纳米复合材料[行业使用]

1、复合材料复合材料 Composite Materials 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 刘颖教授主讲刘颖教授主讲 1应用分析 纳米复合材料纳米复合材料 Nano-Composite Materials 2应用分析 主要内容主要内容 纳米复合材料的定义纳米复合材料的定义 纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类 纳米复合材料的制备纳米复合材料的制备 纳米复合材料的应用纳米复合材料的应用 3应用分析 高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切 ，纳米技术纳米技术为发展高性能新材料和对现有材料的性为发展高性能新材料和对现有材料的性 能进行改善提供了一

2、个新的途径。能进行改善提供了一个新的途径。 纳米复合材料纳米复合材料与传统复合材料在结构和性能上有明与传统复合材料在结构和性能上有明 显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物 理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。 纳米材料的典型纳米材料的典型 代表代表-纳米碳管纳米碳管 4应用分析 纳米复合材料的定义纳米复合材料的定义 5应用分析 纳米材料纳米材料是指是指三维空间中至少有三维空间中至少有 一维处于纳米尺度范围内，或以一维处于纳米尺度范围内，或以 它们作为基本构成单元的材料它们作为基本构成单元的材

3、料。 零维零维在空间三继尺度均在纳米尺在空间三继尺度均在纳米尺 度，如纳米颗粒、原子团簇等；度，如纳米颗粒、原子团簇等； 一维一维在三继空间有两维处于纳米在三继空间有两维处于纳米 尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米 管等；管等； 二维二维在三维空间中有一维在纳米在三维空间中有一维在纳米 尺度，如超薄膜、多层膜、超晶尺度，如超薄膜、多层膜、超晶 格等。格等。 0维纳米维纳米Au颗粒颗粒 1维纳米维纳米Au线线 6应用分析 纳米复合材料纳米复合材料(Nano-composites)是是由两种或两种以由两种或两种以 上的固相至少在一维以纳米级大小上的固相至少在一维以纳米级大小(

4、1100nm)复合复合 而成的复合材料而成的复合材料。 固相可以是非晶、晶态或兼而有之，而且可以是无固相可以是非晶、晶态或兼而有之，而且可以是无 机、有机或二者都有。机、有机或二者都有。 Co-WC纳米复合硬纳米复合硬 质合金微观形貌质合金微观形貌 Co-WC纳米复合硬纳米复合硬 质合金材料质合金材料 7应用分析 纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类 8应用分析 按按基体形状基体形状可把纳米复合材料大致分为可把纳米复合材料大致分为0-0复合、复合、0- 2复合、复合、0-3复合、复合、1-3复合和复合和2-3复合复合等主要形式。等主要形式。 0-0复合：复合：不同成分的不同相或不同种类的纳米粒

5、子不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子 复合而成复合而成的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与 金属、陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷金属、陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷 、陶瓷与高分子等构成。、陶瓷与高分子等构成。 纳米纳米TiN和纳米和纳米AlN复合制备的超硬材料，复合制备的超硬材料，HRA达到达到91 9应用分析 0-2复合：把复合：把纳米粒子分散到二维的薄膜材料纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到中得到 的纳米复合薄膜材料。的纳米复合薄膜材料。 可分为可分为均匀弥散型均匀弥散型和和非均匀弥散型非均匀弥散型：均匀弥散型是：均匀弥散型是 指纳米

6、粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型 是指纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中。是指纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中。 纳米薄膜纳米薄膜纳米薄膜太阳能电池纳米薄膜太阳能电池 10应用分析 0-3复合：复合：把纳米粒子分散把纳米粒子分散 到常规三维固体材料中，到常规三维固体材料中， 也即纳米也即纳米-微米复合材料。微米复合材料。 通过纳米粒子加入和均匀通过纳米粒子加入和均匀 分散在微米粒子基体中，分散在微米粒子基体中， 阻止基体粒子的晶粒长大阻止基体粒子的晶粒长大 ，以获得具有微晶结构的，以获得具有微晶结构的 致密材料，使材料强度、致密材料，使材料强

7、度、 硬度、韧性等力学性能得硬度、韧性等力学性能得 到显著提高。到显著提高。 纳米纳米- -微米复合材料结构示意图微米复合材料结构示意图 11应用分析 1-3复合：主要是复合：主要是纳米碳管、纳米晶须与常规金属纳米碳管、纳米晶须与常规金属 粉体、陶瓷粉体和聚合物粉体的复合粉体、陶瓷粉体和聚合物粉体的复合，对金属、陶，对金属、陶 瓷和聚合物有特别明显的增强作用。瓷和聚合物有特别明显的增强作用。 2-3复合：复合：无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物 前驱物的复合前驱物的复合，主要是插层纳米复合材料的合成。，主要是插层纳米复合材料的合成。 纳米碳管增强复合材料示意图

8、纳米碳管增强复合材料示意图 12应用分析 近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同 样可以作为纳米复合材料的母体，通过物理或化学样可以作为纳米复合材料的母体，通过物理或化学 方法将方法将纳米粒子填充在介孔中纳米粒子填充在介孔中( (孔洞尺寸为纳米或亚孔洞尺寸为纳米或亚 微米级微米级) )，这种，这种介孔复合体介孔复合体也是纳米复合材料。也是纳米复合材料。 低密度多孔镍形貌低密度多孔镍形貌 13应用分析 按按基体类型基体类型分为分为金属基、陶瓷基和聚合物基金属基、陶瓷基和聚合物基纳米纳米 复合材料。复合材料。 纳米复合材料纳米复合材料 金属基纳米金

9、属基纳米 复合材料复合材料 金属金属/ /金属纳米复合材料金属纳米复合材料 金属金属/ /陶瓷纳米复合材料陶瓷纳米复合材料 陶瓷基纳米陶瓷基纳米 复合材料复合材料 陶瓷陶瓷/ /陶瓷纳米复合材料陶瓷纳米复合材料 陶瓷陶瓷/ /金属纳米复合材料金属纳米复合材料 聚合物基纳聚合物基纳 米复合材料米复合材料 聚合物聚合物/ /陶瓷纳米复合材料陶瓷纳米复合材料 聚合物聚合物/ /金属纳米复合材料金属纳米复合材料 聚合物聚合物/ /聚合物纳米复合材料聚合物纳米复合材料 14应用分析 纳米复合材料的制备纳米复合材料的制备 15应用分析 无机纳米复合材料制备无机纳米复合材料制备 高能球磨法高能球磨法 将两种

10、或两种以上无机粉末放入球磨机中，利用球将两种或两种以上无机粉末放入球磨机中，利用球 磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击 、研磨和搅拌，粉末颗粒经压延，压合，碾碎，再、研磨和搅拌，粉末颗粒经压延，压合，碾碎，再 压合的反复过程，获得纳米复合粉末，烧结后得到压合的反复过程，获得纳米复合粉末，烧结后得到 纳米复合材料。纳米复合材料。 行星式高能球磨机行星式高能球磨机 不锈钢磨球不锈钢磨球 16应用分析 高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金， 如如 Cu-Fe、Cu-Cr、Cu-W等材料，还可用于

11、制备等材料，还可用于制备 TiAl、NiAl等金属间化合物和超硬合金等。等金属间化合物和超硬合金等。 高能球磨法还能制备纳米晶复合材料高能球磨法还能制备纳米晶复合材料。晶粒细化是由。晶粒细化是由 于粉末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达于粉末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达 到临界值时，粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最到临界值时，粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最 终形成纳米晶复合材料。终形成纳米晶复合材料。 高能球磨制备的高能球磨制备的 Ti(C,N)粉末形貌，粉末形貌， XRD分析显示分析显示f粉粉 末晶粒尺寸在末晶粒尺寸在 100nm以下以下 17应用分析 西安交通大学通

12、过对西安交通大学通过对Al-Ti系粉末进行高能球磨和压系粉末进行高能球磨和压 制烧结，发现制烧结，发现Al-Ti合金系高能球磨后，各组元晶粒合金系高能球磨后，各组元晶粒 得到细化，并且得到细化，并且Ti在在Al中发生了强制超饱和固溶，中发生了强制超饱和固溶， 烧结时形成纳米晶烧结时形成纳米晶Al3Ti/Al复合材料。复合材料。 Hwang等通过机械球磨等通过机械球磨Mg, Ti和和C粉合成粉合成Mg-Ti-C纳纳 米复合材料，米复合材料，Mg晶粒尺寸在晶粒尺寸在2560nm之间之间, TiC颗粒颗粒 尺寸在尺寸在3070nm之间。之间。Mg-Ti-C纳米复合材料具有高纳米复合材料具有高 的屈服

13、强度和与的屈服强度和与Mg-Ti合金相似的高延展性。合金相似的高延展性。 18应用分析 非晶晶化法非晶晶化法 在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组 态将基本上保持不变，被态将基本上保持不变，被“冻结冻结” 形成长程无序的非形成长程无序的非 晶结构晶结构，再通过，再通过晶化热处理对原子进行晶化热处理对原子进行“解冻解冻”。控。控 制热处理温度和时间，使原子具有足够的能量和时间制热处理温度和时间，使原子具有足够的能量和时间 进行扩散，得到纳米晶复合材料。进行扩散，得到纳米晶复合材料。 快淬法制备非晶快淬法制备非晶NdFeB条带条带 19应用分

14、析 利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在20-30nm的纳的纳 米晶双相复合米晶双相复合NdFeB/-Fe永磁粉末，其最大磁能积永磁粉末，其最大磁能积 可以达到可以达到126-132kJ/m3，将其与高分子树脂制成粘结，将其与高分子树脂制成粘结 磁体的可广泛应用于计算机、打印机、空调、汽车磁体的可广泛应用于计算机、打印机、空调、汽车 所用的微特电机及传感器等领域所用的微特电机及传感器等领域 纳米晶双相复合纳米晶双相复合NdFeB/-Fe粉末的微观形貌粉末的微观形貌 20应用分析 非常规快速烧结非常规快速烧结 用纳米粉体制备纳米复合材料，最终显微结构中晶用纳米粉体

15、制备纳米复合材料，最终显微结构中晶 粒仍要保持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉粒仍要保持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉 末的巨大活性，在烧结过程中晶界扩散非常快，极末的巨大活性，在烧结过程中晶界扩散非常快，极 易发生晶粒快速生长。采用非常规烧结工艺，如易发生晶粒快速生长。采用非常规烧结工艺，如微微 波烧结、放电等离子烧结、感应烧结和自蔓延燃烧波烧结、放电等离子烧结、感应烧结和自蔓延燃烧 合成合成等，可在烧结过程中降低烧结温度，缩短烧结等，可在烧结过程中降低烧结温度，缩短烧结 时间，加快冷却速度等，有效抑制晶粒的长大。其时间，加快冷却速度等，有效抑制晶粒的长大。其 中采用是比较有效的技术。

16、中采用是比较有效的技术。 21应用分析 放电等离子烧结放电等离子烧结 颗粒间的放电颗粒间的放电纳米纳米SiCx纤维的联结纤维的联结22应用分析 只需较低的只需较低的温度温度: 600-750 只需较低的只需较低的压力压力: 102M Pa 只需很短的只需很短的时间时间: 约约2分钟分钟,包括包括: 由室温加热至热压温度由室温加热至热压温度(约约 700 进行热压进行热压 冷却至约冷却至约200 热压后可获得全密度热压后可获得全密度 有效地防止晶粒长大有效地防止晶粒长大 价格低廉价格低廉 感应烧结感应烧结 a-Fe a-Fe a-Fe a-Fe 纳米晶双相复合纳米晶双相复合NdFeB/-Fe致密

17、磁体致密磁体 23应用分析 利用粉末状混合物化学反应产生的热量和反应的自利用粉末状混合物化学反应产生的热量和反应的自 传播性传播性，使材料燃烧和合成来制备纳米复合材料。，使材料燃烧和合成来制备纳米复合材料。 反应迅速，能耗低，纯度高，最适合于生成热大的反应迅速，能耗低，纯度高，最适合于生成热大的 化合物的合成如化合物的合成如AlN、TiC、TiB等。等。 自蔓延高温合成自蔓延高温合成 自蔓延高温合成的纳米自蔓延高温合成的纳米TiNTiN粉末粉末 24应用分析 这些方法的共同特点是可瞬时加热到所需温度。烧这些方法的共同特点是可瞬时加热到所需温度。烧 结中还可以借助压力驱动，使致密化加速而不使晶结

18、中还可以借助压力驱动，使致密化加速而不使晶 粒迅速长大。而燃烧合成则可反应放热，在瞬间完粒迅速长大。而燃烧合成则可反应放热，在瞬间完 成致密化。成致密化。 使用微波烧结技术对使用微波烧结技术对 ZrO2纳米粉体进行烧结，最终纳米粉体进行烧结，最终 可达可达98%以上理论密度，晶粒尺寸在以上理论密度，晶粒尺寸在100200nm。 在在1450 C用用SPS技术烧结技术烧结Al2O3陶瓷的强度可达陶瓷的强度可达 800MPa以上，比常规工艺烧结的陶瓷强度高一倍以以上，比常规工艺烧结的陶瓷强度高一倍以 上，显微硬度上，显微硬度HV达到达到18.5GPa。 25应用分析 涂层法涂层法 涂层是用物理的、

19、化学的或者其它方法，在金属或涂层是用物理的、化学的或者其它方法，在金属或 者非金属表面形成一层具有一定厚度，不同于基材者非金属表面形成一层具有一定厚度，不同于基材 自身，且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖自身，且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖 层。通过调节相应的工艺条件，控制涂层的厚度，层。通过调节相应的工艺条件，控制涂层的厚度， 形成均匀的纳米薄膜，得到纳米复合材料。形成均匀的纳米薄膜，得到纳米复合材料。 制备纳米复合材料的涂层法主要有制备纳米复合材料的涂层法主要有磁控溅射、物理磁控溅射、物理 化学气相沉积、电沉积和热喷涂化学气相沉积、电沉积和热喷涂等。等。 26应用分析 磁控溅射

20、磁控溅射等离子喷涂等离子喷涂 化学气相沉积化学气相沉积电化学沉积电化学沉积 27应用分析 M. Gell等采用等离子弧喷涂制备出等采用等离子弧喷涂制备出Al2O3-TiO2 纳米纳米 结构涂层结构涂层, 其中其中Al2O3晶粒尺寸为晶粒尺寸为20-70 nm。与普通。与普通 涂层相比涂层相比, 纳米结构涂层的气孔率降低纳米结构涂层的气孔率降低, 结合强度增结合强度增 大大, 耐冲蚀磨损性能提高了耐冲蚀磨损性能提高了3倍，而且韧性较传统涂倍，而且韧性较传统涂 层大大提高。层大大提高。 Jianhong He等采用热喷涂技术制备出纳米结构的等采用热喷涂技术制备出纳米结构的 Cr3C2-NiCr涂层

21、，退火后涂层晶粒为涂层，退火后涂层晶粒为39 nm，同时，同时 出现平均尺寸为出现平均尺寸为8.3nm的析出相。纳米涂层的显微的析出相。纳米涂层的显微 硬度硬度HV达达1200, 而传统涂层显微硬度而传统涂层显微硬度HV仅为仅为846。 此外此外, 纳米涂层划痕抗力明显增加纳米涂层划痕抗力明显增加, 摩擦因数降低。摩擦因数降低。 28应用分析 剧烈塑性变形法剧烈塑性变形法 采用大塑性变形细化技术可使材料组织细化到亚微米采用大塑性变形细化技术可使材料组织细化到亚微米 级或纳米级。级或纳米级。 等通道角形变等通道角形变ECAP(equal channel angular pressing) 、高压

22、扭转形变、高压扭转形变HPT(high pressure torsion)和多重轧和多重轧 制复合制复合ARB(accumulative roll bonding)等方法依靠剪等方法依靠剪 切力使材料在不改变横截面积情况下产生大的剪切变切力使材料在不改变横截面积情况下产生大的剪切变 形形, 从而使材料晶粒尺寸细化到从而使材料晶粒尺寸细化到10-1000 nm。 29应用分析 剧烈苏醒变形原理图剧烈苏醒变形原理图 (a)(a)高压扭转变形高压扭转变形 (b)(b)等通道角形变等通道角形变 30应用分析 高碳钢高碳钢(1.8%C)的微观结构的微观结构 (a)常规状态常规状态 (b)室温下剧烈塑性变

23、形后室温下剧烈塑性变形后 ab 31应用分析 ab Ti合金的微观结构合金的微观结构 (a)等通道角形变等通道角形变 ，变形角度，变形角度90 (b)等通道角形变，变形角度等通道角形变，变形角度180 32应用分析 日本用日本用ARB ( accumulative roll bonding)方法方法, 通过通过 对含对含Ti的超深冲钢的超深冲钢( IF钢钢)经过经过5次次500 的的ARB循环循环 后后,晶粒尺寸细化到晶粒尺寸细化到500 nm以下。以下。 通过多向变形加工通过多向变形加工(变化变形方向变化变形方向)能促进奥氏体能促进奥氏体/铁铁 素体相变素体相变, 从而加速铁素体的形核速度从

24、而加速铁素体的形核速度, 并强制引发并强制引发 晶内湍流晶内湍流, 起到破碎晶粒的作用。通过多向变形细起到破碎晶粒的作用。通过多向变形细 化技术可以有效地细化低合金钢甚至高合金钢的显化技术可以有效地细化低合金钢甚至高合金钢的显 微组织。微组织。 33应用分析 有机纳米复合材料制备有机纳米复合材料制备 溶胶溶胶- -凝胶法凝胶法 溶胶溶胶- -凝胶法是将前驱物凝胶法是将前驱物( (金属有机化合物，如金属醇金属有机化合物，如金属醇 盐以及部分无机盐盐以及部分无机盐) )在一定的溶剂在一定的溶剂( (水或有机溶剂水或有机溶剂) )中中 形成均质溶液，溶质水解形成均质溶液，溶质水解( (或醇解或醇解)

25、 )形成纳米级粒子并形成纳米级粒子并 成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化 为凝胶的过程。为凝胶的过程。 34应用分析 溶胶溶胶-凝胶法的基本原理可用三个阶段表述：凝胶法的基本原理可用三个阶段表述： 单体单体(即先驱体即先驱体)经水解、缩合生成溶胶粒子经水解、缩合生成溶胶粒子(初生粒初生粒 子，粒径为子，粒径为2nm左右左右)； 溶胶粒子聚集生长溶胶粒子聚集生长(次生粒子，粒径为次生粒子，粒径为6nm左右左右)； 长大的粒子长大的粒子(次生粒子次生粒子)相互连接成链相互连接成链，进而在整个，进而在整个 液体介质中扩展成三维网络结构，形成凝

26、胶。液体介质中扩展成三维网络结构，形成凝胶。 35应用分析 溶胶溶胶- -凝胶法的工艺过程：先驱体经水解、缩合生成凝胶法的工艺过程：先驱体经水解、缩合生成 溶胶，溶胶转化成凝胶，凝胶经陈化、干燥、热处溶胶，溶胶转化成凝胶，凝胶经陈化、干燥、热处 理理( (烧结烧结) )等不同工艺处理，得到不同形式的材料。等不同工艺处理，得到不同形式的材料。 凝胶的陈化、干燥和热处理凝胶的陈化、干燥和热处理( (烧结烧结) )是溶胶是溶胶- -凝胶工艺凝胶工艺 中比较重要的步骤。中比较重要的步骤。 典型的溶胶典型的溶胶-凝胶工艺流程示意图凝胶工艺流程示意图 36应用分析 层间插入法层间插入法 层间插入法利用层状

27、无机物层间插入法利用层状无机物(如粘土、云母等层状金如粘土、云母等层状金 属盐类属盐类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作 为无机主体，将聚合物为无机主体，将聚合物(或单体或单体)作为客体插入无机相作为客体插入无机相 的层间，制得聚合物基有机的层间，制得聚合物基有机无机纳米复合材料。无机纳米复合材料。 层状无机物是一维方向上的纳米材料，粒子不易团层状无机物是一维方向上的纳米材料，粒子不易团 聚，又易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺聚，又易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺 度范围度范围1nm-100nm。不仅可大幅度提高机械性能，。不仅可大幅度提

28、高机械性能， 还能获得多种功能特性。还能获得多种功能特性。 37应用分析 蒙脱土是水合的铝硅酸盐，具有八面体铝层夹于蒙脱土是水合的铝硅酸盐，具有八面体铝层夹于 四面体四面体SiO2层的层的夹心薄片结构夹心薄片结构，其薄片表面的净，其薄片表面的净 负电荷使其能吸引负电荷使其能吸引Na+或或Ca2+等正离子，此特性使等正离子，此特性使 其能够与单体进行嵌插，是制备聚合物其能够与单体进行嵌插，是制备聚合物/粘土纳米粘土纳米 复合材料复合材料(Po1ymer/Clay Hybrids，简称，简称PCH)最重最重 要的研究对象。要的研究对象。 插层用的蒙脱土材料插层用的蒙脱土材料 38应用分析 从材料微

29、观形态的角度，可将从材料微观形态的角度，可将PCH材料分成三类：材料分成三类： 普通普通(Conventional)型型：PCH材料中粘土片层紧密堆材料中粘土片层紧密堆 积，粘土片层之间并无聚合物插入；积，粘土片层之间并无聚合物插入； 插层插层(Intercalated)型型：PCH材料中粘土片层间有少量材料中粘土片层间有少量 高聚物分子插入，但末使其完全脱离联系，粘土颗粒高聚物分子插入，但末使其完全脱离联系，粘土颗粒 在聚合物基体中保持着在聚合物基体中保持着“近程有序、远程无序近程有序、远程无序”的层的层 状堆积的骨架结构；状堆积的骨架结构； 解离解离(Exfo1iated)型型：PCH材料

30、中厚度为材料中厚度为1nm数量级数量级 的粘土片层独立均匀的分散于聚合物基体中，粘土分的粘土片层独立均匀的分散于聚合物基体中，粘土分 散程度接近分子水平，粘土片层与聚合物实现纳米尺散程度接近分子水平，粘土片层与聚合物实现纳米尺 度的均匀混合。度的均匀混合。 39应用分析 聚合物粘土纳米复合材料可能的类型示意图聚合物粘土纳米复合材料可能的类型示意图 40应用分析 直接分散法直接分散法 将无机纳米微粒直接分散于有机总质制备无机聚合将无机纳米微粒直接分散于有机总质制备无机聚合 物纳米复合材料的方法。物纳米复合材料的方法。 在分散的在分散的SiO2微粒微粒(20nm)/聚吡咯胶体中加入单体聚吡咯胶体中

31、加入单体 和作为氧化刘的和作为氧化刘的FeCl3，聚合制成聚吡咯，聚合制成聚吡咯-SiO2纳米纳米 复合材料。聚吡咯将纳米复合材料。聚吡咯将纳米SiO2微粒胶粘在一起即形微粒胶粘在一起即形 成纳米复合材料。这类材料可用作为可见凝集免疫成纳米复合材料。这类材料可用作为可见凝集免疫 测定中高显色的测定中高显色的“高显色的标记器高显色的标记器”微粒。微粒。 41应用分析 原位聚合法原位聚合法 原位聚合法是先使纳米粒子在聚合物单体中均匀分散原位聚合法是先使纳米粒子在聚合物单体中均匀分散 ，再引发单体聚合，是制备，再引发单体聚合，是制备具有良好分散效果具有良好分散效果的纳米的纳米 复合材料的重要方法。复

32、合材料的重要方法。 原位聚合法反应条件温和，制备的复合材料中纳米粒原位聚合法反应条件温和，制备的复合材料中纳米粒 子分散均匀，粒子的纳米特性完好无损，同时在聚合子分散均匀，粒子的纳米特性完好无损，同时在聚合 中只经一次聚合成型，不需热加工，避免了由此产生中只经一次聚合成型，不需热加工，避免了由此产生 的降解，保持了基本性能的稳定。的降解，保持了基本性能的稳定。 该法适合该法适合在含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的在含有金属、硫化物或氢氧化物胶体粒子的 溶液中进行单体分子原位聚合溶液中进行单体分子原位聚合制备纳米复合材料，制备纳米复合材料，如如 SiO2/PMMA纳米复合材料。纳米复合材料。

33、42应用分析 将高聚物将高聚物EMAA与与Pb的醋酸盐或乙酰丙酮化物研磨的醋酸盐或乙酰丙酮化物研磨 ，在，在160蒸去乙酸或乙酰丙酮。将含有蒸去乙酸或乙酰丙酮。将含有Pb的的EMAA 膜暴露于膜暴露于H2S，常压下得到纳米，常压下得到纳米PbS/EMAA复合膜。复合膜。 EMAA是具有良好机械和光学性能的基质，赋于纳是具有良好机械和光学性能的基质，赋于纳 米尺寸的半导体微粒优异的动力学稳定性。米尺寸的半导体微粒优异的动力学稳定性。 PbS从分子到块体的转变，随着粒径减小，带隙蓝移从分子到块体的转变，随着粒径减小，带隙蓝移 ，最终接近，最终接近PbS分子的第一个允许激发态转变能量。分子的第一个允

34、许激发态转变能量。 以离聚物为基质制备稳定的硫化物纳米微粒而形成以离聚物为基质制备稳定的硫化物纳米微粒而形成 的半导体聚合物复合材料，具有与分子和块体材料的半导体聚合物复合材料，具有与分子和块体材料 不同的特性，具有良好的非线性光学性能，为红外不同的特性，具有良好的非线性光学性能，为红外 和微波应用提供新材料。和微波应用提供新材料。 43应用分析 利用利用Si3N4粉表面的粉表面的SiO2层与层与C反应，在烧结过程中反应，在烧结过程中 原位生成原位生成SiC纳米颗敞制成纳米颗敞制成Si3N4/SiC纳米复合材料纳米复合材料 的方法。重要的是通过控制的方法。重要的是通过控制Si3N4粉含氧量，控

35、制粉含氧量，控制 Si3N4粉表面的粉表面的SiO2层厚。然后，通过甲烷热解方法层厚。然后，通过甲烷热解方法 在在Si3N4粉上镀上一层碳。最后将镀粉上镀上一层碳。最后将镀C的的Si3N4粉与粉与 Y2O3、Al2O3粉在酒精中球磨分散，干燥后再干磨粉在酒精中球磨分散，干燥后再干磨 ，再经热压烧结制成，再经热压烧结制成Si3N4/SiC纳米复合材料。纳米复合材料。 44应用分析 模板自组装法模板自组装法 利用某一聚合物基材作模板，通过物理吸附或化学利用某一聚合物基材作模板，通过物理吸附或化学 反应反应( (离子交换或络合转换法离子交换或络合转换法) )等手段将纳米粒子原等手段将纳米粒子原 位引

36、入模板制造复合材料的方法。在有序模板的存位引入模板制造复合材料的方法。在有序模板的存 在和制约下，纳米相将具有一些特殊结构和性质。在和制约下，纳米相将具有一些特殊结构和性质。 通过分子自组装和组装技术可实现材料结构和形态通过分子自组装和组装技术可实现材料结构和形态 的人工控制，使结构有序化，进而控制材料功能。的人工控制，使结构有序化，进而控制材料功能。 在磁、光、光电、催化、生物等领域的潜在应用，在磁、光、光电、催化、生物等领域的潜在应用， 决定了分子自组装纳米复合材料很有发展前途。决定了分子自组装纳米复合材料很有发展前途。 45应用分析 纳米复合材料的应用纳米复合材料的应用 46应用分析 结

37、构型纳米复合材料结构型纳米复合材料 发展高力学性能材料刻不容缓，纳米复合材料的研究发展高力学性能材料刻不容缓，纳米复合材料的研究 为探索高力学性能材料开辟了一条新的途径。为探索高力学性能材料开辟了一条新的途径。 在纳米复合材料中，高强度、高模量、耐热性好的纳在纳米复合材料中，高强度、高模量、耐热性好的纳 米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等弥散于基米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等弥散于基 体中，可提高基体材料的强度、模量、韧性、抗蠕变体中，可提高基体材料的强度、模量、韧性、抗蠕变 和抗疲劳性、高温性能。和抗疲劳性、高温性能。 艾菲尔铁塔艾菲尔铁塔旧金山金门大桥旧金山金门大桥 47应用分

38、析 高强度合金高强度合金 日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备高日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备高 强、高延展性的纳米复合材料强、高延展性的纳米复合材料. 纳米纳米AI-Ce-过渡族金属合金复合材料比常规同类材过渡族金属合金复合材料比常规同类材 料好得多的延展性和高的强度料好得多的延展性和高的强度(1340-1560MPa)。 材料结构特点是在非晶基体上分布着材料结构特点是在非晶基体上分布着30-50nm 的的Ce 粒子，外部包有粒子，外部包有10nm厚的晶态厚的晶态A1。这种复杂的纳。这种复杂的纳 米结构合金是导致高强、高延展性的主要原因。米结构合金是导致高强、高延展性的主要

39、原因。 48应用分析 比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。 材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料材料的比强度愈高，制作同一零件则自重愈小；材料 的比模量愈高，零件的刚性愈大。的比模量愈高，零件的刚性愈大。 纳米复合材料具有比强度、比模量高等特点。纳米复合材料具有比强度、比模量高等特点。 复合系统复合系统 抗拉强度抗拉强度 MPa 拉伸模量拉伸模量 GPa 密度密度 g/cm3 比强度比强度 MPa/(g/cm3) 比模量比模量 GPa/(g/cm3) Al2O3P/Al9001302.931045 SiCP/Al 5101002

40、.818836 SiCf/Al9001102.643642 轧制轧制+热处理热处理 LY12合金合金 4352.9150 49应用分析 上海交通大学将多壁碳纳上海交通大学将多壁碳纳 米管米管(CNTs) 添加入添加入101铸铸 铝合金中，发现铝合金中，发现CNTs能细能细 化复合材料的晶粒组织，化复合材料的晶粒组织， 当当CNTs加入量不超过加入量不超过2% 时，随着时，随着CNTs 的增加，强的增加，强 度和硬度也逐渐增加度和硬度也逐渐增加, 复合复合 材料的抗拉强度比基体最材料的抗拉强度比基体最 高可提高高可提高100% , 硬度比基硬度比基 体最高可提高体最高可提高110% , 多壁碳纳

41、米管多壁碳纳米管 50应用分析 中科院金属所用单壁碳纳中科院金属所用单壁碳纳 米管米管SWNTs和纳米和纳米Al粉制粉制 备出备出SWNTs/纳米铝基块体纳米铝基块体 复合材料，发现当复合材料，发现当SWNTs 含量小于含量小于5.0%时，材料的时，材料的 硬度随着硬度随着SWNTs含量的增含量的增 加而上升，其硬度可达加而上升，其硬度可达 2.89GPa，大约是粗晶，大约是粗晶 Al(0.15GPa)的的20倍。倍。 单壁碳纳米管单壁碳纳米管 51应用分析 四川大学用表面处理后的纳四川大学用表面处理后的纳 米碳管与米碳管与CuSn合金粉末一起合金粉末一起 烧结，得到纳米碳管增强的烧结，得到纳

42、米碳管增强的 CuSn基纳米复合材料，将其基纳米复合材料，将其 制成制成多孔含油轴承多孔含油轴承后，发现后，发现 轴承的显微硬度、径向压溃轴承的显微硬度、径向压溃 强度和含油率都大大提高。强度和含油率都大大提高。 轴承成分轴承成分 显微硬度显微硬度 HV 径向压溃强度径向压溃强度 MPa 含油率含油率 % CNTs/CuSn350242.524.1 CuSn231212.220.6 含油轴承含油轴承 52应用分析 合肥工业大学以合肥工业大学以SiC、SiO2、Al2O3和和AlN 等纳米颗粒等纳米颗粒 为增强相为增强相, 制备出制备出Cu/SiC、Cu/SiO2、Cu/Al2O3 和和 Cu/

43、AlN 等铜基纳米复合材料，纳米颗粒对铜基体起等铜基纳米复合材料，纳米颗粒对铜基体起 到了良好的强化和硬化效果，所得到的四种到了良好的强化和硬化效果，所得到的四种Cu 基纳基纳 米复合材料硬度和强度都高于纯铜。米复合材料硬度和强度都高于纯铜。 纳米颗粒含量对纳米颗粒含量对Cu基复合材料硬度基复合材料硬度(a)和抗弯强度和抗弯强度(b) 的影响的影响 53应用分析 超强钢超强钢 钢铁材料的强度与晶粒尺寸的关系可由钢铁材料的强度与晶粒尺寸的关系可由Hall-Petch公公 式给出式给出: s =0 + kd 1/2 式中式中d为晶粒的平均直径。为晶粒的平均直径。 组织超细化组织超细化是提高钢铁材料

44、强度和韧性的最佳强化是提高钢铁材料强度和韧性的最佳强化 机制。通过不同的晶粒细化工艺可使钢铁材料组织机制。通过不同的晶粒细化工艺可使钢铁材料组织 细化到细化到微米级、亚微米级和纳米级微米级、亚微米级和纳米级, 使传统钢铁材料使传统钢铁材料 的综合力学性能得到大幅度提高。的综合力学性能得到大幅度提高。 54应用分析 日本日本Osaka大学采用相变预处理、冷轧塑性变形和再大学采用相变预处理、冷轧塑性变形和再 结晶技术，将结晶技术，将SS400钢的晶粒细化到钢的晶粒细化到180nm左右，低左右，低 温退火后析出均匀的纳米碳化物，抗拉强度达到温退火后析出均匀的纳米碳化物，抗拉强度达到 870MPa，塑

45、性达到，塑性达到20%。 SS400钢经钢经50%的冷轧后在的冷轧后在773K退火退火30min的的TEM图谱图谱 55应用分析 燕山大学对低碳板条马氏体的燕山大学对低碳板条马氏体的Q235钢板进行多道次钢板进行多道次 大变形量大变形量(累积压下量达累积压下量达93%)冷轧冷轧, 随后进行时效和随后进行时效和 低温再结晶处理，制备出屈服强度为低温再结晶处理，制备出屈服强度为1137-1290MPa 、抗拉强度为、抗拉强度为1266-1756MPa、晶粒尺寸为、晶粒尺寸为50-300nm 的低碳超级钢。的低碳超级钢。 山东大学以山东大学以Cr2Mn2Si为主，锻态试样经淬火回火处为主，锻态试样经

46、淬火回火处 理后获得回火马氏体及少量贝氏体、残留奥氏体及理后获得回火马氏体及少量贝氏体、残留奥氏体及 碳化物组织，其中贝氏体由大量平行排列的宽度仅碳化物组织，其中贝氏体由大量平行排列的宽度仅 为几纳米到十几纳米的亚片条组成，为几纳米到十几纳米的亚片条组成，U型缺口试样型缺口试样 的冲击韧度的冲击韧度aK=48-70J/cm2，硬度为，硬度为52-54HRC，抗，抗 拉强度拉强度b=1850-2000MPa。 56应用分析 西安建筑科技大学对西安建筑科技大学对72A优质盘圆钢进行强烈变形优质盘圆钢进行强烈变形, 珠光体钢组织中铁素体和渗碳体形成纳米晶，退火后珠光体钢组织中铁素体和渗碳体形成纳米晶

47、，退火后 组织中析出大量纳米渗碳体颗粒组织中析出大量纳米渗碳体颗粒, 得到高强度的纳米得到高强度的纳米 结构珠光体钢丝，抗拉强度由处理前的结构珠光体钢丝，抗拉强度由处理前的1033MPa上升上升 到到2580MPa，硬度达到，硬度达到60HRC。 同济大学采用高能表面处理技术对同济大学采用高能表面处理技术对40Cr 钢的表面进钢的表面进 行处理，使表面层的晶粒细化为纳米晶，平均晶粒尺行处理，使表面层的晶粒细化为纳米晶，平均晶粒尺 寸约为寸约为11nm，样品表面纳米层的硬度超过，样品表面纳米层的硬度超过6GPa，而，而 基体材料的硬度仅有基体材料的硬度仅有2GPa左右。左右。 57应用分析 北京

48、机电研究所利用表面机械研磨方法对北京机电研究所利用表面机械研磨方法对16Mn 钢进钢进 行表面组织超细化处理，发现其表层组织得到细化行表面组织超细化处理，发现其表层组织得到细化, 由表及里依次为纳米和亚微米级晶粒、微米级晶粒和由表及里依次为纳米和亚微米级晶粒、微米级晶粒和 正常基体正常基体，而钢的硬度沿厚度方向逐渐减小，而钢的硬度沿厚度方向逐渐减小, 且表层且表层 硬度远远高于内部基体的硬度。硬度远远高于内部基体的硬度。 机械研磨处理后样品由表及里不同深度的硬度变化机械研磨处理后样品由表及里不同深度的硬度变化 58应用分析 增韧陶瓷增韧陶瓷 德国德国Jullch材料研究所用粒径小于材料研究所用

49、粒径小于20nm的的SiC粉体作粉体作 基体材料再观入基体材料再观入10或或20的粒径为的粒径为10m的的SiC 粗粉，热等静压下合成了纳米结构的粗粉，热等静压下合成了纳米结构的SiC块体材料，块体材料， 在强度等综合力学性能没有降低的情况下，断裂韧在强度等综合力学性能没有降低的情况下，断裂韧 性提高性提高10-25，达到，达到5-6 MPam1/2。 发动机用陶瓷部件发动机用陶瓷部件纳米纳米ZrO2/Al2O3增韧陶瓷增韧陶瓷 59应用分析 韩国釜山科技大学用多相溶胶凝胶方法制备堇青石韩国釜山科技大学用多相溶胶凝胶方法制备堇青石 (2MgO.2Al2O3.5SiO2) 与与ZrO2复合材料，

50、经冷等静复合材料，经冷等静 压和压和1320烧结烧结2小时获得致密堇青石小时获得致密堇青石-ZrO2纳米复纳米复 合材料，断裂韧性为合材料，断裂韧性为4.3MPam1/2，比堇青石断裂韧，比堇青石断裂韧 性提高将近性提高将近1倍。倍。 采用小于采用小于50nm的的SiC可以增强增韧可以增强增韧Al2O3。添加平均。添加平均 粒径为粒径为30nm，体积分数，体积分数5的的SiC粉末，粉末，1680烧结烧结 后后(比添加非纳米材料降低约比添加非纳米材料降低约100)获得相对密度达获得相对密度达 到到98.8的块体。纳米的块体。纳米SiC颗粒镶嵌在颗粒镶嵌在Al2O3晶粒边晶粒边 界上，改善晶界结构

51、，强化晶界，使其抗弯强度和界上，改善晶界结构，强化晶界，使其抗弯强度和 断裂韧性分别达到断裂韧性分别达到489MPa和和6.67MPam1/2。 60应用分析 中科院用粒径为中科院用粒径为27nm的的Al2O3 粉体与粒径为粉体与粒径为5nm的的ZrO2粉体粉体 复合，复合，1450热压成片状的块热压成片状的块 体材料，室温下拉伸后获得韧体材料，室温下拉伸后获得韧 性断口。性断口。 纳米晶须纳米晶须SiC提高提高Al2O3陶瓷陶瓷 的断裂韧性。随温度提高，无的断裂韧性。随温度提高，无 纳米晶须增强的纳米晶须增强的Al2O3陶瓷的陶瓷的 断裂韧性呈下降趋势，而断裂韧性呈下降趋势，而 SiC/Al

52、2O3纳米复合材料的断纳米复合材料的断 裂韧性保持不变，裂韧性保持不变，1000后断后断 裂韧性呈上升趋势。裂韧性呈上升趋势。 SiC/Al2O3纳米复合材料纳米复合材料 K1c和温度的关系和温度的关系 61应用分析 耐磨涂层耐磨涂层 芬兰技术研究中心用磁控溅射法成功地在碳钢上涂芬兰技术研究中心用磁控溅射法成功地在碳钢上涂 上纳米复合涂层上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，热处理后涂层硬度达，热处理后涂层硬度达 20.8GPa，比碳钢提高几十倍，而且有良好的抗氧化，比碳钢提高几十倍，而且有良好的抗氧化 、耐高温性能，同时克服单层纳米、耐高温性能，同时克服单层纳米MoSi2容易开裂的容易开裂的

53、 缺点，充分显示纳米复合涂层的优越性。缺点，充分显示纳米复合涂层的优越性。 工具钢表面的工具钢表面的AlN/TiN纳米复合耐磨涂层纳米复合耐磨涂层62应用分析 日本住友公司开发的日本住友公司开发的AC105G，AC110G等牌号的涂等牌号的涂 层是一种层是一种TiN 与与AlN 交替的纳米多层涂层，层数可达交替的纳米多层涂层，层数可达 2000层，每层厚度约为层，每层厚度约为1nm，这种新涂层与基体结合，这种新涂层与基体结合 强度高强度高, 涂层硬度接近涂层硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗氧化性能好,抗剥离性抗剥离性 强强, 而且可显著改善刀具表面粗糙度而且可显著改善刀具表面粗糙度, 其寿命是

54、其寿命是TiN 、TiAlN 涂层的涂层的2-3倍。倍。 瑞士瑞士Platit公司以公司以AlN 作为主层作为主层, TiN-CrN为中间层为中间层,两两 者相互交替形成多层结构，当涂层厚度周期为者相互交替形成多层结构，当涂层厚度周期为7nm 时涂层的硬度达到时涂层的硬度达到45GPa。 63应用分析 Platit公司开发的新一代公司开发的新一代nc-TiAlN/(-2Si3N4) 纳米复纳米复 合涂层是在强等离子体作用下，合涂层是在强等离子体作用下，3nm的的TiAlN 晶体晶体 被镶嵌在非晶态的被镶嵌在非晶态的Si3N4体内，在晶粒之间为体内，在晶粒之间为1nm 厚厚 的的Si3N4。这种

55、结构使涂层硬度可达到。这种结构使涂层硬度可达到50GPa，且高，且高 温硬度更是十分突出，当温度达到温硬度更是十分突出，当温度达到1200时时,其硬度其硬度 值仍可保持在值仍可保持在30GPa。 nc- TiAlN/(-2Si3N4) 纳米复合涂层纳米复合涂层64应用分析 纳米复合塑料纳米复合塑料 粒径为粒径为10nm的的TiO2/PP(聚丙烯聚丙烯)复合体系薄膜的弯曲复合体系薄膜的弯曲 模量比纯模量比纯PP提高提高20，冲击强度提高，冲击强度提高40。 含含5纳米纳米TiO2时，纳米时，纳米TiO2/EP(环氧树脂环氧树脂)复合材复合材 料拉伸强度为纯料拉伸强度为纯EP的的485，弯曲强度为

56、纯，弯曲强度为纯EP的的245 ，缺口冲击强度为纯，缺口冲击强度为纯EP的的878。 纳米纳米TiO2/PP材料冲击断口材料冲击断口纳米纳米TiO2/PS材料冲击断口材料冲击断口65应用分析 纳米纳米SiOSiO2 2/ /聚酰亚胺聚酰亚胺(PI)(PI)复合材料复合材料( (含含1010纳米纳米SiOSiO2 2) )的拉的拉 伸强度为伸强度为PIPI的的1.51.5倍，倍，3030时断裂伸长率为时断裂伸长率为PIPI的的3 3倍。倍。 添加纳米添加纳米SiOSiO2 2的橡胶的弹性、耐磨性明显优于常规白炭的橡胶的弹性、耐磨性明显优于常规白炭 黑橡胶，轮胎侧面的抗折性能由黑橡胶，轮胎侧面的抗

57、折性能由1010万次提高到万次提高到5050万次。万次。 纳米纳米AlAl2 2O O3 3添加到添加到PS(PS(聚苯乙烯聚苯乙烯) )中，体积含量中，体积含量1515时，复时，复 合材料拉伸强度为纯合材料拉伸强度为纯PSPS的的4 4倍，冲击强度为纯倍，冲击强度为纯PSPS的的3 3倍。倍。 纳米纳米SiO2/PP制成的保险杠制成的保险杠 纳米改性纳米改性PA制成的注塑件制成的注塑件 66应用分析 纳米改性纳米改性PA(尼龙尼龙)具有尺寸稳定性好、相对密度低、具有尺寸稳定性好、相对密度低、 比强度高、韧性好、易成型等特点，还具有优良的耐比强度高、韧性好、易成型等特点，还具有优良的耐 热、耐

58、冲击性能。热、耐冲击性能。 纳米尼龙是高功能突击式自动步枪用材料良好的升级纳米尼龙是高功能突击式自动步枪用材料良好的升级 换代品，还可用于坦克发动机的弯管接头、高压行杆换代品，还可用于坦克发动机的弯管接头、高压行杆 轴套、进排气管密封垫、摇箱、风扇、汽缸盖、定时轴套、进排气管密封垫、摇箱、风扇、汽缸盖、定时 齿轮箱、炮塔内贮箱等。齿轮箱、炮塔内贮箱等。 性能性能 断裂延伸率断裂延伸率 % 拉伸强度拉伸强度 MPa 热变形温度热变形温度 抗弯强度抗弯强度 MPa 弯曲模量弯曲模量 GPa 缺口冲击缺口冲击 强度强度J/m PA63075-85651153.040 nc- PA6 10-2095-

59、105235-160130-1603.5-4.535-60 67应用分析 功能型纳米复合材料功能型纳米复合材料 68应用分析 纳米复合材料的两相在纳米至亚微米范围内结合纳米复合材料的两相在纳米至亚微米范围内结合 形成，两相界面间存在较强或较弱化学键形成，两相界面间存在较强或较弱化学键( (范德范德 华力、氢键华力、氢键) )，复合后将会获得综合无机、有机，复合后将会获得综合无机、有机 以及纳米粒子的表面与界面效应、量子效应、小以及纳米粒子的表面与界面效应、量子效应、小 尺寸效应等的多种特性，具有一系列奇异的光、尺寸效应等的多种特性，具有一系列奇异的光、 热、电、磁等性能，可制备具有各种特殊功能

60、的热、电、磁等性能，可制备具有各种特殊功能的 纳米复合材料，应用前景极为广阔。纳米复合材料，应用前景极为广阔。 69应用分析 纳米复合电磁波吸收材料纳米复合电磁波吸收材料 随着航天、航空技术的迅速发展随着航天、航空技术的迅速发展 ，吸波隐身材料已发展为飞机、，吸波隐身材料已发展为飞机、 舰船、航天器、坦克、地面装备舰船、航天器、坦克、地面装备 的关键材料。美国已将吸波隐身的关键材料。美国已将吸波隐身 材料用于材料用于F117A、B52、F22等型等型 飞机，其优异性能为世人瞩目。飞机，其优异性能为世人瞩目。 提高吸波性能和减轻材料质量成提高吸波性能和减轻材料质量成 为吸波复合材料的重要发展方向