聚合物基復(fù)合材料（完整版）

1、1第四章 聚合物基復(fù)合材料 4.1 聚合物基復(fù)合材料的基本性能 4.1.1 力學(xué)性能 4.1.2 疲勞性能 4.1.3 沖擊性能 4.1.4 蠕變性能 4.1.5 物理性能4.2 聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4.2.1 概述 4.2.2 材料設(shè)計(jì) 4.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)24.1 聚合物基復(fù)合材料的基本性能影響聚合物基復(fù)合材料性能的因素是多種多樣的。（1）增強(qiáng)材料的強(qiáng)度及彈性模量以及基體材料的強(qiáng)度及化學(xué)穩(wěn)定性等是決定復(fù)合材料性能的主要因素。原材料一旦選定，則增強(qiáng)材料的含量及排布方式與方向稱(chēng)為主要決定因素（2）采用不同的成型工藝制品性能也有較大差異（3）增強(qiáng)纖維與基體樹(shù)脂的界面粘結(jié)狀況在一定條件下也

2、會(huì)影響復(fù)合材料的性能34.1.1 力學(xué)性能一、力學(xué)性能的特點(diǎn)（1）比強(qiáng)度高 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的密度在1.42.2g/cm3之間，約為鋼的1/51/4，而強(qiáng)度與一般碳素鋼相近。因此，樹(shù)脂基復(fù)合材料的比強(qiáng)度很高。（2） 各向異性 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的力學(xué)性能呈現(xiàn)明顯的方向依賴(lài)性，十一中各向異性材料。因此在設(shè)計(jì)和制造材料時(shí)應(yīng)盡量在最大外力方向上排布增強(qiáng)纖維，以求充分發(fā)揮材料的潛力，降低材料的消耗。（3）彈性模量和層間剪切強(qiáng)度低 玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的彈性模量、層間剪切強(qiáng)度較低；碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的彈性模量、層間剪切強(qiáng)度較高。（4）性能分散性大 由于纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料受一系列因素的影響，其性能不

3、穩(wěn)定，離散系數(shù)較大。4二、力學(xué)性能（1）拉伸性能 單向增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料沿纖維方向的拉伸強(qiáng)度及拉伸模量均隨纖維體積含量的增大而正比例增加；短切纖維和玻璃布增強(qiáng)的復(fù)合材料層合板來(lái)講，其拉伸強(qiáng)度及拉伸模量不與纖維體積含量成正比例增加，但隨著纖維體積含量的增加而提高。（2）壓縮性能 樹(shù)脂基復(fù)合材料的壓縮破壞取決于基體材料的破壞，而拉伸破壞取決于纖維增強(qiáng)材料的破壞。因此，提高樹(shù)脂基復(fù)合材料壓縮性能應(yīng)著眼于選用壓縮強(qiáng)度較高的樹(shù)脂基體。5（3）彎曲性能 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的彎曲強(qiáng)度和彎曲彈性模量都隨體積含量的上升而提高，而且依纖維增強(qiáng)材料的種類(lèi)、鋪層方式、纖維織物種類(lèi)的不同而異。纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的彎曲

4、破壞首先表現(xiàn)為增強(qiáng)纖維與集體界面的破壞，其次是基體材料的破壞，最后才是增強(qiáng)材料的破壞。（4）剪切性能 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂復(fù)合材料的層間剪切強(qiáng)度與纖維含量有關(guān)，實(shí)驗(yàn)表明，隨纖維含量增大，復(fù)合材料的剪切彈性模量上升，剪切特性亦呈現(xiàn)方向性。64.1.2 疲勞性能 影響樹(shù)脂基復(fù)合材料疲勞特性的因素很多，每種纖維增強(qiáng)復(fù)合材料都存在一個(gè)最佳纖維體積含量。當(dāng)纖維含量低于或高于最佳值時(shí)，其疲勞強(qiáng)度都會(huì)下降74.1.3 沖擊強(qiáng)度 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖擊特性取決于成型方法和增強(qiáng)材料的形態(tài)，不同成型方法的制品的沖擊強(qiáng)度不同。 纖維纏繞制品的沖擊性能最佳，約500kJ/m2； 模壓成型次之，約50100kJ/m2；

5、手糊成型和注射成型較低，在1030kJ/m2之間； 玻璃布增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的沖擊性能在200300kJ/m2左右， 玻璃氈增強(qiáng)的復(fù)合材料則在100200kJ/m2之間。 此外，纖維的體積含量、種類(lèi)、基體材料及界面黏結(jié)狀況等因素會(huì)影響復(fù)合材料的沖擊強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)表明，纖維含量越高，沖擊強(qiáng)度提高；而疲勞次數(shù)增加，沖擊強(qiáng)度也會(huì)降低。84.1.4 蠕變性能 復(fù)合材料在恒定應(yīng)力作用下，形變隨時(shí)間的延長(zhǎng)而不斷增大，這種現(xiàn)象稱(chēng)為蠕變。 蠕變是由于基體材料的鏈段或整鏈運(yùn)動(dòng)不能瞬間完成，而需要一定時(shí)間的結(jié)果。 蠕變嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致材料或制品尺寸不穩(wěn)定。 提高材料抗蠕變性能的途徑有：提高機(jī)體材料的交聯(lián)度，選用碳纖維等能

6、增加制品剛性的增強(qiáng)材料94.1.5 物理性能一、電性能 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂的電性能一般介于纖維和樹(shù)脂的電性能之間，因此改善纖維或樹(shù)脂的電性能對(duì)于改善復(fù)合材料的電性能是有益的。 樹(shù)脂基復(fù)合材料的電性能對(duì)于纖維與樹(shù)脂的界面黏結(jié)狀態(tài)并不敏感；但雜質(zhì)尤其是水分對(duì)其影響很大。石英玻璃纖維和高硅氧玻璃纖維的介電性最佳；無(wú)堿玻璃纖維的電絕緣性?xún)?yōu)良；碳纖維屬于半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電性能隨熱處理溫度的升高而提高。 樹(shù)脂的電性能與其分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。一般而言，分子極性越大，電絕緣性越差；分子中極性基團(tuán)的存在以及分子結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性均影響樹(shù)脂分子的極性，也影響著樹(shù)脂的電性能。10二、溫度特性 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有較低的熱

7、導(dǎo)率，因此樹(shù)脂基復(fù)合材料具有良好的隔熱性能，可作隔熱材料使用； 纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料具有較好的熱穩(wěn)定性和尺寸穩(wěn)定性。復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)取決于樹(shù)脂基體的熱膨脹系數(shù)，還與纖維的含量有關(guān)，纖維含量越高，其熱膨脹系數(shù)越小，而且沿纖維方向上膨脹最小。 樹(shù)脂基復(fù)合材料的熱變形溫度和耐熱溫度很低，例如各種復(fù)合材料的熱變形溫度在100200之間，耐熱極限大多不超過(guò)250 。因此，一般來(lái)說(shuō)纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料的耐熱性不好。提高復(fù)合材料耐熱性能的關(guān)鍵在于基體材料的選擇上，如脂肪族環(huán)氧樹(shù)脂、聚酰亞胺樹(shù)脂等，可使材料的使用溫度提高到250 以上。11三、阻燃性能 當(dāng)纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料接觸火焰或熱源時(shí)，溫度升高，

8、進(jìn)而發(fā)生熱分解、著火、持續(xù)性燃燒等現(xiàn)象。 阻燃性復(fù)合材料即指采用阻燃自熄或燃燒無(wú)煙的樹(shù)脂制造的復(fù)合材料，其阻燃性主要取決于樹(shù)脂基體。制作阻燃復(fù)合材料時(shí)，要在樹(shù)脂分子中引入鹵素，或摻入含銻、磷等元素的化合物。12 按阻燃劑的作用機(jī)理可以分為反應(yīng)型和添加劑型兩大類(lèi)。 反應(yīng)型阻燃復(fù)合材料是將鹵素元素直接引入樹(shù)脂分子中，其阻燃作用是靠燃燒時(shí)在表面形成難燃的鹵素氣體保護(hù)層，隔絕材料與氧氣的接觸，達(dá)到阻燃的目的。反應(yīng)型阻燃樹(shù)脂的阻燃效果較好，但是成本較高。 添加型阻燃樹(shù)脂基復(fù)合材料是通過(guò)物理混合的方法，將具有自熄性的化合物作為填料摻和到樹(shù)脂中。 這類(lèi)化合物有以下幾種：（1）有機(jī)鹵化物氯化石蠟、六溴代苯；（

9、2）磷酸酯類(lèi)磷酸三苯酯、磷酸三丙烯酯；（3）無(wú)機(jī)阻燃劑類(lèi)三氧化二銻、氫氧化鉛、水合硼酸鋅、明礬等13四、光學(xué)性能 影響樹(shù)脂基復(fù)合材料透光性的主要因素有：增強(qiáng)材料和基體材料的透光性，增強(qiáng)材料和基體材料的折射率及其他（如復(fù)合材料厚度，表面形狀和光滑程度，纖維形態(tài)、含量，固化劑種類(lèi)和用量，著色劑、填料的種類(lèi)和用量等）144.2 聚合物基復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)材料設(shè)計(jì)是指根據(jù)對(duì)材料性能的要求而進(jìn)行的材料獲得方法與工程途徑的規(guī)劃。對(duì)設(shè)計(jì)一詞的傳統(tǒng)解釋為：進(jìn)行某項(xiàng)制作或工程以前，根據(jù)該項(xiàng)目的使用目的和性能要求，擬定其材料、結(jié)構(gòu)、工藝、用地、進(jìn)度、費(fèi)用等各方面的計(jì)劃和估算。15復(fù)合材料設(shè)計(jì)是通過(guò)改變?cè)牧象w系、

10、比例、配置和復(fù)合工藝類(lèi)型及參數(shù)，來(lái)改變復(fù)合材料的性能，特別是使其具有各向異性，從而適應(yīng)在不同位置、不同方向和不同環(huán)境條件下的使用要求。復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性賦予了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者更大的自由度，從而有可能設(shè)計(jì)出能夠充分發(fā)掘與應(yīng)用材料潛力的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。16 在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，首先應(yīng)明確設(shè)計(jì)條件，即根據(jù)使用目的提出性能要求、載荷情況、環(huán)境條件及受幾何形狀和尺寸大小的限制等，這些往往是設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)的內(nèi)容。（1）結(jié)構(gòu)性能要求 一般來(lái)說(shuō)，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)性能的主要內(nèi)容有：結(jié)構(gòu)所能承受的各種載荷，確保在使用壽命內(nèi)的安全；提供裝置各種配件、儀器等附件的空間，對(duì)結(jié)構(gòu)形狀和尺寸有一定的限制；隔絕外界的環(huán)境狀態(tài)而保護(hù)內(nèi)部物體。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)

11、計(jì)條件17（2）載荷情況 結(jié)構(gòu)承載分為靜載荷和動(dòng)載荷 靜載荷：緩慢的由零增加到某一數(shù)值以后就保持不變或變動(dòng)不顯著的載荷； 動(dòng)載荷：能夠使構(gòu)件產(chǎn)生較大的加速度，并且不能忽略產(chǎn)生的慣性力的載荷。 在靜載荷的作用下結(jié)構(gòu)一般應(yīng)設(shè)計(jì)成具有抵抗破壞和抵抗變形的能力，即具有足夠的強(qiáng)度和剛度。 在動(dòng)載荷的作用下結(jié)構(gòu)一般應(yīng)設(shè)計(jì)成具有抵抗沖擊、耐疲勞來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)18（3）環(huán)境條件 一般在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)明確的確定結(jié)構(gòu)的使用目的，要求完成的使命，且還有必要明確它在保管、包裝、運(yùn)輸?shù)日麄€(gè)使用期間的環(huán)境條件，以及這些過(guò)程的時(shí)間和往返次數(shù)等，以確保在這些環(huán)境條件下結(jié)構(gòu)的正常使用。為此，必須充分考慮各種可能的環(huán)境條件。一般為下

12、列四種環(huán)境條件：（1）力學(xué)條件：加速度、沖擊、振動(dòng)、聲音等；（2）物理?xiàng)l件：壓力、溫度、濕度等；（3）氣象條件：風(fēng)雨、冰雪、日光等；（4）大氣條件：放射線(xiàn)、霉菌、鹽霧、風(fēng)沙等。分析各種環(huán)境條件下的作用與了解復(fù)合材料在各種環(huán)境條件下的性能，對(duì)于正確進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是很有必要的，除此之外，還應(yīng)從長(zhǎng)期使用角度出發(fā)，積累復(fù)合材料的變質(zhì)、磨損、老化等長(zhǎng)期性能變化的數(shù)據(jù)。19(4)結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)性 所謂結(jié)構(gòu)的可靠性，是指結(jié)構(gòu)在所規(guī)定的使用壽命內(nèi)，在給予的載荷情況和環(huán)境條件下，充分實(shí)現(xiàn)所預(yù)期的性能時(shí)結(jié)構(gòu)正常工作的能力，這種能力用一種概率來(lái)度量稱(chēng)為結(jié)構(gòu)的可靠度。 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度最終取決于構(gòu)成這種結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度，所以

13、欲確定結(jié)構(gòu)的可靠度，必須對(duì)材料特性作統(tǒng)計(jì)處理，整理出它們的性能分布和分散性資料。 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性最終表現(xiàn)在可靠性和經(jīng)濟(jì)性?xún)煞矫?。一般?lái)說(shuō)，要提高可靠性就得增加初期成本，而維修成本是隨可靠性的增加而降低的，所以總成本最低時(shí)（即經(jīng)濟(jì)性最要好）的可靠性為最合理。204.2.2 材料設(shè)計(jì) 材料設(shè)計(jì)，通常是指選用幾種原材料組成具有所要求性能的材料的過(guò)程。 由于不同構(gòu)件的功能不同，因此對(duì)于組成構(gòu)件的材料的性能要求也不同，同時(shí)，所采用的材料還受到相應(yīng)約束條件的限制。構(gòu)件功能對(duì)材料性能的要求約束條件21物理性能（如密度、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、磁性、微波吸收性或反射性、透光性等）化學(xué)性能（抗腐蝕性、抗氧化性等）力學(xué)

14、性能（如強(qiáng)度、模量、韌性、硬度、耐磨性、抗疲勞性、抗蠕變性等）；對(duì)材料性能的要求22對(duì)所采用材料的約束條件對(duì)所采用材料的約束條件包括： 資源、能耗、環(huán)保、成本、生產(chǎn)周期、壽命、使用條件（溫度、氣氛、載荷性質(zhì)、所接觸的介質(zhì)等）。23一、原材料的選擇原則（1）比強(qiáng)度、比剛度高原則 在滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、耐久性和損傷容限等要求的前提下，應(yīng)使結(jié)構(gòu)質(zhì)量最輕。（2）材料與結(jié)構(gòu)的使用環(huán)境相適應(yīng)的原則 通常要求材料的主要性能在結(jié)構(gòu)整個(gè)使用環(huán)境條件下，其下降幅值應(yīng)不大于10%。（3）滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)特殊性要求的原則 除了結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度意外，許多結(jié)構(gòu)物還要求有一些特殊性能。通常為滿(mǎn)足這些特殊性要求，要著重考慮合理的選取基體材

15、料。24（4）滿(mǎn)足工藝性要求的原則 復(fù)合材料的工藝性包括預(yù)浸料工藝性、固化成型工藝性、機(jī)加裝配工藝性和修補(bǔ)工藝性四方面。揮發(fā)物含量黏性樹(shù)脂流出量預(yù)浸料貯存期處理期工藝期預(yù)浸料工藝性固化成型工藝性加壓時(shí)間固化溫度固化壓力層合板性能對(duì)固化溫度和壓力的敏感性固化后構(gòu)件的收縮率 機(jī)加裝配工藝性主要是指機(jī)加工藝性；修補(bǔ)工藝性主要是指已固化的復(fù)合材料與未固化的復(fù)合材料通過(guò)其他基體材料或膠黏劑粘結(jié)的能力。 工藝性要求與選擇的基體材料和纖維材料有關(guān)25（5）成本低、效益高的原則 成本包括初期成本和維修成本，而初期成本包括材料成本和制造成本。效益指減重獲得節(jié)省材料、性能提高、節(jié)約能源等方面的經(jīng)濟(jì)效益。 成本低、

16、效益高的原則是一項(xiàng)重要的選材原則26二、纖維的選擇高強(qiáng)度、高模量易于生產(chǎn)加工良好的化學(xué)穩(wěn)定性耐機(jī)械損傷具有合適的尺寸和幾何形狀纖維性能再現(xiàn)性（或一致性）好柔曲性好價(jià)格能為使用方承受27（1）若結(jié)構(gòu)要求有良好的透波、吸波性能，可選取Kevlar纖維、氧化鋁纖維等作為增強(qiáng)材料；（2）若結(jié)構(gòu)要求有高的剛度，則可選用高模量碳纖維或硼纖維；（3）若結(jié)構(gòu)要求有高的抗沖擊性能，則可選用玻璃纖維、Kelvar纖維；（4）若結(jié)構(gòu)要求有好的低溫工作性能，則可選用低溫下不脆化的碳纖維；（5）若結(jié)構(gòu)要求尺寸不隨溫度變化，則可選用Kelvar纖維或碳纖維；（6）若結(jié)構(gòu)要求既有較大的強(qiáng)度又有較大的剛度時(shí)，則可選用比強(qiáng)度和

17、比剛度均較高的碳纖維或硼纖維。28（1）各組分材料之間的相容性，包括：物理相容性（如熱膨脹系數(shù)）化學(xué)相容性（如在制造和服役期間是否產(chǎn)生有害反應(yīng)）力學(xué)相容性（如在復(fù)合材料承受載荷包時(shí)，各組分之間的應(yīng)變能否彼此協(xié)調(diào)）29（2）按照各組分在復(fù)合材料中所起作用來(lái)確定增強(qiáng)組分的幾何形狀（如顆粒狀、條帶狀、纖維狀及它們的編織與堆集狀態(tài)等）及其在復(fù)合材料中的位置與取向；（3）在制成復(fù)合材料后，其中的各組分應(yīng)保持它們的固有優(yōu)秀性質(zhì)，并能揚(yáng)長(zhǎng)避短、相互補(bǔ)充，產(chǎn)生所需要的復(fù)合效應(yīng)。30三、樹(shù)脂選擇環(huán)氧樹(shù)脂聚酰亞胺樹(shù)脂酚醛樹(shù)脂聚酯樹(shù)脂熱固性樹(shù)脂聚醚砜聚砜聚醚醚酮聚苯砜熱塑性樹(shù)脂尼龍聚苯二烯聚醚酰亞胺31選擇基體應(yīng)明

18、確的問(wèn)題（1）復(fù)合材料的耐溫和耐環(huán)境性主要取決于基體；（2）復(fù)合材料其他性質(zhì)（如對(duì)纖維的粘接性、傳遞和分散載荷的功能等）也依賴(lài)基體；（3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用溫度范圍通常按基體劃分。32 目前樹(shù)脂基復(fù)合材料中用的最多的基體是熱固性樹(shù)脂，尤其是各種牌號(hào)的環(huán)氧樹(shù)脂。 環(huán)氧樹(shù)脂有較高的力學(xué)性能，但工作溫度較低，只能在-40 130范圍內(nèi)長(zhǎng)期工作。對(duì)于需耐高溫的復(fù)合材料，主要是用聚酰亞胺作為基體材料，它能在200259 溫度下長(zhǎng)期工作。33樹(shù)脂的選擇應(yīng)考慮如下的各種要求：（1）要求基體材料能在結(jié)構(gòu)使用溫度范圍內(nèi)正常工作；（2）要求基體材料具有一定的力學(xué)性能；（3）要求基體的斷裂伸長(zhǎng)率大于或者接近纖維

19、的斷裂伸長(zhǎng)率，以確保充分發(fā)揮纖維的增強(qiáng)作用；（4）要求基體材料具有滿(mǎn)足使用要求的物理、化學(xué)性能，主要指吸濕性、耐介質(zhì)、耐候性、阻燃性、低煙性和低毒性；（5）要求具有一定的工藝性，主要是指黏性、凝膠時(shí)間、揮發(fā)分含量、預(yù)浸帶的保存期和工藝期、固化時(shí)的壓力和溫度、固化后的尺寸收縮率等。344.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)不同的設(shè)計(jì)目標(biāo)，可以有下列五種設(shè)計(jì)類(lèi)型：（1）安全設(shè)計(jì)（2）單項(xiàng)性能設(shè)計(jì)（3）等強(qiáng)度設(shè)計(jì)（4）等剛度設(shè)計(jì)（5）優(yōu)化設(shè)計(jì)35（1）安全設(shè)計(jì)要求所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用條件下安全工作，不致發(fā)生失效。具體到材料，則表現(xiàn)為必須達(dá)到特定的性能指標(biāo)（如強(qiáng)度、模量等）。36（2）單項(xiàng)性能設(shè)計(jì)使復(fù)合材料的某

20、一項(xiàng)性能滿(mǎn)足要求。例如透波或吸波、隱身、零膨脹、耐高溫、耐某種化學(xué)介質(zhì)等。但是設(shè)計(jì)者必須在重點(diǎn)滿(mǎn)足主要要求的同時(shí)，盡可能地兼顧其他性能的綜合要求，以避免結(jié)構(gòu)復(fù)雜和臃腫。37（3）等強(qiáng)度設(shè)計(jì)對(duì)于材料來(lái)說(shuō)，等強(qiáng)度設(shè)計(jì)就是要求其性能的各向異性能夠符合工作條件環(huán)境要求的方向性。38（4）等剛度設(shè)計(jì)等剛度設(shè)計(jì)是要求材料的剛性能夠滿(mǎn)足對(duì)于構(gòu)件變形的限制條件，并且沒(méi)有過(guò)多的冗余。39（5）優(yōu)化設(shè)計(jì)優(yōu)化設(shè)計(jì)（optimal design)就是使目標(biāo)函數(shù)取極值的設(shè)計(jì)，包括：最小質(zhì)量設(shè)計(jì)最長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)最低成本設(shè)計(jì)最低單位時(shí)間使用費(fèi)用設(shè)計(jì)，又稱(chēng)價(jià)值工程（value engineering）或價(jià)值分析（value an

21、alysis），即花費(fèi)金額/服役時(shí)間愈低，其結(jié)構(gòu)愈經(jīng)濟(jì)。40復(fù)合材料制品的設(shè)計(jì)和研制步驟主要設(shè)計(jì)步驟：1）通過(guò)論證明確對(duì)于材料的使用性能要求，確定設(shè)計(jì)目標(biāo)；2）選擇材料體系（增強(qiáng)體、基體）；3）確定組分比例、幾何形態(tài)及增強(qiáng)體的配置；4）確定制備工藝方法及工藝參數(shù)；5）在完成復(fù)合材料設(shè)計(jì)方案后，應(yīng)結(jié)合市場(chǎng)供應(yīng)情況和研制單位的已有條件，采購(gòu)原材料，購(gòu)置或改造工藝設(shè)備，完成制造工藝條件準(zhǔn)備；6）按預(yù)定方案進(jìn)行樣品試制；7）測(cè)試所制得樣品的實(shí)際性能，檢驗(yàn)是否達(dá)到使用性能要求和設(shè)計(jì)目標(biāo)。8）在總結(jié)試制經(jīng)驗(yàn)與成果的基礎(chǔ)上，調(diào)整設(shè)計(jì)方案，組織制品生產(chǎn)。41第章 填充改性復(fù)合材料及其制備方法 聚合物的填充改性

22、，是指在聚合物基體中添加與基體在組成和結(jié)構(gòu)上不同的固體添加物，這樣的添加物稱(chēng)為填充劑，也稱(chēng)為填料。聚合物填充改性的目的：（1）降低成本（2）補(bǔ)強(qiáng)或改善加工性能（3）填料具有阻燃或抗靜電作用422.1 填充劑的種類(lèi)填充劑無(wú)機(jī)填充劑有機(jī)填充劑木粉、果殼粉碳酸鹽類(lèi)（碳酸鈣、碳酸鎂、碳酸鋇等）硫酸鹽類(lèi)（硫酸鋇、硫酸鈣等）金屬氧化物（鈦白粉、氧化鋅、氧化鋁等）金屬粉類(lèi)（銅粉、鋁粉等）金屬氫氧化物（氫氧化鋁）含硅化合物（白炭黑、滑石粉等）碳素類(lèi)（炭黑）431、碳酸鈣2、二氧化硅（白炭黑）3、二氧化鈦（鈦白粉）4、炭黑44高嶺土是一種主要由高嶺石組成的粘土，是一種天然的水合硅酸鋁礦物。長(zhǎng)石經(jīng)過(guò)完全風(fēng)化之后，

23、生成高嶺土、石英和可溶性鹽類(lèi)；再隨雨水、河川漂流轉(zhuǎn)于它處并再次沉積，這時(shí)石英和可溶性鹽類(lèi)巳分離，即可得高嶺土。高嶺土在瓷坯中所占的份量最大，是生產(chǎn)瓷器的良好原料。高嶺土的化學(xué)成分中含有大量的Al2O3、SiO2和少量的Fe2O3、TiO2以及微量的K2O、Na2O、CaO和MgO等。 45領(lǐng)域主要用途陶瓷工業(yè)高嶺土是制造陶瓷的重要原料，尤其是制造高級(jí)陶瓷及制品和高檔餐具的原料；也可作釉料、日用陶瓷、建筑陶瓷、電瓷、耐腐蝕瓷、工藝瓷及特種陶瓷的原料。 耐火材料在冶金工業(yè)中，中、低檔高嶺土用于制造耐火磚、高鎂鋁磚、熔煉爐及熱風(fēng)爐爐襯磚等。優(yōu)質(zhì)高嶺土用來(lái)制作高溫鑄模型和莫來(lái)石高溫耐火材料；還用于制造

24、熔煉光學(xué)坡璃、水晶和玻璃纖維用的坩堝及實(shí)驗(yàn)室坩堝。造紙及化學(xué)工業(yè)填料高嶺土色白，具有良好的覆蓋力，較寬pH值范圍內(nèi)具有化學(xué)惰性，因此廣泛應(yīng)用于造紙、橡膠、塑科、油漆及日用化工等方面。具有片狀晶形的高嶺土，用于高級(jí)紙張的填料和涂料，可提高紙張密度、白度和平滑度，改善印刷性能。用作橡膠的補(bǔ)強(qiáng)劑和填充劑，可改善制品的耐酸性、機(jī)械強(qiáng)度等性能。 高嶺土的主要用途46高嶺土的主要用途領(lǐng)域主要用途石油化工高嶺土可作鉆井泥漿的成分，也可用于制高效吸附劑，人工合成化工用分子篩，用于化工、石油精煉、催化裂化等方面。 尖端技術(shù)領(lǐng)域高嶺土是原子反應(yīng)堆、噴氣式飛機(jī)、火箭的燃燒室、噴嘴的耐高溫復(fù)合材料的主要成分。高嶺土與

25、剛玉、金剛砂混合，可制作透過(guò)紅外線(xiàn)的遠(yuǎn)紅外輻射陶瓷元件。 其他燒成白度80以上的低級(jí)高嶺土可作白水泥的粘結(jié)劑、增白劑和填充劑。在玻璃鋼的樹(shù)脂中加入高嶺土可消除其流動(dòng)性。高嶺土可作為剛玉砂輪、油石及其他研磨制品的粘結(jié)劑。在農(nóng)業(yè)上用作農(nóng)藥、殺蟲(chóng)劑的載體。高嶺土也可作為冶煉鋁和生產(chǎn)硫酸鋁的原料，還可用于顏料、文具、食物、飼料添加劑等。 47類(lèi)別主要用途陶瓷級(jí)滑石粉 用途：用于制造高頻瓷、無(wú)線(xiàn)電瓷、各種工業(yè)陶瓷、建筑陶瓷、日用陶瓷和陶釉等。特點(diǎn)：高溫不變色，鍛燒后白度增強(qiáng)，密度均勻，光澤好、表面平滑。 化妝品級(jí)滑石粉 是化妝品行業(yè)的優(yōu)質(zhì)填充劑。特點(diǎn)：含有大量的硅元素。它具有阻隔紅外線(xiàn)的作用，因此增強(qiáng)了

26、化妝品的防曬和抗紅外線(xiàn)的性能。 造紙級(jí)滑石粉 用于各種高低檔次造紙行業(yè)的產(chǎn)品。特點(diǎn)：造紙粉具有白度高、粒度穩(wěn)定、磨耗度低等特點(diǎn)。使用此粉造出的紙能達(dá)到紙張平滑、細(xì)膩、節(jié)約原材料、提高紙張的使用壽命。 醫(yī)藥、食品級(jí)滑石粉 用于醫(yī)藥、食品行業(yè)的添加劑。特點(diǎn)：具有無(wú)毒、無(wú)味、白色度高，相容性好、光澤度強(qiáng)、口味柔軟、光滑度強(qiáng)特點(diǎn)。pH值為7-9，不會(huì)降解原有產(chǎn)品的特性。 滑石粉的主要用途48云母粉主要應(yīng)用領(lǐng)域：建筑外墻涂料、內(nèi)墻涂料、粉末涂料、防腐蝕涂料、耐高溫涂料、馬路劃線(xiàn)漆、防水涂料、防火涂料等。49硅灰石自然界中的硅灰石主要成分是偏硅酸鈣(CaSiO3)，它作為礦物，是一種晶體，粉碎后，顆粒呈纖

27、維狀或針狀。產(chǎn)地不同，其組成與晶型也會(huì)有差異。 硅灰石的化學(xué)組成中除CaSiO3外，一般還有Fe、MnO、TiO2、Al2O3、MgO等。50填充劑填充改性作用填充充分性與有機(jī)分子結(jié)合強(qiáng)度填料的形狀粒徑表面結(jié)構(gòu)用量表面改性51填料的基本特性1.填料的形狀對(duì)填充改性的影響較大2.填料的粒徑3. 表面特性及改性4.填料的密度與硬度521.用量合理2.顆粒直徑和形狀合理3.表面適當(dāng)改性4.顆粒均勻，不得有影響制品的性能和外觀(guān)的大顆粒5.分散性能好，對(duì)聚合物及其它助劑呈惰性、對(duì)加工性能無(wú)嚴(yán)重?fù)p害、對(duì)設(shè)備無(wú)嚴(yán)重磨損填料的填充改性應(yīng)用原則532.2 填充改性復(fù)合材料的制備方法填充改性可以提高材料的阻隔性能

28、和力學(xué)性能。少量的納米材料填充物，就可以得到同時(shí)具有高強(qiáng)度、高模量、韌性、耐熱性、高阻隔性和尺寸穩(wěn)定性的材料。 2.2.1 填充改性是一門(mén)多種工藝技術(shù)綜合的流程 塑料加工是一門(mén)多種工藝技術(shù)環(huán)節(jié)綜合的流程，如原材料的質(zhì)量、規(guī)格、性能是否符合要求，配方是否合理。填料改性是否產(chǎn)生物理、化學(xué)效應(yīng)，聚合物改性相容性效果，配混料是否混合均勻，物料的干燥措施，各種加工設(shè)備的合理選擇配套，混煉塑化，各種技術(shù)參數(shù)是否合理設(shè)置等，這些環(huán)節(jié)有一處不合理或操作失誤都會(huì)影響產(chǎn)品的性能。542.2.2 塑料擠出成型加工設(shè)備 擠出成型：也稱(chēng)擠出模塑或擠出成型 應(yīng)用： （1）熱塑性塑料，由擠出制成的產(chǎn)品都是連續(xù)的型材，如管、

29、棒、絲、板、薄膜、電線(xiàn)電纜的涂理和涂層制品等 （2）熱固性塑料：僅限于少數(shù)幾種塑料，且擠出制品的種類(lèi)也有限。 擠出過(guò)程：（分為兩個(gè)階段）第一個(gè)階段是使固態(tài)塑料塑化(即變成粘性流體)并在加壓情況下使其通過(guò)特殊形狀的口模而成為截面與口模形狀相仿的連續(xù)體；第二階段則是用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄊ箶D出的連續(xù)體失去塑性狀態(tài)而變?yōu)楣腆w，即得所需制品 55 擠出設(shè)備： 擠出成套設(shè)備：擠出機(jī)（主機(jī)） 機(jī)頭和口模、定型 輔助機(jī)等幾部分組成。（1）單螺桿擠出機(jī)組成：傳動(dòng)系統(tǒng)、擠出系統(tǒng)、加熱和冷卻系統(tǒng)、控制系統(tǒng)擠出系統(tǒng)主要包括料斗、料筒、螺桿、機(jī)頭等幾個(gè)部分。56單螺桿擠出機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1機(jī)頭連接法蘭2過(guò)濾網(wǎng)3冷卻水管4 加熱

30、器5螺桿6料筒7液壓泵8測(cè)速電動(dòng)機(jī)9推力軸承10料斗11減速器12螺桿冷卻裝置571）料斗：是保證向擠出機(jī)料筒連續(xù)供料的裝置。2）料筒：是一個(gè)受熱受壓的金屬圓筒。是物料塑化和壓縮的場(chǎng)所，工作溫度為180290C，料筒內(nèi)的壓力為55MPa。3）螺桿：是最主要的部件，螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)料筒內(nèi)塑料產(chǎn)生擠壓作用，使塑料獲得由摩擦產(chǎn)生的熱量。4）粗濾器和過(guò)濾網(wǎng)的作用：改變塑料的運(yùn)動(dòng)形式，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)槠街边\(yùn)動(dòng)，過(guò)濾機(jī)械雜質(zhì)和末熔化的或分解焦化的物料，同時(shí)增大料流壓力，保證擠出制品致密，提高質(zhì)量。58 特點(diǎn)： 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，制造容易 主要靠摩擦輸送，混煉效果差 不易粉料加工 生產(chǎn)效率低59（2）雙螺桿擠出機(jī)用途：聚

31、合物共混、填充和增強(qiáng)改性，或進(jìn)行反應(yīng)擠出。組成：傳動(dòng)裝置、加料裝置、料筒和螺桿等幾個(gè)部分組成。結(jié)構(gòu)：不同雙螺桿擠出機(jī)的主要差別在于螺桿結(jié)構(gòu)的不同。雙螺桿擠出 機(jī)與單螺桿擠出機(jī)的主要差別： 1）結(jié)構(gòu)不同：雙螺桿擠出機(jī)-兩根平行的螺桿置于一“”形截面的料筒中 2） 物料傳送方式的不同 單螺桿擠出機(jī)：物料傳送-拖曳誘發(fā)型的 雙螺桿擠出機(jī)：物料傳送-正向位移傳送（嚙合型雙螺桿擠出機(jī)）； 3） 物料流動(dòng)速度場(chǎng)的不同：但雙螺桿擠出機(jī)的混合特性和總體行為主要取決于發(fā)生在嚙合區(qū)的漏流，混合充分，熱傳遞良好，熔融能力大，排氣能力強(qiáng)及對(duì)物料溫度控制良好等。60聚合物基納米復(fù)合材料第五章 概述5.1 納米與納米科技

32、5.2 納米復(fù)合材料的定義5.3 聚合物基納米復(fù)合體系5.4 納米顆粒的制備方法5.5 聚合物基納米復(fù)合材料的制備方法615.1 納米與納米科技一、納米的誕生 1959年，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)曼預(yù)言，人類(lèi)可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類(lèi)意愿，逐個(gè)地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想。 七十年代，科學(xué)家開(kāi)始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想。原子排成的“原子”字樣621974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。 1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具掃描隧道顯微鏡，使人類(lèi)首次在大氣和常溫下看見(jiàn)原子，為我們揭示一個(gè)可見(jiàn)的原子、分子

33、世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。 1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生631991年，碳納米管被人類(lèi)發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來(lái)最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線(xiàn)、超微開(kāi)關(guān)以及納米級(jí)電子線(xiàn)路等。641993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫(xiě)”下斯坦福大學(xué)英文名字、 1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“IBM”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫(xiě)出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著我國(guó)開(kāi)始在國(guó)際

34、納米科技領(lǐng)域占有一席之地。651997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬(wàn)倍的量子計(jì)算機(jī)。 1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的 “秤”，它能夠稱(chēng)量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于個(gè)病毒的重量；此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱(chēng)量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄。 662000年4月，美國(guó)能源部桑地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室運(yùn)用激光微細(xì)加工技術(shù)研制出智能手術(shù)刀，該手術(shù)刀可以每秒掃描10萬(wàn)個(gè)癌細(xì)胞，并將細(xì)胞所包含的蛋白質(zhì)信息輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析判斷。2001年紐約斯隆-凱特林癌癥研究中心的戴維.

35、 沙因貝格爾博士報(bào)道了把放射性同位素錒-225的一些原子裝入一個(gè)形狀像圓環(huán)的微型藥丸中，制造了一種消滅癌細(xì)胞的靶向藥物。這些研究表明納米技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)學(xué)的進(jìn)展是十分迅速的。67 到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元。 近年來(lái)，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)；德國(guó)專(zhuān)門(mén)建立納米技術(shù)研究網(wǎng)；美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部門(mén)將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。68二、掃描隧道顯微鏡介紹掃描隧道顯

36、微鏡是80年代初期發(fā)展起來(lái)的新型顯微儀器，能達(dá)到原子級(jí)的超高分辨率。掃描隧道顯微鏡不僅作為觀(guān)察物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的重要手段，而且可以作為在極其細(xì)微的尺度即納米尺度（1 nm=10-9 m）上實(shí)現(xiàn)對(duì)物質(zhì)表面精細(xì)加工的新奇工具。目前科學(xué)家已經(jīng)可以隨心所欲地操縱某些原子。一門(mén)新興的學(xué)科納米科學(xué)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)運(yùn)而生。69 20世紀(jì)80年代初期，IBM公司蘇黎世實(shí)驗(yàn)室的兩位科學(xué)家GBinnig和HRoher發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。 這種新型顯微儀器的誕生，使人類(lèi)能夠?qū)崟r(shí)地觀(guān)測(cè)到原子在物質(zhì)表面的排列狀態(tài)和與表面電子行為有關(guān)的物理化學(xué)性質(zhì)，對(duì)表面科學(xué)、材料科學(xué)、生命科學(xué)以及微電子技術(shù)的研究有著重大意義和重要應(yīng)用價(jià)值。為

37、此這兩位科學(xué)家與電子顯微鏡的創(chuàng)制者ERrska教授一起榮獲1986年諾貝爾物理獎(jiǎng)。70 STM具有空間的高分辨率(橫向可達(dá)0.1nm，縱向可優(yōu)于0.01 nm)，能直接觀(guān)察到物質(zhì)表面的原子結(jié)構(gòu)，把人們帶到了微觀(guān)世界。它的基本原理是基于量子隧道效應(yīng)和掃描。它是用一個(gè)極細(xì)的針尖(針尖頭部為單個(gè)原子)去接近樣品表面，當(dāng)針尖和表面靠得很近時(shí)(1nm)，針尖頭部原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重迭，若在針尖和樣品之間加上一個(gè)偏壓、電子便會(huì)通過(guò)針尖和樣品構(gòu)成的勢(shì)壘而形成隧道電流。通過(guò)控制針尖與樣品表面間距的恒定并使針尖沿表面進(jìn)行精確的三維移動(dòng)，就可把表面的信息；(表面形貌和表面電子態(tài))記錄下來(lái)。由于STM具

38、有原子級(jí)的空間分辨率和廣泛的適用性，國(guó)際上掀起了研制和應(yīng)用STM的熱潮，推動(dòng)了納米科技的發(fā)展。 71三、納米材料的特性 納米材料又稱(chēng)為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀(guān)物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀(guān)和宏觀(guān)的觀(guān)點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀(guān)系統(tǒng)亦非典型的宏觀(guān)系統(tǒng)，是一種典型人介觀(guān)系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀(guān)物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。721.表面效應(yīng) 2.小尺寸效應(yīng) 3

39、.量子尺寸效應(yīng) 4.宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)731.表面效應(yīng) 指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比，隨粒徑的變小而急劇增大后所引起性質(zhì)上的變化。 例如，5nm的粒子，表面原子占50%；而2nm的粒子，表面原子占80%。 表面原子增加，使表面能增高，大大增強(qiáng)了納米粒子的化學(xué)活性，使其在催化、吸附等方面具有常規(guī)材料無(wú)法比擬的優(yōu)越性。742.小尺寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀(guān)物理性質(zhì)的變化稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。（1） 特殊的光學(xué)性質(zhì)（2） 特殊的熱學(xué)性質(zhì)（3） 特殊的磁學(xué)性質(zhì)

40、（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。753.量子尺寸效應(yīng)隨著粒子由宏觀(guān)尺寸進(jìn)入納米范圍，準(zhǔn)連續(xù)能帶將分裂為分立的能級(jí)，能級(jí)間的距離隨粒子尺寸減小而增大，這種能級(jí)能隙變寬的現(xiàn)象稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。 這種量子尺寸效應(yīng)導(dǎo)致納米粒子具有與宏觀(guān)物質(zhì)截然不同的反常特性。例如，粒徑為20nm的銀微粒在溫度為1K時(shí)出現(xiàn)由導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體的現(xiàn)象。764.宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)微觀(guān)粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱(chēng)為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀(guān)系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，被稱(chēng)為納米粒子的宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)。掃描隧道顯微鏡的基

41、本原理就是基于量子隧道效應(yīng). 宏觀(guān)量子隧道效應(yīng)限定了磁帶、磁盤(pán)進(jìn)行信息存儲(chǔ)的時(shí)間極限。77四、幾種典型的納米材料納米顆粒型材料納米固體材料納米膜材料納米磁性液體材料碳納米管78納米顆粒型材料也稱(chēng)納米粉末，一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效應(yīng)等原因，它具有不同于常規(guī)固體的新特性。79用途：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微芯片導(dǎo)熱基與布線(xiàn)材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極材料、太陽(yáng)能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。80納米固體材料 納米固體材料

42、通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。81納米膜材料 納米薄膜是指尺寸在納米量級(jí)的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜。82納米磁性液體材料 磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長(zhǎng)鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場(chǎng)作用下整體地運(yùn)動(dòng)，因此具有其它液體所沒(méi)有的磁控特性。83碳納米管，是1991年由日本電鏡學(xué)家飯島教授通過(guò)高分辨電鏡發(fā)現(xiàn)的，屬碳材料家族中的新成員，為黑色粉末狀，是由類(lèi)似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米

43、甚至數(shù)毫米。碳納米管84碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過(guò)鋼絲強(qiáng)度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。85正是由于碳納米管自身的獨(dú)特性能，決定了這種新型材料在高新技術(shù)諸多領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。在電子方面，利用碳納米管奇異的電學(xué)性能，可將其應(yīng)用于超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射平板顯示器、晶體管集成電路等領(lǐng)域。在材料方面，可將其應(yīng)用于金屬、水泥、塑料、纖維等諸多復(fù)合材料領(lǐng)域。它是迄今為止最好的貯氫材料，并可作為多類(lèi)反應(yīng)的催化劑的優(yōu)良載體。在軍事方面，可利用它對(duì)波的吸收、折射率高的特點(diǎn)，作為隱身材料廣泛應(yīng)用于隱形飛機(jī)和超音速飛機(jī)。在航

44、天領(lǐng)域，利用其良好的熱學(xué)性能，添加到火箭的固體燃料中，從而使燃燒效率更高。86一、陶瓷增韌陶瓷材料在通常情況下呈脆性，由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。87二、納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用 催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化

45、劑，可大大提高反應(yīng)效率，控制反應(yīng)速度，甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高1015倍。881金屬納米粒子的催化作用貴金屬納米粒子作為催化劑已成功地應(yīng)用到高分子高聚物的氫化反應(yīng)上，例如納米粒子銠在氫化反應(yīng)中顯示了極高的活性和良好的選擇性。烯烴雙鍵上往往連有尺寸較大的基團(tuán)，致使雙鍵很難打開(kāi)，若加上粒徑為lnm的銠微粒，可使打開(kāi)雙鍵變得容易，使氫化反應(yīng)順利進(jìn)行。892半導(dǎo)體納米粒子的光催化半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直引起人們的重視，原因在于這種效應(yīng)在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機(jī)物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。所謂半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)是指：在光的照射下，價(jià)帶電

46、子躍遷到導(dǎo)帶，價(jià)帶的孔穴把周?chē)h(huán)境中的羥基電子奪過(guò)來(lái)，短基變成自由基，作為強(qiáng)氧化劑將物質(zhì)氧化，變化如下：酯、 醇、 醛、 酸、 CO2，完成了對(duì)有機(jī)物的降解。90常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等。主要用處：將這類(lèi)材料做成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上，利太陽(yáng)光可進(jìn)行有機(jī)物的降解。美國(guó)、日本利用這種方法對(duì)海上石油泄露造成的污染進(jìn)行處理。采用這種方法還可以將粉體添加到陶瓷釉料中，使其具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中制成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO2粒子表面用Cu+、Ag+離子修飾，殺菌效果更好。這種材

47、料在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用前景。鉛化的TiO2納米粒子的光催化可以使丙炔與水蒸氣反應(yīng)，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；鉑化的TiO2納米粒子，通過(guò)光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。還有一個(gè)重要的應(yīng)用是，納米TiO2光催化效應(yīng)可以用來(lái)從甲醇水溶液中提取H2。913納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用。也可以摻雜到高能密度的材料，如炸藥，增加爆炸效率；也可以作為引爆劑進(jìn)行使用。為了提高熱燃燒效率，將金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子摻雜到燃料中，以提高燃燒的效率，因此這類(lèi)材料在火箭助推器和煤中作助燃劑。目前，納米Ag和Ni粉已被用在

48、火箭燃料作助燃劑。 92三、納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線(xiàn)性、光吸收、光反射、光傳輸過(guò)程中的能量損耗等，都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴(lài)關(guān)系。研究表明，利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段，有的得到了推廣應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要介紹一下各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用。931紅外反射材料高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但是電能的69轉(zhuǎn)化為紅外線(xiàn)，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來(lái)照明。同時(shí)，燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的

49、壽命。如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題，納米微粒的誕生為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)新的途徑。20世紀(jì)80年代以來(lái)，人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級(jí)，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外線(xiàn)反射能力。有人估計(jì)這種燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r(shí)，可節(jié)省約15的電942優(yōu)異的光吸收材料納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象。納米微粒粉體對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個(gè)特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹(shù)脂中制成膜，這種膜對(duì)紫外有吸收能力依賴(lài)于納米粒子的尺寸和

50、樹(shù)脂中納米粒子的摻加量和組分。目前，對(duì)紫外吸收好的幾種材料有：3040nm的TiO2納米粒子的樹(shù)脂膜；Fe2O3納米微粒的聚酯樹(shù)脂膜。前者對(duì)400nm波長(zhǎng)以下的紫外光有極強(qiáng)的吸收能力，后者對(duì)600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線(xiàn)過(guò)濾器953.隱身材料 由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱，從而達(dá)到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大34個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)

51、度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到了隱身作用。96四、納米技術(shù)與納米材料在環(huán)境保護(hù)方面的作用隨著納米技術(shù)的悄然崛起，納米環(huán)保也會(huì)迅速來(lái)臨，拓展人類(lèi)利用資源和保護(hù)環(huán)境的能力，為徹底改善環(huán)境和從源頭上控制新的污染源產(chǎn)生創(chuàng)造了條件。971納米技術(shù)在治理有害氣體方面的應(yīng)用納米技術(shù)可以制成非常好的催化劑，其催化效率極高。經(jīng)它催化的石油中硫的含量小于0.01。因而，在燃煤中可加入納米級(jí)助燒催化劑，以幫助煤充分燃燒，提高能源的利用率，防治有害氣體的產(chǎn)生。納米級(jí)催化劑用于汽車(chē)尾氣催化，有極強(qiáng)的氧化還原性能，使汽油燃燒時(shí)不再產(chǎn)生一氧化硫和氮氧化物，根本無(wú)需進(jìn)行尾氣凈化處理。982納米技術(shù)在污水處理方面的應(yīng)

52、用污水中通常含有有毒有害物質(zhì)、懸浮物、泥沙、鐵銹、異味污染物、細(xì)菌病毒等。污水治理就是將這些物質(zhì)從水中去除。由于傳統(tǒng)的水處理方法效率低、成本高、存在二次污染等問(wèn)題，污水治理一直得不到很好解決。納米技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用很可能徹底解決這一難題。污水中的貴金屬是對(duì)人體極其有害的物質(zhì)。它從污水中流失，也是資源的浪費(fèi)。新的一種納米技術(shù)可以將污水中的貴金屬如金、釕、鈀、鉑等完全提煉出來(lái)，變害為寶。一種新型的納米級(jí)凈水劑具有很強(qiáng)的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通凈水劑三氯化鋁的1020倍。993納米TiO2與環(huán)境保護(hù)由于納米TiO2除了具有納米材料的特點(diǎn)外，還具有光催化性能，使得它在環(huán)境污染治理方面將扮演

53、極其重要的角色。100（1）降解空氣中的有害有機(jī)物對(duì)室內(nèi)主要的氣體污染物甲醛、甲笨等的研究結(jié)果表明，光催化劑可以很好地降解這些物質(zhì)，其中納米TiO2的降解效率最好，將近達(dá)到100。其降解機(jī)理是在光照條件下將這些有害物質(zhì)轉(zhuǎn)化為二氧化碳、水和有機(jī)酸。納米TiO2的光催化劑也可用于石油、化工等產(chǎn)業(yè)的工業(yè)廢氣處理，改善廠(chǎng)區(qū)周?chē)諝赓|(zhì)量。 （2）降解有機(jī)磷農(nóng)藥有機(jī)磷農(nóng)藥是70年代發(fā)展起來(lái)的農(nóng)藥品種，占我國(guó)農(nóng)藥產(chǎn)量的80，它的生產(chǎn)和使用會(huì)造成大量有毒廢水。這一環(huán)保難題，使用納米TiO2來(lái)催化降解可以得到根本解決。101（3）處理毛紡染整廢水用納米TiO2催化降解技術(shù)來(lái)處理毛紡染整廢水，具有省資、高效、節(jié)能

54、，最終能使有機(jī)物完全礦化、不存在二次污染等特點(diǎn)，顯示出良好的應(yīng)用前景。（4）解決石油污染問(wèn)題在石油開(kāi)采運(yùn)輸和使用過(guò)程中，有相當(dāng)數(shù)量的石油類(lèi)物質(zhì)廢棄在地面、江湖和海洋水面，用納米TiO2可以降解石油，解決海洋的石油污染問(wèn)題。（5）處理城市生活垃圾用納米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其速度是大顆粒TiO2的10倍以上，從而解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來(lái)的壓力。102（6）高效的殺菌劑一般常用的殺菌劑Ag、Cu等能使細(xì)胞失去活性，但細(xì)菌被殺死后，可釋放出致熱和有毒的組分如內(nèi)毒素。內(nèi)毒素是致命物質(zhì)，可引起傷寒、霍亂等疾病。利用納米TiO2的光催化性能不僅能殺死環(huán)境中的細(xì)菌，而且能同時(shí)降解由細(xì)菌釋

55、放出的有毒復(fù)合物。在醫(yī)院的病房、手術(shù)室及生活空間細(xì)菌密集場(chǎng)所安放納米TiO2光催化劑還具有除臭作用。 103（7）自潔作用 納米TiO2由于其表面具有超親水性和超親油性，因此其表面具有自清潔效應(yīng)，即其表面具有防污、防霧、易洗、易干等特點(diǎn)。我國(guó)新近研制成功一種具備自動(dòng)清潔功能，可以自動(dòng)消除異味、殺菌消毒的“納米自潔凈玻璃”?！凹{米自潔凈玻璃”是應(yīng)用高科技納米技術(shù)在平板玻璃的兩面鍍制一層納米薄膜，薄膜在紫外線(xiàn)的作用下可分解沉積在玻璃上的污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的各種細(xì)菌和病毒。這種玻璃與普通玻璃的價(jià)格比預(yù)計(jì)為1.5：1。104被稱(chēng)之為21世紀(jì)前沿科學(xué)的納米技術(shù)將對(duì)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，

56、有著廣泛的應(yīng)用前景，甚至?xí)淖內(nèi)藗兊膫鹘y(tǒng)環(huán)保觀(guān)念，利用納米技術(shù)解決污染問(wèn)題將成為未來(lái)環(huán)境保護(hù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。105五、納米技術(shù)在生物工程上的應(yīng)用眾所周知，分子是保持物質(zhì)化學(xué)性質(zhì)不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個(gè)生物大分子本身就是一個(gè)微型處理器，分子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中以可預(yù)測(cè)方式進(jìn)行狀態(tài)變化，其原理類(lèi)似于計(jì)算機(jī)的邏輯開(kāi)關(guān)，利用該特性并結(jié)合納米技術(shù)，可以此來(lái)設(shè)計(jì)量子計(jì)算機(jī)。美國(guó)南加州大學(xué)的Adelman博士等應(yīng)用基于DNA分子計(jì)算技術(shù)的生物實(shí)驗(yàn)方法，有效地解決了目前計(jì)算機(jī)無(wú)法解決的問(wèn)題“哈密頓路徑問(wèn)題”，使人們對(duì)生物材料的信息處理功能和生物分子的計(jì)算技術(shù)有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。 106雖然分

57、子計(jì)算機(jī)目前只是處于理想階段，但科學(xué)家已經(jīng)考慮應(yīng)用幾種生物分子制造計(jì)算機(jī)的組件，其中細(xì)菌視紫紅質(zhì)最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學(xué)物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學(xué)循環(huán)特性可用于儲(chǔ)存信息，從而起到代替當(dāng)今計(jì)算機(jī)信息處理和信息存儲(chǔ)的作用。在整個(gè)光循環(huán)過(guò)程中，細(xì)菌視紫紅質(zhì)經(jīng)歷幾種不同的中間體過(guò)程，伴隨相應(yīng)的物質(zhì)結(jié)構(gòu)變化。Birge等研究了細(xì)菌視紫紅質(zhì)分子潛在的并行處理機(jī)制和用作三維存儲(chǔ)器的潛能。通過(guò)調(diào)諧激光束，將信息并行地寫(xiě)入細(xì)菌視紫紅質(zhì)立方體，并從立方體中讀取信息，并且細(xì)菌視紫紅質(zhì)的三維存儲(chǔ)器可提供比二維光學(xué)存儲(chǔ)器大得多的存儲(chǔ)空間。107到目前為止，還沒(méi)有出現(xiàn)商品化的分子計(jì)算機(jī)組

58、件。科學(xué)家們認(rèn)為：要想提高集成度，制造微型計(jì)算機(jī)，關(guān)鍵在于尋找具有開(kāi)關(guān)功能的微型器件。美國(guó)錫拉丘茲大學(xué)已經(jīng)利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)制作出了光導(dǎo)“與”門(mén)，利用發(fā)光門(mén)制成蛋白質(zhì)存儲(chǔ)器。此外，他們還利用細(xì)菌視紫紅質(zhì)蛋白質(zhì)研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡(luò)和聯(lián)想式存儲(chǔ)裝置。108納米計(jì)算機(jī)的問(wèn)世，將會(huì)使當(dāng)今的信息時(shí)代發(fā)生質(zhì)的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質(zhì)的儲(chǔ)存和信息處理的能力提高上百萬(wàn)倍，從而實(shí)現(xiàn)電子學(xué)上的又一次革命。109六、納米科技在其他方面的應(yīng)用1.醫(yī)學(xué)使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì)，并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中，并通過(guò)一定

59、的機(jī)制來(lái)激發(fā)藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便，用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液，就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。1102.家電用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線(xiàn)等作用，可用處作電冰霜、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。3.電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)可以從閱讀硬盤(pán)上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。1114.紡織工業(yè)在合成纖維樹(shù)脂中添加納

60、米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線(xiàn)輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿(mǎn)足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線(xiàn)輻射的功能纖維。 5.機(jī)械工業(yè)采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。112一、粘合劑和密封膠國(guó)外已將納米材料如納米SiO2作為添加劑加入到粘合劑和密封膠中，使粘合劑的粘結(jié)效果和密封膠的密封性都大大提高。其作用機(jī)理是在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料，使之具有親水性，將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結(jié)構(gòu)，即納米SiO2形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)掏膠體流動(dòng)，固體速度加快，提高