纳米填充复合材料讲述人：任桌余
前言目录
一
纳米粒子的特性及合成二
填充纳米复合材料的制备三
主要性能的影响四
尚存问题
五
一、前言
纳米填充颗粒可改进树脂的其他性能，如提高导电及导
热率，或阻燃
性能。
纳米复合材料
作为结构材料
的性能改进比
较有限
一、前言
•填充纳米材料：
纳米材料以粉体形式分散在聚
合物集体中形成的复合材料。
可
以与基体共混形成，也可以原子
聚合形成
（1）、纳米粒子的特性
1、很强的活性
3、表面成因复杂
2、结构的特殊性
（1）、纳米粒子的特性
1、很强的活性
纳米颗粒已经不再是一个惰性体，而是一个能供、抓电子的物体，具有化学特性，易被氧化还原而难以长期保存。
为了降低纳米微粒的表面能，他们倾向于聚结，而形成软、硬团聚，造纳米尺寸的不稳定性。
（1）、纳米粒子的特性
2、结构的特殊性
纳米粒子尺寸小，比表面积
大，位于表面上的原子占相当大
的比例，
纳米粒子表现为壳层结构，
其表面结构不同于内部完整的结
构
内外不同
（1）、纳米粒子的特性
2、结构的特殊性
绝缘的二氧化硅的颗粒在20nm 可以导电铜颗粒在达到纳米级别时不导电
几乎所有的纳米粒子都部分的失去了其常规性质，表现出混杂性。
（1）、纳米粒子的特性
3、复杂的结构表面
表面结构主要决定粉体的状态、性能及应用，而它的表面结构取决于纳米粉体的制造方法
（2）、纳米粒子的合成
1、气相法合成的纳米粉体
在远高于临界反应温度的条件下，通过化学反应，使产物蒸气形成很高的过饱和蒸气压，自动凝聚形成大量的晶核，这些晶核不断长大，聚集成颗粒，随着气流进入低温区，最终在收集室内得到纳米粉体。
（2）、纳米粒子的合成
1、气相法合成的纳米粉体
气相法是通过气化的原子聚集而形成，由于物料等能够严格控制，形成的纳米粉体最为纯净。
纳米粉体保持固有的特性，表面结构依然存在原子缺陷，活性点多，化学活性高。
（2）、纳米粒子的合成
2、液相法合成的纳米粉体
液相法是从均相的溶液出发，通过各种途径使溶质与溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末的前躯体，热解后得到纳米粒子。
（2）、纳米粒子的合成
液态介质与纳米粉体表面有直接的接
触，容易在粉体表面吸附而成为纳米粉体表面的组成部分，使得纳米粉体表面构成复杂化，纳米粉体的纯度因而降低。
2、液相法合成的纳米粉体R R
R R
（2）、纳米粒子的合成
3、固相法合成的纳米粉体
包括粉碎法、构筑法热分解法、固相反应法、火花放电法等等
试样球磨20h，表面形貌
（1）纳米材料与分散体系
纳米微粒的表面作用能比较大，使纳米粒子容易团聚，导致形成的分散体系不稳定。
因此，制备纳米复合材料的前提是
有一个稳定
的分散体系
（1）纳米材料与分散体系
（1）纳米材料与分散体系
①θ=0°，完全润湿，液体在表面完全铺展开来
②θ<90°，为润湿。
θ越小，润湿性越大，液体在表面的展开能力越强。
③θ>90°，为不润湿。
θ越大，润湿性越小，液体越不易铺展开，易收缩为球状。
④θ=180°，完全不润湿，为球状。
分散原理-浸湿原理θ
（1）纳米材料与分散体系
只有θ=0°时，粒子才能自发进入液体。
因此，只要θ≠0°时，粒子就不可能完全自发进入液体中，要使之完全进入就必须由外力做功，以克服由界面能引起的能垒。
有机分子的结构不同，适当这种浸湿的自发程度也不同，但是必须选择自发浸湿程度比较大的有机化合物作为纳米粒子的改性剂，以提高纳米粒子的分散性。
（1）纳米材料与分散体系
分散原理-作用力原理
纳米作用能(F n)是纳米粒子的表面因缺少邻近配位原子，具有较高的活性而使纳米粒子彼此团聚的内在属性。
实质是单位比表面积纳米粒子具有的吸附力。
（1）纳米材料与分散体系
纳米粒子分散时，表面产生的作用能：•溶剂化膜作用能F s
•静电作用能F r
•空间立体保护作用能F p
要使纳米粒子分散，就必须满足：
F n< F s+ F r+ F p
（1）纳米材料与分散体系分散技术-机械力分散借助外界剪切力
或撞击力等机械能
使纳米粒子在介质
中充分分散。
（1）纳米材料与分散体系
分散技术-超声波分散
超声波可产生化学效应，可以瞬间产生高温高压的高速射流，使得在普通条件下难以发生的化学变化有可能实现。
利用这股射流，可较大幅度的弱化纳米粒子间的纳米作用能，有效地防止纳米粒子团聚，使之充分分散。
（1）纳米材料与分散体系分散技术-超声波分散
（1）纳米材料与分散体系
分散技术-高能处理法
这种方法并不是直接分散纳米粒子，而是通过高能粒子作用，在纳米粒子表面产生活性点，增加表面活性，容易发生化学反应，从而达到分散的目的。
高能粒子：紫外线、微波、等离子体射线。
（1）纳米材料与分散体系分散技术-化学分散
聚乙二醇接枝到纳米Al2O3表面，形成聚合物膜，增强纳米Al2O3的分散性
有机小分子在纳米粒子表面活性点上进行聚合，从而形成聚合物膜。
（2）填充复合材料制备方式
固-固
液-固液-液
固-液
（2）填充复合材料制备方式
固-固（固体纳米粉体与聚合物粉体）如果没有进行纳米粉体的改性而直接混合，是无法制备出真正的纳米复合材料。
只有经过改性的纳米粉体才有可能制备出纳米复合材料。
（2）填充复合材料制备方式
固-固（固体纳米粉体与聚合物粉体）纳米粉体改性
改善纳米粉体表面的可湿性，增强
界面相容性，增加分散性，提高纳
米粉体的应用性能，增强纳米复合
材料的力学等性能
（2）填充复合材料制备方式
液-固
纳米材料制成有机悬浮体，再与固相聚合物混合，经充分分散来制备纳米复合材料。
例：高密度聚乙烯加到纳米银/二甲苯的悬浮体中，经减压脱气，热熔至均匀容易，铸模或熔融挤出，就得到纳米复合材料。
（2）填充复合材料制备方式
液-液
纳米材料制成有机悬浮体，与高分子溶
液或前驱体混合后制备纳米复合材料。
※固-液
固体纳米材料与高分子溶液或前驱体混合后制备纳米复合材料。
三、纳米填充复合材料的制备
（2）填充复合材料制备方式
用苯乙烯作为有机溶剂，加入PbS纳米粒子，得到PbS纳米微粒苯乙烯溶胶，经过引发剂引发聚合，可以得到复合有PbS纳米微粒的薄膜或薄片。
目前，普通型纳米粉体材料的发展就是制造填充纳米复合材料，实现对传统材料的改造，提高产品的质量和改善产品的性能。
（1）导电性
对于未经掺杂碳纳米管处理的热塑性树脂，加入纳米管可使电阻率降低1欧姆/厘米。
优于普通产品，但仍不及铜的水平，铜的导电率为0.000002欧姆/厘米。
（2）导热性
碳纤维等热的良导体，制成纳米粉末掺入树脂基体里能改善树脂的导热性
应用：金属与复合材料的接头处会存在传热的不连续性，依靠树脂导热率的提高，这一缺点会得以克服。
（3）树脂基体的摩擦性能
1、纳米SiC填充环氧树脂中，含量很低的SiC就能有效降低环氧树脂的摩擦系数和磨损率。
2、纳米填充AI2O3，可以显著降低环氧树脂的摩擦系数。
（1）重复性很差。
通过填充物的表
面处理或更多的
制备方法的调整
来解决这个问题
（2）加入填充物后，也会导致树脂黏度增高的问题。
许多复合材料零件是将树脂注入放置复合材料布的模具中来完成的。
高的黏度意味着掺杂的树脂充模困难，注射通过布的过程会导致将填充物过滤下来，进而使填充颗粒不能均匀分布。
Thank you。