材料科學(xué)與工程進(jìn)展

1、材料科學(xué)與工程進(jìn)展2019.05.27納米材料1、根據(jù)無機(jī)納米材料的形態(tài)，聚合物基無機(jī)納米復(fù)合材料分哪 幾類？常用什么方法制備？不同制備方法各具什么優(yōu)缺點(diǎn)？答：根據(jù)無機(jī)納米材料的形態(tài)，聚合物無機(jī)納米復(fù)合材料可分為：聚合物 無機(jī)粒子納米復(fù)合材料、聚合物/無機(jī)纖維納米復(fù)合材料、聚合物/片層狀 無機(jī)物納米復(fù)合材料。聚合物無機(jī)納米復(fù)合材料的制備方法多種多樣，最常見的有：插層復(fù) 合法、溶膠一凝膠法、直接共混法、超聲波法。插層復(fù)合法是一種將單體或聚合物插入到層狀硅酸鹽片層（如硅酸 鹽類粘土、磷酸鹽類、石墨等）之間，進(jìn)而破壞硅酸鹽的片層結(jié)構(gòu)，制備 聚合物無機(jī)納米復(fù)合材料，具有不需要有機(jī)溶劑、工藝簡(jiǎn)單、合成的

2、材料 具有預(yù)期的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的性能等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其局限性在于只適用于硅酸鹽 類黏土等天然具有典型層狀結(jié)構(gòu)的無機(jī)化合物。溶膠一凝膠法（SolGel）是制備聚合物無機(jī)納米復(fù)合材料的常用 方法，是將硅氧烷或金屬鹽等前驅(qū)物（水溶性鹽或油溶性醇鹽）溶于水或有 機(jī)溶劑中形成均質(zhì)溶液，溶質(zhì)發(fā)生水解反應(yīng)生成納米級(jí)粒子并形成溶膠 （Sol）,然后經(jīng)溶劑揮發(fā)或加熱等處理使溶液或溶膠轉(zhuǎn)化為網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的氧化 物凝膠（Gel）的過程，溶膠-凝膠法合成納米復(fù)合材料的特點(diǎn)在于該法可在 溫和反應(yīng)條件下進(jìn)行，而且兩相分散均勻。該法目前存在的最大問題是凝 膠干燥過程中，由于溶劑、小分子、水的揮發(fā)可能導(dǎo)致材料收縮脆裂。共混法首先合成出各

3、種形態(tài)的納米粒子，再通過各種方式與有機(jī)聚 合物共合，是制備納米復(fù)合材料最簡(jiǎn)單的方法，適合各種形態(tài)的納米粒子。 共混法的優(yōu)點(diǎn)是納米粒子的制備與材料的合成分步進(jìn)行，可控制納米粒子 的形態(tài)、尺寸，缺點(diǎn)是由于納米粒子很容易團(tuán)聚，共混時(shí)實(shí)現(xiàn)粒子的均勻 分散有一定的困難。超聲波法的原理是使用超聲波震蕩破壞較大團(tuán)聚體中小微粒之間 的庫侖力或范德瓦爾斯力，使小顆粒分散到基質(zhì)中。這種方法進(jìn)行納米復(fù) 合材料的合成在實(shí)驗(yàn)室中較常用，它在攪拌狀態(tài)下把納米粒子加入到混合 液中，然后通過超聲波傳遞能量并使能量作用于較大的納米微粒團(tuán)聚體，來 平衡納米微粒之間的范德華力以及其他表面作用力從而破壞納米粉體的團(tuán) 聚。其優(yōu)點(diǎn)是分散

4、效果好，缺點(diǎn)是能耗大，對(duì)高黏度的聚合物混合物效果 不明顯。2、結(jié)合所在課題組的情況，舉2個(gè)左右聚合物基納米復(fù)合材料 的類型、制備方法、性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域。答：BaTiO3-PVDF復(fù)合材料，制備方法：旋涂工藝，取一定量的BaTi3納 米顆粒和PVDF聚合物共同置于DMF溶液中，攪拌均勻后，通過旋涂法 將混合溶液旋涂在平滑的基板上，烘干基板上的DMF溶劑后即制備得到 BaTiO3-PVDF復(fù)合材料薄膜。此方法中制備得到的BaTiO3-PVDF復(fù)合材 料薄膜厚度均勻，均一性很好，可以運(yùn)用在儲(chǔ)能領(lǐng)域，如電容器。丙烯臘-丙烯酸甲酯/銅納米復(fù)合材料，利用原位生成的方法將銅混入 丙烯臘-丙烯酸甲酯共聚物中

5、制成聚合基納米復(fù)合材料，這種復(fù)合材料具 有很好的導(dǎo)電性能，可以制成復(fù)合電極。3、為什么聚合物基無機(jī)納米復(fù)合材料的物理機(jī)械性能一般要優(yōu) 于聚合物無機(jī)微米填充材料？答：聚合物無機(jī)納米復(fù)合材料是指以聚合物為有機(jī)相與無機(jī)相的納米顆?；?者納米前驅(qū)體進(jìn)行復(fù)合組裝而得到的體系。由于利用了無機(jī)納米粒子的表 面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)。使用納米粒子填 充，由于粒子尺寸下降，粒子的表面積擴(kuò)大，則填料與基體接觸面積增大， 而且由于納米粒子表面活性中心多，可以和基體緊密結(jié)合，相容性也比較 好，當(dāng)受到外力時(shí)，納米粒子不易與基體脫離，同時(shí)在機(jī)體內(nèi)產(chǎn)生很多微 變形區(qū)，吸收了大量能量。所以納米粒子既能較好的傳遞所承受的外應(yīng)力， 又能引發(fā)基體的屈服，消耗大量沖擊能，從而達(dá)到