纳米复合材料第1篇

关键词:纳米金刚石，环氧树脂，复合材料，制备，性能

环氧树脂是一种重要的热固性树脂，具有优异的机械性能、电绝缘性能和粘接性能，加工性能好，可应用在电子封装、胶黏剂、涂料等领域。但是环氧树脂固化后存在不耐冲击和应力开裂的缺点［1－2］。因此，增韧改性一直是环氧树脂领域研究的热点［3－4］。目前环氧树脂增韧常用的方法主要有弹性体增韧、IPN互穿网络聚合物增韧、核壳结构聚合物增韧、纳米粒子等方法［5－7］。纳米金刚石(Nanodiamond，ND)由于其独特的结构和物理化学特性被广泛地应用于、抗磨损、复合材料、药物传递等领域［8－10］。纳米金刚石是一种理想的纳米增强增韧材料，本文利用机械共混法制备一种新型的环氧树脂/纳米金刚石纳米复合材料，系统地研究了纳米金刚石对环氧树脂结构和性能的影响。

1实验部分

1.1原料与试剂纳米金刚石(直径5nm～10nm，纯度≥97%)，南京先丰纳米材料科技有限公司;双酚A型环氧树脂(DGEBA)，工业级，中国台湾南亚树脂有限公司，环氧值为0.51mol/100g;聚醚胺(JeffamineD－230)，工业级，活泼氢当量60g•mol－1，美国亨斯迈公司。1.2环氧树脂/纳米金刚石纳米复合材料的制备室温下，将纳米金刚石、环氧树脂按比例混合，利用SF0.4砂磨分散搅拌多用机混合分散2h，再加入固化剂JeffamineD－230继续分散20min，其中环氧树脂和固化剂的质量比为100∶32，抽真空除去气泡后倒入硅橡胶模具中室温固化24h。1.3测试与表征拉伸性能和弯曲性能分别根据ASTM3039和ASTMD790采用台湾高铁公司的GOTECHAI－700M型万能材料试验机测定。无缺口冲击强度根据ASTMD256－88采用台湾高铁公司的GO-TECHGT－7045-MDL型冲击试验机测定。TGA测试采用德国耐驰公司的TGA209F3型热重分析仪测定，升温速率20℃/min，温度范围40℃～600℃，在氮气气氛下进行测试。DMA测试采用美国TA公司的Q800动态热机械分析仪测定，采用单悬臂模式，升温速率10℃/min，测试温度范围为30℃～200℃，样条尺寸10mm×4mm×30mm，频率为1Hz。复合材料冲击断面的相貌经过喷金处理后在日立公司SU8010型扫描电子显微镜上观察。

2结果与讨论

2.1环氧树脂/纳米金刚石纳米复合材料的力学性能表1是不同纳米金刚石含量时环氧树脂纳米复合材料的力学性能。从表1中可知，复合材料的纳米金刚石含量(质量分数)低于0.4%时，拉伸强度随着其用量的增加而增加，超过0.4%后复合材料的拉伸强度有所下降，这是由于部分纳米金刚石发生了团聚。纳米金刚石用量为0.4%时，复合材料的拉伸强度为67.6MPa，比纯环氧树脂提高了51.9%。随着纳米金刚石用量的进一步增加，复合材料的拉伸强度有所降低，复合材料的弯曲强度和弯曲模量在纳米金刚石含量为0.4%时达到最高值，分别为58.19MPa和1.29GPa，但随着纳米金刚石用量的进一步增加，复合材料的弯曲强度和弯曲模量逐渐降低。从表1中还可以看出，添加纳米金刚石后，复合材料的冲击强度明显提高，随着纳米金刚石用量的增加先增加后降低，在添加量为0.4%时达到最大值为17.26kJ•m－2，是纯环氧树脂的1.9倍。在复合材料受到外力作用时，纳米金刚石在环氧树脂基体内产生很多的微变形区，能够较好地传递载荷，同时纳米金刚石粒子之间的基体产生塑性变形，从而起到良好的增韧效果。当纳米金刚石添加量超过一定比例后容易团聚，产生的塑性变形太大，容易发展成为宏观应力开裂，因此导致复合材料的冲击性能下降。图1是环氧树脂/纳米金刚石纳米复合材料的TGA曲线，表2为复合材料的TGA分析数据。从图1和表2中可以看出，随着纳米金刚石用量的增加复合材料的热稳定性逐渐提高。添加0.5%的纳米金刚石，复合材料的残炭率(600℃)由纯环氧树脂的1.88%提高到3.51%。这是因为高温阶段纳米金刚石形成一层炭层，对环氧树脂起到了保护作用，延缓了环氧树脂的热降解［11］。图2是环氧树脂/纳米金刚石纳米复合材料的DMA曲线。从图中可以看出，添加纳米金刚石后复合材料的储能模量比纯环氧树脂明显提高，且随着填料含量增加而逐渐升高，这是由于纳米金刚石具有高的强度和硬度，对环氧树脂具有较好的增强作用。从图2中还可以看出，纳米金刚石的加入明显降低了复合材料的玻璃化转变温度(Tg)。这是由于纳米金刚石加入后破坏了环氧树脂的交联网络结构，降低其交联密度，因此复合材料的玻璃化转变温度降低［12］。2.4环氧树脂/纳米金刚石纳米复合材料的形貌分析图3是环氧树脂/纳米金刚石复合材料冲击断面的SEM谱图。如图3a所示，纯环氧树脂的冲击断面平整光滑，是脆性断裂。如图3b、图3c所示，添加纳米金刚石后复合材料的断裂面明显变得粗糙，是韧性断裂。从图3d中还可以看到，纳米金刚石能够在环氧树脂基体中均匀分散，并且与树脂基体之间的界面比较模糊。纳米金刚石的加入使得环氧树脂试样断裂面的裂纹呈无序分布，在复合材料受到冲击时载荷能够通过界面有效传递到纳米金刚石，阻止微裂纹的宏观扩展，因此环氧树脂的强度和韧性得到了提高。a:纯环氧树脂;b:0.1%ND;c

3结论

纳米复合材料第2篇

[关键词]碳纳米管；复合材料；结构；性能

自从 1991 年日本筑波 NEC 实验室的物理学家饭岛澄男（Sumio Iijima）[1]首次报道了碳纳米管以来，其独特的原子结构与性能引起了科学工作者的极大兴趣。按石墨层数的不同碳纳米管可以 分 为单壁碳 纳 米管（SWNTs） 和多壁碳 纳 米管（MWNTs）。碳纳米管具有极高的比表面积、力学性能（碳纳米管理论上的轴向弹性模量与抗张强度分别为 1～2 TPa 和 200Gpa）、卓越的热性能与电性能（碳纳米管在真空下的耐热温度可达 2800 ℃，导热率是金刚石的 2 倍，电子载流容量是铜导线的 1000 倍）[2-7]。碳纳米管的这些特性使其在复合材料领域成为理想的填料。聚合物容易加工并可制造成结构复杂的构件，采用传统的加工方法即可将聚合物/碳纳米管复合材料加工及制造成结构复杂的构件，并且在加工过程中不会破坏碳纳米管的结构，从而降低生产成本。因此，聚合物/碳纳米管复合材料被广泛地研究。

根据不同的应用目的，聚合物/碳纳米管复合材料可相应地分为结构复合材料和功能复合材料两大类。近几年，人们已经制备了各种各样的聚合物/碳纳米管复合材料，并对所制备的复合材料的力学性能、电性能、热性能、光性能等其它各种性能进行了广泛地研究，对这些研究结果分析表明：聚合物/碳纳米管复合材料的性能取决于多种因素，如碳纳米管的类型（单壁碳纳米管或多壁碳纳米管），形态和结构（直径、长度和手性）等。文章主要对聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状进行综述，并对其所面临的挑战进行讨论。

1 聚合物/碳纳米管复合材料的制备

聚合物/碳纳米管复合材料的制备方法主要有三种：液相共混、固相共融和原位聚合方法，其中以共混法较为普遍。

1.1 溶液共混复合法

溶液法是利用机械搅拌、磁力搅拌或高能超声将团聚的碳纳米管剥离开来，均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，主要用来制备膜材料。Xu et al[8]和Lau et al.[9]采用这种方法制备了CNT/环氧树脂复合材料，并报道了复合材料的性能。除了环氧树脂，其它聚合物（如聚苯乙烯、聚乙烯醇和聚氯乙烯等）也可采用这种方法制备复合材料。

1.2 熔融共混复合法

熔融共混法是通过转子施加的剪切力将碳纳米管分散在聚合物熔体中。这种方法尤其适用于制备热塑性聚合物/碳纳米管复合材料。该方法的优点主要是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中。Jin et al.[10]采用这种方法制备了 PMMA/ MWNT 复合材料，并研究其性能。结果表明碳纳米管均匀分散在聚合物基体中，没有明显的损坏。复合材料的储能模量显著提高。

1.3 原位复合法

将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。Jia et al.[11]采用原位聚合法制备了PMMA/SWNT 复合材料。结果表明碳纳米管与聚合物基体间存在强烈论文的黏结作用。这主要是因为 AIBN 在引发过程中打开碳纳米管的 π 键使之参与到 PMMA 的聚合反应中。采用经表面修饰的碳纳米管制备 PMMA/碳纳米管复合材料，不但可以提高碳纳米管在聚合物基体中的分散比例，复合材料的机械力学性能也可得到巨大的提高。

2 聚合物/碳纳米管复合材料的研究现状

2.1 聚合物/碳纳米管结构复合材料

碳纳米管因其超乎寻常的强度和刚度而被认为是制备新一代高性能结构复合材料的理想填料。近几年，科研人员针对聚合物/碳纳米管复合材料的机械力学性能展开了多方面的研究，其中，最令人印象深刻的是随着碳纳米管的加入，复合材料的弹性模量、抗张强度及断裂韧性的提高。

提高聚合物机械性能的主要问题是它们在聚合物基体内必须有良好的分散和分布，并增加它们与聚合物链的相互作用。通过优化加工条件和碳纳米管的表面化学性质，少许的添加量已经能够使性能获得显著的提升。预计在定向结构（如薄膜和纤维）中的效率最高，足以让其轴向性能发挥到极致。在连续纤维中的添加量，单壁碳纳米管已经达到 60 %以上，而且测定出的韧度相当突出。另外，只添加了少量多壁或单壁纳米管的工程纤维，其强度呈现出了较大的提升。普通纤维的直径仅有几微米，因此只能用纳米尺度的添加剂来对其进行增强。孙艳妮等[12]将碳纳米管羧化处理后再与高密度聚乙烯（HDPE）复合，采用熔融共混法制备了碳纳米管/高密度聚乙烯复合材料，并对其力学性能进行了研究。结果表明：碳纳米管的加入，提高了复合材料的屈服强度和拉伸模量，但同时却降低了材料的断裂强度和断裂伸长率。Liu 等[13]采用熔融混合法制得了 MWNT/PA6（尼龙 6）复合材料，结果表明，CNTs 在 PA6基体中得到了非常均匀的分散，且 CNTs 和聚合物基体间有非常强的界面粘接作用，加入 2 wt%（质量分数）的 MWNTs 时，PA6 的弹性模量和屈服强度分别提高了 214 %和 162 %。总之，碳纳米管对复合材料的机械性能的影响，在很大程度上取决于其质量分数、分散状况以及碳纳米管与基质之间的相互作用。其他因素，比如碳纳米管在复合材料中的取向，纤维在片层中的取向，以及官能团对碳纳米管表面改性的不均匀性，也可能有助于改善复合材料的最终机械性能。

2.2 聚合物/碳纳米管功能复合材料

2.2.1 导电复合材料

聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料。GE 公司[14]用碳纳米管制备导电复合材料，碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高，这种导电复合材料既有抗冲击的韧性，又方便操作，在汽车车体上得到广泛应用。LNP 公司成功制备了静电消散材料，即在 PEEK 和 PEI 中添加碳纳米管，用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %～90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 PC 复合材料，其表面极光洁，物理性能优异，是理想的抗静电材料[15]。另外，聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作，可用于压力传感器以及触摸控制开关[16]；利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性，可制成各种气敏探测器，对各种气体及其混合物进行分类，或定量化检测和监控[17]；利用该材料的正温度效应，即当温度升至结晶聚合物熔点附近时，电阻迅速增大几个数量级，而当温度降回室温后，电阻值又回复至初始值，可应用于电路中自动调节输出功率，实现温度自控开关[18]。

2.2.2 导热复合材料

许多研究工作证明，碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测，单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 W/mK[19]，而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 3000～6600 W/mK。由此可以想象，碳纳米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性[20]。Wu 等[21]制 备 了 多 壁 碳 纳 米 管 / 高 密 度 聚 乙 烯（MWNTs/HDPE）复合材料，并对其热性能进行了深入的研究，实验结果表明：导热系数随着 MWNTs 含量的增加而升高。当MWNTs 的质量分数达到 38 h，混合材料的导热系数比纯HDPE 的高三倍多。徐化明等[22]采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料，在氮气和空气气氛下，复合材料的热分解温度比基体材料分别提高了约 100 和60 ℃。在导热性能上，阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 W/mK，比纯 PMMA 提高了将近 13 倍。

2.2.3 其它功能复合材料

在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心[23]研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 NaOH 处理，使碳管在其表面产生较多的孔洞，提高碳纳米管的表面活性；制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段，这种吸波复合材料的体积电阻率在 106～107 ·cm 数量级，具有优良的抗静电能力，这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学Rajoriat[24]用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究，发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。

3 制备碳纳米管聚合物复合材料中存在的问题

3.1 碳纳米管在基体中的分散问题

碳纳米管的长径比大，表面能高，容易发生团聚，使它在聚合物中难以均匀分散。如何让碳纳米管在聚合物基体中实现均匀分散是当前需要解决的首要难题。经表面改性的碳纳米管可均匀分散在聚合物基体中，可以利用化学试剂或高能量放电、紫外线照射等方法处理碳纳米管，引入某些特定的官能团。Liu J 等[25]首先采用体积比为 3∶1 的浓硫酸和浓硝酸对単壁碳纳米管进行氧化处理，得到了端部含羧基的碳纳米管，提高其在多种溶剂中的分散性。ChenQD[26]将碳纳米管用等离子射线处理后引入了多糖链。还可运用机械应力激活碳纳米管表面进行改性，通过粉碎、摩擦、超声等手段实现。

3.2 碳纳米管的取向问题

碳纳米管在聚合物中的取向应符合材料受力的要求，研究表明，通过一定的加工例如机械共混剪切可以改善碳纳米管在聚合物中的取向，从而进一步改善复合材料的性能。Jin L[27]将多壁碳纳米管溶解于一种热塑性聚合物溶液中，蒸发干燥制备出碳纳米管呈无序分散状态的薄膜，然后在其软化温度之上加热并用恒定负荷进行机械拉伸，使其在负荷下冷却至室温，发现通过机械拉伸复合物可以实现碳纳米管在复合物中的定向排列。

3.3 复合材料成型问题

当前碳纳米管/聚合物复合材料的成型一般采取模压、溶液浇铸等手段，模压操作简单、易于工业化，但在降温过程中，样品由于内外温差较大会发生表面开裂等问题；溶液浇铸形成的样品不受外界应力等因素的影响，但除去溶剂过程较长，碳纳米管易发生团聚。

此外，聚合物进行增强改性所用的填料由原来微米级的玻璃纤维、有机纤维等发展到如今的碳纳米管，填料尺寸上的变化使复合物材料原有的加工技术和表征手段都面临着新的挑战，需要在今后大力发展原子水平的新型加工技术和表征手段，以适应碳纳米管聚合物复合材料发展的需要。

4 结语

碳纳米管以其独特的性能正在越来越多领域得到应用，随着科学技术的进步当前碳纳米管复合材料制备过程中存在的各种问题会逐渐得到解决，总有一天纳米技术会真正走到人们的现实生活当来，给人们的生活带来翻天覆地的改变。

参考文献

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纳米复合材料第3篇

【关键词】食品包装 纳米复合材料 应用

1 纳米复合材料在食品包装中的优势

纳米复合材料多以聚合物为基底，是将柔性良好的高分子聚合物缴入纳米尺寸（1nm～100nm）分子中或纳米颗粒制备而成[1]。纳米复合材料主要有无机纳米材料和有机聚合物组成，这两种材料都能改善包装材料的特性，防止细菌滋生，从而有效保障食品的品质。

1.1柔性高

纳米复合材料由柔性良好的高分子聚合物组成，所以其制成的包装材料具有非常好的柔性，不易磨损，相对与传统食品包装材料使用寿命更长。且纳米复合材料的可塑性高，食品包装的设计者可以将纳米复合材料设计成需要的造型，以便突出整个食品的特点与设计理念。

1.2物理化学性能稳定

纳米粒子的直径小，比表面积大，具有良好的物理化学性能，在高温条件下也不会发生变形。纳米复合材料的阻断性能也好，能有效防止细菌滋生，祛除异味，延长食品的使用时间，保证了食品的质量。

1.3生产成本低且环保

随着纳米技术的发展与普及，纳米复合材料的制作成本也得到了很大的降低。如新型抗菌材料PA66中就是加入了一种纳米黏土复合材料，将纳米氧化锌运用到包装材料的生产中，使得该材料的成本得到大幅度的降低。且纳米复合材料具有良好的降解性，不会对环境造成任何危害[2]。纳米复合材料中纳米分子是微孔结构，具有高比表面积，能自主的选择过滤氧气与二氧化碳，为果蔬类食品形成了一个天然的气调包装，延长了果蔬类食品的保鲜时间。

2 纳米复合材料在食品包装中的应用

2.1在延长食品保鲜中的应用

果蔬类食品存放时会释放乙烯，当乙烯达到一定浓度后会加速果蔬类视屏的腐烂。传统的食品包装材料中并不能够很好的吸收乙烯，因此无法实现对果蔬类食品长时间保鲜的目的。但有研究发现纳米银可以催化乙烯，若在果蔬类食品包装材料中加入纳米银，就能减少乙烯的浓度，延长果蔬类食品的保鲜时间。

2.2在提升食品包装封闭性中的应用

食品包装的封闭性主要是用于阻断氧气、二氧化碳及水蒸气等，以延长食品的保存时间。聚合物纳米复合材料及蒙脱土纳米复合材料都具有良好的阻断性，能提升食品包装的封闭性，降低其渗透性。如岳青青研究发现，有机蒙脱土纳米复合材料相较与天然橡胶，其对对氧气的渗透量率降低了近50%，说明纳米复合材料具有良好的气体阻断性，能有效提升食品包装的封闭性[3]。

2.3在保证食品抗菌中的应用

纳米复合材料本身就具有良好的抗菌性能，能有效抑制微生物的滋长，从而保证食品不受细菌污染。有研究显示，在聚烯N薄膜中加入无菌纳米抗菌剂和增增效剂，其杀菌力能够达到98.13%，且阻断性与封闭性没有受到明显影响，但其柔性、坚韧性就会有所下降。

3 纳米复合材料在食品包装中的安全性

虽然相对于传统的食品包装材料，纳米复合材料具有良好的物理化学性能、抗菌性强、柔韧性高且材料环保，但其纳米材料是否会与其他分子产生生物学效应，已经成为人们关注的重点。有研究发现，纳米颗粒若产生大量的活性氧物质，那么在生物体内就会呈现出一定的毒性；若纳米复合材料中有纳米金属或金属氧化物，纳米金属纳米颗粒就与生物体内的蛋白结合，造成蛋白功能异常，直接或间接呈现出基因毒性[4]。通过对纳米复合材料的成分、温度和时间等研究发现，纳米金属或金属氧化物颗粒产生的毒性与其浸泡的温度与时间有关，但具体关系目前尚无定论，仍需进一步的研究[5]。而纳米金属或金属氧化颗粒进入到人体后归宿、是否会对机体组织造成影响、造成怎样的影响及相应的解决方案，都需要大量的研究与探讨。

结语

纳米复合材料因其良好的阻隔性、抑菌性与催化乙烯的等性能，能有效的延长食品的保鲜时间，抑制微生物的生长，保证了食品的安全与品质，延长了食品的保质期。且其造价成本低，对环境不造成任何危害，故而被广泛的运用与食品包装中。但因纳米复合材料中的纳米颗粒会与其他分子发生生物学效应，产生一定的毒性，故其安全性仍待商榷。

【参考文献】

[1]韩伟，于艳军，李宁涛，王利兵.纳米复合材料在食品包装中的应用及其安全评价[J].科学通报，2011，03：198-209.

[2]张宏康，G.S.Mittal.纳米复合食品包装材料研究进展[J].食品工业，2011，05：82-84.

[3]艾茜，胡长鹰，林勤保，王志伟，李河.纳米银/低密度聚乙烯复合食品包装薄膜的表征及性能[J].食品工业科技，2014，22：294-298.

纳米复合材料第4篇

关键词：纳米复合包装材料；应用优势；安全性；研究；应用进展

前言

纳米包装材料通常是指利用纳米技术对材料进行纳米级的合成、改性、添加，使材料具备某一功能或特性的一种包装材料。经过合成、改性、添加后的材料分别称为复合、改性、纯纳米包装材料。文章所提的复合包装材料是采用纳米颗粒和其他材料进行复合制作出来的新型材料。目前国内外主要的研究是聚合物的纳米复合材料，也就是将纳米材料通过超微粒子或10nm级的分子水平融入到高柔性的聚合物内形成的材料。目前常用聚合物有PP、PE、PVC、PET、PA、LCP等，常用纳米颗粒有金属氧化物、金属以及无机聚合物等。目前多种复合材料在食品包装上得到了广泛应用，得到了很好的应用效果。

1 纳米复合包装材料的特点

随着科学技术的不断发展，包装材料的制造技术与实际应用也取得了巨大的突破，目前通过在传统制造工艺中添加纳米颗粒，可以得到纳米复合包装材料，不仅使传统的包装材料在质量及功能上有了显著的提升，同时也促进了制造工艺的发展。纳米技术作为一种先进的技术手段，通过与传统的包装材料制造技术相结合，通过将纳米技术的优越性能在材料包装制造中予以体现，尤其是纳米颗粒的属性特征，不仅结构稳定，同时可塑性较强，使得新型包装材料韧性较强，增加了新型包装材料的可靠性，扩大了包装材料的使用范围，促进了制造业的发展。另外，纳米技术具有较强的清洁功能，不仅生产工艺不会对环境产生危害，同时纳米技术还可以实现重复利用的功能。因此，将纳米技术与传统包装制造技术相结合，使得新型包装材料具有可降解的功能，不仅减少了对环境的破坏，同时也增加了资源的利用率，符合我国生态发展的要求。另外，纳米复合包装材料密度较强，能够有效的阻挡细菌的侵入，避免细菌的滋生，同时还具有保鲜的特点[1]。

2 纳米复合包装材料的应用优势

2.1 食品保鲜包装上的应用

第一，纳米银材料，果蔬食品在成熟后会释放乙烯，在对其包装时，会造成乙烯浓度增加，这会加速果蔬食品的腐烂，导致产品品质降低，造成经济损失，而当前时期所利用乙烯吸收剂对食品进行保鲜，不能取得较好的效果。在运用纳米银包装材料能够提升果蔬的保鲜效果，在包装材料中添加纳米级的银粉，可以催化乙烯进行氧化，来对乙烯含量进行降低，从而达到保鲜目的。经过实验研究表明，PE/Ag2O材料制成的包转材料对水果的保鲜效果很好，而且其纳米银存在稳定，可以安全的用于果蔬保鲜[2]。第二，纳米分子筛材料，由于其具有较高的比表面积以及多孔结构，拥有选择透过性，使其成为很好的气调包装材料，可用于食品保鲜。应用纳米分子筛材料对水果保鲜进行实验，可以很好的抑制果树的呼吸作用，从而达到对果树的保鲜，延长了果蔬的保鲜时间。第三，纳米TIO2材料，纳米二氧化钛具有杀菌、自清洁、阻隔性好、吸收紫外线等特性，纳米二氧化钛可将果蔬中的乙烯氧化为水和二氧化碳，从而延长保鲜时间[3]。目前国内外大量公司的包装材料均添加有Ag或ZnO的纳米颗粒，使包装材料拥有杀菌能力，从而提高食品的保鲜时间。

2.2 食品阻隔包装上的应用

包装阻隔性是指对于二氧化碳、氧气等气体的阻隔性以及对水蒸气的阻隔性。纳米聚合物/蒙脱土复合材料拥有极强的阻隔性，这是因为蒙脱土剥离后与薄膜方向平行，使黏土片层对液体或气体的阻碍能力得到了提升，使气体或液体通过膜的路径被大大的演唱，使其渗透率被很好的降低。经过大量的实验研究表明，含有纳米材料的复合包装材料与不含纳米材料的包转材料进行对比，复合包装材料的气体阻隔性得到了明显的提高，对水蒸汽的透过率降低约为50%。目前国际上对于如何改进聚对PET内的纳米材料组分，使其更加适合于啤酒或其他食品包装对气体阻隔的需求，是当前时期聚对PET包装材料的一个研究方向。有的技术对于耐受紫外线的能力有着很大的提高，有的技术可以实现涂层水分离，材料回收便利，成为了良好的绿色包装[4]。美国和韩国均有公司将MMT-多层聚合物包装薄膜运用到对啤酒以及碳酸饮料的包装中，以此来对啤酒或饮料中的CO2阻碍扩散和防止O2的进入，从而保证食品的风味以及延长保质期。

2.3 食品抗菌包装上的应用

纳米复合材料是一类有着极强抑菌能力的新型包装材料，由于其自身具有抗菌性能，可以保证包括真菌、细菌、酵母菌、藻类甚至病毒等的繁殖与生长水平处于相对较低的状态。利用纳米复合材料制作的各类制品，拥有自洁卫生功能，可以很好地放置微生物的传播。当前时期使用较广的抑菌薄膜便是以聚烯烃薄膜为基础，对其添加纳米级无机抑菌剂以及增效剂。借助重金属离子以及光催化作用来使微生物蛋白质发生变形和沉淀。同时在实际生产过程中不需要对工艺、设备进行改变，只需在原工艺的基础上向其添加规定量的无机纳米抗菌剂便可生产。经过大量研究性试验表明，在聚合物中添加银系抗菌剂或ZnO纳米粒子可以有效地提高抗菌性能，虽然添加银系抗菌剂的材料的机械强度以及透气性有所减低，但是可以满足生产标准以及性能要求[5]。

3 安全性分析

由于纳米颗粒具有较强的清洁功能，且无毒无害，结构稳定，密度较强，能够有效的隔绝细菌，延长食物的保质期，因此，纳米复合包装材料在食品包装方面有着广泛的应用，主要起到了食品保鲜、食品密封以及食品抗菌的作用。以纳米涂炭技术为核心的新型包装材料能够在食品包装的表面形成一层聚合物积层，能够有效的加强对事物气体的密封，同时也有效的阻挡了外界气体对食物的影响，由于纳米技术具有可降解的性能，因此，以纳米涂炭技术为核心的新型包装材料能够实现绿色包装。无机纳米抗菌技术具有较强的稳定性，使得以无机纳米抗菌技术为核心的新型包装材料具有较强的杀菌、抑菌的效果，如抗菌薄膜等，不仅能够有效的抑制细菌的滋生，还可以隔绝紫外线，在食品抗菌方面有着重要的应用。

4 结束语

随着科技的不断进步的，使得纳米材料所具有的高强度、高稳定性以及诸多新特性，在食品包装领域上得到了很好的应用。在今后的发展将会有更多的纳米级的材料被应用于更多的领域，来对人们的生活方式以及环境加以改变。所以，纳米包装材料有着非常广阔的发展与应用前景。

参考文献

[1]陈志昌，陈思浩，王继虎，等.石墨烯纳米复合材料在光催化应用中的研究进展[J].材料导报，2015，10（19）：146-151.

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[3]杨阳，张琳琳，赵聪.食品包装中纳米复合材料的应用[J].中国包装工业，2016，2（2）：21.

纳米复合材料第5篇

要

不饱和聚酯(UP)复合材料是一种热固性材料，是增强材料领域中使用最为普遍的热固性树脂，该树脂加入引发剂发生自由基聚合反应，固化后成为不溶不熔的热固性材料。与一般微观复合材料相比，含有少量蒙脱土的纳米塑料表现出优异的综合性能，因此它们比常规填充复合材料要轻。良好的性能组合、简单的加工工艺和低廉的价格使得纳米塑料在各种高性能管材、汽车及机械零部件、电子和电气部件等领域中有广泛的应用前景。

用插层复合的方法制备有机-无机纳米复合材料是近年来材料科学领域发展的热点，具有理论意义及应用前景.熔体插层是插层复合的一种重要复合方式，它可用传统的熔体共混技术制备纳米复合材料，方法简单，不需溶剂，易于工业化生产。

本文简述了不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料的特点，介绍了插层法制备不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料的方法，展望了应用前景。

关键词：蒙脱土，　插层，纳米复合材料，不饱和聚酯

UP/MONTMORILLONITE NANOCOMPOSITES

Abstract　The kinetics of isothermal crystallization of UP/montmorillonite nanocomposites with different content of montmorillonite prepared by melt intercalation process has been investigated by intercalation.It is shown that the presence of nanometer montmorillonite particles displays a high propensity to nucleate UP crystallization，enhance the crystallization rate of UP，reduce the surface free energies of the developing crystals and improve the behavior of isothermal crystallization of UP dealt with the Avrami and Hoffman theories.The crystallization process of UP is composed of two stages:the spherulite growth stage and the spherulite nucleation stage.With the increment of the clay content in the UP/montmorillonite nanoconposites，the crystallization rate parameter k decreases and the surface free energy of theUP crystals increases;the spherulite growth stage would become the main stage of the crystallization process in place of the spherulite nucleation stage.Key words　UP， Montmorillonite， intercalation， Nanocomposites

目

录

摘 要

第一章

绪

论

第二章 纳 米 材 料

2.1 纳米材料的基本概念和性

2.1.1 纳米材料的主要研究内容

2.1.2 纳米材料的主要性质

2.2 纳米复合材料

2.2.1 纳米复合材料分类

2.2.2 纳米复合材料性能

2.2.3 纳米技术的突破点

2.2.4 高分子基纳米复合材料

第三章 不 饱 和 聚 酯

3.1 饱和聚酯复合物

3.2 不饱和聚酯的性能和应用

3.2.1 层压塑料与模压塑料

3.2.2 云母带黏合剂

3.2.3 油改性不饱和聚酯漆

3.2.4 无溶剂漆

第四章 蒙 脱 土

4.1 蒙脱土的结构及特性

4.2 插层法复合技术

4.3 插层法的优点

第五章 复 合 材 料 的 制 备

5.1 不饱和聚酯/蒙脱土纳米复合材料分析

5.2 部分实验

5.2.1 实验原料

5.2.2 实验步骤

5.2.3 复合机理

第六章 性 能 讨 论

6.1 插层法制复合材料优点

6.2 实验分析

6.3 数据及结果

结 论

参 考 文 献

致 谢

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纳米复合材料第6篇

［关键词］高聚物纳米复合材料

        一、 纳米材料的特性 

        当材料的尺寸进入纳米级，材料便会出现以下奇异的物理性能：

        1、尺寸效应

        当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁、热、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80a/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍。若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予其新性能。

        2、表面效应

        一般随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。

        纳米微粒尺寸d（nm） 包含总原子表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与其它原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。

        3、量子隧道效应

        微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际应用，如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。

        二、高聚物/纳米复合材料的技术进展

        对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛，按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类：

        1、高聚物/粘土纳米复合材料

        由于层状无机物在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般为纳米级，它不仅可让聚合物嵌入夹层，形成“嵌入纳米复合材料”，还可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生交换反应，具有的亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高其粘结。其制备的技术有插层法和剥离法，插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后，制成“嵌入纳米复合材料”，而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离，形成“层离纳米复合材料”。

        2、高聚物/刚性纳米粒子复合材料

        用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性方法。随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的 发展 ，特别是近年来纳米级无机粒子的出现，塑料的增韧彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法。采用纳米刚性粒子填充不仅会使韧性、强度得到提高，而且其性价比也将是不能比拟的。

        3、高聚物/碳纳米管复合材料

        碳纳米管于1991年由s.iijima 发现，其直径比碳纤维小数千倍，其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。

        碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出碳纳米管的强度实验值为30－50gpa。尽管碳纳米管的强度高，脆性却不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500mpa，比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。

        在电性能方面，碳纳米管作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林trinity学院进行的研究表明，在塑料中含2%－3%的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。

        三、前景与展望

        在高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是：高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备，用传统的设备往往不能使纳米粒子很好的分散，同时高聚物表面处理还不够理想。我国纳米材料研究起步虽晚但 发展 很快，对于有些方面的研究工作与国外相比还处于较先进水平。如：漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究；黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界很有影响；另外，四川大学高分子 科学 与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的手段。尽管如此，在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距。但无可否认，纳米材料由于独特的性能，使其在增强聚合物应用中有着广泛的前景，纳米材料的应用对开发研究高性能聚合物复合材料有重大意义。特别是随着廉价纳米材料不断开发应用，粒子表面处理技术的不断进步，纳米材料增强、增韧聚合物机理的研究不断完善，纳米材料改性的聚合物将逐步向 工业 化方向发展，其应用前景会更加诱人。

参考 文献 ：

［1］ 李见主编.新型材料导论.北京：冶金工业出版社，1987.

纳米复合材料第7篇

石墨烯是迄今为止实验上发现的最坚韧、导电和导热最好的材料。为尽快使石墨烯达到工程应用状态，欧盟在2012年启动石墨烯旗舰技术项目[3]，美国也大力投入，并且在石墨烯作为超强电容器等应用研究已取得了突破性进展[3]。湿化学还原法容易实现石墨烯纳米片的大批量制备，并且获得的石墨烯具有较好的亲水性和单分散性，是理想的复合材料纳米填料[4]。

由于石墨烯具有高的强度，其抗拉强度可达1060GPa，如何利用其来提高复合材料的强度成为研究热点。目前已有关于石墨烯纳米片增强高分子聚合物[5]和陶瓷材料[6]的报道。聚乙烯醇中填加0.7%质量分数的石墨烯纳米片，其抗拉强度提高76%[5]；Al2O3陶瓷基体中填加0.78%体积分数的石墨烯纳米片时，其弯曲强度提高30.75%，同时断裂强度提高27.20%[6]。但未见关于石墨烯纳米片增强金属基复合材料的报道。

铝合金具有低的密度，高的强度和良好的延展性，在航空、航天等领域得到广泛应用。作为结构材料，如何提高铝合金强度一直是其研究者的主攻方向。目前来看，利用改变合金熔炼方式、调控成分、调整热处理和变形工艺等方法在进一步提高铝合金性能难有突破，铝基复合材料应运而生。在铝合金中填加石墨、碳化硅、碳化硼和碳纳米管制备铝基复合材料来提高合金强度成为学者们研究方向。但增强效果不尽人意，且材料的塑性大幅降低[7-10]。石墨烯纳米片具有高的强度，大的比表面积和较好的延伸率，将其添加到铝合金中形成铝基复合材料，或许是解决提高铝合金强度难题的不错选择。

本工作采用球磨混粉、热等静压法（HIP）和热挤压的方法，制备铝基烯合金材料，对铝基烯合金其微观组织结构和力学性能进行表征并分析石墨烯纳米片的增强增韧机制。

实验材料及方法

铝合金粉末的制备

采用紧耦合气雾化的方式制备铝合金粉末（Al-Mg-Cu），镁和铜含量分别为1.5%和3.9%。雾化介质为氮气（99.99%），雾化室压力为800Pa，温度为800℃。

石墨烯纳米片制备

以纯度为99.9%的天然石墨为原材制备石墨烯纳米片，采用改进的Hummers方法制备氧化石墨烯纳米粉末，用水合肼在95℃下还原24小时，获得几个原子层厚度的石墨烯纳米片，制备方法与文献[11]相同。

铝合金和铝基烯合金的制备过程

（1）将3克石墨烯纳米片分散到3升无水乙醇中，超声振荡1小时得到均匀黑色石墨烯溶液；

（2）将1千克Al-Mg-Cu铝合金粉末分别加入到3升石墨烯溶液（制备含0.3%石墨烯的铝基复合材料）和3升无水乙醇（制备对比铝合金）中，封装在球磨罐中球磨24小时；

（3）将球磨后的浆料倒入烧杯，移入80℃水浴锅中，在机械搅拌下进行干燥处理至浆料至半干状态后，转移到真空烘干箱中进行彻底干燥处理；

（4）将干燥的上述粉末装入圆柱形铝包套中，并抽真空至真空压强为1×10-2Pa后，加热到300～400℃，保温2小时，冷到室温后焊接封口；

（5）将封好的铝包套进行480℃/150MPa/2小时热等静压处理；

（6）将热等静压后的试块在400～480℃进行热挤压，挤压比为10：1，挤压速率为3mm/s，挤压力为300kN；

（7）对棒材进行495℃/30分钟固溶处理+96小时自然时效。

材料微观组织表征和力学性能测试

采用光学显微镜（Leica）、场发射扫描电子显微镜（FESEM，JEOL JSM-7001）和透射电子显微镜（TEM，FEI Tecnai G2 F20）观察材料的微观组织结构。利用X射线衍射仪（XRD）对材料的晶体结构进行了表征。在万能拉伸机上测试拉伸性能，测试温度为室温，加载方向与热挤压方向一致，拉伸试样工作区尺寸为φ5mm×2.5mm。

结果与讨论

微纳米粉末的组织结构

铝合金粉末为直径d

铝基烯合金的显微组织

铝基烯合金热处理后其显微组织均匀细小，冶金质量良好，未见明显的冶金缺陷。铝合金具有片层状组织结构，片层的厚度大约为3～8μm，片层直径大约为20～40μm，HIP+热挤压工艺没有破坏铝合金粉末的片状结构。轴向显微组织保留着挤压变形特征，组织沿变形方向被拉长到100μm以上，厚度为几个μm，成板条状，组织均匀细小。作者首次在TEM下观察到石墨烯增强金属基纳米复合材料中的石墨烯纳米片的形态。石墨烯纳米片在铝合金基体上铺展性好，两者具有较大的结合界面，清楚地看到石墨烯纳米片的二维薄膜形态和褶皱结构特征，观察区域石墨烯纳米片的尺寸超过2?m，说明石墨烯纳米片没有在铝合金烯合金基体中碎裂。经球磨、热等静压、热挤压和固溶热处理等一系列工艺后，石墨烯纳米片保留着原始组织结构特性，可以推测其仍然保持着原有高的抗拉强度。

铝合金和铝基烯合金力学性能

添加石墨烯纳米片提高了铝基烯合金的屈服强度和拉伸强度，且其伸长率也有所改善，这在第二相增强金属基复合材料的研究中是首次发现。石墨烯纳米片加入明显提高了合金的抗拉强度从364MPa提高到455MPa，增加了25%；同时合金的屈服强度也得到大幅提高，从204MPa提高到322MPa，提高幅度高达58%，其提高的幅度明显优于其它材料增强铝基复合材料的增强效果[13]。同时，可以看出填加石墨烯纳米片，并没有像SiC[7， 8]或碳纳米管[10]增强铝基复合材料的塑性显著下降，铝基烯合金的延伸率不但没有下降，还略有升高，由对比合金的11.03%提高到11.80%。填加石墨烯纳米片对铝合金的弹性模量影响不大，对比本次实验数据已有颗粒或碳纤维增强的数据来看，石墨烯纳米片对金属基体的增强机理与普通碳纤维或颗粒有所不同。

石墨烯纳米片的增强增韧机制分析

铝基烯合金棒材的拉伸断口的微观形貌为典型的韧窝断裂，韧窝和撕裂棱均匀而细小，撕裂棱的表面可以清晰观察到石墨烯纳米片。与其他增强材料相比，石墨烯纳米片对铝合金基体具有不同的增强增韧机制。首先，由TEM观察可知石墨烯纳米片与铝合金基体形成了良好的结合界面，并且石墨烯纳米片具有超大的比表面积，这有效阻止了热处理过程中铝合金晶粒的长大，同时石墨烯纳米片/铝合金结合界面可以有效阻止材料变形过程中的位错移动和裂纹扩展。其次，石墨烯厚度只有几个纳米，铝合金晶粒之间的间距非常小的，这更有利于外力从铝合金基体转移到石墨烯纳米片，因此石墨烯纳米片的超高强度能被直接利用，从而实现材料的高强度。最后，由于石墨烯纳米片大的比表面积，易与铝合金基体形成大的结合性能优良的结合界面，及石墨烯纳米片特有的褶皱结构，使得铝基烯合金受力过程中，石墨烯纳米片存在一个褶皱展平再断裂的过程，加之石墨烯纳米片本身具有良好的塑性，因此材料的塑性非常好。这赋予了铝基烯合金材料更广阔的应用前景。而石墨烯皱褶结构决定了铝基烯合金具有良好塑性。虽然石墨烯纳米片增强铝合金纳米复合材料的力学性能提高显著，但是还有很多的未知需要进一步探索，随后我们会进一步展开石墨烯纳米片的增强增韧机制的深入研究。

结论

（1）采用球磨制粉+热等静压+挤压的方法成功制备了新型铝基烯合金材料。石墨烯纳米片的引入没有影响铝合金的冶金成型。

（2）石墨烯纳米片均匀分布在铝合金基体中，并与铝合金基体形成了良好的结合界面。在铝基烯合金材料中石墨烯纳米片保留了良好的原始结构。

（3）添加0.3%的石墨烯纳米片，明显提高了铝合金的强度。屈服强度从204MPa提高到322MPa，提高幅度高达58%；抗拉强度从364MPa提高到455 MPa，增加了25%，同时塑形未见降低。

纳米复合材料第8篇

关键词：机械合金化；铝基复合材料；纳米尺度

中图分类号：TB383.1 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）26-0072-02

1 概 述

铝基复合材料具有高比强度和比模量、低热膨胀系数、良好的尺寸稳定性、较高的高温机械性能以及抗疲劳、耐磨损等优良性能。与钢相比，铝基复合材料的密度仅为钢的三分之一，耐磨性则与铸铁相当；与铝合金相比，导热率与其基本相当，抗拉和抗压强度及弹性模量大幅提高，热膨胀系数有较大幅度的降低。

因此，铝基复合材料已成为金属基复合材料中最常用的、最重要的材料之一，在航空航天、汽车、电子和光学仪器、体育用品等领域得到了广泛了应用。

基于进一步提高铝基复合材料机械性能的需求，研究发现，减小增强体颗粒尺寸会增加铝基复合材料的塑性、韧性和强度，因而越来越多小尺寸（约1 μm或更小）的增强体被用来制备铝基复合材料。纳米复合材料被定义为在多相固体材料中，其中一个相（一般为增强体）至少有一个方向其尺寸小于100 nm。在纳米铝基复合材料的制备中，纳米颗粒的特性给使用液相法的制备工艺带了困难，因而固相法更多的被采用，其中最常见的为机械合金化法。

机械合金化（MA）是一种固态粉加工技术，涉及了粉末在高能球磨机中的冷焊、破碎和再冷焊的过程。

在此过程中，一定量的混合粉末装入容器中并放入研磨介质，然后在预定的时间长度内进行高速搅拌。当粉末中含有塑韧性良好的金属材料时，在球磨过程中需要加工过程控制剂（PCA）来避免其因过度冷焊而结块。在球磨结束后，可得到合金化且混合均匀的粉末。

本文以Al2O3、Al3Ti和CNTs为代表增强体，概述了机械合金化制备相应纳米铝基复合材料的研究进展。

2 AlCAl2O3 纳米复合材料

纳米复合材料具有两种不同的制备方法。在第一种方法中，氧化铝增强体通过原位化学反应生成，被称为原位复合材料。在第二种方法中，Al2O3颗粒直接加入铝中，再将混合物一起球磨，以产生纳米复合材料。

一般情况下，原位生成复合材料的界面结合更强，机械性能比非原位生成复合材料要好，但在纳米尺度下性能差异几乎不存在。

2.1 原位法

在原位制备Al-Al2O3 纳米复合材料过程中，最常用的原位反应方程式有：

2Al+3CuO 3Cu+Al2O3

2Al+3ZnO 3Zn+Al2O3

Xi等人研究了Al含量从20%～85%（wt.）范围内，Al和氧化铜的反应球磨。研究表明，当Al含量仅为20%（wt.），发生完全还原反应，反应产物为铜和均匀分散的氧化铝颗粒分散。但是，随着Al含量的增加，会形成铝-铜金属间化合物，如Cu9Al4，CuAl2和Al（铜）固溶体。

同时，细小而分散的氧化铝颗粒进入到了Al基体内。Wu等人研究结果表明球磨铝和10 Wt.%的氧化铜17 h后，Al4Cu9相衍射峰开始出现在X射线衍射图上，并且此析出物经过退火后转化为CuAl2相。

增强相的体积分数过大会造成混合粉末的压制困难。当氧化铜含量降低至5Wt.%，增强体包括析出的大小为100～500 nmCuAl2和10～50 nm的氧化物和碳化物颗粒，Al基体的尺寸大约74 nm。依照晶粒尺寸（Hall-Petch）和Orowan强化机制分析了复合材料的强度，表明Hall-Petch强化来源于细晶铝、Orowan强化源于纳米尺度的氧化物和碳化物颗粒。

Durai等人通过球磨铝，氧化铜和ZnO的混合物，球磨后的粉末经过冷压以及高温烧结，制备了Al-Al2O3纳米复合材料。

研究表明，该复合材料中细小的氧化铝颗粒弥散分布在Al（Zn）或Al（Zn）-4Cu的基体中。该材料在经过测试后发现耐磨损性得到改良，相比于未经过球磨直接进行冷压和烧结的复合材料具有更高的硬度和耐磨性。

2.2 非原位法

Prabhu等人球磨了铝-氧化铝混合粉末，选用不同尺寸（50 nm、150 nm和5 μm）和体积分数（5、10、20、30和50）的Al2O3。混合粉末在行星式球磨机中经过不同时间的球磨，结果表明，当球磨时间超过20 h以后氧化铝增强体能均匀分散到铝基体中。Al-20Vol.%50Al2O3在不同球磨时间后的SEM照片，如图1（a）（b）（c）（d）所示。

不同体积分数的Al-50Al2O3在球磨20 h后的X射线能谱元素分布图，如图2所示。通过照片可观察到球磨20 h后，氧化铝增强体实现了均匀分布。

3 AlCAl3Ti 纳米复合材料

相比于其他大多数富铝金属间化合物，Al3Ti因为它具有熔点高（约1623 K）、相对低的密度（3.4 g/cm3）和较高弹性模量（216 GPA）。另外，由于Ti在铝中的低扩散性和溶解度，Al3Ti在高温下会展现出低的粗化速率。因此，Al3Ti存在于Al基体中下可以非常有效地提高铝基复合材料的刚度，室温机械性能和改善的铝基复合材料热稳定性。

Lerf和莫里斯用机械合金化法以铝粉和钛粉为原材料合成了Al-Al3Ti复合材料。球磨后能观察到两金属元素均匀分布，再对混合粉末在873 K进行退火后，有Al3Ti金属间化合物产生。0.1～0.5 μmAl3Ti颗粒分布于Al基体上，同时因为在球磨过程中加入PCA，纳米尺度（50 nm）Al4C3和γ-Al2O3的球状颗粒也存在于铝基体中。Wang和Kao用机械合金化法和高温烧结合成了Al-Al3Ti复合材料，复合材料微观结构表现为平均尺寸约100 nm的等轴颗粒状Al3Ti弥散分布在铝基体中，同时在晶粒内和晶界上还存在着纳米尺度的Al2O3 和 Al4C3颗粒。而且还对Al3Ti含量不同的Al-Al3Ti复合材料的高温变形行为进行了研究。

4 AlCCNTs 纳米复合材料

碳纳米管因其优异的机械性能使其成为理想的复合材料增强体，在增强材料的刚度和强度同时并实现轻量化。然而碳纳米管固有的物理性质，使其有强烈的团聚倾向，最终造成材料性能不升反降的现象。机械合金化法能较好地解决碳纳米管团聚现象，从而最大程度的发挥其作用。

Morsi和Esawi通过机械合金化法制备了Al-MWCNTs（2～5 wt.%）纳米复合材料，并对碳纳米管的分布和铝晶粒尺寸进行了研究，结果表明，球磨能够避免碳纳米管在复合材料中的团聚；在球磨48 h的样品中能观察单个的碳纳米管到嵌入在铝基体中；球磨过程中冷焊和破碎的共同作用，细化了铝基体的晶粒。

George等人用球磨合成的Al-CNT（单壁和多壁）复合材料，为了保持CNT的完整性，球磨时间较短，复合粉末再经过冷压、烧结和热挤压。通过测试材料的屈服强度、拉伸强度和弹性模量，结果表明，复合材料具有比基体合金更好的机械性能。性能的提升归结于热失配、剪滞和Orawan机制共同作用的结果。

5 展 望

纳米相增强铝基复合材料是近年迅速发展起来的一种新型材料，表现出优异的理化和力学性能，机械合金化法在制备纳米铝基复合材料过程中表现出独特的优势，但距离工程化应用仍然存在成本高、制造效率低、可靠性与稳定性有待提高等新材料实用化过程中面临的共性问题，需要进一步攻关并逐一克服。

参考文献：

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纳米复合材料第9篇

关键字：碳纳米管弯曲 碳纳米管复合材料 性能

近年来，随着纳米技术的不断发展，越来越多的人开始采用已有的经验和理论进行碳纳米管对于增强碳纳米管复合材料的研究。碳纳米管具有增强纳米复合材料在多个领域已经展现出独特的性能，受到国内外的广泛关注和重视，由此展开了一系列的有关碳纳米管增强复合材料的研究。碳纳米管一般都是以弯曲的形态展现在基体中，此种弯曲形态会对纳米复合材料的有效模量具有巨大的影响。文中采用有效的纤维模型把碳纳米管的弯曲形态加以替代，分析这种情况之下对碳纳米管复合材料的影响。分析得出，碳纳米管在长径比、体积含量和弯曲程度不相同的情况下，其复合材料的性能也会有所改变。

一、分析和建立碳纳米管的模型

现阶段，在碳纳米管增强复合材料上的研究工作已经获得很大的进展。基于碳纳米管所具备的特殊性，致使在碳纳米管增强复合材料结构及功能上显现出独特的性能。根据目前的实际情况若想确保获得制造功能的材料，有以下几方面的问题有待解决。

1.碳纳米管是一个具有离散结构的纳米级别，其基体具有连续性的特征，目前通常运用有限元方法采用连续介质力学为依据，从而在一些层面对预计结果有所影响。在尺度和应用范围不同的情况之下探寻较为正确的办法及理论基础变得更加重要。

2.碳纳米管的管径是纳米级别，其方向强度比较低，团聚的效果较为明显。在进行制备的时候，如果不能把没有弯曲的碳纳米管均匀的分散至各个基体之中，防止发生团聚现象的增强，从而淋漓尽致的发挥出材料的增强作用，提升材料的性能。根据实际的情况可知，碳纳米管一般都是自然弯曲的状态。文中把这样的形态采用如下的参数方程式展开模拟：

y=a sin（2π /λ）x，z=a cos（2π/λ）x （1），在这个式子中，a表示振幅的情况，λ表示波长的数值。如果该纳米管增长到一定长度，振幅的如果变大，波长就不断减小，其弯曲的程度也会增大，碳纳米管的弯曲程度采用ζ（ζ=a/λ）进行表示。等效纤维的构建是否合理必须把碳纳米管弯曲的形态及其对碳纳米管附近基体的作用进行分析和把握。选用弓形模型行

碳纳米管空间态的模拟。具有弯曲的碳纳米管具有增强材料性能的作用。

二、碳纳米管的计算

如果基体和增加界面具有良好的接触关系，等效纤维不但在轴向上对复合材料具备增强的效应，在径向上也有对复合材料增强的作用。文中采用轴向上与波长相等的竖直纤维及半径是a的小圆片把等效纤维加以替换。如果复合材料第r个类型的碳纳米管的数量是N，其体积的分数是Cnt，采用f1代表竖直纤维的体积分数，小圆片的体积分数采用f2来表示。其公式如下：f1=Nπd2λ/4V（2）；f2=Nπa2h/4V=N（πa2d2/a）/4V=Nπd2λ/4V （3）；f1/f2=λ/a （4）；

三、分析碳纳米管增强复合材料的数值

由于碳纳米管体积如果碳纳米管的体积分数一直增加，把文中的计算情况与shao的结果进行分析，如果碳纳米管的体积分数一直增加，复合材料的杨氏模量E也会一直增加。直线碳纳米管及弯曲的碳纳米管从而得出，在具有相同的碳纳米管积分的时候，那些采用直线状的碳纳米作为复合材料的模量比采用弯曲碳纳米管为纳米管复合材料的模量增强相要大。由此得出，采用弯曲使得碳纳米管在很大程度上影响着碳纳米管的增强效果。

如果碳纳米管的弯度为确定的数值，由于增强相体积分数的不断增大，纳米复合材料的杨氏模量也会增大。如果弯度的取值达到最大值，碳纳米管的弯曲最为明显。增强相虽会一直保持对材料的增强性能，但与弯度较小的碳纳米管来看，其增强能力明显下降。复合材料的体积模量会随着碳纳米管的体积分数的变化而改变。如果碳纳米管的体积分数不断增大，复合材料的体积模量也一直增加。与复合材料的杨氏模量不相同，如果碳纳米管在体积分数一样，碳纳米管的弯度数值增，复合材料的取值也会增大。碳纳米管的弯曲情况对增强碳纳米管复合猜的有效模量具有巨大的作用。

结束语：

碳纳米管具有独特的结构及其优越的性能，尤其是其的力学性能超好，因此如何提升碳纳米管复合材料的性能成为研究的重点。文中采用轴向纤维和垂直纤维的圆形小薄片分布在纳米复合材料中纳米管的形态为依据，得出碳纳米管的弯曲程度对于碳纳米管的复合材料起着重要的作用。

参考文献：