纳米材料特性

纳米材料特性广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（0.1nm~100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。特性:（1）表面与界面效应这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。（2）小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。（3）量子尺寸效应当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。（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等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。纳米结构（Nanostructure）是尺寸介于分子和微米尺度间的物体的结构；有一，二，三维物质。如这些物质的线度都在0.1-100nm范围内，则称为纳米物体。这些物体的结构则称为纳米结构。定义纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。也就是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或组装一种新的体系。它包括一维的、二维的、三维的体系，这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造超原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞。2组成构成纳米结构块体、薄膜、多层膜、以及纳米结构的基本单元有下述几种：零维：团簇、人造原子、纳米微粒一维：纳米线、纳米管、纳米棒、纳米纤维二维：纳米带、超薄膜、多层膜（体系至少有一维尺寸在纳米数量级）因为纳米单元往往具有量子性质，所以对零维、一维和二维的基本单元又有量子点、量子线和量子阱之称纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）=10^(-12)千米=10^(-9)米=10^(-8)dm=10^(-7)cm=0.0000001cm=10^(-6)mm=0.000001mm1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的10万分之一。在英语里纳米用nano表示，NANO一词源自拉丁前缀，矮小之意。原子（atom）指化学反应不可再分的基本微粒，原子在化学反应中不可分割。但在物理状态中可以分割。原子由原子核同核内电子和核外电子构成。因此具有核式结构。原子直径的数量级大约是10^-10m。原子的质量极小，一般为-27次幂，质量主要集中在质子和中子上。原子核外分布着电子，电子跃迁产生光谱，电子决定了一个元素的化学性质，并且对原子的磁性有着很大的影响。所有质子数相同的原子组成元素，每种元素大多有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。原子最早是哲学上具有本体论意义的抽象概念，随着人类认识的进步，原子逐渐从抽象的概念逐渐成为科学的理论。原子核以及电子属于微观粒子，构成原子。纳米复合材料纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。介绍编辑复合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，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分，如今发展很快，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聚合物基复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。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。我们制备的纳米蒙脱土/PA6复合材料中，纳米蒙脱土的层间距为1.96nm，处于国内同类材料的领先水平（中国科学院为1.5~1.7nm），蒙脱土复合到尼龙基体中后完全剥离成为厚度1~1.5nm的纳米微粒，其复合材料的耐温性能、阻隔性能、抗吸水性能均非常优秀，此材料已经实现了产业化；正在开发的纳米TiO2/聚丙烯复合材料具有优良的抗菌效果，纳米TiO2粉体在聚丙烯中分散达到60nm以下，此项技术正在申报发明专利。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。碳纳米管是上个世纪九十年代初发现的一种新型的碳团簇类纤维材料，具有许多特别优秀的性能。我们在碳纳米管取得的研究成果主要包括：1）大规模生产多壁碳纳米管的技术，生产出的碳纳米管的质量处于世界先进水平，生产成本也很低，为碳纳米管的工业应用创造了条件。2）开发了制造碳纳米管为电极材料的双电层大容量电容器的技术。3）开发了制造具有软基底定向碳纳米管膜的技术。钨铜复合材料具有良好的导电导热性、低的热膨胀系数而被广泛地用作电接触材料、电子封装和热沉材料。采用纳米粉末制备的纳米钨铜复合材料具有非常优越的物理力学性能，我们采用国际前沿的金属复合盐溶液雾化干燥还原技术成功制备了纳米钨铜复合粉体和纳米氮化钨－铜复合粉体，目前正在加紧其产业化应用研究。2图书信息编辑书名:纳米复合材料作者：马晓燕，梁国正，鹿海军出版社：科学出版社出版时间：2009-7-1ISBN:9787030248855开本：16开定价:49.00元3内容简介编辑本书系统论述了近几年来聚合物/天然硅酸盐黏土纳米复合材料研究领域的主要研究成果，内容包括天然硅酸盐蒙脱土、累托石等的结构与性能，黏土的有机改性，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，论述并建立了黏土纳米复合材料微观力学模型。书中的大部分内容为作者课题组近几年来的研究成果，另外还包括国际、国内相关学者的最新研究成果。本书可供高分子科学与工程及相关领域的研究者阅读，也可作为高等院校材料学及高分子化学与物理等相关专业师生的参考用书。4图书目录编辑前言第1章硅酸盐黏土矿物的晶体结构及性能1.1离子化固体结构1.1.1最紧密堆积与原子间空隙1.1.2离子晶体结构1.2层状硅酸盐晶体结构与矿物类型1.2.1黏土矿物层型1.2.2黏土矿物的分类1.3层状硅酸盐表面官能团及Lewis酸碱性1.4层状硅酸盐带电表面1.5硅酸盐胶粒的双电层及电动电位1.5.1双电层的形成及电荷分布1.5.2电势及其计算1.6聚合物改性用纳米硅酸盐黏土1.6.1蒙脱土1.6.2累托石1.6.3海泡石参考文献第2章聚合物基黏土纳米复合材料的制备2.1黏土的有机改性2.1.1有机改性剂的选择原则2.1.2几种有机黏土的结构与性能2.1.3有机黏土的分散性2.2黏土在聚合物中的插层与解离2.2.1黏土插层/解离的热力学基础2.2.2黏土插层/解离的动力学条件2.3黏土/聚合物纳米复合材料的制备2.3.1原位插层聚合法制备黏土/聚合物纳米复合材料2.3.2溶液共混法制备黏土/聚合物纳米复合材料2.3.3熔融共混法制备黏土/聚合物纳米复合材料参考文献第3章黏土/热塑性聚合物纳米复合材料的形貌3.1黏土在聚合物中解离的规律3.1.1有机蒙脱土在极性聚合物中的解离3.1.2有机蒙脱土在非极性聚合物中的解离3.1.3有机蒙脱土在共聚物中的解离3.1.4熔融共混工艺与黏土的解离状态3.1.5黏土在纳米复合材料中分散与解离状态的表征方法3.2黏土/聚合物纳米复合材料的结晶形貌3.2.1聚丙烯纳米复合材料的结晶形貌3.2.2有机蒙脱土对尼龙结晶性能的影响3.3黏土对共混体系形貌的影响3.3.1有机累托石在聚丙烯/聚烯烃弹性体体系的分散与解离3.3.2POE在复合材料中的分布3.3.3改性体系的结晶形貌3.4黏土纳米复合材料的界面相互作用3.4.1复合材料的界面相互作用3.4.2界面研究方法概述3.4.3反气相色谱法研究纳米复合材料界面相互作用3.4.4理论模拟方法研究纳米复合材料界面相互作用参考文献第4章黏土/热塑性聚合物纳米复合材料的性能4.1概论4.2聚氨酯黏土纳米复合材料4.2.1有机累托石对聚氨酯熔融流变性能的影响4.2.2有机累托石对聚氨酯硬度的影响4.2.3复合材料的静态力学性能4.2.4力学性能与微观结构4.2.5复合材料的动态力学性能4.2.6复合材料的耐介质性能4.2.7复合材料的热性能4.3聚丙烯黏土纳米复合材料4.3.1黏土对聚丙烯等温结晶性能的影响4.3.2有机累托石对聚丙烯非等温结晶性能的影响4.3.3纳米复合材料的静态力学性能4.3.4纳米复合材料的动态力学性能4.4黏土/聚烯烃共混体系纳米复合材料4.4.1有机累托石改性聚丙烯/聚烯烃弹性体体系的性能4.4.2有机蒙脱土改性的热塑性聚烯烃4.5有机蒙脱土/尼龙纳米复合材料4.6有机蒙脱土/EVA纳米复合材料4.6.1EVA黏土纳米复合材料的机械性能4.6.2纳米复合材料的微观力学模型参考文献第5章黏土复合凝胶聚合物电解质的结构与性能第6章黏土/热固性树脂纳米复合材料的形貌与性能参考文献新材料新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。重点任务编辑按照国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的总体部署，为贯彻落实新材料产业“十二五”发展规划，做好新材料产业标准化工作，建立完善新材料产业标准体系，促进新材料产业发展，特制订《新材料产业标准化工作三年行动计划》。（一）加大重点新材料领域标准制修订力度特种金属功能材料。积极推动高纯金属及靶材、稀贵金属、储能材料、新型半导体材料、新一代非晶材料、精细合金等重点标准制修订工作，成套、成体系制定并发布稀土永磁、发光等功能材料标准，抓紧研制材料性能测试、成分分析、标准样品等基础和方法标准。完成催化材料、靶材等40项重点新材料标准制修订工作，提出80项重点标准研制计划，开展5项重点标准预研究。高端金属结构材料。重点研制高温合金及耐蚀合金、耐蚀钢、特种不锈钢、工模具钢、轴承钢、齿轮钢，轨道交通用铝合金、特种镁合金及钛合金等产品标准，进一步完善金属材料超声探伤、无损检测、力学试验等配套基础和方法标准。完成核电用钢、耐蚀合金、钛合金等30项重点新材料标准制修订工作，提出40项重点标准研制计划。先进高分子材料。制定发布丁基橡胶等特种橡胶及专用助剂、聚酰胺等工程塑料及制品、电池隔膜、光学功能薄膜、特种分离膜及组件、环境友好型涂料以及功能性化学品等一批重点产品标准，完成测定方法、通用技术条件、应用规范等配套标准制修订。完成功能薄膜、特种橡胶等领域65项重点新材料标准制修订工作，提出110项重点标准研制计划。新型无机非金属材料。重点研制电光陶瓷、压电陶瓷、碳化硅陶瓷等先进陶瓷，微晶玻璃、高纯石英玻璃及专用原料，闪烁晶体、激光晶体等产品标准，加快材料杂质检测、试验方法等配套标准制修订步伐，强化配套