聚合物基纳米复合材料的研究进展摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。

对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。

最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。

关键词：纳米复合材料；聚合物；进展Progress in Polymer Nanocomposites DevelopmentAbstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China.Keywords：nanocomposites; polymer; progress1 前言1.1 研究背景早在1959年，著名物理学家Richard Feynman在美国物理学年会上设想[1]：如果有朝一日，人们把百科全书存储在一个针尖大小的空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么。

日本科学家Kubo在1962年就对纳米粒子的量子尺寸效应进行了理论上的研究，而日本名古屋大学上田良二教授定义纳米微粒是用透射电镜TEM能看到的微粒；但直到20世纪80年代中期，随着介观物理的发展、完善和实验观测技术的进步，纳米材料科学才得到迅速发展。

1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学新的分支。

这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。

1994年在美国波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程。

它是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添加发展新型的纳米材料，并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，开始形成了基础研究和应用研究并行发展的新局面。

从此以后，纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视，很快形成了世界性的研究热潮。

1.2 纳米复合材料的定义复合材料[2]是指由两种或两种以上的物理或化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料。

在复合材料中，通常有一相为连续相，又称为基体；另一相为分散相。

复合材料中各个组分虽然保持其相对独立性，但复合材料的性质不是各个组分的简单加和，而是在保持各组分的某些特点基础上，具有组分间协同作用所产生的综合性能。

由于复合材料各组分间“取长补短”，充分弥补了单一材料的缺陷，产生了单一材料所不具备的性能，开创了材料设计的新局面[3]。

纳米复合材料[4]是由两种或两种以上的固相而其中至少一维为纳米级大小复合而成的复合材料，这些相态可以是非晶质、半晶质、晶质或者兼而有之，而且可以是无机物、有机物或二者兼而有之。

纳米复合材料也可以是指分散相尺寸有一维小于100nm的复合材料，分散相可以是无机化合物、也可以是有机化合物。

纳米复合材料种类繁多、性能独特。

因而发展迅速，且具有广泛的应用前景。

具体来讲，当纳米材料为分散相，有机聚合物为连续相时，就是聚合物基纳米复合材料。

纳米复合材料构成可示意如下[5]：陶瓷/金属非聚合物基陶瓷/陶瓷纳米复合材料金属/金属纳米复合材料金属/陶瓷聚合物基聚合物/聚合物纳米复合材料无机物/聚合物1.3纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类可以按其用途、性能、形态、基体材料、分散相组分类型等方式进行分类[6]。

按形态分类[7]：纳米粉体复合材料、薄膜型纳米复合材料、纳米复合型材。

纳米粉体复合材料是纳米粉体与聚合物复合形成的，在传统聚合物改性中，直接使用微米级粉体纳米复合材料，已达到对传统材料的增强增韧的目的，一般先制备粉状纳米母料，然后将其与加工材料混合制造出具备某种性质的纳米复合型材。

薄膜型纳米复合材料可以分为两大类，即纳米复合功能薄膜和纳米复合结构薄膜。

前者主要利用纳米粒子赋予聚合物基体所不具备的光、电、磁方面的特性，制备出具有相应功能的薄膜材料。

后者主要通过纳米粒子的复合提高其机械方面的性能。

纳米复合型材是指具有特定形态和用途的复合材料。

按基体材料分类[8]：当基体相为无机化合物（陶瓷、金属）时，称为非聚合物基纳米复合材料；当基体为金属时，称为金属基纳米复合材料；当基体为陶瓷时，称为陶瓷基纳米复合材料；当基体相为聚合物时，称为聚合物基纳米复合材料。

按照用途可分为：结构纳米复合材料、功能纳米复合材料、智能纳米复合材料。

结构纳米复合材料主要用作承力和次承力结构，由此主要要求质量轻、强度和刚度高，能耐一定的温度。

结构纳米复合材料中纳米级增强体是承受载荷的主要组元，基体则是使增强体彼此黏结起来以赋型并传递应力和增韧作用的介质。

功能纳米复合材料[9]是指除力学性能以外而提供其它物理性能的纳米复合材料，即具有各种电学性能（如导电、超导、半导、压电等）、磁学性能（如永磁、软磁、磁致伸缩等）、热学性能（如绝热、导热、低膨胀系数等）、光学性能（如透光、选择吸收、光致变色等）、声学性能（如吸音、消声纳等）。

功能纳米复合材料中的基体不仅起黏结和赋型的作用，同时对复合材料整体的物理性能有影响。

智能型纳米复合材料[10]是指具有自检测、自判断、自恢复、自协调和执行功能的纳米复合材料，材料具有智能的关键是它们对环境具有“反应能力”。

1.4 纳米复合材料的性能特点1.4.1 纳米复合材料的基本性质纳米复合材料在基本性质上具有普通复合材料的共同特点，同时也有其独特性质[11]：一是协同效应，即纳米复材中各组分的协同效应；二是功能化设计性，可以针对纳米复合材料的性能需求进行材料的设计和制造；三是按需加工性，根据实际特征直接加工材料的形状，避免多次加工与重复加工。

其中功能化设计性是纳米复合材料的最重要特点。

具体来说，对于结构型纳米复合材料，其力学性能具有如下特点[12]：（1）高强度、高韧性纳米复合材料的强度和韧性均比单一组分的基体要高。

（2）高比强度、高比模量比强度、比模量是指材料的强度或模量与密度之比。

材料的比强度越高，制作同一零件则自重越小；材料的比模量越高，零件的刚度愈大。

颗粒和晶须增强金属基纳米复合材料的金属基体大多采用密度较轻的铝、镁和钛合金，以便提高复合材料的比强度和比模量。

而增强材料多为碳化硅、氮化硅、碳化硼、氧化铝等。

（3）抗蠕变、抗疲劳性能好纳米复合材料的抗蠕变、抗疲劳性能一般比其基体材料要好。

如用SiCW晶须增强Al2O3陶瓷基纳米复合材料。

在相同的应用作用下，SiCW/Al2O3纳米复合材料的蠕变速率比Al2O3陶瓷要小[13]。

1.4.2 纳米复合材料的功能由无机纳米材料与有机聚合物复合而成的纳米复合材料具有独特的性能[14]：（1）同步增韧、增强效应。

无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性，无机材料对有机材料的复合改性，在提高有机材料刚性的同时会降低有机材料的韧性。

但是，纳米材料对有机聚合物的复合改性则可在发挥无机材料增强效果的同时起到增韧的效果，这是纳米材料对有机聚合物复合改性最显著的效果之一。

（2）新型功能高分子材料。

纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合材料中，没有所谓的官能团，但它可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如光电转换、高效催化剂、紫外光屏蔽等[15]。

（3）强度大、弹性模量高。

普通无机粉体材料对聚合物及复合材料有较高的强度和弹性模量，而纳米材料加入的有机聚合物复合材料却有更高的强度和弹性模量，加入很少量（3%-5%，质量分数）即可使聚合物的强度、刚度、韧性和阻隔性得到明显地提高，且纳米材料粒度越细，复合材料的强度、弹性模量就越高[16]。

（4）阻隔性能。

对插层纳米复合材料能显著地提高复合材料的耐热性及尺寸的稳定性，层状无机纳米材料可在二维方向上阻隔各种气体的渗透，所以具有良好的阻燃、气密作用。

功能型纳米复合材料是以声、光、电、磁、热等物理化学和生物等性能为特征的材料，具有如下特点[17]：（1）改善对外界的敏感度如对于氧化铁系气敏陶瓷，可通过制备纳米复合材料改善其气敏特性。

例如，γ-Fe2O3添加1%（摩尔质量）的纳米La2O3可提高其稳定性。

（2）更好的生物相容性如利用生物陶瓷与其它医用材料所构成的生物陶瓷纳米复合材料具有更好的生物相容性，不发生排斥作用、具有高可靠性。

例如利用纳米羟基磷灰石涂覆在具有钛基体表面的金属上，纳米涂层能保护金属表面不受环境因素的影响，促进骨组织在多孔表面的生长。

1.5 纳米复合材料设计原理纳米复合材料因集中纳米材料和聚合物材料两者的优势而成为未来新材料设计的首选对象。

在纳米材料设计中，主要关注纳米复合材料的功能设计、合成设计和稳定性设计，要解决复合材料的选择、合成工艺、复合材料界面作用以及复合材料物理稳定性等问题，从而得到高性能、多功能的纳米复合新材料[18]。

纳米复合材料的功能设计[19]，就是赋予纳米复合材料一次功能或二次功能特性的科学方法。