活性热解炭的关键在于高分子化合物热解过程中产 生一种具有高度择优取向的中间相，这种中间相只有在 液相中才能产生并生长。
纳米及分子复合材料
(1)以碳纳米管作碳源 Hongjie Dai用碳纳米管、Si和I2作原料，清
华大学用碳纳米管、SiO2、Si作原料分别合成了 碳化硅纳米晶须。此法的关键是使用碳纳米管作 原料，由于碳化硅纳米晶须是通过以碳纳米管为 核的气固反应(4)合成的，所以碳纳米管的形貌就 决定了碳化硅晶须的形貌。但由于碳纳米管的质 量和产率均不高，价格昂贵，本身工业化生产条 件不成熟，而用其制备碳化硅纳米晶须从经济角 度上讲更是得不偿失，所以用碳纳米管作碳源难 以批量化生产碳化硅纳纳米及米分子晶复合须材料。
纳米复合材料. 共48页

纳米复合材料. 共48页

碳纳米管在基体中的分散，最常用的方法是物理机械方法， 如超声分散法和高速剪切法。
碳纳米管复合材料的界面。碳纳米管几乎是由排列成正六 边形的 SP2杂化的碳原子组成，因此它对绝大多数有机物 来说是惰性的。
界面粘结很差，影响复合材料性能提高。对CNT进行官能 化改性是改善复合材料界面的重要方法。
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纳米SiO2增强聚合物基复合材料
纳米SiO2 是无定型白色粉末( 指团聚状态)，是一种无毒、 无污染的无机非金属材料。
因粒径小、比表面积大以及表面羟基的存在而具有反应活 性，从而以优越的稳定性、补强性、增稠性和触变性在橡 胶、塑料、黏合剂、涂料等领域得到广泛应用。
由于纳米 SiO2表面能大、易于团聚，通常以二次聚集体的 形式存在，限制了其超细效应的充分发挥，在有机相中难 以浸润和分散。
插层法是将聚合物或单体插层于层状结构的无机物填料中， 使片层间距扩大，在随后的聚合加工过程中被剥离成纳米片 层，均匀分散于聚合物基体中而得到纳米复合材料。
9
原位分散聚合法，又称在位分散聚合法，是一类最简单、 最具有代表性的复合材料制备法，一般是将无机分子前驱 体和有机分子制成混合溶液，接着加入水和催化剂使无机 前驱体发生缩聚，随后加入氧化剂引发原位聚合，所得原 料经后续干燥处理 ，即得有机-无机纳米复合材料。
先进材料的制备及加工技术
江苏大学材料科学与工程学院
1
第四讲 二维纳米材料制备
纳米薄膜简介 纳米薄膜制备技术 石墨烯及其制备
2
第五讲 纳米复合材料
5.1 概述 5.2 聚合物基纳米复合材料 5.3 陶瓷基纳米复合材料 5.4 金属基纳米复合材料 5.5 纳米复合材料的应用
纤维增强聚合物基纳米复合材料中，以碳纳米管增强聚合 物基复合材料研究得比较广泛。
第7章 纳米复合材料

第7章 纳米复合材料

扫描隧道显微镜1981年由在IBM瑞士苏黎世实验室工作的G.Binning 和 H.Rohrer 发明。被列为20世纪80年度世界十大科技成果之一，1986年因此获诺贝尔物理学奖。
STM工作原理：基于量子力学的隧道效应。
G.Binning H.Rohrer
扫描隧道显微镜示意图
原子力显微镜（AFM）
原子力显微镜
AFM实物照片
扫描探针
磁盘图像
以热蒸镀法制备的 Si量子点的TEM影像
在GaSb基板以自组成法制成的量子点SEM影像 直径大小约50nm
C/SiC纳米复合纤维材料具有优异机械强度及导电特性（SEM）
骨骼是天然的纳米复合材料其中30%为胶原纤维 剩下的70%是纳米级的 磷酸钙晶体（SEM）
有
无
无限制
1nm
20nm
300nm
光学 显微术OM
原子级
原子级
1nm
横向 解析度
无
有
有
成分 分析
无
手续复杂
镀导电膜
样品 准备
无限制
真空
真空
成像 环境
0.1nm
0.1nm
1nm
成像 范围
原子级
无
10nm
纵向 解析度
扫描隧道 显微术STM
透射电子 显微术TEM
扫描电子 显微术SEM
扫描隧道显微技术
扫描隧道显微STM (Scanning Tunneling Microscope) 加工技术是纳米加工技术中的最新发展，可实现原子、分子的搬迁、除、增添和排列重组，可实现极限的精加工，原子级的精加工。
实验发现如果将金属铜或铝做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会产生激烈的燃烧，发生爆炸。有人认为用纳米颗粒的粉体做成火箭的固体燃料将会有更大的推力，可以用作新型火箭的固体燃料，也可用作烈性炸药。 另外，用纳米金属颗粒粉体作催化剂，可加快化学反应过程，大大地提高化工合成的产率。
纳米复合材料

纳米复合材料


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3
纳米微粒的熔点可远低于块状金属。例如 2nm的金颗粒熔点为600K．随粒径增加，熔 点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔 点可降低刮373K。此特性为粉末冶金工业提 供了新—工艺。
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4
利用等离了共振频率随颗粒尺寸变化的性 质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移 ，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料， 可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等．
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16
▪纳米复合材料(nanocomposites)是 指分散相尺度至少有一维小于100 nm 的复合材料(含有纳米单元相的复合材 料 )。从基体与分散相的粒径大小关系 ，复合可分为微米一微米、微米一纳 米、纳米一纳米的复合
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17
▪根据Hall—Perch方程，材料的屈服强度与晶 粒尺寸平方根成反比。这表明，随晶粒的细化 材料强度将显著增加。此外，大体积的晶区将
。
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24
（4）微乳液法
微乳液一般是由表面活性剂、助表面活性剂、油和 水组成的透明、热力学稳定的各向同性体系。其中 含有表面活性剂和助表面活性剂的单分子层所包裹 而形成微乳液滴状物，称为微反应器。通常所用的 表面活性剂为非离子型的 烷基苯酚聚氧乙烯醚等或离于型的碱金属皂活性剂 。据报道．用醇盐化合物、油和水形成微乳液制备 出无团聚的酸钡立方形纳米晶．用射线法测定的线 宽来计算其尺寸为6 nm—7 nm，由于乳液中微液 滴的大小决定钛酸钡的尺寸．同时液滴大小仅受表 面活性剂分子的亲水性部分的尺寸所控制，因此使 纳米晶颗粒粒径分布较窄。这正是此方法的特点。
缺点是原料价格较高．且对设备要求高。用
该方法可将二甲基二氯硅烷-氯系统或六甲基

插层纳米复合材料ppt课件


③可以进展离子交换
粘土的二维有序的层状构造，层间通常吸附 阳离子来维持电荷平衡。阳离子既可以是无 机金属阳离子，也可以是有机阳离子。
对于钠-蒙脱土而言，有机阳离子经过离子 交换进入蒙脱土的层间，构成有机蒙脱土， 聚合物或有机单体等插层客体因此容易插层 到有机蒙脱土的片层间。粘土与聚合物之间 存在强亲和性，插层客体不易零落。
它最早发现于美国的怀俄明州的古 地层中，为黄绿色的粘土；因加水 后膨胀成糊状，后来人们就把这种 性质的粘土， 统称为膨润土。
膨润土成分：
膨润土的主要成份是蒙脱土，是一种 由纳米级厚度的硅酸盐片层构成的粘土。 由两层硅氧四面体中间夹一层铝氧八面 体组成的层状粘土矿物。
根据蒙脱石所含的可交换阳离子种类、 含量及结晶化学性质的不同，分为钠基、 钙基、镁基、铝〔氢〕基等膨润土。
因此，这种离子置换具有不可逆性。
正是这种不可逆性，有机蒙脱土在比较苛刻 的插层工艺过程中，仍具有很好的稳定性，保 证了蒙脱土构造上的延续性、稳定性。
※ 有机阳离子改性剂作用
①将蒙脱土层间的水合阳离子交换出来 ②扩展蒙脱土层间的间隔
1.49nm
2.21nm
③能与高分子化合物基体有较强的分子 链结合力
※ 有机化改性方法
无水条件 下
干法
湿法
有水条件 下
预凝胶 法
有机溶剂 条件下
①改性方法の干法改性
蒙脱土与季铵盐〔蒙脱土的 15%～55%〕混合
提高温度至季铵盐熔融形状， 进展离子交换反响
研磨、过筛
有机蒙脱土
② 改性方法の湿法改性
滴加过量季
蒙脱土+水->悬浊液
1 2
70-80℃高速搅拌
铵盐溶液
3 恒温搅拌反响数小时，静置过夜
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复合材料
Composite Materials
材料科学与工程学院 刘颖教授主讲
纳米复合材料
Nano-Composite Materials
2
主要内容
➢纳米复合材料的定义 ➢纳米复合材料的分类 ➢纳米复合材料的制备 ➢纳米复合材料的应用
3
• 高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切 ，纳米技术为发展高性能新材料和对现有材料的性 能进行改善提供了一个新的途径。
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放电等离子烧结
颗粒间的放电
纳米SiCx纤维的联结 22
感应烧结
a-Fe
a-Fe a-Fe a-Fe
纳米TiN和纳米AlN复合制备的超硬材料，HRA达到91
9
• 0-2复合：把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到 的纳米复合薄膜材料。
• 可分为均匀弥散型和非均匀弥散型：均匀弥散型是 指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型 是指纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中。
纳米薄膜
纳米薄膜太阳能电池
10
低密度多孔镍形貌
13
• 按基体类型分为金属基、陶瓷基和聚合物基纳米
复合材料。
金属基纳米
金属/金属纳米复合材料
复合材料
金属/陶瓷纳米复合材料
纳米复合材料
陶瓷基纳米 复合材料
聚合物基纳 米复合材料
陶瓷/陶瓷纳米复合材料 陶瓷/金属纳米复合材料 聚合物/聚合物纳米复合材料 聚合物/金属纳米复合材料 聚合物/陶瓷纳米复合材料
• 2-3复合：无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物 前驱物的复合，主要是插层纳米复合材料的合成。
纳米碳管增强复合材料示意图
12
• 近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同 样可以作为纳米复合材料的母体，通过物理或化学 方法将纳米粒子填充在介孔中(孔洞尺寸为纳米或亚 微米级)，这种介孔复合体也是纳米复合材料。
20
非常规快速烧结
• 用纳米粉体制备纳米复合材料，最终显微结构中晶 粒仍要保持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉 末的巨大活性，在烧结过程中晶界扩散非常快，极 易发生晶粒快速生长。采用非常规烧结工艺，如微 波烧结、放电等离子烧结、感应烧结和自蔓延燃烧 合成等，可在烧结过程中降低烧结温度，缩短烧结 时间，加快冷却速度等，有效抑制晶粒的长大。其 中采用是比较有效的技术。
• 高能球磨法还能制备纳米晶复合材料。晶粒细化是由 于粉末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达 到临界值时，粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最 终形成纳米晶复合材料。
高能球磨制备的 Ti(C,N)粉末形貌， XRD分析显示f粉
末晶粒尺寸在 100nm以下
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• 西安交通大学通过对Al-Ti系粉末进行高能球磨和压 制烧结，发现Al-Ti合金系高能球磨后，各组元晶粒 得到细化，并且Ti在Al中发生了强制超饱和固溶， 烧结时形成纳米晶Al3Ti/Al复合材料。
• 0-3复合：把纳米粒子分散 到常规三维固体材料中， 也即纳米-微米复合材料。
• 通过纳米粒子加入和均匀 分散在微米粒子基体中， 阻止基体粒子的晶粒长大 ，以获得具有微晶结构的 致密材料，使材料强度、 硬度、韧性等力学性能得 到显著提高。
纳米-微米复合材料结构示意图
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• 1-3复合：主要是纳米碳管、纳米晶须与常规金属 粉体、陶瓷粉体和聚合物粉体的复合，对金属、陶 瓷和聚合物有特别明显的增强作用。
• Hwang等通过机械球磨Mg, Ti和C粉合成Mg-Ti-C纳 米复合材料，Mg晶粒尺寸在25~60nm之间, TiC颗粒 尺寸在30~70nm之间。Mg-Ti-C纳米复合材料具有高 的屈服强度和与Mg-Ti合金相似的高延展性。
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非晶晶化法
• 在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组 态将基本上保持不变，被“冻结” 形成长程无序的非 晶结构，再通过晶化热处理对原子进行“解冻”。控 制热处理温度和时间，使原子具有足够的能量和时间 进行扩散，得到纳米晶复合材料。
• 一维在三继空间有两维处于纳米 尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米 管等；
• 二维在三维空间中有一维在纳米 尺度，如超薄膜、多层膜、超晶 格等。
0维纳米Au颗粒
1维纳米Au线
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• 纳米复合材料(Nano-composites)是由两种或两种以 上的固相至少在一维以纳米级大小(1~100nm)复合 而成的复合材料。
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纳米复合材料的制备
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无机纳米复合材料制备 高能球磨法
• 将两种或两种以上无机粉末放入球磨机中，利用球 磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击 、研磨和搅拌，粉末颗粒经压延，压合，碾碎，再 压合的反复过程，获得纳米复合粉末，烧结后得到 纳米复合材料。
行星式高能球磨机
不锈钢磨球
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• 高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金， 如 Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-W等材料，还可用于制备 TiAl、NiAl等金属间化合物和超硬合金等。
• 纳米复合材料与传统复合材料在结构和性能上有明 显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物 理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。
纳米材料的典型 代表-纳米碳管
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纳米复合材料的定义
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• 纳米材料是指三维空间中至少有 一维处于纳米尺度范围内，或以 它们作为基本构成单元的材料。
• 零维在空间三继尺度均在纳米尺 度，如纳米颗粒、原子团簇等；
• 固相可以是非晶、晶态或兼而有之，而且可以是无 机、有机或二者都有。
Co-WC纳米复合硬 质合金微观形貌
Co-WC纳米复合硬 质合金材料
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纳米复合材料的分类
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• 按基体形状可把纳米复合材料大致分为0-0复合、02复合、0-3复合、1-3复合和2-3复合等主要形式。
• 0-0复合：不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子 复合而成的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与 金属、陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷 、陶瓷与高19
纳米晶双相复合NdFeB/α-Fe粉末的微观形貌
• 利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在20-30nm的纳 米晶双相复合NdFeB/α-Fe永磁粉末，其最大磁能积 可以达到126-132kJ/m3，将其与高分子树脂制成粘结 磁体的可广泛应用于计算机、打印机、空调、汽车 所用的微特电机及传感器等领域