探讨基于聚合物基质的纳米复合材料

　　文树洞档案编辑树洞档案摘要
　　本文谈论的是包括陶瓷和金属基纳米复合材料如何在一些应用中有用，以及它们如何优于传统复合材料和独立的例子，独立的组成阶段。
　　该领域仍在不断发展，为纳米复合材料的应用提供了新的方向。
　　决定其微观结构的合成参数极大地影响了纳米复合材料的最终性能，特别是在调整组成相之间的界面方面。聚合物基和聚合物填充纳米复合材料
　　聚合物复合材料是一种重要的商业材料，其应用范围包括用于阻尼的填充弹性体、电绝缘体、导热体和用于飞机的高性能复合材料。
　　选择具有协同性能的材料来创造具有定制性能的复合材料；例如，高模量但脆性的碳纤维被添加到低模量的聚合物中，以形成具有一定韧性的刚性、轻质的复合材料。
　　然而，近年来，我们已经达到了优化传统微米级复合材料填料的复合材料性能的极限。此外，由于填料高或低体积分数区域造成的宏观缺陷往往会导致破裂或失效。
　　最近，传统的微米尺度聚合物复合材料纳米尺度填充聚合物复合材料的局限性，其中填充物至少为100nm。虽然一些纳米填充复合材料（炭黑和气相硅填充聚合物）已经使用了一个多世纪。聚合物纳米复合材料组合性能
　　由于几个原因，医学医学近年来有了很大的增长。
　　首先，在一些聚合物纳米复合材料中观察到了前所未有的性能组合。
　　例如，与纯聚合物相比，在热塑性塑料中，特别是在半结晶热塑性塑料中加入热氧化碳纳米颗粒，增加了屈服应力、抗拉强度和杨氏模量。
　　环氧树脂中只有0。04云母型硅酸盐（MTS）的体积分数使玻璃化转变温度以下的模量增加了58，橡胶区域的模量增加了450。
　　此外，随着硅酸盐的加入，聚（e己内酸酯）的渗透性降低了一个数量级。许多纳米复合材料具有光学透明和或光学活性。
　　研究和开发工作大幅增加的第二个原因，是在20世纪90年代早期的中发现了碳纳米管。
　　虽然更仔细的研究表明，纳米管自20世纪60年代〔10〕以来就被观察到了，但直到20世纪90年代中期，它们的数量才达到了复合材料性能评估所需的数量。
　　这些碳纳米管的性能，特别是强度和电学性能，与石墨有很大的不同，并为新的复合材料提供了令人兴奋的可能性。
　　1。纳米颗粒化学加工领域的重大进展纳米复合材料的原位加工导致了对这种复合材料的形貌的前所未有的控制。
　　2。它还创造了一种几乎无限的能力来控制矩阵和填充物之间的界面。
　　3。因此，这是研究纳米复合材料的一个令人兴奋的时刻，因为其独特的性能组合，以及成功的商业开发的高潜力。尽管技术界在纳米复合材料的加工方面取得了进展，但我们才刚刚开始组建理解、定制和优化性能所需的跨学科团队。
　　4。我们随时都拥有改变大小、形状、体积分数、界面和分散或聚集程度的能力。
　　5。因此，当理论和实验收集了足够的信息来指导进一步的发展时，机会很可能会变得无限的。
　　与微米尺度的传统材料相比，这些复合材料与宏观上的复合材料相比如何？最明显的区别是填料的小尺寸。
　　例如，非常小的纳米颗粒不会明显地散射光，因此有可能制造出具有改变的电学或力学性能的复合材料，从而保持其光学清晰度。
　　此外，较小的尺寸意味着粒子不会产生较大的应力集中，因此不会影响聚合物的延展性。类似的概念也适用于电击穿强度。
　　纳米填料的小尺寸也可以导致粒子本身的独特特性。
　　例如，单壁纳米管本质上是分子，无缺陷，模量可达1TPa，强度可达500GPa。
　　具有光学活性，但在宏观尺度上无法管理的单晶粒子可以结合在聚合物中，以实现材料的光学增益和聚合物提供的易于处理。
　　除了尺寸对颗粒性能的影响外，填料的小尺寸导致复合材料的界面面积异常大。
　　因此，确定界面区域和讨论其性质似乎是相关的。按照传统复合材料的定义，界面区域是开始于纤维中性质与体填料不同的点，并在矩阵中性质与体矩阵相同的点结束。
　　它可以是一个改变化学，改变聚合物链迁移率，改变固化程度，和结晶度改变的区域。
　　例如，对于在10vol的填充载荷下的15nm粒子，粒子间距为只有10纳米。
　　即使界面区域只有几个纳米，很快整个聚合物基体与体积有不同的行为。
　　如果界面区域更长，那么聚合物基体的行为可以在更小的负载下发生改变。
　　因此，通过控制聚合物与纳米填料之间的相互作用程度，可以控制整个基体的性质。
　　为了实现纳米复合材料的新性能，能够控制粒径分布、分散和界面相互作用的加工方法是至
　　关重要的。
　　纳米复合材料的加工技术不同于具有微米级填料的复合材料，纳米复合材料加工的新进展是近年来取得成功的原因之一。
　　本文强调了我们所认为的是理解和开发聚合物纳米复合材料的重要概念。我们首先描述了纳米管或纳米纤维填料、板状填料和等轴填料。
　　纳米填料纳米纤维或纳米管填料
　　纳米级填料有多种形状和尺寸。为了便于讨论，我们将纳米填料分为三类。纤维或管状填料的直径为100nm和至少为100的纵横比，长宽比可高达106（碳纳米管）。
　　板状纳米填料是典型的层状材料，厚度为1纳米量级，但在其他两个维度的长径比至少为25。
　　三维（3D）纳米填料是其最大尺寸为100nm的相对等轴粒子。这是讨论聚合物纳米复合材料的一种方便的方法，因为所使用的加工方法和所获得的性能很大程度上依赖于填料的几何形状。
　　微米大小的碳管，在结构上（但在尺寸上）与最近发现的多壁碳纳米管相似，在1960年由RogerBacon首次发现。
　　这些纳米大小的、近乎完美的晶须（称为纳米管）在1991年被日本NEC公司的SumioiIijima首次发现并进行了充分的表征。
　　多壁碳纳米管由两个或两个以上的同心圆柱壳组成，同轴地围绕中心中空核排列，层间分离，如石墨（0。34nm）。
　　相比之下，单壳或单壁纳米管（SWNT）是由单层石墨烯（一层石墨）圆柱体制成的，其尺寸分布非常窄（12nm）。
　　这两种纳米管都具有固体的物理特性，而且都是微晶体，尽管它们的直径接近分子尺寸。
　　在纳米管中，平面石墨烯薄片中碳原子的六角形对称性是扭曲的，因为晶格是弯曲的，并且必须沿着边缘相匹配制作完美的圆柱体。
　　这导致了纳米管壳层中碳原子的螺旋状排列。根据管的螺旋度和尺寸，电子结构变化很大的。
　　因此，虽然石墨是半金属，而碳纳米管可以是金属也可以是半导体。
　　这些管末端的电子特性不同于这些管末端的电子特性，其圆柱形部分更具有金属性质，纳米管的发现补充了与富勒烯相关的兴奋性和活性。
　　虽然富勒烯具有迷人的物理性质，但它们在纳米复合材料领域的相关性有限，因此我们将把我们对碳纳米结构的讨论限制在纳米管上。
　　与其他石墨纤维相比，碳纳米管的性能是独特的。它们的结构仍然明显不同于传统的碳纤维，后者已经在工业上使用了几十年。
　　纳米管代表了理想的、最完美的、有序的碳纤维，其结构在原子水平上是完全已知的。
　　最近发表了一篇关于纳米管力学的良好综述发现，随着神经束的大小的增加，模量显著减小。
　　因为单个单壁碳纳米管的理论具有高达1TPa的模量，在低应变下较大绳索的低模量意味着绳索内的单个纳米管之间发生滑移。
　　如果是这样，单股会滑动，直到它们紧密结合，然后它们之间有很大的摩擦；只有这样，单个纤维的模量才明显。
　　当SWNT绳被两个AFM尖端直接拉出时，只有当SWNT与尖端接触时，才能获得束内的单个管的真实模量来作为横截面积。
　　如果用整个绳子来确定横截面积，其模量要低得多。这一发现的重要意义是，SWNT的模量只有当SWNT被分离时才能实现。
　　测量发现一个模量和强度的范围，模量的范围可能再次是由于难以确定横截面面积。
　　故障是通过Wagner等人首先观察到的剑鞘机制（伸缩）发生的，这意味着只有最外层的纳米管携带负载，其余的在内部滑动。
　　因此，可能需要一个更小的横截面积来适当地计算模量。因此，MWNT中层数的可变性可能解释了模量中的广泛分散。
　　然而，这在复合材料中的重要意义是，MWNT没有孤立的SWNT所能达到的高模量。
　　MWNT在压缩过程中确实有可逆的变形，这可能会被证明是有用的。
　　实践表明，多壁碳纳米管在约4。7的压缩应变下屈曲，这种屈曲在非常大的应变下是可逆的，可能是由于纳米管能够相互滑动。总结
　　随着管直径的增加，带隙（随管直径成反比）趋于零，产生相当于平面石墨烯薄片的零隙半导体。
　　在anMWNT中，最小的内管的电子结构被外部的、较大的、平面的类石墨烯管所掩盖。从单个MWNT中获得的能带结构类似于石墨的实验证实了这一现象。
　　对纳米管填充聚合物复合材料的导电性和光学特性的讨论，证明了纳米管支柱的电子重要性。
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