第九章 纳米复合材料
高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切 ，纳米技术为发展高性能新材料和对现有材料的性 能进行改善提供了一个新的途径。
纳米复合材料与传统复合材料在结构和性能上有明 显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物 理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。
纳米材料的 典型代表-纳
纳米α-Al2O3 与环氧树脂的复合材料，提高了
环氧树脂的玻璃转化温度, 模量增加.
3、0-2 复合体系
共沉积法直接将Fe 粒子束直接沉积在Cu 和Ag 的膜基体上 ，产生的巨磁阻效应(GMR)。
LB 膜技术可以组装分子取向和膜厚可控的有机 超薄膜，厚度可达纳米量级,如在花生酸LB膜内 的得到粒径2. 0 ～ 3. 0 nm 稳定的PbS 微粒。
0 - 0 复合：即不同成分,不同相或者不同种类的纳 米粒子复合而成的纳米固体,这种复合体的纳米粒子 可以是金属与金属,金属与陶瓷,金属与高分子,陶瓷 与陶瓷,陶瓷和高分子等构成纳米复合体;
0 - 3 复合：即把纳米粒子分散到常规的三维固体 中,例如把金属纳米粒子弥散到另一种金属或合金中, 或者放入常规的陶瓷材料或高分子中, 纳米陶瓷粒 子(氧化物、氮化物) 放入常规的金属、高分子及陶 瓷中;
α- Fe /Nd2Fe14B 具有高的矫顽力和
高残余磁化。
2、0-3 复合体系
纳米级SiC 晶粒/Al2O3 的陶瓷基复合材料,其 强度可高达1500 MPa ,最高使用温度也可从原 基体的800 ℃提高到1200 ℃。
纳米Al2O3 弥散到透明的玻璃中既不影响透明 度又提高了高温冲击韧性,放入有机玻璃 ( PMMA) 中，产生良好的宽频带红外吸收性能。
米碳管
纳米复合材料：是指分散相尺度至少有一维 小于100nm的复合材料。
性能优异：刚度大、强度和韧性比单组分纳 米材料提高2～5倍，重量轻，综合性能优异， 可根据作用条件的要求进行设计和制造，以 满足各种特殊用途的需要。
§9-1 纳米复合材料的分类
按照复合方式不同, 主要分为四大类
0-0 复合体系 0-3 复合体系 0-2 复合体系 纳米层状复合体系
工具钢表面的AlN/TiN纳米复合耐磨涂层
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原因：纳米颗粒散布于非晶态涂层中，提高 显微硬度。纳米结构的涂层致密度高达95%98%。
2. 高力学性能材料
高强度合金
日本仙台东北大学材料研究所用非晶晶化法制备高 强、高延展性的纳米复合材料。
纳米Al-Ce-过渡族金属合金复合材料比常规同类材 料好得多的延展性和高的强度。
材料结构特点是在非晶基体上分布着30-50nm 的Ce 粒子，外部包有10nm厚的晶态A1。这种复杂的纳米 结构是导致高强、高延展性的主要原因。
这类材料结构上的特点是在非晶基体上分布 纳米粒子.
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纳米复合材料具有比强度、比模量高等特点。
复合系统
抗拉强 度
MPa
拉伸模量 GPa
密度 比强度
比模量
纳米薄膜材料用于金属表面上的复合镀层,可获 得超强的耐磨性,自润滑性,热稳定性和耐腐蚀 性。TiN/MoS2 , TiB2/MoS2 , ZnO/ WS2 等一系 列纳米复合膜已经研制成功。
4、纳米层状复合体系
层状结构复合材料,即由不同材质交替形成的组分 或结构交替变化的多层膜,当各层膜的厚度减少到 纳米级时,会显示出比单一膜更为优异的特殊性能。
纳米ZrO2/Al2O3增韧陶瓷
发动机用陶瓷部件
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纳米陶瓷增韧原因： “细化理论”，认为纳米相的引入能抑制 晶粒的异常长大，使得基体结构均匀细化， 从而提高纳米陶瓷复合材料的韧性。
按复合方式不同划分
晶内型、晶间型、晶内-晶间型、纳米-纳米型
晶内型和晶间型纳米复合材料：纳米粒子主要弥散于基 体晶粒内或基体晶粒间，其目的不仅为了改善室温力学 性能及耐用性，而且要改善高温力学性能，如硬度、强 度、抗蠕变和疲劳破坏性能。
纳米-纳米型复合材料：由纳米级增强体和纳米基体晶粒 构成，使材料增加某些新的功能。
例：可加工性和超塑性等。
按基体类型分类： 纳米陶瓷复合材料 纳米金属复合材料 纳米聚合物复合材料 纳米催化复合材料 纳米半导体复合材料
§7-2 纳米复合材料的研究进展
1、0-0 复合体系
Si3N4/SiC 高强度、高韧性和优良的 热和化学稳定性。 Y2O3/ZrO2 超塑性，800％。 Al2O3/Fe2O3 出现宽的蓝绿光波段。
在普通钢表面涂上TiN和金刚石的纳米复 合膜，不仅与钢有很好的附着力，而且显 示出高硬度和很好的耐冲击能力。
芬兰技术研究中心用磁控溅射法成功地在碳钢上涂 上纳米复合涂层(MoSi2/SiC)，热处理后涂层硬度达 20.8GPa，比碳钢提高几十倍，而且有良好的抗氧化 、耐高温性能，同时克服单层纳米MoSi2容易开裂的 缺点，充分显示纳米复合涂层的优越性。
0 - 2复合：即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中, 分为均匀弥散和非均匀弥散两大类;
纳米层状复合：即由不同材质交替形成的组分或结 构交替变化的多层膜,各层膜的厚度均为纳米级,如 Ni/ Cu 多层膜, Al/ Al2O3 纳米多层膜等。
按增强体形状划分
零维(颗粒增强)、一维(纤维、晶须增强)、二维（晶片、薄 层、叠层增强）。
g/cm3 MPa/(g/cm3) GPa/(g/cm3)
Al2O3P/Al
900
130
2.9
310
45
SiCP/Al
510
100
2.8Βιβλιοθήκη 18836SiCf/Al
900
110
2.6
436
轧制+热处理 LY12合金
435
——— 2.9
150
42 ——
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增韧陶瓷
德国Jullch材料研究所用粒径小于20nm的SiC粉体作 基体材料。再加入10％或20％的粒径为10μm的SiC粗 粉，热等静压下合成了纳米结构的SiC块体材料，在 强度等综合力学性能没有降低的情况下，断裂韧性提 高10-25％。
两种软金属(如Cu/ Ni , Cu/ Ag等)层状交替复合 成层厚为纳米级的多层结构时,材料表现出优异的 机械性能,如高的屈服强度和高的弹性模量。
在钢基体上交替地喷镀上TiN 和CNx 纳米层,得到 的膜层硬度为45～55GPa , 已接近金刚石的硬度。
§7-3 纳米复合材料的应用
1、纳米复合涂层材料