纳米材料学- 6-1

缺点: φf 有限(一般不超过20 %) 、有界
面反应的可能性、增强体分布难达到均 匀化、有气孔, 需二次加工。
三、粉末冶金法
优点：基本上不存在界面反应, 质量稳定, φf
可较高, 增强体分布均匀。 缺点: 工艺程序多、制备周期长、成本高、降 低成本的可能性小。
四、真空蒸发惰性气体凝聚及 真空原位加压法
维等）复合材料。
混杂复合材料： 两种或两种以上增强体增强同一基体制成 的复合材料称为混杂复合材料，可以看
成是两种或多种单一纤维或颗粒复合材
料的相互复合，即复合材料的“复合材
料”。
二、按基体材料分类
① 聚合物基复合材料:以有机聚合物（热固性 树脂、热塑性树脂及橡胶等）为基体； ② 金属基复合材料：以金属（铝、镁、钛等） 为基体； ③ 无机非金属基复合材料：以陶瓷材料（也包 括玻璃和水泥）为基体。
2、特 点
优点：成本低、产量大、界面清洁 致密、样品中无微孔隙、晶粒度变化
易控制。
缺点: 只适用于非晶形成能力较强的 合金系。
3、非晶合金晶化法的应用
用铜模急冷法制得直径达8 mm的棒状稀土NdFeAl 样 品, 测得起始晶化温度Tx和熔点Tm 分别为743 K和823 K,Δ Tm = Tm - Tx= 80 K, Trx = Tx/ Tm = 0. 90 。发 现极小的ΔTm 和高的Trx是具有良好非晶形成能力的 主要原因。通过控制大块状非晶样品的热处理工艺可
通常为纤维、晶须或颗粒；
复合材料是人工制造的，而非天然形成的。
复合材料的性质取决于组元性质的优化组合，它应
优于独立组元的性质，特别是强度、刚度、韧性和
高温性能。
6.1.3 复合材料具备特点
复合材料是由两种或两种以上不同性能的材料组元通过 宏观或微观复合形成的一种新型材料，组元之间存在着 明显的界面；
以得到不同纳米晶比例的非晶/ 纳米晶双相材料。
谢 谢！
三、按材料作用分类
① 结构复合材料：用于制造受力构件；
② 功能复合材料：具备各种特殊性能（如阻尼、导电、
导磁、摩擦、屏蔽等）。
同质复合材料（增强材料和基体材料属于同种物质，
如碳/碳复合材料）
异质复合材料（复合材料多属此类）。
6.1.5 纳米复合材料的分类
金属基纳米复合材料
陶瓷基纳米复合材料
获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使各组分的
性能互相补充并彼此关联，从而获得更优秀的性能，与一般 材料的简单混合有本质区别。
对各种定义解释总结，复合材料应包括：
组元是人们根据材料设计的基本原则有意识地选择，
至少包括两种物理和力学性能不同的独立组元，其
中一组元的体积分数一般不低于20％，第二组元
一、机械合金化法
优点：工艺简单、增强体分布均匀、增强体体积 分数φf 范围较大、制品质量较好、产量高、能制 备高熔点的金属和合金纳米材料。 缺点: 在制备过程中易引入杂质、晶粒尺寸不均 匀、球磨及氧化会带来污染。
二、熔融纺丝法
二、熔融纺丝法
优点：工艺简单、设备投资少、生产成
本较低。
高分子基纳米复合材料
6.2 金属基纳米复合材料
6.2.1 金属基纳米复合材料的定义
金属基纳米复合材料(Metal matrix nanocomposites , MMNCS) 是以金属及合金为基体, 与一种或几种金属 或非金属纳米级增强相相结合的复合材料。 纳米级增强相：纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须
生明显的界面反应, 制备周期较长。
3、应用
国内：用真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压方法制备 出粒度均匀, 平均尺寸在10 nm 以下的纳米NiAl 合金固体。 纳米NiAl 合金具有较大的晶格畸变(1. 2 %) , 退火实验显 示当退火温度低于800 K时, 晶格畸变没有明显下降且晶粒
度没有明显长大。当用多晶NiAl 合金制成纳米结构后(晶
粒尺寸小于10 nm) 磁特性由弱磁性向强磁性转变。 国外：最近, Nakayama 等用共蒸发和惰性气体凝聚、原 位氧化、原位压实技术合成了由铁氧体和银组成的磁性纳 米复合材料。
五、机械诱发自蔓延高温合成反应法
1、定 义
SHS 法有“扩展”反应法和“整体”反应法: 扩 展 反应法是通过局部引燃粉末反应物让燃烧波 在压坯中传播; 整体反应法是将粉末压坯在 炉中同时快速加热, 使合成反应在整个坯体
以铝基复合材料的应用最为广泛。
第四代：1990年以后，主要发展多功能复合材料，
如智能复合材料和梯度功能材料等。
6.1.2
复合材料的定义
国际标准化组织：由两种以上在物理和化学上不同的物质组
合起来而得到的一种多相固体材料 《材料科学技术百科全书》 ：复合材料是由有机高分子、无 机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新 型材料。它既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应
优点：成本较低、增强体分布均匀、基本上无界
面反应、可以使用传统的金属熔融铸造设备、工
艺周期较短。
缺点: 工艺过程要求严格, 较难掌握, 增强相的成
分和体积分数不易控制。
七、非晶合金晶化法
1、非晶合金晶化法的定义
非晶合金晶化法是将原料用急冷技术 制成非晶或薄膜, 然后控制退火条件,
在合金中生成纳米级晶粒。
好的Al 和Ti 粉末转变为无定形相Al2Ti 合金, TiB2 很好地弥
散入无定形合金形成Al2Ti2TiB2 粉末; 对MA 粉末样品进行
热处理, 当退火时间超过1. 804 ks , 长时间机械合金化的
Al2Ti2TiB2 粉末的晶粒长大显著降低, 这归因于均匀弥散 TiB2 颗粒相的存在。
六、原位反应复合法
1、定义
在高真空反应室中惰性气体保护下使金属受热升华
并在液氮冷却镜壁上聚集、凝结为纳米尺寸的超微
粒子, 刮板将收集器上的纳米微粒刮落进入漏斗并导
入模具, 在真空下原位加压使纳米粉烧结成块。
2、特 点
优点：适用范围广、增强体分布均匀、制品 质量好。
缺点: 工艺设备昂贵、产量极低、制造大型
零部件有困难, 如冷却工序安排不妥善, 可产
其他增强体：层叠、骨架、涂层、片状、天然增强体
复合材料结构示意图
a)层叠复合 b)连续纤维复合 c)细粒复合 d)短纤维复合
纤维增强复合材料分类
① 玻璃纤维复合材料； ② 碳纤维复合材料； ③ 有机纤维（芳香族聚酰胺纤维、芳香族聚酯纤 维、聚烯烃纤维等）复合材料； ④ 金属纤维（如钨丝、不锈钢丝等）复合材料； ⑤ 陶瓷纤维（如氧化铝纤维、碳化硅纤维、硼纤
中同时发生。
机械诱发自蔓延高温合成过程
2、特 点
优点：过程简单、不需要复杂的设备、产
品纯度高、能获得复杂的相和亚稳定相。 缺点: 不易获得高的产品密度、不能严格控 制反应过程和产品性能。
3、应 用
Uenishi等对机械合金化的粉末进行燃烧合成制备了Ti2Al 和 Ti2Al2TiB2 合金, 并对比热处理温度和时间对相应的烧结过 程和晶粒生长行为进行研究。在球磨2 880 ks 条件下, 混合
6.2.2 金属基纳米复合材料的制备方法
机械合金化法(Mechanical alloying , MA)
熔融纺丝(Meltspun , MS) 法
粉末冶金法( Powder metallurgy ,PM)
机械诱发自蔓延高温合成反应法
真空蒸发惰性气体凝聚及真空原位加压法
原位反应复合法 非晶合金晶化法
复合材料中各组元不但保持各自的固有特性，而且可最
大限度发挥各种材料组元的特性，并赋予单一材料组元 所不具备的优良特殊性能； 复合材料具有可设计性。可以根据使用条件要求进行设 计和制造，以满足各种特殊用途，从而极大地提高工程 结构的效能。
6.1.4 复合材料的分类
一、按增强材料形态分类
（1）纤维增强复合材料： a.连续纤维复合材料：作为分散相的长纤维的两个端点 都位于复合材料的边界处； b.非连续纤维复合材料：短纤维、晶须无规则地分散在 基体材料中； （2）颗粒增强复合材料：微小颗粒状增强材料分散在基体中； （3）板状增强体、编织复合材料：以平面二维或立体三维物 为增强材料与基体复合而成。
Chaper 6
Nanocomposite Materials
目 录
6.1 纳米复合材料概述
6.2 金属基纳米复合材料 6.3 陶瓷基纳米复合材料 6.3 聚合物基纳米复合材料
6.1 纳米复合材料概述
6.1.1 纳米复合材料发展过程
发展过程：古代－近代－先进复合材料
天然复合材料
－竹、贝壳，树木和竹子： 纤维素和木质素的复合体 －动物骨骼： 无机磷酸盐和蛋白质胶原复合而成
第一代：1940年到1960年，玻璃纤维增强塑料
第二代：1960年到1980年，先进复合材料 1965年英国科学家研制出碳纤维 1971年美国杜邦公司开发出开芙拉-49 1975年先进复合材料“碳纤维增强、及开芙拉纤维增强环 氧树脂复合材料” 用于飞机、火箭的主承力件上。 第三代：1980年到1990年，碳纤维增强金属基复合材料
人类：使用 、效仿
半坡人－－草梗合泥筑墙，且延用至今
漆器－－麻纤维和土漆复合而成，至今已四千多年
敦煌壁画－－泥胎、宫殿建筑里园木表面的披麻覆漆，
近代 复合材料的发展始于20世纪40年代，第二次世界 大战中，玻璃纤维增聚酯树脂复合材料被美国 空军用于制造飞机构件开始算起。 50年代得到了迅速发展。 我国从1958年开始发展复合材料