納米基復(fù)合材料復(fù)合材料原理

知識(shí)點(diǎn)4-高分子基納米復(fù)合材料概述主要內(nèi)容一二三四制備性能應(yīng)用與展望1.定義：是指聚合物基體中加入納米級(jí)異質(zhì)相的復(fù)合材料2.分類：三類1.聚合物/聚合物納米復(fù)合材料是指兩種或兩種以上的聚合物混合在一起，其中有一種聚合物以納米級(jí)的尺度分散在其他聚合物之中的復(fù)合材料。第三代環(huán)氧樹脂粘接劑即為將納米球狀交聯(lián)橡膠粒子分散在環(huán)氧樹脂中形成。2．聚合物/層狀納米無(wú)機(jī)物復(fù)合材料是將層狀的無(wú)機(jī)物以納米尺度分散于聚合物中形成的復(fù)合材料。常用插層法。蒙脫土：以片狀晶體構(gòu)成，片厚約1nm，片層間距約1nm，長(zhǎng)約100nm。3.聚合物/無(wú)機(jī)納米粒子復(fù)合材料是以納米級(jí)無(wú)機(jī)粒子填充到聚合物當(dāng)中去的復(fù)合材料。由于小尺寸等效應(yīng)使材料具有光、電、磁、聲、熱和化學(xué)活性等功能，具有良好的綜合性能。一、高分子基納米復(fù)合材料的概述1．插層復(fù)合法插層復(fù)合法是利用許多無(wú)機(jī)化合物具有典型的層狀結(jié)構(gòu)，將聚合物插入其中，獲得的復(fù)合材料。常用層狀無(wú)機(jī)化合物：硅酸鹽類粘土、石墨等。插層復(fù)合法可分為二類：1）插層聚合法：是先將聚合物單體分散，插入硅酸鹽片層中，再原位聚合，利用聚合時(shí)放出大量的熱量克服片層間的庫(kù)侖力，使其剝離，形成復(fù)合材料。2)熔體插層法：它是將層狀無(wú)機(jī)物與高聚物混合，再將混合物加熱到軟化點(diǎn)以上，實(shí)現(xiàn)高聚物插入層狀無(wú)機(jī)的層間形成。優(yōu)點(diǎn)：具有填充體系質(zhì)量小、成本低、熱穩(wěn)定性好及尺寸穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用：主要適用于有機(jī)聚合物/無(wú)機(jī)物混雜物一類。二、高分子基納米復(fù)合材料的制備2.原位聚合法使納米粒子在單體中均勻分散，然后進(jìn)行聚合反應(yīng)，粒子在原位，既實(shí)現(xiàn)了填充粒子的均勻分散，又保證了粒子的納米特性。基體只經(jīng)一次聚合成型，不需熱加工，避免了降解，保證基體性能穩(wěn)定。3．共混法共混法是將各種無(wú)機(jī)納米粒子（包括纖維管）與聚合物直接進(jìn)行分散混合得到復(fù)合材料的方法。該法的特點(diǎn)是過程簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。其缺點(diǎn)是要納米粒子呈原生態(tài)納米級(jí)的均勻分散較困難，因而給產(chǎn)品的穩(wěn)定性帶來了新問題。為此，又發(fā)展了其他一些工藝，如溶液共混法、乳液共混法和熔融共混法等。4．溶膠凝膠(sol-gel)法它是將硅氧烷金屬氧化物等前驅(qū)物溶于水或有機(jī)溶劑中，溶質(zhì)經(jīng)水解生成納米級(jí)粒子并形成溶膠再經(jīng)蒸發(fā)干燥而成凝膠。優(yōu)點(diǎn)：在于其可在溫和的反應(yīng)條件下進(jìn)行，兩相分散均勻，甚至可以達(dá)到分子復(fù)合水平。不足：在于凝膠干燥過程中，由于溶劑、小分子和水分的揮發(fā)，材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，可能導(dǎo)致材料脆裂。應(yīng)用：用于制備陶瓷基納米復(fù)合材料，聚合物基納米復(fù)合材料。1.尼龍6/粘土(ne-PA6)納米復(fù)合材料與尼龍6的性能比較性能尼龍6ne-PA6拉伸強(qiáng)度/MPa75~8595~105斷裂伸長(zhǎng)率/%3010~20彎曲強(qiáng)度/MPa115130~160彎曲模量/GPa3.03.5~4.5缺口沖擊強(qiáng)度4035~60吸水率/%(23℃,1天)0.510.87高分子基納米復(fù)合材料的性能2.CNT/PU復(fù)合材料的力學(xué)性能CNT類型CNT添加量/%制備方法拉伸模量增幅/%拉伸強(qiáng)度增幅/%SWCNT1溶液混合2550炔基改性MWCNT1溶液混合14020PU改性MWCNT1溶液混合—63PU改性SWCNT1靜電紡絲250104MWCNT1加成聚合561397MWCNT1原位聚合35114酸化改性MWCNT1原位聚合4525酸化改性MWCNT溶液混合126MWCNT6原位聚合9090酸化改性MWCNT1原位聚合407注：SWCNT—單壁碳納米管，MWCNT—多壁碳納米管。

3.PI/CNT納米復(fù)合材料的力學(xué)性能CNT類型樣品類型CNT含量/%拉伸模量增幅/%拉伸強(qiáng)度增幅/%改性SWCNT片材1

899酸化改性MWCNT片材5

337酸化改性MWCNT片材5—40等離子改性MWCNT片材0.5

110100聚乙烯基三乙氧基硅烷改性MWCNT片材0.5

6061混酸和氨基改性MWCNT片材6.986131SWCNT片材1

1010SWCNT棒材1

011SWCNT纖維1450聚酰亞胺接枝改性MWCNT片材7.5

52211.熱塑性納米復(fù)合材料1）聚乙烯（PE）基納米復(fù)合材料納米SiO2/PE復(fù)合材料，拉伸強(qiáng)度約為基體的2倍。納米混合粒子（SiC/Si3N4）增強(qiáng)低密度聚乙烯(LDPE),在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%時(shí)沖擊強(qiáng)度達(dá)到55.7kJ/m2，為純LDPE的203%，伸長(zhǎng)率為625%時(shí)仍未斷裂。2)聚丙烯（PP）基納米復(fù)合材料納米粘土/聚丙烯基納米復(fù)合材料，含量為0.5%~4%時(shí)，力學(xué)性能大幅提高。納米CaCO3填充聚丙烯時(shí)，含量為3%~5%時(shí)，沖擊強(qiáng)度提高了20%。3)聚對(duì)苯二甲酸乙二酯（PET）基納米復(fù)合材料粘土/PET納米復(fù)合材料，其性能穩(wěn)定可靠。四、高分子基納米復(fù)合材料的應(yīng)用展望2．熱固性納米復(fù)合材料

1）環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料2)不飽和樹脂納米復(fù)合材料通過熔融共混法，用超聲分散納米SiO2，以甲基四氫鄰苯二甲酸酐(METHPA)為固化劑，制備SiO2/E-44環(huán)氧樹脂/納米復(fù)合材料，當(dāng)納米SiO2含量為3%時(shí)，所得納米復(fù)合材料比純E-44環(huán)氧樹脂的沖擊強(qiáng)度提高了124%，拉伸強(qiáng)度提高了30%，斷裂伸長(zhǎng)率提高18%。由于納米ZnO具有質(zhì)量小、厚度薄、顏色淺和吸波能力強(qiáng)等特點(diǎn)，ZnO/環(huán)氧樹脂納米復(fù)合材料在飛行器隱身方面具有重要的應(yīng)用前景。填充型納米復(fù)合材料最明顯的特征是熱固性不飽和樹脂的力學(xué)性能得到提高。硅烷偶聯(lián)劑處理的納米SiO2，對(duì)不飽和聚脂樹脂有較強(qiáng)的增韌效果，3%的納米SiO2對(duì)不同型號(hào)的兩種不飽和聚酯樹脂的增韌強(qiáng)度高者提高70%，低者提高60%，拉伸強(qiáng)度提高20%左右，拉伸模量提高40%左右，斷裂伸長(zhǎng)率基本不變，彎曲強(qiáng)度和彎曲模量各提高10%左右3.發(fā)展前景

納米合成為發(fā)展新型材料提供了新的途徑和新的思路。納米尺度的合成為人們?cè)O(shè)計(jì)新型材料，特別是為人類按照自己的意愿設(shè)計(jì)和探索所需要的新型材料打開了新的大門。例如，在傳統(tǒng)相圖中根本不共溶的兩種元素或化合物，在納米態(tài)下可形成固溶體，制造出新型材料。鐵鋁合金、銀鐵和銅鐵合金等納米材料已在實(shí)驗(yàn)室獲得成功。利用納米微粒的特性，人們可以合成原子排列狀態(tài)完全不同的兩種或多種物質(zhì)的復(fù)合材料。人們還可以把過去難以實(shí)現(xiàn)的有序相或無(wú)序相、晶態(tài)相和金屬玻璃鐵磁相和反鐵磁相、鐵電相和順電相復(fù)合在一起，制備出有特殊性能的新材料。謝謝！此外，1）納米氧化鋁粒子放入橡膠中可以提高橡膠的介電性和耐磨性；2）納米氧化鋁彌散到透明的玻璃中既不影響透明度又提高了高溫沖擊韌性；3）半導(dǎo)體納米微粒（砷化鎵、鍺、硅）放入高聚物中