淺析納米復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及前景

【摘 要】納米材料由于其超凡的特性，引起了人們越來越廣泛的關(guān)注，不少學(xué)者認(rèn)為納米材料將是21世紀(jì)最有前途的材料之一，納米技術(shù)將成為21世紀(jì)的主導(dǎo)技術(shù)，本文對納米復(fù)合材料技術(shù)發(fā)展及前景進(jìn)行了總結(jié)和分析，以幫助人們更加科學(xué)的認(rèn)識納米復(fù)合材料。

【關(guān)鍵詞】高聚物； 納米； 復(fù)合材料

一、 納米材料的特性

納米材料是指材料顯微結(jié)構(gòu)中至少有一相的一維尺度在100納米以內(nèi)的材料。納米材料由于平均粒徑微小、表面原子多、比表面積大、表面能高，因而其性質(zhì)顯示出獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)等特性，具有許多常規(guī)材料不可能具有的性能。當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入納米級，材料便會出現(xiàn)以下奇異的物理性能：

（一）尺寸效應(yīng)

當(dāng)超細(xì)微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或投射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，晶體的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)出新的小尺寸效應(yīng)。如當(dāng)顆粒的粒徑降到納米級時，材料的磁性就會發(fā)生很大變化，如一般鐵的矯頑力約為80A/m，而直徑小于20nm的鐵，其矯頑力卻增加了1000倍。若將納米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力學(xué)性能，甚至還可以賦予其新性能。

（二）表面效應(yīng)

一般隨著微粒尺寸的減小，微粒中表面原子與原子總數(shù)之比將會增加，表面積也將會增大，從而引起材料性能的變化，這就是納米粒子的表面效應(yīng)。

納米微粒尺寸d（nm） 包含總原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099從表1中可以看出，隨著納米粒子粒徑的減小，表面原子所占比例急劇增加。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，很容易與其它原子結(jié)合。若將納米粒子添加到高聚物中，這些具有不飽和性質(zhì)的表面原子就很容易同高聚物分子鏈段發(fā)生物理化學(xué)作用。

（三）量子隧道效應(yīng)

微觀粒子貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。它的研究對基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用，如導(dǎo)電、導(dǎo)磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意義。

二、高聚物/納米復(fù)合材料的技術(shù)進(jìn)展

對于高聚物/納米復(fù)合材料的研究十分廣泛，按納米粒子種類的不同可把高聚物/納米復(fù)合材料分為以下幾類：

（一）高聚物/粘土納米復(fù)合材料

由于層狀無機(jī)物在一定驅(qū)動力作用下能碎裂成納米尺寸的結(jié)構(gòu)微區(qū)，其片層間距一般為納米級，它不僅可讓聚合物嵌入夾層，形成“嵌入納米復(fù)合材料”，還可使片層均勻分散于聚合物中形成“層離納米復(fù)合材料”。其中粘土易與有機(jī)陽離子發(fā)生交換反應(yīng)，具有的親油性甚至可引入與聚合物發(fā)生反應(yīng)的官能團(tuán)來提高其粘結(jié)。其制備的技術(shù)有插層法和剝離法，插層法是預(yù)先對粘土片層間進(jìn)行插層處理后，制成“嵌入納米復(fù)合材料”，而剝離法則是采用一些手段對粘土片層直接進(jìn)行剝離，形成“層離納米復(fù)合材料”。

（二）高聚物/剛性納米粒子復(fù)合材料

用剛性納米粒子對力學(xué)性能有一定脆性的聚合物增韌是改善其力學(xué)性能的另一種可行性方法。隨著無機(jī)粒子微細(xì)化技術(shù)和粒子表面處理技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來納米級無機(jī)粒子的出現(xiàn)，塑料的增韌徹底沖破了以往在塑料中加入橡膠類彈性體的做法。采用納米剛性粒子填充不僅會使韌性、強(qiáng)度得到提高，而且其性價比也將是不能比擬的。

（三）高聚物/碳納米管復(fù)合材料

碳納米管于1991年由S.Iijima 發(fā)現(xiàn)，其直徑比碳纖維小數(shù)千倍，其主要用途之一是作為聚合物復(fù)合材料的增強(qiáng)材料。碳納米管的力學(xué)性能相當(dāng)突出?，F(xiàn)已測出碳納米管的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)值為30-50GPa。盡管碳納米管的強(qiáng)度高，脆性卻不象碳纖維那樣高。碳纖維在約1%變形時就會斷裂，而碳納米管要到約18%變形時才斷裂。碳納米管的層間剪切強(qiáng)度高達(dá)500MPa，比傳統(tǒng)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料高一個數(shù)量級。在電性能方面，碳納米管作聚合物的填料具有獨(dú)特的優(yōu)勢。加入少量碳納米管即可大幅度提高材料的導(dǎo)電性。與以往為提高導(dǎo)電性而向樹脂中加入的碳黑相比，碳納米管有高的長徑比，因此其體積含量可比球狀碳黑減少很多。同時，由于納米管的本身長度極短而且柔曲性好，填入聚合物基體時不會斷裂，因而能保持其高長徑比。愛爾蘭都柏林Trinity學(xué)院進(jìn)行的研究表明，在塑料中含2%-3%的多壁碳納米管使電導(dǎo)率提高了14個數(shù)量級，從10-12s/m提高到了102s/m。

三、前景與展望

在高聚物/納米復(fù)合材料的研究中存在的主要問題是：高聚物與納米材料的分散缺乏專業(yè)設(shè)備，用傳統(tǒng)的設(shè)備往往不能使納米粒子很好的分散，同時高聚物表面處理還不夠理想。我國納米材料研究起步雖晚但發(fā)展很快，對于有些方面的研究工作與國外相比還處于較先進(jìn)水平。如：漆宗能等對聚合物基粘土納米復(fù)合材料的研究；黃銳等利用剛性粒子對聚合物改性的研究都在學(xué)術(shù)界很有影響；另外，四川大學(xué)高分子科學(xué)與工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室發(fā)明的磨盤法、超聲波法制備聚合物基納米復(fù)合材料也是一種很有前景的手段。盡管如此，在總體水平上我國與先進(jìn)國家相比尚有一定差距。但無可否認(rèn)，納米材料由于獨(dú)特的性能，使其在增強(qiáng)聚合物應(yīng)用中有著廣泛的前景，納米材料的應(yīng)用對開發(fā)研究高性能聚合物復(fù)合材料有重大意義。特別是隨著廉價納米材料不斷開發(fā)應(yīng)用，粒子表面處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，納米材料增強(qiáng)、增韌聚合物機(jī)理的研究不斷完善，納米材料改性的聚合物將逐步向工業(yè)化方向發(fā)展，其應(yīng)用前景會更加誘人。