论文总字数：14809字

摘 要

纳米复合材料以其优异性能，同时兼顾纳米粒子和其他材料的特点，被应用到世界的各个角落，在全世界各国的材料学家都在对他进行研究。这篇论文研究介绍了这几十年来学者们对于纳米材料分散和重新复合的研究成果，将一些生活中比较常见的几种纳米复合材料做了一些浅显的研究，并对纳米复合材料未来几十年乃至上百年的科研和应用的方向做了展望。

关键词：纳米复合材料；制备方法；金属基；聚合物基；

Review of nanocomposites and their preparation technology

Abstract

Nanocomposites have been applied to every corner of the world because of their excellent properties, taking into account the characteristics of nanoparticles and other materials. This paper introduces the research results of dispersion and recombination of nano materials by scholars in recent decades, makes some simple researches on several kinds of common nano composite materials in our lives, and looks forward to the direction of scientific research and application of nano composite materials in the next decades or even in the last hundred years.

Keywords: Nanocomposites; Preparation method; Metal matrix; Polymer matrix;

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 纳米粉体的分散 1

1.1.1 超声波分散法 1

1.1.2 机械分散法 2

1.2 化学分散法 2

1.2.1 分散剂分散 2

1.2.2 表面化学修饰（chemical modification） 3

第二章 纳米复合材料的制备方法 4

2.1 共混法 4

2.1.1 溶液共混（Solution blending） 4

2.1.2 机械共混（Mechanical blending） 4

2.1.3 熔融/熔体共混(Melt blending) 4

2.2 插层复合法 5

2.2.1 有机单体插入—(In Situ Polymerization)原位聚合 5

2.2.2 高聚物—溶液(solution)—直接插入法 5

2.2.3 高聚物—熔融(fusion)—直接插入法 5

2.3 溶胶(Sol)－凝胶法（Ge1) 6

第三章 几种纳米复合材料的研究 7

3.1 金属基纳米复合材料（MMNCs） 7

3.1.1 金属基纳米复合材料的性能 7

3.1.2 金属基纳米复合材料的分类 8

3.1.3 金属基纳米复合材料的应用 9

3.2 聚合物基纳米复合材料（PNMC） 9

3.2.1 聚合物基纳米复合材料的类型 9

3.2.2 聚合物基纳米（PNM）复合材料的应用 10

3.3 碳纳米（CN）复合材料 10

3.3.1 碳纳米复合材料的应用 11

第四章 纳米复合材料的应用展望 12

4.1 在去除水中重金属的应用 12

4.2 在纳米隐身材料中的应用 12

4.3 用于医药工业的纳米复合材料 12

4.4 在能源领域的应用 12

致谢 13

参考文献 14

绪论

纳米材料指的是在点的位置由三个坐标决定的空间里不管是长、宽、高哪一个坐标是十亿分之一米作为基准元素聚集成的材料。纳米材料有许多种，但这些材料总的来说可以被分为处于一到一百纳米大小范围内的亚稳态中间物质、直径在纳米范围内的线形状的材料、由一个个超微粒子和基体组成的膜和大量超微粒子累加在一起形成的大固体材料，在这四种类型里边，其中纳米粉体作为其他三大类产品的基础材料，纳米粉体最早被人类科学家发现，并且一直研究到现在。纳米材料非常特殊，和目前科学界已知的处于微观世界的原子和分子不一样，和肉眼能够直接看到的物体也不一样，这种材料有着独特的物理和化学性质。纳米材料凭借着他和其他物质不一样的构成方式，让它拥有表面效应（Surface Effect），体积效应（Size or Volume Effect），量子尺寸效应（The quantum size effect ）和宏观量子隧道效应（Macroscopic quantum tunneling effect）等多种特殊效应，而且纳米材料具有特殊的耐腐蚀性能、机械性能等多种特性^[1]。纳米复合材料以其优异性能，能同时兼顾纳米粒子和其他材料的特点，弥补单一材料的缺点。纳米复合材料很多情况下是把改善性能的外部添加剂在基体里边彻底的分散开，充斥在基体的每个部位，形成复合体系。纳米复合材料是由各种物质通过不同的比例配方组合在一起形成的新的复合物质^[2]。

纳米粉体的分散

因为纳米粉体这种材料特别特别小、粉体表面原子的能量高、易自发团聚等特点，团聚对纳米颗粒的充分利用有很大的影响。所以，将纳米粉体在基体里边打散分散到基体的各个角落，形成你中有我我中有你的局面是制作纳米复合材料的重点。纳米粉体有两种方法进行分散，一种是通过各种力将其打散，可以通过声波的震动力将其分散，也可以通过机械所产生的摩擦力、冲击力等力将其分散，另一种方法就是将其他试剂和纳米粉体产生反应，改变粉体的某些性能从而达到分散的效果。

超声波分散法

超声波通常是一种将能量转化成波的形式进行传输的一种传播形式，具有高频、短波特性，在一定的范围之内是以直线形式进行传播，具有良好的方向性（directional）。超声分散是一种高强度的分散方法，这种方法是把超声波的波束缚到一个小的范围内对放在这个范围里的纳米粉体溶液进行震荡，通过波的震荡力将纳米粉体震散，使其分布在溶液里。超声波分散的能够把粉体震荡分散开的机制道理在全世界大多数让人认为是和空话作用有关系，超声波直接传播的能量损失严重，为了减少传播时不必要的能量损失通常实在介质里进行传播，在超声波在介质里进行穿行的过程中和介质产生了某些反应，在进行传播过程中存在一个正压力和负压力相互交替的周期，在此期间，介质被挤压并且被拉伸。当超声波在液体介质上具有足够强度的振幅让其不断的震动运动，粒子间看似接近但就是不会聚集，恒定在一个距离内，液体介质就会被这些不停运动的粒子所带动，在途中产生大量的微小气泡，这些微小的气泡不停的运动碰撞聚集形成大的空化气泡。这些空化气泡有可能重新溶于液体介质中，也有可能通过浮力的影响进行上浮接触到空气然后消失，或者这些空化气泡不受超声波的影响离开了超声波能够影响到的范围，不受超声波所引起的震动作用，失去了运动的能量来源然后崩溃^[3]，人们将其命名为空化作用，空化作用让溶液介质的一部分快速震动，部分介质内的分子快速运动产生高温并且这一部分和其他部分的不同附带产生高压，和外部由于压力作用出现乱流，因为乱流出现速度过快对外界的冲击力也不弱，纳米粉体混在溶液中随着乱流不断地遭受冲击，让粉体外部的能量层遭受到打击被减弱，将纳米粉体在这个溶液中不断的运动而不会聚集进行充分分散。

机械分散法

机械分散是采取物理的宏观的力量将团聚在一起的纳米粒子彻底的分散。机械分散法有多种方法都是采用物理的方法进行分散。在把纳米粉体进行机械分散过程里，粉末会发生一系列的变化，从而导致其物理和化学性质可能会发生改变。

化学分散法

分散剂分散

因为纳米粉体这种材料在水里是一个分散开-团聚-分散开的一个重复循环的平衡过程，想要让纳米粉体处于并长期处于分散的状态，所以需要添加一些使纳米粉体能够分散的分散剂，这些分散剂溶于水中会紧紧的贴在粉体的表面外层，通过与介质接触的使分散剂，把颗粒之间接触的路径阻断，增加粒子间的排斥力来实现。

国内外普遍采用的分散添加剂的种类：

1. 表面活性剂

表面活性剂的作用主要是空间位阻效应，纳米粉体表面吸附了数量众多的高分子聚合物形成了厚厚的一层保护膜将其从四面八方包围住，而且把亲近水的特殊的基团伸进到水中，这层保护膜可以增加两个粒子之间的距离，减少了两个粒子之间的其他作用力，保持纳米粉体长时间处于分散的状态。被高分子聚合物紧紧包裹住的纳米粉体在缩短二者之间距离时，会引起两种情况。这两种情况都会使在这个近乎稳态的分散体系中的能量上升，对外做功的能量增加。因而，被厚厚保护膜包裹的纳米粉体如无特殊情况将不会有聚集在一起的机会，完成了对纳米粉体的拆分，使其稳定的均匀分散在溶液中，能改善浆料的流变性。

1. 分子数量少的无机电解质类

这种类型的分散添加剂在进行离解的过程中会携带一定数量的电子，这些分散添加剂在完成电解处理后会发生离子选择性地吸附纳米粒子，使得纳米粒子携带正或负的电荷增强粒子表面的电势，从而在粒子进行布朗运动中，两粒子在相互撞击时能够产生出排斥作用从而使静电排斥力增大，阻止了纳米粒子自发的聚集，使纳米粒子得以充分分散，使粒子保持分离状态，提高浆料的稳定性。因此目前普遍认为静电所产生排斥（分子所运行的轨道发生错位）长期稳定是这类分散剂能够发挥出作用的原因。

1. 聚合物类

聚合物分散剂有着为数众多附着在纳米粉体外表的分子。它的长链高分子在所加进的溶液中能够蔓延开然后相互交错重叠就像织布一样形成一个具有一定厚度的吸附层，产生空间位阻（Steric effects ）效应，可以有效地使粉体长期稳定的处于分散状态。按照聚合物可不可以在溶液中释放（解离）出离子，可以把聚合物划分为两种，一种是离子型,另一种是非离子型。非离子类型的一些聚合物是通过空间阻碍作用,让浆料中的粉体保持分散稳定，而离子类型的一些聚合物，它的链上的一部分基团进行释放出内部的离子，或者发生在这些颗粒外表面上进行的吸附作用可以使它携带大量并且在不断增加，这些电荷所在的外表层互相排斥将其包裹的粉体相互推离。

1. 偶联剂类

对于上述所说的两大类方法来说，采取物理分散的方法只要不断做功，机械不停止运转这些纳米粒子就不会相互吸引聚集在一起，均匀的在液体介质种分散，所以要想使纳米粉体长期稳定的处于分散状态这需要多种分散方法配合使用，从而产生明显的效果，单独使用效果不能满足预期的需求。

表面化学修饰（chemical modification）

纳米粒子的表面与一些处理剂进行反应，二者所产生的化学反应充分改变了纳米粒子的表面原子层的排列情况和粒子的所表达出的性状，这些被改变完毕后的纳米粒子，达到了表面改性的需求，即纳米粒子的表面化学修饰。为了使纳米粒子达到表面化学修饰的目的，在制备纳米复合材料之前，在全世界的材料生产公司都普遍使用偶联剂对其进行表面的化学修饰，或者是采用将其进行酯化的化学处理方法(Esterification)和表面接枝(Urfare crafting)改性法

纳米复合材料的制备方法

共混法

共混法是目前纳米材料制造商最常用采取的制备纳米复合材料的工艺方法之一，而且也是在制备聚合物纳米复合材料时所采取的处理最少，制备时间最短，制备工序最直接的方法。共混法制备纳米材料的操作手段是应用机械力此类的物理方法，或着是分散剂等溶剂的化学方法将粒子外表面的电子层进行重新排列，目前已知的主要有两种方法可以减弱纳米粒子的自发团聚能力，有利于粒子在聚合物这类基体中的均匀的分散开，第一种方法是将粒子的本身自带的吸引力消减到一定的地步，第二种方法是将粒子表面所带的电荷增加，以加大两粒子之间的相互排斥的能力，使其相互远离。因此，多使用化学溶剂的处理方法把粒子本身自带的性质和状态进行改变，这些改变可以使纳米粒子在基体中的相斥相融能力发生好方向的改变，并使其在基体中的稳定性得到提升。此外，机械物理的手法也对粒子的分散起到很好的作用，多应用分散粒子的速度快、分散时间更持久的机械搅拌等分散的手段来提高纳米粒子混和在基质材料中的分散能力^[4]。

溶液共混（Solution blending）

溶液共混法将基体完全溶解在溶液里边，然后在混合的溶液中加入纳米粒子，搅拌混匀纳米粒子和混合物溶液，让粒子均匀遍布在融有基体的溶液的每一个部位，将这个固液混合物塑造成需要的形状，在把混合物中发溶剂去除干净，粒子和基体团聚成型即可得到所需的纳米复合材料。

机械共混（Mechanical blending）

机械共混是把基体，纳米粉体，和其他起辅助作用的试剂一起混匀，借助机械装置将这些物质碾碎成粉末状在不停的对其进行搅拌磨碎，充分研磨，混合均匀后，从机器出口把它们挤压排除，塑造成颗粒状的成品。这种制备复合材料方法工序简简单单，所消耗的设备和人力成本低，方便生产厂家对纳米复合材料进行大批量的，通过大产量降低成本的工业生产模式。

熔融/熔体共混(Melt blending)

将聚合物放入设备当中升温加热到放入材料本身的熔点以上和经过表面处理加工后的纳米材料均匀的混合，随后将这两种材料混合而形成的共融体进行冷却使其塑化，再将其粉碎，使粉碎的纳米材料在基体中分散，通过挤出机把混合的二者塑造成颗粒，这种方法生产复合材料成本低，够经济，容易大批量化生产。

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