纳米复合材料力学性能的研究131页PPT
纳米复合材料的力学与热学性能研究
纳米复合材料的力学与热学性能研究随着科学技术的进步，纳米材料逐渐成为研究热点。
纳米复合材料作为一种应用广泛的纳米材料，在力学和热学性能方面具有许多独特的特点。
本文将从纳米复合材料的力学性能和热学性能两个方面进行探讨，并且指出纳米复合材料在工程和科学领域的潜在应用。
一、纳米复合材料的力学性能研究纳米复合材料的力学性能表现出与传统微米尺度材料不同的特点。
第一，纳米复合材料具有较高的强度和刚度。
纳米颗粒的尺寸效应使得纳米复合材料的晶体结构更加致密，晶界的强化效应进一步增强了材料的强度。
此外，纳米颗粒间的表面能对力学性能的提升也起到了重要作用。
第二，纳米复合材料具有较好的韧性和可塑性。
纳米颗粒的尺寸效应使材料的晶界运动受到限制，从而提高了材料的韧性和可塑性。
第三，纳米复合材料具有优异的抗腐蚀性能。
纳米颗粒在材料基体中均匀分布，形成了均匀的界面层，从而有效防止了外界介质对材料的腐蚀作用。
纳米复合材料的力学性能研究主要通过实验和模拟两种方法进行。
实验方法包括材料制备、结构表征和力学测试。
在材料制备方面，通常采用多种方法制备纳米颗粒，如溶胶-凝胶法、电化学法和热处理法等。
在结构表征方面，采用透射电子显微镜、扫描电子显微镜和原子力显微镜等技术对材料的纳米结构进行观察和分析。
在力学测试方面，通过拉伸、压缩和弯曲等实验测试材料的力学性能。
模拟方法包括分子动力学模拟和有限元分析等。
分子动力学模拟通过计算颗粒之间的相互作用力，研究材料的结构和力学性能。
有限元分析则通过数学模型对材料的力学性能进行建模和仿真。
二、纳米复合材料的热学性能研究纳米复合材料的热学性能也是研究的重要方向之一。
第一，纳米复合材料具有较高的热导率。
纳米颗粒的尺寸效应使得纳米复合材料中的晶界成为热传导的主要路径，从而提高了材料的热导率。
此外，纳米颗粒间的界面相互作用也对热导率起到了一定的影响。
第二，纳米复合材料具有较低的热膨胀系数。
纳米颗粒的尺寸效应使得纳米复合材料的热膨胀系数明显降低，从而提高了材料的热稳定性和抗热应力性能。
高分子纳米复合材料介绍PPT(24张)
特殊性质
同步增韧增强效应——纳米材料对有机聚合
物进行复合改性，却是在发挥无机材料增强
效果的同时，又能起到增韧的效果。
新品功能高分子材料——传统功能高分子基
本上都是通过化学反应合成特殊官能团得到
。但是纳米材料可以直接或者间接达到具体
的功能，如光电转换，高校催化，紫外屏蔽
例如，李谷等对PS/纳米CaCO3复合材料玻璃化 转变及物理老化研究发现，少量的纳米CaCO3粒 子对PS基体的分子链锻松弛行动有促进作用，并 且随着纳米CaCO3质量分数的增加而有不同程度 的下降。
卢红斌等对层状硅酸盐-环氧树脂纳米复合材料在 受限环境下松弛行为的研究得出了三种松弛模型 。认为，与硅酸盐片层相连的链段松弛速率最低 ，而在层与层之间的部分松弛速率最快。其他区 域的链段松弛速率则与纯PS时的相同。当聚合物 与硅酸盐片层以弱的作用力（比如物理吸附）结 合时其链段松弛速率最低。当聚合物嫁接到硅酸 盐固体表面时，松弛速率最快。也即是，当聚合 物链与纳米粒子结合时，这部分的链段松弛速率 会大大增加。
纳米复合材料是由两种或两种以上的固相至少在一维 以纳米级大小(1 -100 nm) 复合而成的材料。
非晶体、半晶体、晶体
无论分散相还是 连续相
无机物（陶瓷、金属等）、 有机物（高分子）等
4
聚合物基纳米复合材料
以聚合物（树脂）为连续相，以纳米 粒子为分散相的复合材料。
一般纳米粒子为无机物。但有时候是有机物 ，如刚性棒状高分子，包括溶致性和热致性 液晶高分子。他们以分子水平分散在聚合物 基体中，形成有机物/有机物纳米复合材料 。
纳米CaCO3粒子的加入对PS分子链的影响是两方 面的：一方面，纳米CaCO3的加入，增加了PS链 与链间的自由体积；另一方面，纳米CaCO3粒子 对其之间的PS分子链起到了加速松弛作用。这两 种因素不相互对立，而是各自独立，共同促进了 分子链的松弛，只是方式的不同。
复合材料力学性能ppt课件
低分子是瞬变过程
（10-9 ～ 10-10 秒）
各种运动单元的运动需要 克服内摩擦阻力，不可能
瞬时完成。
高分子是松弛过程
运动单元多重性：
键长、键角、侧基、支链、 链节、链段、分子链
需要时间
（ 10-1 ～ 10+4 秒）
.
8
Tg 粘流态
Tf
Td
Tf ～ Td
分解温 度
（1）分子运动机制：整链分子产生相对位移
应变硬化
E D A
D A
O A
B
y
图2.4 非晶态聚合物的应力. -应变曲线（玻璃态）
20
2.2 高分子材料的力学性能
.
21
2.2 高分子材料的力学性能
序号 类型
1
2
硬而脆 硬而强
3 强而韧
4 软而韧
5 软而弱
曲线
模量
高
高
高
低
低
拉伸强度
中
高
高
中
低
断裂伸长率 小
中
大
很大
中
断裂能
小
中
大
大
小
F
F
A0
一点弯曲
三点弯曲
均匀压缩 体积形变 压缩应变
F
扭转
F
.
17
2.2 高分子材料的力学性能
应力-应变曲线 Stress-strain curve
标准哑 铃型试
样
实验条件：一定拉伸速率和温度
.
电子万能材料试验机
18
2.2 高分子材料的力学性能
图2.3 高分子材料三种典型的应力-应变曲线
.
19
高分子纳米复合材料详解ppt课件
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
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。
纳米复合材料的结构与力学性能关系研究
纳米复合材料的结构与力学性能关系研究引言：纳米复合材料作为一种新兴材料，由于其独特的结构和力学性能，在材料科学与工程领域引起了广泛关注。
研究纳米复合材料的结构与力学性能关系，有助于深入了解材料的力学行为，并为设计、制造和应用纳米复合材料提供理论支持和指导。
本文将从纳米颗粒尺寸、界面特性和合金化效应三个方面探讨纳米复合材料的结构与力学性能关系。
一、纳米颗粒尺寸的影响纳米颗粒尺寸是纳米复合材料中最基本的参数之一，对材料的力学性能具有重要影响。
随着颗粒尺寸的减小，纳米复合材料的强度和硬度通常会增加。
这是因为纳米颗粒尺寸减小至纳米级别后，其晶界和缺陷的数量相对较多，导致了材料的力学增强效应。
此外，纳米颗粒尺寸的减小还可以提高材料的界面反应活性，增加界面特性对力学性能的影响。
二、界面特性对力学性能的影响界面特性是纳米复合材料中另一个重要的结构因素，对材料的力学性能具有显著影响。
界面特性主要包括界面结合强度、界面能量和界面结构等。
例如，良好的界面结合强度可以有效减少材料的界面裂纹扩展，从而提高材料的韧性和断裂韧度。
此外，适当的界面能量可以增强纳米颗粒与基体之间的界面结合，提高材料的力学性能。
因此，在设计纳米复合材料时，要注重优化界面特性，使其达到最佳状态。
三、合金化效应的增强作用合金化效应是纳米复合材料中常见的一种结构现象，通过控制合金元素的添加和合金化处理，可以显著改善材料的力学性能。
合金化效应主要表现为固溶度效应和过饱和效应。
固溶度效应是指合金元素进入晶界和晶体内部，强化材料的晶体结构，提高材料的硬度和强度。
过饱和效应是指合金元素在纳米颗粒表面形成过饱和固溶体，降低材料的弹性模量和屈服强度，从而增强材料的韧性和延展性。
因此，通过合金化处理，可以调控纳米复合材料的力学性能。
结论：纳米复合材料的结构与力学性能关系研究是一个复杂而重要的课题。
纳米颗粒尺寸、界面特性和合金化效应是影响材料力学性能的三个重要因素。
《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。
纳米复合材料 ppt课件
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
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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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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
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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