有机、无机复合材料

1、有机无机复合材料一、有机、无机复合材料的定义复合材料是指结合两种或两种以上不同有机、 无机相的物质以物理方式结合 而成，撷取各组成成分的优点，以构成需要之结构材。往往以一种材料为基体， 另一种材料为增强体组合而成的材料。 各种材料在性能上互相取长补短， 产生协 同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求。 高聚物 基复合材料 PMCS 最先得到开展，已有半个多世纪的历史，在工业、 民用、航天 航空、生态、智能等领域取得了广泛的应用 1。有机、无机复合材料即用有机材料与无机材料通过某种方式结合而成的全新 材料。复合后的新材料具有有机、 无机材料的各自优点， 并且可以在力学、

2、光学、 热学、电磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能， 正在成为材料科学研究 的热点之一。目前，国内外这方面的研究成果正不断见诸报道2,3。二、有机、无机复合材料的特点复合材料中以纤维增强材料应用最广、 用量最大。 其特点是比重小、 比强度 和比模量大。 例如碳纤维与环氧树脂复合的材料， 其比强度和比模量均比钢和铝 合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐 蠕变、消声、 电绝缘等性能。 石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的 材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性， 因此可按制件不同部位的强度要 求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料

3、， 在500 C时仍 能保持足够的强度和模量。 碳化硅纤维与钛复合， 不但钛的耐热性提高， 且耐磨 损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500 C,比超合金涡轮叶片的使用温度1100 C高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增 强碳或石墨纤维增强石墨， 构成耐烧蚀材料， 已用于航天器、 火箭导弹和原子能 反响堆中。 非金属基复合材料由于密度小， 用于汽车和飞机可减轻重量、 提高速 度、节约能源。 用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧， 其刚度和承载 能力与重量大 5 倍多的钢片弹簧相当 。三、有机、无机复合材料的应用1 有机一无机纳米复合材料纳米复合材料是一类新垫复合材

4、料， 它是指一种或多种组分以纳米量级的微 粒，即接近分子水平的 微粒复合于基质中构成一种复合材料纳米复合材料因 其分散相尺寸介于宏观与微观之间的过渡区域， 将给材料的物理和化学性质带来 特殊的变化，正日益受到关注纳米材料被誉为 21 世纪最有前途的材料，该 类材料研究的种类已经涉及到无机物、有机物和非晶态材料等有机一无机纳米复合材料因其综合了有机物和无机物各自的优点， 并且可以 在力学、热学、光学、电 磁学和生物学等方面赋予材料许多优异的性能，正在 成为材料科学研究的热点之一<1> 有机一无机纳米复合技术最先制得的纳米复合材料是无机纳米复合材料， 如金属、 非金属陶瓷和石英 玻璃等

5、目前，纳米复 合材料研究的种类已涉及到有机物和非晶态材料等各国首先着重于纳米复合材料制备方法的研究，特 别是薄膜制备法的研究纳米 复合方法常用的有三种：溶胶一凝胶法、嵌入法和纳米微粒填充法其中溶 胶 一凝胶法较早用于制备有机一无机分子杂化材料或纳米复合材料； 嵌入法在分子 材料领域表现出很好 的前景，特别是将不同的性能综合到单一的材料中去<1.1>溶胶一凝胶法 (Sol Gel Process)在 l8 世纪中期 ,Ebelman 和 GrahmanC 在对二氧化硅凝胶的研究中，产生了 用溶胶一凝胶工艺制备无机陶瓷和玻璃的兴趣溶胶一凝胶产品最早出现在 50 年代，除了粉末材料外，多

6、孔固体、纤维、涂层和 薄膜也相继被制备 溶胶一 凝胶工艺的根本过程是液体金属烷氧化物M(OR) (M为si、T等元素，R为cH、CIHs 等烷 基)与醇和水混合，在催化剂作用下发生如下水解一缩合反响：水解反响TEOS+4H 2OSi(OH) 4+4EtOH缩合反响Si(OH)4+Si(OH) 4J(HO)3Si OSi(OH)3+H2O当另外的 -=Si-OH 四配位体互相链接， 那么发生如下缩聚反响， 并最终形成三维的 siO 。凝胶网络(OH)3 Si-O-Si(OH) 3+6Si(OH) 4(HO)3Si-O)3Si-O-Si (O Si(OH) 3)3+6H2O凝胶的结构取决于水解反响

7、速率和缩合反响速率。 影响速率的因素包括：温度、 溶剂的性质、烷氧化物先驱体的性质、电解质(酸、碱)的性质和浓度、R比值(H 2OTEOS) 和压力等近年来，利用金属烷氧化物的溶胶一凝胶反响与聚合反响巧妙的组合，制备 有机一无机纳米复合材料 已成为材料科学新的热点通过选择不同的原料和控 制合成反响，可以制备出具有不同性能和满足广泛需要的有机一无机纳米复合材 料4 溶胶一凝胶法已被越来越广泛地应用到电子陶瓷、光学、热学、化学、 生物学以及复合材料等钡域<1.2> 嵌入法 (Intercalation Process) 嵌入法是将客体嵌人到层状结构的主体中去的复合方法，它包括： (1)

8、 将有 机单体分散到无机介质 中，然后引发单体进行原位聚合反响，有机高分子嵌入 无机片层结构中， 如尼龙 6粘土纳米复合材料 5;(2) 将高聚物直接嵌人到片层结 构的无机主体中去如果主体结构可以制备成胶体溶液，如层状 主体剥离后产 生单片胶体，那么剥离吸收工艺被证明可以在室温下成功地制备台有大量层状固 体与可溶 性高聚物的纳米复合材料 6 在制备多性能材料领域，嵌入法提供了 一种可替代 Sol Gel 的方法，尤其 在某些特殊场合可以获得更好的结晶性， 在 要求协同作用时，这是一个至关重要的因素<1.3> 纳米微粒填充法 (Nanolmrtitle-Filling)该方法可分两种

9、：一种是将纳米量级的颗粒如SiO2。等制成胶体溶液，然后与高聚物溶液混合均匀， 蒸发掉溶剂即成纳米复合材料，如无机颗粒嵌入到高 聚物基体中， 或有机组分嵌入到无机基体中 另一种是无机小粒子分散到有机单 体 中 ， 然 后 引 发 单 体 聚 合 ， 无 机 颗 粒 包 裹 在 有 机 基 体2纤维增强复合塑料(FRP)FRP-(Fiber Reinforced Plastics )纤维增强复合塑料，根据采用的纤维不同分为玻璃纤维增强复合塑料(GFRP ,碳纤维增强复合塑料 (CFRP ,硼纤维增强复合塑料等；纤维增强复合材料是由增强纤维和基体组成。纤维(或晶须)的直径 很小，一般在10m以下，

10、缺陷较少又较小，断裂应变约为千分之三十以 内，是脆性材料，易损伤、断裂和受到腐蚀。基体相对于纤维来说，强度、 模量都要低很多，但可以经受住大的应变，往往具有粘弹性和弹塑性，是 韧性材料。根据纤维的长短，FRP可分为短纤维增强复合塑料和长纤维(或称连续 纤维)增强复合材料塑料。根据纤维性能可以分为高性能纤维复合材料和 工程复合材料。<2.1>纤维增强复合塑料 特性(1)轻质高强相对密度在1.52.0之间，只有碳钢的1/41/5，可是拉伸强度却接近, 甚至超过碳素钢，而比强度可以与高级合金钢相比。因此，在航空、火箭、 宇宙飞行器、高压容器以及在其他需要减轻自重的制品应用中，都具有卓 越

11、成效。某些环氧 FRP的拉伸、弯曲和压缩强度均能到达400Mpa以上。(2)耐腐蚀性能好FRP是良好的耐腐材料，对大气、水和一般浓度的酸、碱、盐以及多种 油类和溶剂都有较好的抵抗能力。已应用到化工防腐的各个方面，正在取 代碳钢、不锈钢、木材、有色金属等。电性能好是优良的绝缘材料，用来制造绝缘体。高频下仍能保护良好介电性。 微波透过性良好，已广泛用于雷达天线罩。热性能良好FRP热导率低，室温下为1.251.67kJ/ (m- h K),只有金属的1/1001/1000，是优良的绝热材料。在瞬时超高温情况下，是理想的热防 护和耐烧蚀材料，能保护宇宙飞行器在2000C以上承受高速气流的冲刷。(5)可

12、设计性好可以根据需要，灵活地设计出各种结构产品，来满足使用要求，可 以使产品有很好的整体性。可以充分选择材料来满足产品的性能，如：可以设计出耐腐的，耐 瞬时高温的、产品某方向上有特别高强度的、介电性好的，等等。(6)工艺性优良可以根据产品的形状、技术要求、用途及数量来灵活地选择成型工乙。工艺简单，可以一次成型，经济效果突出，尤其对形状复杂、不易成型的数量少的产品，更突出它的工艺优越性四、总结材料是科学技术开展的根底，复合材料作为最新开展起来的一大类新型材料，对科学技术的开展产生了极大的推动作用。对航空航天事业的影响尤为显著。复合材料的开展近几十年来极为迅速。从最早出现的宏观复合材料，如水泥与砂

13、石、钢筋复合而成的混凝土，到随后开展起来的微观复合材料：聚合物基、金属基和无机非金属材料基复合材料。各种新型复合材料及其制备技术犹如雨后春笋般出现，同时，随着科学技术的开展， 特别是尖端科学技 术的突飞猛进，对材料的性能要求越来越高，因而对复合材料也提出了更高的要求。 有机一无机复合材料作为一种新型材料，在力学、光学、电学、磁学、热学、航天宇航 和生物仿生等领域表现出广泛的应用前景， 需要人们对其结构与性能的关系作更深入的研究 和了解。参考文献：1 Ogasa T ， Takahashi J ， Kemmochi K Polymer based composite materials in general industries . Adv Composite Mater .199.5, 4: 221 2352陈艳，王新宇，高宗明，等.聚酰亚胺/sio：纳米复合材料的研究.高分子学报，1997,(1) : 73793 Kazuhisa Y,Arimitsu U,Akane OSynthesis and properties of polyimideclay hybrid films J Polym Sei A ：