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1、5.4.1 复合材料概论,5.4.2 复合材料的技术性能,5.4.3 重要的复合材料,5.4 化学与复合材料,5.4.4 纳米材料,复合材料(composite material)是有机高分子、无机非金属或金属等几种不同材料，通过复合工艺组合而成的新型材料。或者说是由两种或两种以上化学性质或组织结构不同的材料组合而成的多相固体材料。,5.4.1 复合材料概论,复合材料由两部分组成：基体相(连续相)和增强相(分散相)。 基体相是连续相材料，把改善性能的增强相材料粘结在一起，起粘结剂的作用。 增强相大部分是高强物质，起提高强度 或韧性的作用。,复合材料按增强相形状 可分为三类： 1 纤维增强复合材
2、料 2 层合增强复合材料 3 颗粒增强复合材料,按基体相材料类型可分为三类： 1 树脂基复合材料 2 金属基复合材料 3 陶瓷基复合材料,1. 比强度和比模量高 比强度（抗拉强度与密度之比）和比模量(弹性模量与密度之比)高，说明材料轻而且刚性大。 2. 良好的抗疲劳性能 疲劳是材料在循环应力作用下的性质。复合材料能有效地阻止疲劳裂纹的扩展。,5.4.2 复合材料的技术性能,3. 减振性能好 在工作过程中振动问题十分突出，复合材料为多相系统，大量的界面对振动有反射吸收作用。且自振动频率高，不易产生共振。 4. 高温性能好 复合材料在高温下强度和模量基本不变。,以树脂为基体，玻璃纤维为增强材料制成
3、 的复合材料。 玻璃纤维是由熔 融的玻璃经快速拉伸, 冷却所形成的纤维。 玻璃纤维增强工程塑 料即玻璃钢。,(1) 玻璃纤维增强复合材料,1 . 纤维增强复合材料,5.4.3 重要的复合材料,由于玻璃钢比重小、强度高、耐腐蚀、 耐燃且成型性能好，现已广泛用于汽车车身、 氧气瓶、轻型船体及石油化工的管道、阀门等。 缺点是刚性差，易变形，耐热性能差， 易老化。,碳纤维增强材料与树脂基体组成的材料称为碳纤维增强复合材料。 这类材料保持了玻璃钢的许多优点，而且性能优于玻璃钢。因此 可作宇宙飞行器的外层 材料，人造卫星和火箭 的机架、壳体等。,(2) 碳纤维增强复合材料,硼纤维是一种强度、刚度均比碳纤维
4、高的纤维。硼纤维增强复合材料是硼纤维增强材料与树脂基体组成的复合材料。用作高温材料，但因为价格昂贵，应用受到限制。主要用于航 空工业。,(3) 硼纤维增强复合材料,双层金属复合材料是将特性不同的两种金属，用胶合或者熔合铸造、热压、焊接、喷涂等方法复合在一起以满足某种性能要求的材料。,(1) 双层金属复合材料,2 . 层合增强复合材料,夹层复合材料是性质完全不同的表面材料与芯材复合而成的一种材料。,(2) 夹层复合材料,颗粒复合材料是一种或多种材料的颗粒均匀分散在基体材料内所组成的材料。,3.颗粒增强复合材料,尼龙6/粘土纳米复合材料,5.4.4 纳米材料,根据人类的需要，逐个操纵原子来制造产品
5、，这是人类关于纳米技术最早的梦想。 1981年，扫描隧道显微镜 (Scanning Tunneling Microscope) 的发明，向人类揭示了一个可见 的原子世界，极大的促进和推动 了纳米技术的快速发展。,1990年7月，第一届国际纳米科学技术(Nano Science and Technology,简称NST)会议在美国巴尔的摩召开，标志着纳米科学技术的正式诞生。,最初纳米材料(Nano material)是指粒径为1100nm的超细颗粒和由超细颗粒构成的薄膜和固体。现在，广义地纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。,纳米材料既不同于宏观物体
6、，又不同于微观粒子，正好处于中间地带。具有纳米尺度的物质由于其结构的特殊 性，使纳米材料具有许 多特殊的性能。,碳纳米管,(1) 小尺寸效应：当颗粒尺寸减小到纳米量级时，一定条件下导致材料宏观物理、化学性质发生变化。 由于比表面积大大增加，使纳米材料具有极强的吸附能力。如光吸收显著增强；纳米陶瓷可以被弯曲，其塑性变形可达100%；纳米微粒的熔点低于块状金属，如块状金熔点为1337K，而2nm的金微粒的熔点只有600K。,1. 纳米材料的性能,(2)表面效应：指纳米粒子表面原子数与总原子数之比，随粒径的变小而急剧增大后所引起性质上的变化。 例如，5nm的粒子，表面原子占50%；而2nm的粒子，表
7、面原子占80%。,表面原子增加，使表面能增高，大大增强了纳米粒子的化学活性，使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性。,(3)量子尺寸效应：随着粒子由宏观尺寸进入纳米范围，准连续能带将分裂为分立的能级，能级间的距离随粒子尺寸减小而增大，这种能级能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。 这种量子尺寸效应导致纳米粒子具有与宏观物质截然不同的反常特性。 例如，粒径为20nm的银微粒在温度为1K时出现由导体变为绝缘体的现象。,(4)宏观量子隧道效应：微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，被称为纳米粒子
8、的宏观量子隧道效应。扫描隧道显微镜的基本原理就是基于量子隧道效应. 宏观量子隧道效应限定了磁带、磁盘进行信息存储的时间极限。,2 纳米材料的制备,纳米微粒的制备方法有很多种，按反应性质可分为物理法、化学法； 按制备系统和 状态又可分为气相 法、液相法和固相 法三大类。,气相法是直接利用气体或通过各种手 段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学变化，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。 气相法包括蒸发法、化学气相反应法、 化学气相凝聚(沉淀)法和溅射法等。,化学气相反应法中的等离子体化学气相合成是目前最先进的一种方法，其制备过程为： 产生等离子体原料蒸发化学反应冷却凝聚颗粒捕
9、集尾气处理 我国近来利用该法成功地合成出纳米Si3N4粉体，平均粒度为20nm，纯度达97%。,化学气相沉淀法:在制备SiC-C纳米复 合材料时,采用SiCl4-C3H8-H2系统,在Si/C比为02.8的条件下,最佳温度为1600K时,可获得SiC-C纳米级粉体.,液相法是以均相溶液为出发点，通过各种途经使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，热解后得到纳米微粒。 液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、乳液法、溶胶凝胶法、电解法、溶剂蒸发法和熔融法等。,水解法(金属醇盐法)：金属醇盐是金属与醇类物质反应，生成含M-O-C键的金属有机化合物，例如， M + xROH M(OR)x + x/
10、2H2 金属醇盐能溶于有机溶剂，加水后很容易分解成金属的氧化物、水氧化物和水合物等沉淀，经过滤，干燥，焙烧等过程就可得到纳米粒子。,溶胶-凝胶(Sol-Gel)法的基本过程是: 一些易水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某些溶剂中与水发生反应,经过水解与缩聚过程,首先生成溶胶，再生成具有网状结构的凝胶，然后经过干燥、烧结等后处理工序，制成所需材料。例如， TiCl4 + 4NH3. H2O Ti(OH)4 + 4NH4Cl Ti(iso-OC3H7)4+4H2O Ti(OH)4 + 4(CH3)2CHOH Ti(OC4H9)4 + 4H2O Ti(OH)4 + 4C4H9OH,固相法是通过从
11、固相到固相的变化制造粉体，又可分为两类： 尺寸降低过程：将大块物质极细地分割，物质无变化。包括机械粉碎、化学处理(溶出法)等。 构筑过程：将最小单位(分子或原子)进行组合，物质发生变化。包括热分解法、固相反应法和火花放电法等。,机械粉碎中的高能球磨法是近年来制备纳米材料的重要方法之一，它能将纯金属制成纳米晶体。并能制备出常规方法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料。,3. 纳米材料的应用,纳米材料的结构和性能,使纳米材料呈现出不同于宏观物体的奇异现象:熔点降低,活性增大,声、光、电、磁、热和力学等物理性能出现异常。从而使纳米材料在化学工业、电子工业、生物医疗、航天等领域具有广阔的应用前景。,纳米
12、催化材料。纳米材料比表面积大， 表面活性高，可用来作催化剂。 例如，粒径为30nm的镍可把有机化学的加氢和脱氢反 应速率提高15倍； 用纳米铂催化乙 烯的氧化反应， 可使温度由原来 的600降到室温。,纳米尼龙帘子线,纳米金属材料。强度高，熔点低。例如，银熔点为900，而纳米银的熔点为100；铜的熔点为1083,而20nm铜微粒的熔点只有39。这一特点使低温下将纳米金属烧结成合金产品成为现实，且为不溶解的金属冶炼成合金创造了条件。,纳米金属铜的超延展性,纳米陶瓷材料。纳米陶瓷的强度，韧性和塑性都大大提高了，并降低了陶瓷的烧结温度。 例如，纳米SiC陶瓷的断裂韧性比普通SiC陶瓷提高了100倍；
13、纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2的烧结温度降低了400；德国萨德兰德大学制成的由纳米TiO2和CaF2组成的纳米陶瓷材料能被 弯曲，在80180范围内，其 塑性变形可达100%，脆性陶 瓷变成了塑性陶瓷。,纳米磁性材料。纳米磁性材料具有优 秀的磁性质，用它制成的磁记录介质材料， 不仅音质、图像和信噪比都好，而且记录密度比现在使用的-Fe2O3高10倍。,纳米材料在生物和医疗上也有广泛的 应用。纳米微粒一般比细胞、红血球小的多，因而可以在血液中流动。将包裹有纳米微粒的智能药物注入血液中，输送到病变细胞，为药物传播开辟了一条崭新的途径，也极大地增强了药物的疗效。 有些纳米材料如羟基磷灰石可直
14、接杀死肺癌、肝癌、食道癌等多种肿瘤细胞。 利用纳米微粒进行细胞分离技术实现癌症的早期诊断和治疗。,纳米材料还具有特殊的光学性能，如 光学非线性、光吸收、光反射等。因此被广泛用于光学纤维， 红外反射材料，红外 吸收和紫外吸收材料， 在航天领域中用它作 为隐身材料，可逃避 雷达监视。,纳米聚乙烯管材,纳米复合材料。纳米复合材料可不考虑组成成分是否互溶，只要按需要制成纳米粒子，再成型为纳米复合材料。 如特殊配比的合金。同样可将金属与陶瓷混合制成纳米复合材 料等，这是一种全新概念 的复合材料，其性能简直 不可预测，其用途也不可 估量。,用原子组成图形,纳米材料在其他方面也有广阔的应用 前景，如用纳米微粒制成各种传感器，纳米抛光液，纳米静电 材料，润滑剂等。 纳米材料将成为 21世纪最有前途的新 型材料之一。,纳米存储器，存储密度 可达每平方厘米10万亿字节,