纳米复合材料范文篇1
［关键词］高聚物纳米复合材料
一、纳米材料的特性
当材料的尺寸进入纳米级，材料便会出现以下奇异的物理性能：
1、尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁、热、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80a/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍。若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予其新性能。
2、表面效应
一般随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。
纳米微粒尺寸d（nm）包含总原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与其它原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。
3、量子隧道效应
微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用，如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。
二、高聚物/纳米复合材料的技术进展
对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛，按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类：
1、高聚物/粘土纳米复合材料
由于层状无机物在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般为纳米级，它不仅可让聚合物嵌入夹层，形成“嵌入纳米复合材料”，还可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生交换反应，具有的亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高其粘结。其制备的技术有插层法和剥离法，插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后，制成“嵌入纳米复合材料”，而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离，形成“层离纳米复合材料”。
2、高聚物/刚性纳米粒子复合材料
用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性方法。随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的发展，特别是近年来纳米级无机粒子的出现，塑料的增韧彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法。采用纳米刚性粒子填充不仅会使韧性、强度得到提高，而且其性价比也将是不能比拟的。
3、高聚物/碳纳米管复合材料
碳纳米管于1991年由s.iijima发现，其直径比碳纤维小数千倍，其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。
碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出碳纳米管的强度实验值为30－50gpa。尽管碳纳米管的强度高，脆性却不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500mpa，比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。
在电性能方面，碳纳米管作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林trinity学院进行的研究表明，在塑料中含2%－3%的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。
三、前景与展望
在高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是：高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备，用传统的设备往往不能使纳米粒子很好的分散，同时高聚物表面处理还不够理想。我国纳米材料研究起步虽晚但发展很快，对于有些方面的研究工作与国外相比还处于较先进水平。如：漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究；黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界很有影响；另外，四川大学高分子科学与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的手段。尽管如此，在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距。但无可否认，纳米材料由于独特的性能，使其在增强聚合物应用中有着广泛的前景，纳米材料的应用对开发研究高性能聚合物复合材料有重大意义。特别是随着廉价纳米材料不断开发应用，粒子表面处理技术的不断进步，纳米材料增强、增韧聚合物机理的研究不断完善，纳米材料改性的聚合物将逐步向工业化方向发展，其应用前景会更加诱人。
参考文献：
［1］李见主编.新型材料导论.北京：冶金工业出版社，1987.
纳米复合材料范文篇2
【关键词】碳纳米管；复合材料；结构体
引言
纳米技术是世界上非常先进的一种科学技术，同时纳米技术的出现也标志着人类改造自然的能力已经深入到了原子与分子水平，如今纳米概念已经渗入到；力学、物理学、电子学、机械学以及材料科学等多种领域。碳纳米管（CNTs）是由日本学者Iijina发现的，碳纳米管具有独特的结果与良好的物理与化学性能，因此吸引了许多相关领域的研究者，并且如今已取得了一定的成果。碳纳米管因为其独特的结构，使得这种材料具有高强度、高韧性以及极强的导电性能，并且这种材料还具有很好的热性能，其热稳定性与化学稳定性都非常好，因此具有很好的应用发展前景。而CNTs聚合物基复合材料是一种以CNTs为增强体、聚合物为基体的复合材料，这种复合材料从工程应用上可分为结构符合材料与功能复合材料，因此要想了解碳纳米管在聚合物基复合材料中的应用，需要从这两种材料进行分析。
1CNTs/聚合物结构复合材料
1.1CNTs的结构与力学性能
CNTs是一种石墨面六边形网络格所组成的管状物，一般是有单层或多层同轴管组成，其直径一般是在几纳米在几十纳米之间，层次之间的距离一般是0.34nm，长度一般可以到到数微米。
通过相关的计算以及实验检查发现，CNTs具有极高的强度以及极强韧性，并且CNTs在透射电镜下观察发现，CNTs的杨氏模量能够达到1.0TPa以上，大约是钢的100倍，同时还发现CNTs还具有很高的伸张强度，已经达到了（45±7）GPa，是一般高强度钢材的20倍，并且根据相关理论与实验的结果发现，CNTs具有很好的韧性，其弯曲角度超过了110度，因此这种材料被认为是最理想的聚合物复合材料的增强材料[1]。
1.2CNTs聚合物结构复合材料的力学性能
CNTs具有非常强的力学性能，因此这种材料能够大大改善聚合物复合材料的强度与韧性，通过采用原位法复合CNTs与PA6得到了C-O-C化学见连接，同时CNTs在基体PA6中分散均匀的CNTs/PA6复合材料，这样就能够将其抗拉强度大大的提高，并且能够让这种材料保持非常高的冲击韧性以及延伸率，当CNTs用量达到了15%的时候，就能够将复合材料的抗拉强度提升到130Mpa，冲击的韧性也会得到很大程度上的提高，其韧性能够达到403kJ?m-2，而其延伸率能够达到31%。
聚苯乙烯（PS）这种材料因为硬度以及刚性都非常好，并且价格也非常的低廉，因此得到了广泛的应用。但是这种材料比较脆，耐热性也比较低，从而限制了这种材料的发展，通过原位聚合法将CNTs应用进PS中之后，得到了CNTs/PS复合材料，通过相应的检测发现，当CNTs的含量达到1.0%的时候，这种材料的力学性能最好，同更是拉伸度也能够达到26.1MPa，其冲击韧性能够达到1.16kJ/m2，延伸率能够达到7.62%，同时通过相关的调查研究表明，聚苯乙烯在自由基集合过程中加入CNTs时并没有阻碍反应[2]，并且还能够增加聚苯乙烯的聚合程度，这同样是引起这种复合材料力学性能增加的一个主要原因。
2CNTs/聚合物功能复合材料
2.1电学性能
CNTs不仅具有良好的物理性能以及电学性能，并且还具有独特的电学性质。因为CNTs主要是由碳原子的六角点阵二维石墨片卷曲而成的纳米级管，在这中材料中会有大量的电子在单层的石墨片中沿纳米管的进行轴向运动，这样就会使得CNTs具有半导体以及金属的性能。同时因为CNTs是一种纤维结构，因此这种材料能够均匀的分布在聚合物材料中，因此同样会在聚合物基体中形成一种导电的通道，如果在应用的过程中增加的量较少，就能够形成永久的抗静电材料，如果量增加过多的话还会成为一种导电材材料。通过将CNTs应用到三元乙丙橡胶（EPDM）复合材料，通过对其电学性能的研究发现，随着CNTs用量的增加，其橡胶的导电性也在逐渐的增加，当CNTs的含量增加10粪的时候，就能够让这种复合材料的导电性能大大的增加，这是因为当CNTs含量较少的时候，并没有在复合材料中形成导电通路，但是当达到10份的时候，就能够形成导电通道[3]。
2.2光学性能
CNTs不仅具有独特的电学学性能，同样还具有独特的光学性能，通过大量的实验研究发现，CNTs从可见光带红外区都有广泛的光限幅性能。人们将CNTs与一些共扼聚合物复合能够得到良好的具有光学特性的聚合物。比如在苯乙炔（PPA）中加入CNTs，再通过原位聚合复合就能够得到PPA/CNTs复合材料，这种复合材料具有很强的光稳定性，当光的辐射强度达到10J/cm2的时候，复合材料中的CNTs就能够有效的防止复合材料产生光降解，因此其具有有效的光限幅性。并且Curran等还通过实验研究发现，应用了CNTs材料PmPv/CNTs复合材料的荧光要比纯聚合物的荧光更微弱，这样能够将光至光效应提升35%。
3结语
碳纳米管是一种在力学性能、化学性能以及热稳定性上都非常好的材料，并且其独特的纳米结构能够成为复合材料最理想的增强体，并且会赋予复合材料许多新的功能，因此碳纳米管的应用前景是非常广阔的。但是如今碳纳米管的市场价格非常的高，因此目前还无法实现大规模的应用。通过本文对碳纳米管在聚合物基复合材料中的应用分析，也可以了解到碳纳米管的应用价值，而如今国外正尝试新的碳纳米管生产技术，希望能够减低其生产成本，因此希望我国也能够加强这方面的研究。
【参考文献】
[1]陈卫祥，陈文录，徐铸德.碳纳米管的特性及其高性能的复合材料[J].复合材料学报，2012（04）.
纳米复合材料范文篇3
LRV-17LongRangeVessel主要是由碳纤维加强复合材料构成的并采用碳纳米管加以巩固。它使用Arovex碳纤维纳米复合材料系统，其目的是减轻重量并提高燃料燃烧率和扩大燃料范围。该舰艇的行驶范围超过1500海里，超过同等规模舰艇行驶范围的3倍。该舰艇的冲刺速度超过40海里。
2010年，ZyvexzMarine公司首次展示了PiranhaUnmannedSurfaceVessel（食人鱼无人驾驶水面舰艇）的模型，这是LRV-17舰艇的前身，并于2011年的进行了第一次航行。Piranha是由该公司的母公司ZyvexTechnologies生产的，也采用了Arovex碳纳米材料。Arovex是同类材料中第一个应用于商业的。
Zyvex公司表示，新型舰艇的深V型船体使用了一个有源的陀螺仪稳定器，来减少人体疲劳的因素，并加强海上的操作。该舰艇仅需两名操作员，最多可容纳4名非操作人员达5天以上。该舰艇57英尺长，携带1700加仑的燃料，并有11.9英尺高的衡梁和2.33英尺长的出水管。
迪拜全球海上安全解决方案（GMSS）出于各种海上安全因素的考虑将该舰艇部署在非洲和其他区域的海上。该舰艇的主要用途之一是对抗海盗，保护其他船只。GMSS预计使用安全小组，每组操控两艘LRV-17舰艇，来保护新型商船护航计划中的其他船只。
GMSS的总经理RhynhardtBerrange在一次新闻会上说：“新型LRV-17舰艇是海洋安全规则的改变者，因为它们是唯一能够远程护航并高速处理多个海盗威胁的舰艇。只需要小型安全团队就能有效操作该舰艇。这些属性造就了一个具有成本效益的平台来确保海上安全。新型舰艇预计将延迟问世，它能帮助阻止海盗的试探和进攻。”
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