【文章內(nèi)容簡介】 用激光法所制的15～25nm Si3N4粉末比一般陶瓷燒結(jié)溫度降低了200～300℃，所得晶粒大小為150nm Si3N4陶瓷，其彎曲變形為微米級陶瓷的2倍[15]。5．2納米陶瓷的力學(xué)性能大量研究表明,納米陶瓷材料具有超塑性性能,所謂超塑性是指材料在一定的應(yīng)變速率下產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)變。納米TiO2陶瓷在室溫下就能發(fā)生塑性形變,在180℃下塑性變形可達100%。若試樣中存在微裂紋,在180℃下進行彎曲時,也不會發(fā)生裂紋擴展[16]。對晶粒尺寸為350nm的3YTZD陶瓷進行循環(huán)拉伸試驗發(fā)現(xiàn),在室溫下就已出現(xiàn)形變現(xiàn)象。納米Si3N4陶瓷在1300℃下即可產(chǎn)生200%以上的形變。關(guān)于納米陶瓷生產(chǎn)超塑性的原因,一般認為是擴散蠕變引起晶界滑移所致。擴散蠕變速率與擴散系數(shù)成正比,與晶粒尺寸的三次方成反比,當納米粒子尺寸減小時,擴散系數(shù)非常高,從而造成擴散蠕變異常。因此在較低溫度下,因材料具有很高的擴散蠕變速率,當受到外力后能迅速作出反應(yīng),造成晶界方向的平移,從而表現(xiàn)出超塑性,塑性的提高也使其韌性大為提高。納米陶瓷的硬度和強度也明顯高于普通材料。在陶瓷基體中引入納米分散相進行復(fù)合,對材料的斷裂強度、斷裂韌性會有大幅度的提高,還能提高材料的硬度、彈性模量、抗熱震性以及耐高溫性能。納米陶瓷在力學(xué)、化學(xué)、光吸收、磁性、燒結(jié)等方面具有很多優(yōu)異的性能,因此,在今后的新材料與新技術(shù)方面將會起到重要的作用。隨著納米陶瓷制備技術(shù)的提高和精密技術(shù)對粉體微細化的要求,納米陶瓷將在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用(如納米陶瓷在結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、電子陶瓷、生物陶瓷等領(lǐng)域)。不過從目前的研究來看,納米陶瓷獲得應(yīng)用的性能有以下幾個方面: 1)室溫超塑性是納米陶瓷最具應(yīng)用前景的性能之一。納米陶瓷克服了普通陶瓷的脆性,使陶瓷的鍛造、積壓、拉拔等加工工藝成為可能,從而能夠制得各種特殊的部件,應(yīng)用到精密設(shè)備中去。2）高韌性是納米陶瓷另一個具有很高應(yīng)用的性能。陶瓷韌性的提高使得陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域極度的擴大,因為今后納米陶瓷就可以像鋼鐵、塑料等主流材料一樣的應(yīng)用,而不是人們心目中的“易碎品”。3)納米陶瓷的應(yīng)用還可以節(jié)約能源、減少環(huán)境污染(傳統(tǒng)的陶瓷工業(yè)能耗高、污染重)。納米陶瓷的燒結(jié)溫度比普通陶瓷的低幾百度,而且還可能繼續(xù)下降,這樣不僅可節(jié)省大量能源,還有利于環(huán)境的凈化。[1] 謝少艾，陳虹錦，（）納米陶瓷[2]，2010，7（241）：36 [3] Cahn R ing of ,1988,332(60～61):112～115 [4] 楊修春, 導(dǎo)報,1995(3):48～49 [5] ,1995,10(1):1[6] rate sintering of nanograined ZrO2based posites using pulse electric current sintering Mater Sci Lett,1998,19:1389 [7] 姜繼森,高濂,1998,13(3):415 [8] 仇海波,1994,9(3):365 [9] 王秉濟,1994,22(1):57 [10]劉大格,蔡偉,報,1998,26(3):313 [11] 張敬暢,1999,14(1):29 [12] 施爾畏,夏長泰,王步國,1996,11(2):193 [13] ,2005,4:41 [14] 戴春雷,2005,20(1):83 [15] 劉永勝,2005,20(5):1208 [16] ,1999,14(1):13第三篇：納米論文聚合物基納米二氧化硅復(fù)合材料的應(yīng)用研究進展班級12材料2班學(xué)號1232230042姓名王曉婷摘要本文介紹了近年來國內(nèi)外納米SiO2聚合物復(fù)合材料的制備方法，討論了制備方法的特點，闡述了聚合物納米SiO2復(fù)合材料的研究進展, 并展望了聚合物納米SiO2 的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞納米SiO2復(fù)合材料。聚合物。制備。應(yīng)用 前言納米SiO2是目前應(yīng)用最廣泛的納米材料之一,它特有的表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和體積效應(yīng)等,使其與有機聚合物復(fù)合而成的納米二氧化硅復(fù)合材料, 既能發(fā)揮納米SiO2自身的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)以及粒子的協(xié)同效應(yīng), 又兼有有機材料本身的優(yōu)點, 使復(fù)合材料具有良好的機械、光、電和磁等功能特性, 引起了國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注[1，2]。本文就納米Si02一聚合物復(fù)合材料的制備方法、制備方法的特點和應(yīng)用進行一次全面的綜述。2聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的制備2．1 共混法共混法是制備聚合物／無機納米復(fù)合材料最直接的方法，適用于各種形態(tài)的納米粒子，但是由于納米粒子存在很大的界面自由能，粒子極易自發(fā)團聚。要將無機納米粒子直接分散于有機基質(zhì)中制備聚合物納米復(fù)合材料，必須通過化學(xué)預(yù)分散和物理機械分散打開納米粒子團聚體，消除界面能差，才能實現(xiàn)均勻分散并與基體保持良好的親和性。具體途徑如下。2．1．1 高分子溶液(或乳液)共混首先將聚合物基體溶解于適當?shù)娜軇┲兄瞥扇芤?或乳液)，然后加入無機納米粒子，利用超聲波分散或其他方法將納米粒子均勻分散在溶液(或乳液)中。姜云鵬等利用PVA與納米Si02表面的羥基形成的氫鍵實現(xiàn)了納米si02對PVA的改性；張志華等用溶膠一凝膠反應(yīng)制備納米Si02顆粒，然后通過超聲分散機將顆粒分散到聚氨酯樹脂中制備出了聚氨酯／Si02納米復(fù)合材料；以上各種方法都使不同材料的各方面性能得到了改善。2．1．2熔融共混將納米無機粒子與聚合物基體在密煉機、雙螺桿等混煉機上熔融共混。郭衛(wèi)紅等[5]在密煉機上將PMMA和納米Si02粒子熔融共混后，用雙螺桿造粒制得納米復(fù)[4][3]合材料。石璞[6]通過熔融共混法將納米si02粒子均勻地分散于PP基體中制得復(fù)合材料，由于復(fù)合偶聯(lián)劑的一端易與離子表面上大量的羥基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成穩(wěn)定的氫鍵，另一端與聚丙烯相容性較好，使納米粒子基本沒有團聚，實現(xiàn)了增強、增韌的目的。張彥奇等[7]將納米Si02經(jīng)超聲分散并經(jīng)偶聯(lián)劑處理后與LLDPE等組分預(yù)混、擠出、造粒，制備了線性低密度聚乙烯(LU)PE)／納米Si02復(fù)合材料，所得薄膜霧度顯著提高。首先采用超聲波分散、機械共混等方法在單體溶液中分散納米粒子，或采用偶聯(lián)劑對納米粒子表面進行處理，然后單體在納米粒子表面進行聚合，形成納米粒子良好分散的納米復(fù)合材料(in situ polymerization)。通過這種方法，無機粒子能夠比較均一地分散于聚合物基體中。歐玉春等[8]利用帶有羥基的丙烯酸酯表面處理劑對Si02進行表面處理，應(yīng)用本體法聚合制備si02／PMMA納米復(fù)合材料，結(jié)果顯示納米Si02的加入可以提高聚甲基丙烯酸甲酯材料的機械性能、玻璃化溫度及材料的耐水性。JoseLuiz Luna—Xavier等[9]采用原位聚合法以陽離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑，液相納米Si02為核，聚甲基丙烯酸甲酯為殼合成了納米Si02一聚甲基丙烯酸甲酯乳液聚合物。由于陽離子偶氮化合物AIBA為引發(fā)劑的使用增強了與納米si02的相互作用，使效率大大提高。溶膠一凝膠法(Solgel)是制備聚合物／無機納米復(fù)合材料的一種重要方法。通過烷氧基金屬有機化合物的水解、縮合，將細微的金屬氧化物顆粒復(fù)合到有機聚合物中并得到良好分散，從而在溫和條件下制備出具有特殊性能的聚合物／無機納米復(fù)合材料。溶膠一凝膠法在制備聚合物／納米si02復(fù)合材料時顯示出很多優(yōu)勢。但是，所用的無機組分的前驅(qū)物正硅酸烷基酯價格昂貴、有毒，因此為了降低制備成本，改善生產(chǎn)條件和減少環(huán)境污染，張啟衛(wèi)等[10]用硅酸鈉為無機si02組分的前驅(qū)物，與PVAC或PMMA的THF溶膠混合，經(jīng)溶膠一凝膠過程制備出聚合物／Si02雜化材料。結(jié)果表明，si02含量在一定范圍時，由于發(fā)生了納米級微區(qū)效應(yīng)，有機一無機兩相間相容性好，不產(chǎn)生相分離，材料透光率提高，熱穩(wěn)定性增強。3聚合物/ 納米Si O2 復(fù)合材料的研究進展 納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料Mascia等通過紅外光譜和定性黏度分析得知,納米SiO2 和環(huán)氧樹脂隨著環(huán)氧樹脂的分子量增加、加入偶聯(lián)劑、增加溶劑的極性以及提高反應(yīng)溫度都會使二者的相容性提高[11]。寧榮昌等用分散混合法研究了納米SiO2有無表面處理及其含量對復(fù)合材料性能的影響, 采用透射電鏡和正電子湮沒技術(shù)(PALS)對納米SiO2 的分布和自由體積的尺寸及濃度進行了表征[12]。結(jié)果表明, SiO2表面處理后, 復(fù)合材料性能得到提高, 使環(huán)氧樹脂增強和增韌。且納米SiO2含量為3 % 時,自由體積濃度最小, 納米復(fù)合材料的性能最佳。劉競超等通過原位分散聚合法制得了納米SiO2/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料[13]。結(jié)果表明, 對復(fù)合材料力學(xué)性能的影響較大的是偶聯(lián)劑, 在最優(yōu)工藝條件下制得的復(fù)合材料沖擊強度、拉伸強度比基體分別提高了124% 和30%。復(fù)合材料的Tg和耐熱性也有所提高。 納米SiO2/丙烯酸酯類復(fù)合材料歐玉春等用原位聚合方法制備了分散相粒徑介于130 nm 左右的PMMA/SiO2(聚甲基丙烯酸甲酯/二氧化硅)復(fù)合材料[14]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理的SiO2在復(fù)合材料基體中分散均勻, 界面粘結(jié)好。SiO2粒子的填充使基體的Tg和損耗峰上升, 隨著SiO2含量的增加, 對應(yīng)試樣的Tg和損耗峰值增大。隨著SiO2含量的增加, 基體的拉伸強度、彈性模量表現(xiàn)為先下降后升高, 而基體的斷裂伸長率表現(xiàn)為先升高后下降。武利民等通過原位聚合、高速剪切法分散共混和球磨法分散共混等3 種方法制備丙烯酸酯/納米SiO2復(fù)合乳液, 以相同的方法制備丙烯酸酯/微米SiO2復(fù)合乳液[15]。結(jié)果表明, 共混法制得的納米復(fù)合物的拉伸強度、斷裂伸長率和玻璃化轉(zhuǎn)變溫度隨納米SiO2含量的增加先上升然后逐漸下降。涂層對紫外光的吸收和透過隨納米SiO2 含量的增加分別呈上升和下降趨勢, 而微米SiO2復(fù)合丙烯酸酯乳液, 其涂層對紫外光的吸收和透過基本不受微米SiO2 的影響。 納米SiO2/硅橡膠復(fù)合材料王世敏等對納米SiO2/二甲基硅氧烷復(fù)合材料的光學(xué)、力學(xué)性能進行了研究[16]。結(jié)果表明, 復(fù)合材料對波長λ＞390 nm 的可見光基本能透過, 透過率達80%, 硬度隨納米SiO2的增加呈上升趨勢。Mackenzie 等制備的納米SiO2/硅氧烷復(fù)合材料在非氧化氣氛中加熱到1 000 ℃以上, 分子發(fā)生重排, 形成塊狀微孔體。繼續(xù)加熱到1 400 ℃時,有機碳仍不分解, 且熱膨脹系數(shù)很小[17]。由于聚硅氧烷的高柔順性, 在溶膠－凝膠過程中不會因干燥而破裂, 該材料可以作為涂層改善基體(如聚合物、金屬)表面的物理化學(xué)性質(zhì)。潘偉等研究SiO2納米粉對硅橡膠復(fù)合材料的導(dǎo)電機理、壓阻及阻溫效應(yīng)的影響[18]。結(jié)果表明,隨著SiO2納米粉的增加, 壓阻效應(yīng)越來越顯著,在一定壓力范圍內(nèi), 材料電阻隨壓力呈線性增加。同時, SiO2納米粉的加入使復(fù)合材料的電阻隨溫度增加而增加。 納米SiO2/聚碳酸酯材料聚碳酸酯具有較好的透明性, 較高的硬度, 以及較強的蠕變性。為了進一步提高其應(yīng)用價值, 王金平等以聚碳酸酯為基體, 采用溶膠－凝膠法技術(shù)在聚碳酸酯表面覆蓋一層納米SiO2無機涂層, 涂層與聚碳酸酯較好的結(jié)合, 使材料的耐磨性得到明顯提高[19]。 納米SiO2/聚酰亞胺復(fù)合材料 聚酰亞胺(PI)是一種廣泛應(yīng)用于航空、航天及微電子領(lǐng)域的功能材料, 它的優(yōu)點是介電性良好,力學(xué)性能優(yōu)良, 但其吸水性強和熱膨脹性高的缺點限制了他的應(yīng)用。而采用納米SiO2改性后的PI 在這方面得到了很大改善。楊勇等的研究表明, 采用納米SiO2改性后的PI 其熱穩(wěn)定性得到加強, 熱膨脹系數(shù)得到降低[20]。曹峰等研究PI/SiO2復(fù)合材料的力學(xué)性能時發(fā)現(xiàn), 隨著SiO2含量的增加, 其楊氏模量、拉伸強度、斷裂強度增加, 加入適量的插層劑, 有利于增加有機分子與無機物分子之間的相容性, 從而可制備強度和韌性更加優(yōu)異的復(fù)合材料[21]。 納米SiO2/聚烯烴類復(fù)合材料張彥奇等采用熔融共混法制備了線性低密度聚乙烯(LLDPE)/納米SiO2復(fù)合材料[22]。結(jié)果表明, 納米SiO2使LLDPE 的拉伸彈性模量、沖擊強度、拉伸強度提高, 且均在納米SiO2用量為3 份左右時達到最大值。加入少量的納米SiO2后, LLDPE 薄膜對長波紅外線(7～11 μm)的吸收能力較純LLDPE 膜有顯著提高, 透光率略有下降, 但霧度提高。曲寧等利用納米SiO馬來酸酐接枝PE(PEgMAH)和PP 通過熔融共混制備了PP/納米SiO2復(fù)合材料[23]。結(jié)果表明, 經(jīng)表面處理、用量為4 %的納米SiO2 與4 % 的PEgMAH 發(fā)生協(xié)同作用, 可以使PP/納米SiO2復(fù)合材料的沖擊強度提高40 %,拉伸強度提高10%, 耐熱溫度提高22℃。 納米SiO2/尼龍復(fù)合材料 等研究了不同粒徑和含量的納米SiO2 與尼龍6 通過原位聚合得到的納米復(fù)合材料的特性[24]。形貌分析出粒子的存在不影響復(fù)合材料的結(jié)晶相。粒子的加入明顯增強了基體的彈性模量,且復(fù)合材料的性能受粒子尺寸和分散狀況的影響。 納米SiO2/聚醚酮類樹脂復(fù)合材料邵鑫等研究了納米SiO2對聚醚砜酮(PPESUK)復(fù)合材料摩擦學(xué)性能的影響[25]。結(jié)果表明, 納米SiO2不但可以提高PPESUK 的耐磨性, 而且還有較好的減摩作用, 其最佳用量為25%。靳奇峰等采用懸浮液共混法制備了納米SiO2填充新型雜萘聯(lián)苯聚醚酮(PPEK)復(fù)合材料[26]。當納米SiO2用量為1 % 時, 復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能最佳。納米SiO2的加入使得復(fù)合材料的摩擦性能比純PPEK 有了明顯提高, 當納米SiO2用量為7 % 時,材料的摩擦磨損性能最好, 并且在大載荷下納米SiO2 更能有效改善復(fù)合材料的摩擦磨損性能。(PPS)復(fù)合材料張文栓等首先將納米SiO2粒子與硅烷偶聯(lián)劑KH550 的乙醇溶液混合, 在40 ℃以下用超聲波振蕩60 min 后脫去溶劑, 烘干后與PPS 在高速攪拌機中混合均勻, 然后用雙螺桿擠出機造粒制得PPS/納米SiO2復(fù)合材料[27]。納米SiO2粒子呈顆粒狀均勻分布在PPS 基體中, 尺寸在10～40 nm 范圍內(nèi)。當納米SiO2用量為3 % 時, PPS/納米S