納米復(fù)合材料

復(fù)合材料是人們運(yùn)用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。由于其優(yōu)良的綜合性能，特別是其性能的可設(shè)計(jì)性被廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防、交通、體育等領(lǐng)域。

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隨著科技的發(fā)展，納米技術(shù)逐漸引起人們的關(guān)注，納米復(fù)合材料發(fā)展很快，世界發(fā)達(dá)國(guó)家新材料發(fā)展的戰(zhàn)略都把納米復(fù)合材料的發(fā)展放到重要的位置。該研究方向主要包括納米碳管功能復(fù)合材料、納米聚合物基復(fù)合材料、納米鎢銅復(fù)合材料等。以納米改性塑料為例，可使塑料的聚集態(tài)及結(jié)晶形態(tài)發(fā)生改變，從而使之具有新的性能，在克服傳統(tǒng)材料剛性與韌性難以相容的矛盾的同時(shí)，大大提高了材料的綜合性能。

納米碳管

納米碳管(CNT)，管狀的納米級(jí)石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無(wú)縫納米級(jí)管，每層的C是SP2雜化，形成六邊形平面的圓柱面。碳納米管同樣也有天然產(chǎn)出的碳晶特性。使納米碳管成為人們認(rèn)知的碳原子材料?？茖W(xué)發(fā)現(xiàn)自然，自然驗(yàn)證科學(xué)。

納米碳管由1991年日本科學(xué)家Sumio Iijima發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性能，制作成陰極顯示管，儲(chǔ)氫材料。1992年，科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲卷結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出半導(dǎo)體或良導(dǎo)體的特異導(dǎo)電性；1995年，科學(xué)家研究并證實(shí)了其優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性能；1996年，我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)碳納米管大面積定向生長(zhǎng)；1998年，科研人員應(yīng)用碳納米管作電子管陰極；1998年，科學(xué)家使用碳納米管制作室溫工作的場(chǎng)效應(yīng)晶體管

1、碳納米管的吸附性能。碳納米管具有較大的比表，特殊的管道結(jié)果以及多壁碳納米管之間的類石墨層隙，使其成為Z有潛力的儲(chǔ)氫材料，在燃料電池方面有著重要的作用。

2、碳納米管的電磁性能。碳納米管具有獨(dú)特的導(dǎo)電性、很高的熱穩(wěn)定性和本征遷移率，比表大，微孔集中在一定范圍內(nèi)，滿足理想的超級(jí)電容器電極材料的要求。碳納米管的電磁效應(yīng)同樣存在著兩端正負(fù)極場(chǎng)和單極粒子的特質(zhì)性質(zhì)，前者是以復(fù)合量子態(tài)的存在，是在下面第5行成復(fù)合材料人們的生活應(yīng)用，而后著的單極碳粒子的性質(zhì)是可以組成粒子點(diǎn)陣躍遷跳躍的納米線，它的能效要有更高的輻射能量存在。

3、碳納米管的發(fā)射性能。單壁碳納米管的直徑通常是幾個(gè)納米，長(zhǎng)度可以達(dá)到幾十至上百微米，長(zhǎng)徑比很大，而且其結(jié)構(gòu)完整性好，導(dǎo)電性很好，化學(xué)性能穩(wěn)定，具備了高性能場(chǎng)發(fā)射材料的基本結(jié)構(gòu)特征。這種高性能是在光電原子散射能效的的聚集，具有冷暗物質(zhì)的一定能效。

4、碳納米管的力學(xué)性能。理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，碳納米管具有極高的強(qiáng)度，理論計(jì)算值為鋼的100倍。同時(shí)碳納米管具有極高的韌性，十分柔軟，被認(rèn)為是未來(lái)的超級(jí)纖維。這里的納米碳管的力學(xué)概念是指，以單個(gè)單質(zhì)特性存在的閉合全同粒子的原子力學(xué)性質(zhì)。

5、碳納米管的化學(xué)性能。碳納米管已被用于分散和穩(wěn)定納米級(jí)的金屬小顆粒。由碳納米管制得的催化劑可以改善多相催化的選擇。

納米鎢銅復(fù)合材料

納米鎢銅復(fù)合材料也被稱為超細(xì)晶鎢銅復(fù)合材料，與普通顆粒的鎢銅復(fù)合材料相比有著更為優(yōu)良的理化性能和力學(xué)性能，其顆粒尺寸一般介于1-100nm之間。納米鎢銅復(fù)合材料由于具有常規(guī)結(jié)晶材料所不具有的特異性能，而受到國(guó)內(nèi)外材料研究者的關(guān)注。目前納米鎢銅復(fù)合材料的研究主要集中在納米鎢銅復(fù)合材料的制備工藝和燒結(jié)特性兩個(gè)方面。這類材料主要用在微電子封裝材料，高性能電觸頭、電極材料以及航天、軍工領(lǐng)域高溫用鎢銅復(fù)合材料中。全致密、高性能的細(xì)晶鎢銅復(fù)合材料的制備關(guān)鍵在于納米結(jié)構(gòu)鎢銅復(fù)合粉體的獲取。

納米顆粒的鎢銅材料在光學(xué)性質(zhì)、熱學(xué)性質(zhì)、磁學(xué)性質(zhì)、超導(dǎo)性質(zhì)、催化性質(zhì)等方面有著更優(yōu)良的特性。

1、光學(xué)性質(zhì)上，納米顆粒的量子尺寸效應(yīng)更為顯著，在光學(xué)上表現(xiàn)為寬頻帶接收，使得分散系具有特殊的光學(xué)性能。/2、熱學(xué)性質(zhì)上，在超低溫情況下，納米顆粒的鎢銅材料熱阻幾乎為零。

2、磁學(xué)性質(zhì)上，納米微粒尺寸超過(guò)一定臨界值時(shí)就會(huì)進(jìn)入超順磁狀態(tài)，呈現(xiàn)較高的矯頑力。

3、超導(dǎo)方面納米鎢銅顆粒的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度也隨著粒度的減小而提高。

4、另外，在催化性質(zhì)方面，隨著粒徑的減小反應(yīng)活性明顯增強(qiáng)，在適當(dāng)?shù)臈l件下能夠催化斷裂H-H、C-H、C-C、C-O等化學(xué)鍵。

納米聚合物基復(fù)合材料

在納米聚合物基復(fù)合材料方面，主要采用同向雙螺桿擠出方法分散納米粉體，分散水平達(dá)到納米級(jí)，得到了性能符合設(shè)計(jì)要求的納米復(fù)合材料。由于納米聚合物復(fù)合材料的成型工藝不同于普通的聚合物，本方向還積極開(kāi)展新的成型方法研究，以促進(jìn)納米復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化的進(jìn)行。聚合物基黏土納米復(fù)合材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能，黏土在聚合物中解離的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，黏土對(duì)熱固性樹(shù)脂固化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的影響，黏土對(duì)聚合物熔體流變性、結(jié)晶性、力學(xué)性能、熱機(jī)械性能等的影響。

納米符合材料制備

我們以橡膠/石墨烯復(fù)合材料制備方法為例來(lái)說(shuō)明。

由于石墨烯優(yōu)異的性質(zhì)以及低的成本，石墨烯作為橡膠納米填料被廣泛報(bào)道。為了獲得優(yōu)異性能的石墨烯/橡膠復(fù)合材料，首先要保證石墨烯在橡膠基體中均勻分散。石墨烯的分散與復(fù)合材料的制備方法、石墨烯表面化學(xué)、橡膠種類以及石墨烯例象膠界面關(guān)系有著密切關(guān)系。石墨烯/橡膠復(fù)合材料的制備方法主要有溶液共混、直接加工和膠乳共混3種方法。

1、直接共混法

直接共混法也稱為機(jī)械混合法，是指將石墨烯、橡膠配合劑在開(kāi)煉機(jī)或密煉機(jī)中與橡膠進(jìn)行機(jī)械混煉，然后硫化制備石墨烯/橡膠復(fù)合材料的方法。該方法在機(jī)械剪切力作用下分散填料，工藝流程簡(jiǎn)單，成本低，是目前工業(yè)生產(chǎn)橡膠復(fù)合材料的主要方法。

雖然直接共混法方便，但在混煉過(guò)程時(shí)，由于橡膠豁度大，加工困難，且石墨烯片層間范德華力強(qiáng)，橡膠和石墨烯的極性相差大，所以石墨烯很難剝離并均勻分散在橡膠中，另外石墨烯表觀密度低導(dǎo)致加料困難。

2、溶液共混法

溶液共混法是指將石墨烯和橡膠分散在溶劑中，在攪拌或超聲作用下進(jìn)行共混，然后揮發(fā)溶劑或加入非溶劑進(jìn)行共沉淀，再硫化制備復(fù)合材料的方法。通過(guò)溶液共混制備復(fù)合材料的關(guān)鍵是將石墨烯及其衍生物均勻分散在能溶解橡膠的溶劑中。

由于GO表面含有很多含氧官能團(tuán)，在超聲作用下，GO能夠穩(wěn)定分散在一些極性有機(jī)溶劑如DMF和THF中，這為制備GO復(fù)合材料提供了重要前提。對(duì)于化學(xué)還原或熱還原的石墨烯而言，很難將其直接分散在溶劑中，因此需要進(jìn)行改性處理。

3、膠乳共混法

膠乳共混法通常是先將石墨烯及其衍生物分散在水相中，再與橡膠膠乳混合，經(jīng)過(guò)絮凝、烘干、混煉配合制備復(fù)合材料。由于絕大多數(shù)橡膠都存在膠乳，而且GO和改性石墨烯能穩(wěn)定分散在水中，因此膠乳共混法為制備石墨烯/橡膠復(fù)合材料的制備提供了一種有效和簡(jiǎn)單的途徑。另外，膠乳共混法有利于石墨烯在橡膠中均勻分散，并避免有毒溶劑的使用。