納米復合技術發展范文

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一、納米材料的特性

當材料的尺寸進入納米級，材料便會出現以下奇異的物理性能：

1、尺寸效應

當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態的相干長度或投射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體的邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面附近原子密度減小，導致聲、光電、磁、熱、力學等特性呈現出新的小尺寸效應。如當顆粒的粒徑降到納米級時，材料的磁性就會發生很大變化，如一般鐵的矯頑力約為80A/m，而直徑小于20nm的鐵，其矯頑力卻增加了1000倍。若將納米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力學性能，甚至還可以賦予其新性能。

2、表面效應

一般隨著微粒尺寸的減小，微粒中表面原子與原子總數之比將會增加，表面積也將會增大，從而引起材料性能的變化，這就是納米粒子的表面效應。

納米微粒尺寸d（nm）包含總原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099從表1中可以看出，隨著納米粒子粒徑的減小，表面原子所占比例急劇增加。由于表面原子數增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，很容易與其它原子結合。若將納米粒子添加到高聚物中，這些具有不飽和性質的表面原子就很容易同高聚物分子鏈段發生物理化學作用。

3、量子隧道效應

微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘而產生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。它的研究對基礎研究及實際應用，如導電、導磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。

二、高聚物/納米復合材料的技術進展

對于高聚物/納米復合材料的研究十分廣泛，按納米粒子種類的不同可把高聚物/納米復合材料分為以下幾類：

1、高聚物/粘土納米復合材料

由于層狀無機物在一定驅動力作用下能碎裂成納米尺寸的結構微區，其片層間距一般為納米級，它不僅可讓聚合物嵌入夾層，形成“嵌入納米復合材料”，還可使片層均勻分散于聚合物中形成“層離納米復合材料”。其中粘土易與有機陽離子發生交換反應，具有的親油性甚至可引入與聚合物發生反應的官能團來提高其粘結。其制備的技術有插層法和剝離法，插層法是預先對粘土片層間進行插層處理后，制成“嵌入納米復合材料”，而剝離法則是采用一些手段對粘土片層直接進行剝離，形成“層離納米復合材料”。

2、高聚物/剛性納米粒子復合材料

用剛性納米粒子對力學性能有一定脆性的聚合物增韌是改善其力學性能的另一種可行性方法。隨著無機粒子微細化技術和粒子表面處理技術的發展，特別是近年來納米級無機粒子的出現，塑料的增韌徹底沖破了以往在塑料中加入橡膠類彈性體的做法。采用納米剛性粒子填充不僅會使韌性、強度得到提高，而且其性價比也將是不能比擬的。

3、高聚物/碳納米管復合材料

碳納米管于1991年由S.Iijima發現，其直徑比碳纖維小數千倍，其主要用途之一是作為聚合物復合材料的增強材料。

碳納米管的力學性能相當突出。現已測出碳納米管的強度實驗值為30－50GPa。盡管碳納米管的強度高，脆性卻不象碳纖維那樣高。碳纖維在約1%變形時就會斷裂，而碳納米管要到約18%變形時才斷裂。碳納米管的層間剪切強度高達500MPa，比傳統碳纖維增強環氧樹脂復合材料高一個數量級。

在電性能方面，碳納米管作聚合物的填料具有獨特的優勢。加入少量碳納米管即可大幅度提高材料的導電性。與以往為提高導電性而向樹脂中加入的碳黑相比，碳納米管有高的長徑比，因此其體積含量可比球狀碳黑減少很多。同時，由于納米管的本身長度極短而且柔曲性好，填入聚合物基體時不會斷裂，因而能保持其高長徑比。愛爾蘭都柏林Trinity學院進行的研究表明，在塑料中含2%－3%的多壁碳納米管使電導率提高了14個數量級，從10-12s/m提高到了102s/m。

三、前景與展望

在高聚物/納米復合材料的研究中存在的主要問題是：高聚物與納米材料的分散缺乏專業設備，用傳統的設備往往不能使納米粒子很好的分散，同時高聚物表面處理還不夠理想。我國納米材料研究起步雖晚但發展很快，對于有些方面的研究工作與國外相比還處于較先進水平。如：漆宗能等對聚合物基粘土納米復合材料的研究；黃銳等利用剛性粒子對聚合物改性的研究都在學術界很有影響；另外，四川大學高分子科學與工程國家重點實驗室發明的磨盤法、超聲波法制備聚合物基納米復合材料也是一種很有前景的手段。盡管如此，在總體水平上我國與先進國家相比尚有一定差距。但無可否認，納米材料由于獨特的性能，使其在增強聚合物應用中有著廣泛的前景，納米材料的應用對開發研究高性能聚合物復合材料有重大意義。特別是隨著廉價納米材料不斷開發應用，粒子表面處理技術的不斷進步，納米材料增強、增韌聚合物機理的研究不斷完善，納米材料改性的聚合物將逐步向工業化方向發展，其應用前景會更加誘人。