信息纳米技术及其应用CH4纳米复合材料(NANOCOMPOSITES2009).ppt

CH4 纳米复合材料 纳米复合材料 （ NANOCOMPOSITES） ：两种或两种以上的吉布斯固相至少在一个方向以纳米级大小复合而成的材料在复合材料中，一种相为连续相，称基体；另一种相为分散相，分散相以一种独立的相态分布在连续相中，两相间有相界 1. 纳米复合材料的分类 2. 纳米复合材料的制备方法 3. 几种典型的纳米复合材料： 纳米复合涂层，高强度、高延展性合金，增韧纳米复相陶瓷， 超塑性陶瓷材料， 高分子基复合材料，纳米磁性复合材料，新型发光材料，高 ε 材料 4.1纳米复合材料的分类 • 纳米颗粒 -零维纳米材料 纳米纤维 -一维纳米材料 纳米薄膜 -二维纳米材料 纳米固体 -三维纳米材料 • 0-0复合：不同种类的纳米粒子复合 如：金属 -金属复合、金属 -陶瓷复合、金属 -高分子复合、陶瓷 -陶瓷复合、陶瓷 -高分子复合 • 0-2复合，纳米粒子分散在薄膜材料中，形成均匀分散或非均匀分散的颗粒膜 • 0-3复合，纳米粒子分散在常规三维固体中 如：金属纳米粒子分散到另一种金属或合金中；纳米陶瓷（氧化物）分散到常规金属或高分子中 • 2-2复合，如：多层膜。

• 按固相成分可分为： 无机纳米复合；有机 /无机纳米复合；聚合物 /聚合物纳米复合 • 更广义的复合材料： 不同物质构成的纳米多层膜以及介孔复合体材料 纳米复合材料与普通复合材料的区别 • 有机 -无机纳米复合材料区别于通常的聚合物 /无机填料体系：无机和有机相在纳米范围结合而成，两相界面存在较强的作用力，得到许多特异性能的新材料 4.2 纳米复合材料制备方法 1. Sol-Gel法 2. CVD (Chemical Vapor Deposition)法 3. Sputtering 4. 纳米粒子直接分散法 5. 插层复合法 6. 高能球磨法 (1) Sol-Gel法制备纳米复合材料 • 可制备纳米氧化物、纳米半导体材料、无机纳米复合材料，还可制备纳米有机 -无机纳米复合材料 • 优点：均匀性好、纯度高、烧结温度比传统的固相法低 • 例如： FeCl3•6H2O和 Ti(OC3H7)8制 α -Fe2O3/TiO2纳米材料 先制得干凝胶， 1200℃ 热处理 → Fe2O3/TiO2纳米材料 • 制备有机 -无机纳米复合材料： 在有机物存在下形成无机相。

选择合适的共溶剂是关键例如： 聚丙烯腈在有机酸作共溶剂条件下可溶于硅酸乙酯的水溶液中，在合适条件下硅酸乙酯水解缩合制得含有机聚合物的凝胶，室温下缓慢干燥，得到了有机聚合物均匀包埋在三维 二氧化硅网络 中的透明性很好的复合材料 (2) CVD法制备纳米复合材料 • 制备过程： CVD气相反应 → 沉积 → 热处理 • 如： SiCl4-C3H8-H2系统， Si/C比为 0-2.8,沉积温度 1400-2000K,制得 SiC-C纳米复合材料 (3) Sputtering制备纳米复合材料 • 如： RF磁控溅射制备 InxGa1-xAs/SiO2纳米材料(3-5nm),（ 0.2＜ x＜ 0.8) (4)纳米粒子直接分散法制备纳米复合材料 • 优点： 纳米粒子与材料的合成分步进行，可控制纳米粒子的形态、尺寸在分散前一般对纳米粒子进行表面处理，以保证体系分散均匀 • 如：无机氧化物 -聚吡咯复合材料的制备将纳米氧化物分散于聚合物中，制成有发光特性的聚合物 -半导体材料氧化物有： SiO2, SnO2等 (4)纳米粒子直接分散法制备纳米复合材料 分散方法 : 溶液共混 : 基体树脂溶解于溶剂 ,加入纳米粒子 → 搅拌均匀 → 除去溶剂或有机载体聚集制得复合体系。

如：将 CdS纳米粒子用溶液共混法嵌入聚合物中制成具有发光特性的聚合物 -半导体纳米材料 机械共混 : 树脂 +溶剂 +纳米粒子 → 三辊研磨 → 纳米材料 (5)插层复合法 • 利用层状无机物 (硅酸盐粘土 )做作为主体，将有机高聚物作为客体插如主体的层间，从而制得有机 /无机纳米复合材料 • 层状无机物结构特点 : 呈层状， 每层结构紧密， 但层间有空隙， 每层厚度和层间距离都在纳米级 常用的层状无机物如 : 蒙脱土 ，属 2:1型层状硅酸盐， 每层的一个单位晶胞由两个 Si-O四面体中间夹带一个 Al-O八面体构成，每层厚度约 1nm， 层间距离为几nm-十几 nm 插层复合法 按插入的方法，有机 /无机插层型纳米复合材料分为： 单体插入 -原位聚合，有机高聚物溶液直接插入，有机高聚物熔融直接插入 按复合材料的结构，可分为： 层间插入型和层状分散型复合材料 (6)高能球磨法制备纳米复合材料 • 制备金属 -金属、金属 -陶瓷、陶瓷 -陶瓷纳米复合材料 • 原材料：超细粉 (0.3um Al2O3, 0.1um MgO, 0.3um SiC, 0.3um Si3N4→ 混合（乙醇介质中球磨） → 烧结 (30MPa, N2)→ 纳米陶瓷复合材料 : 1800℃, Al 2O3 / Si3N4 • 1600-1800℃, Al 2O3 / SiC • 1700-1800℃, MgO / SiC 4.3 几种典型的纳米复合材料 (1) 纳米复合涂层 如：磁控溅射法在碳钢表面涂上复合涂层 MoSi2/SiC，经 500℃/1h 热处理后，涂层硬度可达到 20.8GPa，比碳钢提高几十倍，且有良好的抗氧化和耐高温等性能，克服了单层纳米 MoSi2容易开裂的缺点。

又如：钢表面纳米 TiN/C复合涂层 激光蒸发法在钢表面附上一层纳米 TiN，再用 CVD法将纳米金刚石纳米粒子沉积在 TiN涂层上，再涂上一层 TiN，纳米粒子在第二层 TiN中形成了纳米复合涂层该涂层具有高硬度、耐热冲击，且与钢基体有极强的附着力 典型的纳米复合材料 (2) 高强度、高延展性合金 如： 纳米 Al粒子 -过渡金属 -La化合物合金 纳米 Al粒子 (3-10nm)分布在非晶基体中，具有高强度 (1340-1560MPa)和高延展性其结构特点是：非晶基体上分布纳米粒子非晶基体上分布着纳米 Al粒子 另， Cu与氧化物的复合材料 高能球磨法制备的 Cu-纳米 MgO,和 Cu-纳米CaO复合材料，导电性与 Cu一样，但强度大大提高了结构特点：纳米粒子均匀分散在 Cu基体中 (3) 增韧纳米复相陶瓷 纳米技术有望解决陶瓷的脆性问题 如： 纳米 SiC-SiC粗粉复合材料 20nm的 SiC为基体，添加入 10%粗 α - SiC粉 (约10u)，在低于 1700℃ ， 350MPa的热等静压条件下，合成纳米结构的 SiC块体，该材料的强度没有降低，但断裂韧性比纳米 SiC块体提高 10-25%。

又如： 堇青石 -纳米 ZrO2复合材料 Sol-Gel法制备的堇青石 (2MgO•2Al2O3•5SiO2）与纳米 ZrO2复合材料，其断裂韧性比堇青石提高了 1倍 典型的纳米复合材料 典型的纳米复合材料 (4) 超塑性陶瓷材料 • 如：在 ZrO2(Y2O3)（粒径小于 300nm）中观察到了超塑性，超塑性竟达到 800% ；在此基础上，加入 20% Al2O3 ，陶瓷材料平均粒径约 500nm，超塑性为 200-500% • 在 Si3N4+20%SiC细晶粒复合陶瓷中，观察到在1600 ℃ 下，延伸率达 150% • 细晶 Al2O3的超塑性也引起了极大兴趣，做了很多尝试 (5) 高分子基复合材料 • 高硬度材料 : 微米级 Fe、 Cu粉按一定比例混合后，经高能球磨制备出纳米 Fex/Cu1-x合金粉，这种合金粉与环氧树脂 → 极高硬度的类金刚石刀片 • 高耐磨材料： 纳米 Al2O3 与橡胶复合，耐磨性大大提高，介电常数提高了将近 1倍纳米 ZnO作轮胎添加剂，已批量投产，节约用量，提高轮胎性能 • 静电屏蔽材料： 半导体粉 (TiO2, Cr2O3, Fe2O3, ZnO等 )加入树脂 → 树脂基纳米氧化物复合材料，其屏蔽性优于常规树脂基与碳黑的复合材料；根据纳米氧化物的类型来改变复合材料的颜色，在电器外壳涂料方面有广阔应用前景。

• 防晒化妆品： TiO2与有机物复合，利用 TiO2对紫外线的吸收特性纳米 ZnO与树脂基复合也有防紫外线特性 典型的纳米复合材料 典型的纳米复合材料 (6) 纳米磁性复合材料 巨磁阻材料： • 颗粒膜：基质材料中弥散着纳米磁性粒子 Ag-Fe, Ag-Co • 纳米丝 : 如 Co/Cu，电沉积法在聚碳酸酯孔洞沉积 Co，在其表面电镀 Cu膜，重复多次室温下巨磁阻效应 Δ R/R达 15-20% • 多层膜： Fe/Cr 纳米复合永磁材料（ Nanocrystalline Composite Permanent Magnetic Materials) ： 是一种新型的永磁材料，其磁化原理是交换耦合硬磁化：两种不同的磁性材料，当他们彼此接触，或被足够薄的薄层（ ≤ 6nm)分隔，允许自旋信息在两者间传递，使它们的磁矩有一个优先的特殊取向一般，一种材料为软磁性，另一种为硬磁性，交换耦合显示为软磁材料的磁滞回线沿它的磁场轴旋转，使软磁相的磁矩与硬磁相的磁矩相平行当有外场时，软磁相的磁矩随硬磁相的磁矩同步转动，对外呈单一磁行为 特征： 1. 剩余磁化强度高； 2. 磁能积高； 3. 剩磁对温度的依赖性小； 4. 良好的磁化特性。

如： Nd2Fe14B(硬磁相） /α -Fe（软磁相）纳米晶复合永磁材料 熔体快淬法制得纳米晶薄带而获得 Nd7Fe90B3快淬带经 650℃ ， 300S退火，合金由 Nd2Fe14B及 α -Fe和少量的非晶相组成复合材料的磁性能为： Br=1.3T, Hc=2.6× 105A/m, (BH)m=1.46× 105J/m3. (7) 新型发光材料 纳米氧化物复合 纯纳米 Al2O3、纯纳米 Fe2O3在可见光范围不发光纳米 Al2O3+纳米 Fe2O3→ 蓝绿光致发光带，原因：复合材料的界面中有大量的 Fe3+，界面中过渡族离子在弱晶场下形成杂质能级 又如： 纳米 Al2O3+纳米 Cr2O3复合材料中观察到Cr3+诱导的发光带，波长范围： 650-750nm Si:H（ 2-4nm)/Si3N4(6nm)复合多层膜（ 60-100层），经激光处理在可见光范围内发出荧光，可制作电光元件 典型的纳米复合材料 (7) 新型发光材料 金属纳米颗粒 /介质复合发光膜 一种新型的发光膜将 Ag粒子分散在 BaO介质中形成 Ag-BaO纳米复合功能膜在紫外光(323.5nm)照射下有两个发光主峰： 729nm和 460-560nm. 复合膜的光热稳定性好、高吸收系数、超快响应时间等。

如：纳米与半导体介质膜的响应时间 50fs，比一般半导体薄膜的响应时间快 3个数量级可用于制作超高速光电器件 (7) 新型发光材料 铁电 -金属、铁电 -半导体复合发光材料： 将金属或半导体纳米粒子分散在铁电材料中铁电材料为纳米相提供了一种特殊的物理环境，铁电体具有高介电常数和介电场强，由此构成高介 -高场调制的纳米态系统 铁电环境对纳米粒子的影响 : 高介电常数环境影响纳米相界面附近的电场，从而影响纳米粒子的电子结构和能带特征；高介基体使纳米颗粒的界面态发生很大变化，使界面的性质发生变化；高介基体在外场作用下，内部能形成很强电场，纳米。