纳米复合材料

纳米复合材料

复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域。

随着科技的发展，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括纳米碳管功能复合材料、纳米聚合物基复合材料、纳米钨铜复合材料等。以纳米改性塑料为例，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。

纳米碳管

纳米碳管(CNT)，管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的C是SP2杂化，形成六边形平面的圆柱面。碳纳米管同样也有天然产出的碳晶特性。使纳米碳管成为人们认知的碳原子材料。科学发现自然，自然验证科学。

纳米碳管由1991年日本科学家Sumio Iijima发现，具有优良的场发射性能，制作成阴极显示管，储氢材料。1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性;1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能;1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长;1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极;1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管

1、碳纳米管的吸附性能。碳纳米管具有较大的比表，特殊的管道结果以及多壁碳纳米管之间的类石墨层隙，使其成为Z有潜力的储氢材料，在燃料电池方面有着重要的作用。

2、碳纳米管的电磁性能。碳纳米管具有独特的导电性、很高的热稳定性和本征迁移率，比表大，微孔集中在一定范围内，满足理想的超级电容器电极材料的要求。碳纳米管的电磁效应同样存在着两端正负极场和单极粒子的特质性质，前者是以复合量子态的存在，是在下面第5行成复合材料人们的生活应用，而后着的单极碳粒子的性质是可以组成粒子点阵跃迁跳跃的纳米线，它的能效要有更高的辐射能量存在。

3、碳纳米管的发射性能。单壁碳纳米管的直径通常是几个纳米，长度可以达到几十至上百微米，长径比很大，而且其结构完整性好，导电性很好，化学性能稳定，具备了高性能场发射材料的基本结构特征。这种高性能是在光电原子散射能效的的聚集，具有冷暗物质的一定能效。

4、碳纳米管的力学性能。理论和实验研究表明，碳纳米管具有极高的强度，理论计算值为钢的100倍。同时碳纳米管具有极高的韧性，十分柔软，被认为是未来的超级纤维。这里的纳米碳管的力学概念是指，以单个单质特性存在的闭合全同粒子的原子力学性质。

5、碳纳米管的化学性能。碳纳米管已被用于分散和稳定纳米级的金属小颗粒。由碳纳米管制得的催化剂可以改善多相催化的选择。

纳米钨铜复合材料

纳米钨铜复合材料也被称为超细晶钨铜复合材料，与普通颗粒的钨铜复合材料相比有着更为优良的理化性能和力学性能，其颗粒尺寸一般介于1-100nm之间。纳米钨铜复合材料由于具有常规结晶材料所不具有的特异性能，而受到国内外材料研究者的关注。目前纳米钨铜复合材料的研究主要集中在纳米钨铜复合材料的制备工艺和烧结特性两个方面。这类材料主要用在微电子封装材料，高性能电触头、电极材料以及航天、军工领域高温用钨铜复合材料中。全致密、高性能的细晶钨铜复合材料的制备关键在于纳米结构钨铜复合粉体的获取。

纳米颗粒的钨铜材料在光学性质、热学性质、磁学性质、超导性质、催化性质等方面有着更优良的特性。

1、光学性质上，纳米颗粒的量子尺寸效应更为显著，在光学上表现为宽频带接收，使得分散系具有特殊的光学性能。/2、热学性质上，在超低温情况下，纳米颗粒的钨铜材料热阻几乎为零。

2、磁学性质上，纳米微粒尺寸超过一定临界值时就会进入超顺磁状态，呈现较高的矫顽力。

3、超导方面纳米钨铜颗粒的超导转变温度也随着粒度的减小而提高。

4、另外，在催化性质方面，随着粒径的减小反应活性明显增强，在适当的条件下能够催化断裂H-H、C-H、C-C、C-O等化学键。

纳米聚合物基复合材料

在纳米聚合物基复合材料方面，主要采用同向双螺杆挤出方法分散纳米粉体，分散水平达到纳米级，得到了性能符合设计要求的纳米复合材料。由于纳米聚合物复合材料的成型工艺不同于普通的聚合物，本方向还积极开展新的成型方法研究，以促进纳米复合材料产业化的进行。聚合物基黏土纳米复合材料的制备、结构与性能，黏土在聚合物中解离的热力学、动力学问题，黏土对热固性树脂固化反应动力学的影响，黏土对聚合物熔体流变性、结晶性、力学性能、热机械性能等的影响。

纳米符合材料制备

我们以橡胶/石墨烯复合材料制备方法为例来说明。

由于石墨烯优异的性质以及低的成本，石墨烯作为橡胶纳米填料被广泛报道。为了获得优异性能的石墨烯/橡胶复合材料，首先要保证石墨烯在橡胶基体中均匀分散。石墨烯的分散与复合材料的制备方法、石墨烯表面化学、橡胶种类以及石墨烯例象胶界面关系有着密切关系。石墨烯/橡胶复合材料的制备方法主要有溶液共混、直接加工和胶乳共混3种方法。

1、直接共混法

直接共混法也称为机械混合法，是指将石墨烯、橡胶配合剂在开炼机或密炼机中与橡胶进行机械混炼，然后硫化制备石墨烯/橡胶复合材料的方法。该方法在机械剪切力作用下分散填料，工艺流程简单，成本低，是目前工业生产橡胶复合材料的主要方法。

虽然直接共混法方便，但在混炼过程时，由于橡胶豁度大，加工困难，且石墨烯片层间范德华力强，橡胶和石墨烯的极性相差大，所以石墨烯很难剥离并均匀分散在橡胶中，另外石墨烯表观密度低导致加料困难。

2、溶液共混法

溶液共混法是指将石墨烯和橡胶分散在溶剂中，在搅拌或超声作用下进行共混，然后挥发溶剂或加入非溶剂进行共沉淀，再硫化制备复合材料的方法。通过溶液共混制备复合材料的关键是将石墨烯及其衍生物均匀分散在能溶解橡胶的溶剂中。

由于GO表面含有很多含氧官能团，在超声作用下，GO能够稳定分散在一些极性有机溶剂如DMF和THF中，这为制备GO复合材料提供了重要前提。对于化学还原或热还原的石墨烯而言，很难将其直接分散在溶剂中，因此需要进行改性处理。

3、胶乳共混法

胶乳共混法通常是先将石墨烯及其衍生物分散在水相中，再与橡胶胶乳混合，经过絮凝、烘干、混炼配合制备复合材料。由于绝大多数橡胶都存在胶乳，而且GO和改性石墨烯能稳定分散在水中，因此胶乳共混法为制备石墨烯/橡胶复合材料的制备提供了一种有效和简单的途径。另外，胶乳共混法有利于石墨烯在橡胶中均匀分散，并避免有毒溶剂的使用。

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