高分子纳米复合材料详解ppt课件
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高分子纳米复合材料介绍PPT(24张)
可按需求加工成所需形状——避免多次加工 和重复加工。
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。
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。
《纳米复合材料》PPT课件
复合材料的组成
基体
Matrix
增强体
Reinforcement
界面 Interface
复合材料分类
1.复合材料按用途 结构纳米复合材料，功能纳米复合材料，智能纳米复 合材料。
2.按基体类型分为 高分子基复合材料RMC（Ploymer Matrix Composite） 金属基复合材料MMC （Metal Matrix Composite） 陶瓷基复合材料CMC （Ceramic Matrix Composite） 3.按增强体的形态与排布方式 颗粒增强复合材料、连续纤维增强复合材料、短纤维或晶 须增强纤维；晶片增强复合材料
晶须增强铝基纳米复合材料的疲劳性能是与晶须增 强纳米复合材料疲劳裂纹的形成和扩展有关。
在晶须增强纳米复合材料中，疲劳裂纹在晶须的端部或 在与基体的界面处形成，当 SiCw分布不均匀时，在SiCw 密集处或是基体中的一些显能力上有显著的差别，因 而在疲劳过程中其界面将产生较大的内应力，就可能导致 界面开裂。
它们与纳米级第二相的界面粘结形式主要有两种：机械粘 结和化学粘结。
（1）陶瓷基纳米复合材料
强的界面粘结往往导致脆性破坏。在断裂过程中，强的界 面结合不产生额外的能量消耗。 当界面结合较弱时，基体中的裂纹扩展至晶须、纤维等处 时，将导致界面脱粘，其后发生裂纹偏转、裂纹搭桥、晶 须及纤维断裂，以致最后拔出。所有这些过程都要吸收能 量，从而提高陶瓷的断裂韧性。
（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。
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。
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。
纳米复合材料的结构和性能 ppt课件
ppt课件
39
仿生纳米材料
ppt课件
40
仿生纳米材料
• 生物体的壳为纳 米结构，有机体 作为结构导向剂， 基本单元为晶态 的CaCO3 和非 晶态的SiO2 组 成。
ppt课件
41
趋磁性细菌
• 磁性导航：从富氧水 的环境（对其有毒害） 迁移到富营养的沉积 物中。 • 北半球北极运动 • 南半球南极运动
ppt课件
28
超微型纳米阵列激光器
• 纳米阵列激光器是 21 世纪超微型激光器 重要的发展方向．回顾激光器发展的历 史，大致可以分为3个阶段：自从20世纪 60 年代激光被发现以来， 1962 年就制成 了第一个半导体激光器．几十年来，人 们主要围绕三方面问题来不断改进激光 器．一是进一步增加激光强度，二是降 低产生激光的电流密度，三是提高热稳 定性．
ppt课件 37
超高灵敏度电探测器和高密度电接线头
• 痕量电荷如何探测一直是人们关心的问 题，纳米结构电极组装体可以把目前电 分析探测极限降低3个数量级，即探测灵 敏度提高了3个数量级．
ppt课件
38
纳米结构离子分离器
• 离子分离器在电化学和再生电池等方面 有着重要的作用，提高离子分离效率一 直是人们追求的目标，纳米结构为解决 这个问题提供了新的途径．近年来已有 报道，利用纳米孔洞阵列模板合成 Au 纳 米管阵列，可以作为高效离子分离器 。
• (2)太阳能电池 太阳能的利用是21世纪能 源开发的重点，这不仅是因为太阳能取 之不尽，用之不绝，更重要的是因为它 对环境没有污染，是理想的清洁能源。 世界各国都制订了太阳能应用的规划， 研制高效太阳能电池是太阳能利用的一 个重要方面．纳米材料和纳米结构作为 太阳能转化材料已引起人们高度的重 视． 24 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
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
高分子和复合介绍课件
构，方便快捷。
03 高分子材料的应用
塑料
塑料是一种由高分子化合物组成 的材料，具有良好的可塑性、绝
缘性、耐腐蚀性和轻便性。
塑料广泛应用于日常生活和工业 生产中，如包装材料、建筑材料
、医疗器械和汽车零部件等。
塑料的制造通常涉及化学合成和 成型加工，可以通过添加各种添 加剂来调节其性能，如增塑剂、
稳定剂和颜料等。
VS
详细描述
通过使用环保型的高分子单体、溶剂、催 化剂等，以及采用环保型的制备工艺，减 少高分子和复合材料在制备和使用过程中 的环境污染，实现可持续发展。
感谢您的观看
THANKS
橡胶
橡胶是一种具有弹性 的高分子材料，广泛 用于制造各种弹性体 和密封件。
天然橡胶主要来源于 橡胶树，而合成橡胶 则通过化学方法合成 。
橡胶的特性使其在汽 车、航空航天、建筑 和电子等领域具有广 泛应用。
纤维
高分子纤维具有良好的强度、 耐久性和轻便性，广泛应用于 纺织品、绳索、滤材和建筑材 料等领域。
复合材料可以用于制造机翼、机身、尾翼等结构件，以及 航空器的内部结构和装饰材料。使用复合材料可以显著减 轻航空器的重量，提高其燃油经济性和飞行性能。
建筑领域
复合材料在建筑领域的应用主要包括建筑结构和装饰两个方面。
复合材料可以用于制造桥梁、高层建筑、体育场馆等大型建筑的结构件，以及建筑 物的外墙、内墙、地面等装饰材料。
在发动机部件方面，复合材料可 以用于制造气缸盖、气门盖等部 件，以提高发动机的性能和耐久
性。
05 高分子和复合材料的未来 发展
高性能化
总结词
随着科技的不断进步，对高分子和复合材料的性能要求也越来越高，高性能化是未来发展的重要趋势 。
03 高分子材料的应用
塑料
塑料是一种由高分子化合物组成 的材料，具有良好的可塑性、绝
缘性、耐腐蚀性和轻便性。
塑料广泛应用于日常生活和工业 生产中，如包装材料、建筑材料
、医疗器械和汽车零部件等。
塑料的制造通常涉及化学合成和 成型加工，可以通过添加各种添 加剂来调节其性能，如增塑剂、
稳定剂和颜料等。
VS
详细描述
通过使用环保型的高分子单体、溶剂、催 化剂等，以及采用环保型的制备工艺，减 少高分子和复合材料在制备和使用过程中 的环境污染，实现可持续发展。
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橡胶
橡胶是一种具有弹性 的高分子材料，广泛 用于制造各种弹性体 和密封件。
天然橡胶主要来源于 橡胶树，而合成橡胶 则通过化学方法合成 。
橡胶的特性使其在汽 车、航空航天、建筑 和电子等领域具有广 泛应用。
纤维
高分子纤维具有良好的强度、 耐久性和轻便性，广泛应用于 纺织品、绳索、滤材和建筑材 料等领域。
复合材料可以用于制造机翼、机身、尾翼等结构件，以及 航空器的内部结构和装饰材料。使用复合材料可以显著减 轻航空器的重量，提高其燃油经济性和飞行性能。
建筑领域
复合材料在建筑领域的应用主要包括建筑结构和装饰两个方面。
复合材料可以用于制造桥梁、高层建筑、体育场馆等大型建筑的结构件，以及建筑 物的外墙、内墙、地面等装饰材料。
在发动机部件方面，复合材料可 以用于制造气缸盖、气门盖等部 件，以提高发动机的性能和耐久
性。
05 高分子和复合材料的未来 发展
高性能化
总结词
随着科技的不断进步，对高分子和复合材料的性能要求也越来越高，高性能化是未来发展的重要趋势 。
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
16
• 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
16
• 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
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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
赖性）等。
化学性质方面
金属纳米粒子在空气中易氧化，甚至燃烧；
纳米粒子具有常规材料所没有的催化性能，且可以 有特征反应，在提高催化反应效率、优化反应路径、 提高反应速度和定向等方面，提供了新的途径。
nm (10-9 m)
3D 纳米粒子 (例如二氧化硅等) 2D 纳米管 (例如碳纳米管、晶须等) 1D 纳米片 (如层状硅酸盐等)
石块撞击引起应力发白
普通高分子材料
纳米复合材料
喷漆抗刮擦能力
普通高分子材料
纳米复合材料
阻燃性
• 成炭 •滴落
纳米粒子尺寸小，比表面积大，位于表面上的原子占 相当大的比例，因此粒子表现为具有壳层结构（包括 键态、电子态、配位数等）。
具有闭壳层电子结构的金属，如II主族的Ca、Mg等，其纳米 粒子内部的原子间距比常规块材的要大，相应地结合力性质 从金属键向范德华力转变；
常规的Si、Ge等材料是典型的共价键型材料，而其纳米粒子 表现出金属键的性质；
表面活性剂可吸附在纳米粒子的表面，对生成的粒子 起稳定和保护作用，防止粒子的进一步生长。
另外通过选择表面活性剂及助剂还可以控制水相微区 的形状，从而得到不同形状的纳米粒子包括球形、棒 状、碟状，还可以制备纳米级核－壳双金属粒子、合 金粒子、核－壳双半导体粒子等。
A
B
A
B
C
1 Mixing 2 Interchange 3 Nucleation
总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法
三种。
物理方法
物理粉碎法：采用超细磨制备纳米粒子，利用介质和 物料间相互研磨和冲击，并附以助磨剂或大功率超声 波粉碎，达到微粒的微细化。
物理气相沉积法（PVD）：在低压的惰性气体中加热 欲蒸发的物质，使之气化，再在惰性气体中冷凝成纳 米粒子，加热源可以是电阻加热、高频感应、电子束 或激光等，不同的加热方法制备的纳米粒子的量、大 小及分布等有差异；还有流动液面真空蒸发法，放电 爆炸法，真空溅射法等。
高分子纳米复合材料
ZHONGSHAN UNIVERSITY
提纲
引言 纳米粒子的结构、性能及制备 纳米颗粒填充聚合物复合材料 纳米复合材料的表征技术
颗粒填充复合材料—从微米到纳米
纳米填料
宏观 Macro 微米 Micro 纳米 Nano
> mm (10-3 m) m (10-6 m)
普通高分子材料
1980 – 2002年纳米复合材料国际专利统计
一、纳米粒子的结构、性能及制备
纳米粒子的尺寸范围一般是1~100nm。当材料尺寸减 小到纳米级的某一尺寸，材料的物性会发生突变，与 同组份的常规材料的性能完全不同，所以纳米级材料 表现出强烈的尺寸依赖性。
而粒子的尺寸小于1nm时，称为团簇，其总原子数从 几个至几十个，几乎所有的原子都排列在粒子的表面 上。
常规的离子键材料，如金属卤化物等，其纳米粒子带有共价 键的性质，且主要是由于表面原子的贡献。
半导体 陶瓷
ionic
原子间相互作用变化示图
metallic
高分子
v.d.Waals
c lus ter
bulk c ovalent
纳米粒子的性能
由于纳米粒子的结构和原子间相互作用发生了 上述变化，导致在化学、物理（热、光、电磁 等）性质方面表现出特异性;
4 Growth
激 光 合 成 法
可制备 SiC、 Si3N4， 产量大
二、纳米颗粒填充聚合物复合材料
聚合物基纳米复合材料是一种重要的有机-无机杂化材 料，通常由各种无机纳米单元与有机聚合物以各种方 式复合得到。
复合材料有着单一材料所不具备的可变结构参数（复 合度、联结型、对称性、标度、周期性等），且复合 材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应。
纳米粒子的光学性能由于受量子尺寸效应和表面效 应的影响，其变化尤为显著。如贵金属所呈现的三 阶非线性光学性能等。
磁性能：铁磁性材料粒子的尺寸减小至单畴态时， 通常呈现高的矫顽力，进一步减小尺寸，则受热扰 动影响，表现为超顺磁性。
纳米单元的制备方法
通常有两种形式的制备： 从小到大的构筑式，即由原子、分子等前体出发制 备； 从大到小的粉碎式，即由常规块材前体出发制备 （一般为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构 性能，常采用构筑式制备法）。
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
赖性）等。
化学性质方面
金属纳米粒子在空气中易氧化，甚至燃烧；
纳米粒子具有常规材料所没有的催化性能，且可以 有特征反应，在提高催化反应效率、优化反应路径、 提高反应速度和定向等方面，提供了新的途径。
nm (10-9 m)
3D 纳米粒子 (例如二氧化硅等) 2D 纳米管 (例如碳纳米管、晶须等) 1D 纳米片 (如层状硅酸盐等)
石块撞击引起应力发白
普通高分子材料
纳米复合材料
喷漆抗刮擦能力
普通高分子材料
纳米复合材料
阻燃性
• 成炭 •滴落
纳米粒子尺寸小，比表面积大，位于表面上的原子占 相当大的比例，因此粒子表现为具有壳层结构（包括 键态、电子态、配位数等）。
具有闭壳层电子结构的金属，如II主族的Ca、Mg等，其纳米 粒子内部的原子间距比常规块材的要大，相应地结合力性质 从金属键向范德华力转变；
常规的Si、Ge等材料是典型的共价键型材料，而其纳米粒子 表现出金属键的性质；
表面活性剂可吸附在纳米粒子的表面，对生成的粒子 起稳定和保护作用，防止粒子的进一步生长。
另外通过选择表面活性剂及助剂还可以控制水相微区 的形状，从而得到不同形状的纳米粒子包括球形、棒 状、碟状，还可以制备纳米级核－壳双金属粒子、合 金粒子、核－壳双半导体粒子等。
A
B
A
B
C
1 Mixing 2 Interchange 3 Nucleation
总体上又可分为物理方法、化学方法和物理化学方法
三种。
物理方法
物理粉碎法：采用超细磨制备纳米粒子，利用介质和 物料间相互研磨和冲击，并附以助磨剂或大功率超声 波粉碎，达到微粒的微细化。
物理气相沉积法（PVD）：在低压的惰性气体中加热 欲蒸发的物质，使之气化，再在惰性气体中冷凝成纳 米粒子，加热源可以是电阻加热、高频感应、电子束 或激光等，不同的加热方法制备的纳米粒子的量、大 小及分布等有差异；还有流动液面真空蒸发法，放电 爆炸法，真空溅射法等。
高分子纳米复合材料
ZHONGSHAN UNIVERSITY
提纲
引言 纳米粒子的结构、性能及制备 纳米颗粒填充聚合物复合材料 纳米复合材料的表征技术
颗粒填充复合材料—从微米到纳米
纳米填料
宏观 Macro 微米 Micro 纳米 Nano
> mm (10-3 m) m (10-6 m)
普通高分子材料
1980 – 2002年纳米复合材料国际专利统计
一、纳米粒子的结构、性能及制备
纳米粒子的尺寸范围一般是1~100nm。当材料尺寸减 小到纳米级的某一尺寸，材料的物性会发生突变，与 同组份的常规材料的性能完全不同，所以纳米级材料 表现出强烈的尺寸依赖性。
而粒子的尺寸小于1nm时，称为团簇，其总原子数从 几个至几十个，几乎所有的原子都排列在粒子的表面 上。
常规的离子键材料，如金属卤化物等，其纳米粒子带有共价 键的性质，且主要是由于表面原子的贡献。
半导体 陶瓷
ionic
原子间相互作用变化示图
metallic
高分子
v.d.Waals
c lus ter
bulk c ovalent
纳米粒子的性能
由于纳米粒子的结构和原子间相互作用发生了 上述变化，导致在化学、物理（热、光、电磁 等）性质方面表现出特异性;
4 Growth
激 光 合 成 法
可制备 SiC、 Si3N4， 产量大
二、纳米颗粒填充聚合物复合材料
聚合物基纳米复合材料是一种重要的有机-无机杂化材 料，通常由各种无机纳米单元与有机聚合物以各种方 式复合得到。
复合材料有着单一材料所不具备的可变结构参数（复 合度、联结型、对称性、标度、周期性等），且复合 材料的各组元间存在协同作用而产生多种复合效应。
纳米粒子的光学性能由于受量子尺寸效应和表面效 应的影响，其变化尤为显著。如贵金属所呈现的三 阶非线性光学性能等。
磁性能：铁磁性材料粒子的尺寸减小至单畴态时， 通常呈现高的矫顽力，进一步减小尺寸，则受热扰 动影响，表现为超顺磁性。
纳米单元的制备方法
通常有两种形式的制备： 从小到大的构筑式，即由原子、分子等前体出发制 备； 从大到小的粉碎式，即由常规块材前体出发制备 （一般为了更好控制所制备的纳米单元的微观结构 性能，常采用构筑式制备法）。