纳米材料科学与技术
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 Development
Abstract：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; progress
1 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。对于聚合物基纳米复合材料，一是纳米材料的选择设计，选用合适的纳米材料；二是基体聚合物材料的选择设计，依据纳米复合材料的适用环境，选择合适的有机聚合物基体；三是纳米复合材料的界面设计，主要在复合材料复合方法（如原位聚合、原位插层、原位溶胶-凝胶成型等方法）的选择，目的是提高纳米材料与聚合物基体的界面作用，充分发挥两种组分的协同效应。纳米复合材料的功能设计主要是纳米材料的选择和复合材料的界面设计，前者对复合材料起决定性的作用，后者是增强和促进前者的效应。
纳米复合材料的合成设计，就是得到纳米级均匀分散无机氧化物的复合材料的方法。在功能设计完成以后，合成设计中主要关注纳米材料的粒度与分散程度。目前主要由三种合成设计方法：溶胶-凝胶法、插层法和填充法。溶胶-凝胶法具有纳米微粒粒度小和分散程度较均匀等特点，但合成步骤复杂，且纳米材料与聚合物材料选择范围较窄。插层法能够获得单一分散的纳米片层复合材料，容易工业化生产，但可选择的纳米材料较少，主要有蒙脱土。填充法目前仍处在发展阶段，其优点是纳米材料与基体的选择面宽，成型方法较多，同时具有纳米级分散的效果。合成设计的核心是发展分散相与连续相的双原位合成技术，可以达到分散相纳米粒子的粒度和分散度，降低消除相界面，充分体现纳米复合材料的性质和性能。
纳米复合材料的稳定性设计，是在制备纳米复合材料的过程中，使纳米粒子与基体稳定接触，防止因纳米粒子聚集而产生相分离。在聚合物基纳米复合材料中，稳定性设计一方面利用聚合物的长链阻隔作用，另一方面利用聚合物链上的特有基团与纳米粒子产生的化学作用，使纳米粒子均匀分散在聚合物基体中。因此对于聚合物基纳米复合材料的稳定化设计中，需要注意聚合物的化学结构，以带有极性并可与纳米粒子形成共价键、离子键或配位键等化学键力结合的基团为优选结构[20]。
（1）形成共价键利用聚合物链上的官能团与纳米粒子的极性基团产生化学反应，形成共价键，如聚合物链上的羧基、卤素、磺酸基等与纳米粒子上的羟基等在一定条件下形成稳定结合的共价键。
（2）形成离子键离子键是通过正负电荷的静电作用而形成的化学键。如果聚合物链与纳米微粒彼此带有相反电荷，则可以通过形成离子键而得到稳定的复合材料体系。
（3）形成配位键有机基体与纳米粒子以电子对和空电子轨道相互配位的形式产生化学作用，构成纳米复合材料。
（4）纳米作用能的亲和作用纳米复合材料中主要存在分子间力，可以利用结构中基团与纳米粒子的作用，产生稳定的分子间作用力。纳米粒子因表面结构而具有的强力亲和性，称为纳米作用能，利用纳米作用能，使纳米粒子与聚合物基体牢固地结合，形成稳定的复合体系。
1.6 纳米复合材料的制备方法
粒子表面处理的方法[21]通常是将一种物质吸附或包覆于另一种物质的表面，两种或多种物质接触紧密或形成一定的化学键。无机纳米复合材料是研究最早的纳米复合材料，其制备方法一般有溶胶-凝胶法、高能球磨法、气相沉积法、RF溅射法等。溶胶凝胶法是将硅氧烷或金属盐等前驱体水溶性或油溶性醇盐溶于水或有机溶剂中形成均质溶液，在酸、碱或盐的催化作用下促使溶质水解，生成纳米级粒子并形成溶胶，溶胶经溶剂发或加热等处理转变为凝胶，从而得到纳米复合材料。这种方法的关键就是选择具有良好溶解性能的共溶剂，保证二者具有很好的相容性，在凝胶后不发生相分离。高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，将其粉碎为纳米级微粒的方法。采用化学气相方法是将纳米材料与基本材料均匀混合，然后沉积在基体上，经过二次热处理，就得到纳米复合材料[22]。
有机/无机纳米复合材料正在成为一个新兴的研究领域，有别于通常的聚合物/无机填料体系，并不是无机相与有机相的简单加合，而是由无机和有机相在纳米至亚微米范围内结合形成，两相界面间存在着较强或较弱化学键（范德华力、氢键）[23]。其制备方法主要有溶胶-凝胶法、插层复合法、辐射合成法和共混法等。从国内外目前的研究现状来看，纳米复合材料的制备方法主要有下列几种。
1.6.1 机械化学法
采用机械化学法[24]对超细粉体进行表面改性。日本东京大学的H.Honda教授与奈良株式会社合作进行过大量的研究，国内南京理工大学的超细粉体与表面科学技术研究所也进行了大量的研究。
这种方法采用机械作用激活超细粉体和表面改性剂（或纳米粉体），使其界面发生化学作用，以达到化学改进的目的，进而增强表面改性剂与被改性的超细粉体间的结合力。它实质上是将常温下无黏性也不发生化学反应的两种超细粉体，通过机械作用力，使一种较细的超细粒子均匀地分布于另一种较粗的超细粒子外，并使粒子间发生化学作用，增加其结合力，也就是将机械能转化成化学能，故称之为机械化学效应。对被改性复合的超细粉体及改性剂、混合物等进行高速机械搅拌、冲击、研磨等都可进行机械化学复合。
机械化学法具有处理时间短、反应过程易控制、可连续批量生产的优点。该法的缺点是易使无机离子的晶型遭到破坏，包覆不均匀，而且一般要求母粒子在微米级，并要先制备单一的超细粒子。随着机械法制备纳米粒子的实现，利用机械法制备纳米复合材料将具有广阔的研究和应用前景。
机械化学法制备纳米复合材料有早期的机械搅拌混合法、研磨复合法和搅拌研磨复合法，还有新近发展的干式冲击复合法。主要应用于碳酸钙、氧化硅、氧化钛及塑料工业的混合、改性及复合材料的制备。干式冲击复合技术可用于纳米二氧化钛与微米PMMA粒子的复合及硼化物系陶瓷合金喷涂层的开发、制造和复印机粉的表面改性。研磨复合可制造金属合金，而且在军事和其它民用领域可制成功能良好的复合材料[25]。
1.6.2 气相法
气相法[26]制备纳米复合材料的方法主要包括：物理气相沉淀法和化学气相沉淀法。此外,还有以气体（空气、CO2或其它气体）为介质，通过物理化学方法制备纳米复合材料的方法。
（1）物理气相沉淀法。这是最早用来制备单一物质的纳米材料的经典物理制备方法。该方法通常是在真空蒸发室内充入低压惰性气体，采用电阻、等离子气体、电子束等加热源，使原料气化或形成等离子气体，与惰性气体原子碰撞而失去能量，然后骤冷凝结成超细粒子。超细粒子的大小可以通过改变气体压力、加热温度和惰性气体种类进行控制。它特别适用于由液相法和固相法难以直接合成的非氧化无机超细粉体的制备。所制备的纳米复合材料的粒径通常在100nm以下，且分散性好。如在纳米级的Si表面包覆一层纳米级金属，使Si粒子具有导电性。
（2）气相反应法。以挥发性金属卤化物和氢化物或有机金属化合物为原料，进行气相热分解和其它化学反应来制成超细复合材料，这是合成高熔点无机化合物细粉最引人注目的方法之一。气相法制备复合材料具有以下优点：a）金属化合物原料具有挥发性，易提纯，而且生产的粉体不需要粉碎，因而纯度高；b）生成物粒子的分散性好；c）若反应条件控制适宜，能获得粒径分布窄的超细粉体；d）通过控制气氛可以直接制备液相法难以制备的金属、碳化物、氮化物、硼化物等纳米级单质或非氧化物化合物。
1.6.3 液相法
液相法[27]是目前广泛使用的合成纳米粒子的方法，也是制备纳米复合材料的重要方法。它的主要优点有：a）可以精确地控制化学组成，定量掺杂，制得性能优良的复合材料；b）制备的纳米复合材料表面活性高、纯度高；c）易控制粒子的形状与粒径；d）工业化成本低。
液相法制备纳米复合材料可分为物理法和化学法两类。同样，化学法制备有机/无机纳米复合材料的方法也有聚合法、异相凝聚法和微乳液法三类。
超临界流体是介于气体与液体之间的一种流体，它具有液体的强溶解性、密度与液体接近和气体高扩散性以及黏度低的特性。在临界点附近，流体的这些特性对温度和压力的变化非常敏感。它的主要优点是过程能耗低、无污染；缺点是超临界体系的临界温度和临界压力高，设备投资和生产费用高。超临界流体主要有CO2、水、乙醇、甲醇、氨、乙烷、乙烯等。超临界流体快速膨胀过程（RESS过程）是TOM JW等在20世纪90年代初开发出来的用来制备超细粉体的技术。为克服超临界法的缺点，David等于1993年开发出一种压缩流体抗溶剂沉淀过程制备超细粒子的新方法（PCA法）。国内中北大学山西省粉体工程研究中心采用超临界CO2流体在RDX、HMX等超细粒子的制备方面以及金属镁的包覆改性和纳米高氯酸铵复合材料的制备方面做了大量的工作，并取得了一定的进展[28]。
1.6.4 固相反应法
固相反应法[29]是指固体直接参与化学反应并发生化学变化，同时在固体内部或外部至少有一个过程起控制作用的反应。这种控制速度不仅限于化学反应，也包括扩散等物质的迁移和传热过程。固相反应法有以下特点：a）固体质点（原子、粒子、分子）间有很大的作用键力，固相物质的反应活性通常较低，反应速度较慢；b）在低温时固体在化学反应上不活泼，所以固相反应一般在高温下进行；c）固相反应产物具有阶段性；4）经济、投资少、污染少；d）固相反应产物粒径小、粒径分布窄、表面活性高。
国内刘永和等以Al和B2O3为原料制成了Al2O3/AlB12复相陶瓷粉体；张剑光等将PV A 作为络合剂与硝酸铁反应制备出了α-Fe2O3纳米晶体[30]。
1.7 纳米复合材料的应用
纳米复合材料是随着纳米技术的发展而产生的一种新型材料，由于纳米复合材料特殊的性能，所以它一经产生便引起了人们的极大关注，并被广泛地应用于国民经济各领域和军事领域。具体而言，其应用领域有[31]：
（1）纳米复合材料在结构件领域的应用
聚合物基纳米复合材料：由于在力学性能方面表现优异，聚合物基纳米复合材料广泛用于航空、汽车、家电等领域。日本丰田公司成功的将尼龙/层状硅酸盐复合材料用于汽车塑料[32]。
金属基复合材料：由于其密度、强度远远优于单一组分，金属基纳米复合材料成为应用的热点，如铝合金是制造超音速飞机或飞行器蒙皮的合金材料之一，人们将某一组分加工成纳米尺寸，所得纳米增韧补强的新型复合材料能大幅度提高材料的强度，降低材料的用量。
（2）纳米复合材料在电子器件方面的应用
巨磁阻材料：所谓巨磁阻就是在一定的磁场下材料的电阻急剧减小。人们在Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag等纳米复合材料中观察到了显著的巨磁阻现象，所以可用于磁存储元件上。
微晶软磁材料：例如Fe-M-O（M为Zr、Hf、Nb、Ta、V等元素）软磁薄膜是由小于10nm的磁性微晶嵌于非晶态Fe-M-O的膜中形成的纳米复合材料，它具有较高的电阻率，相对低的矫顽力，较高的饱和磁化强度，从而可用于高频微型开关电源。
磁性液态：如用油酸为表面活性剂包敷在纳米级的Fe2O3所形成的纳米复合材料弥散在基液中形成磁性液态。它能用于转动部件的密封、精密仪器的润滑、增加扬声器功率、作阻尼器件、矿物分离等。纳米复合材料在光学领域也有广泛的应用，例如共轭聚合物-纳米晶体结构的光伏器件具有很多优点。
（3）纳米复合材料在化学化工领域中的应用
复合材料作为催化剂[33]，在纳米催化复合材料中，起主要作用的仍然是以纳米粒子形式的、高度分散的纳米主催化剂。尤其是将无机和有机材料复合制作催化剂，有研究者用溶胶-凝胶组装方法，制备得到Nafion/SiO2复合材料，Nafion分散于多孔SiO2中，粒子只有20-60nm，大大增大了Nafion的比表面积，酸中心的暴露百分数比普通Nafion提高数千倍，其在丁烯的异构化、配位反应、α-甲基苯乙烯的双聚反应中催化活性提高数十倍至数百倍。
对塑料进行纳米改性后，复合材料比单一塑料在力学、透气透水、耐热方面都有很大提高，并且产生很多塑料以前没有的性能。如有人用纳米碳酸钙对高密度聚乙烯改性，其冲击强度、弯曲强度都有很大的提高。复合材料在表面防腐及功能化中也有很多应用，如通过在塑料中或高分子材料中添加复合纳米粉，形成塑料或高分子基纳米涂料，例如在高分子基体中添加纳米二氧化硅可大大增加涂层的抗腐蚀能力。
复合材料在环保领域内也有很多应用，如石油脱硫处理用纳米钛酸钴，以半径为55nm-70nm的钛酸钴合成的催化活体多孔硅胶或以Al2O3陶瓷作为载体的催化剂，其催化效率极高，经它催化的油品中硫的含量小于0.01%，达到国际标准。在尾气治理方面，复合稀土化合物的纳米级粉体是一种新型汽车尾气净化催化剂[34]，纳米粉体有极强的氧化还原性能，它可以彻底解决汽车尾气中的CO和NOx的污染问题。又如纳米TiO2对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等有强的杀伤力。
（4）纳米复合材料在生物医药和健康卫生等领域的应用
可用在生物材料，如纳米药物载体，将水溶性不佳或难溶药物的分子制成囊状物或包在聚合物基质中加工成纳米复合材料，从而大大提高药物的利用率。有人采用葡萄糖包覆的氧化铁纳米微粒作为基因载体，发现其与DNA的结合力和抵抗DNA的能力大大提高。把抗肿瘤药物包覆到聚乳酸（PLA）纳米微粒上能减少内皮系统的吸收，使肿瘤组织对药物的吸收增加。
（5）纳米复合材料在纺织品中的应用
抗紫外型化纤，如用纳米TiO2添加至涤纶、维纶等化纤中纺成纳米复合材料可抗紫外。此外还制成为反射红外的化纤，如用纳米氧化锆和化纤复合可反射红外的复合材料。又如用
纳米氧化锌和化纤复合可制成抗菌的材料。
（6）纳米复合材料在其它领域的应用[35]
在能源领域的应用：利用纳米技术对已有的含能材料进行加工处理，使其获得更高的能量，例如纳米铁粉、纳米铝粉等；或者是利用纳米技术对新能源进行转化、利用。纳米粒子本身因其表面能高而储存大量的能量；纳米粒子表面活性大而吸附大量的其它含能物质（如氢气）。纳米粒子作为催化剂对原有能源释放形式和释放过程进行一定改变和加速，使被催化的原含能材料的能量释放更完全、更充分，从而达到提高能量的目的。纳米新能源材料一般以复合材料出现，如作为储能的碳纳米管复合材料既可以通过储氢来提高其能量含量，又可以作为固体推进剂的燃烧催化剂，还可以作为电极材料和氢燃料电池。
2 聚合物基纳米复合材料类型
聚合物复合材料具有优异的综合性能，广泛用于国民生产、国防科技、建筑、交通运输以及日常生活的各个领域。随着对聚合物材料性能要求的提高以及应用范围的进一步拓宽，很多复合体系，特别是传统的无机物填充的聚合物体系受到了很大限制。无机填料的细度、形状及表面结构等因素影响填料在基体中的分布以及与聚合物基体的界面接合，从而影响了材料的力学性能（如拉伸强度、伸长率、冲击强度等）和加工性能。一般来讲，随填充量增加，聚合物熔体粘度增大，加工变得困难，同时力学性能下降。无机填料的粒径超细化和表面活性化处理可以克服难分散、结合力弱、补强差的缺点。近几年来，随着纳米技术的发展，聚合物与纳米材料的复合成为材料研究领域的一大热点。纳米材料是指平均粒径小于100nm 的材料。纳米粒子具有很大的比表面积，与聚合物之间产生很强的界面相互作用，能够显著提高聚合物的性能[36]。
根据目前开发水平以及纳米分散相的性质，聚合物纳米复合材料主要包括聚合物-无机纳米复合材料和聚合物-聚合物纳米复合材料。其中，聚合物-无机纳米复合材料实现了有机与无机纳米尺寸范围的结合，兼备无机物和有机物的特性，制备方法相对简单，所以在聚合物纳米复合材料中占主导地位，主要包括聚合物/碳酸盐纳米复合材料、聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料、聚合物/金属纳米复合材料和聚合物/氧化物纳米复合材料等。
2.1 聚合物-无机纳米复合材料
2.1.1 聚合物-碳酸盐纳米复合材料
CaCO3、MgCO3、滑石粉等一直是塑料行业中常用填料，主要用作增量剂以降低材料成本，但是却严重影响材料的力学性能和加工性能，导致聚合物拉伸强度、耐冲击强度等性能下降，并且加工困难。许多研究表明，用碳酸盐纳米粒子填充聚合物体系却可以显著改善聚合物力学性能并保持优良的加工性。黄锐等[37]用纳米CaCO3填充改性HDPE，发现纳米CaCO3特别是经钛酸酯偶联剂处理的能够大大提高材料的冲击强度、断裂伸长率，填充量高达50%时，仍具有良好加工性与超细CaCO3相比，具有更加良好的综合力学性能和加工性能。类似结果，胡圣飞研究了粒径为1μmCaCO3和30nmCaCO3粒子填充PVC，PVC/ACR 体系的性能。结果表明粒径为1μm的CaCO3增强增韧效果不如30nm的CaCO3明显。
2.1.2 聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料（PLS）
1987年日本首先报道了用插层聚合法制备尼龙-6/粘土纳米复合材料，仅用4.2%（质量分数）就大幅度提高了尼龙-6的力学性能，引起了国内外关注。聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料（PLS）实现了无机相纳米尺度的均匀分散、无机/有机强界面结合、分子自组装并具有传统聚合物/无机填料无法比拟的优点,如优异的力学性能、热性能、气体阻隔性等，同时，插层技术是制备聚合物纳米复合材料的一种有效途径，因此聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料成为材料领域的研究热门。至今，已出现了聚酰胺/蒙脱土、PS/蒙脱土、PMMA/蒙脱土、PEO/蒙脱土、PP/蒙脱土、环氧树脂/蒙脱土、丁苯橡胶/粘土、硅橡胶/蒙脱土、聚氨酯/蒙脱
土等多种聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料[38]。
图1. 蒙脱土纳米复合材料结构图[38]
与传统聚合物基复合材料相比，聚合物-层状硅酸盐纳米复合材料具有如下优点[39]：（1）比传统的聚合物填充体系重量轻、成本低，只需很少重量分数（小于5%）的填料即可具有很高强度、弹性模量、韧性及阻隔性，而常规矿物、纤维填充的复合材料需要很高的填充量（多3-5倍），并且各项指标不能兼顾。（2）PLS具有优良的热稳定性及尺寸稳定性。（3）PLS的力学性能有望优于纤维增强的聚合物体系，因为层状硅酸盐（LS）可以在二维方向上起增强作用，无需特殊的层压处理。（4）由于LS呈片层平面取向，因此膜材具有很高的阻隔性。（5）我国LS资源丰富且价格低廉。PLS因为具有上述优点，所以国内外研究和开发非常快。美国Cornell大学、日本丰田研究中心及中科院化学所等报道了这一领域的许多新产品和制备方法并在理论研究和应用开发方面获得很大进展。
2.1.3 聚合物-氧化物纳米复合材料
氧化物主要为TiO2、SiO2等纳米粒子，它们与聚合物复合可以对聚合物进行增强、增韧及获得特殊功能。张金柱[40]等用表面处理的TiO2对HIPS改性，制备的纳米复合材料的拉伸强度、冲击强度、弹性模量、硬度等力学性能均比原HIPS有所提高，表现出纳米TiO2对HIPS的增强增韧效果，同时耐热性、阻燃性也得到提高。周重光用溶胶-凝胶法制备的SiO2/PC纳米复合材料，耐热性随SiO2 含量增加而增加，材料的玻璃化温度提高了20多度。另外，SiO2广泛用于电器、计算机、汽车等行业，纳米SiO2还具有良好的抗紫外线性能，与聚合物复合可改善老化性能。
2.1.4 聚合物-金属纳米复合材料
金属粒子主要是Au、Fe、Cu、Al等，聚合物与金属纳米复合可以改善聚合物的导电性、磁性、耐磨性。唐建国等利用原位生成法将铜混入丙烯氰-丙烯酸甲酯的共聚物中，制成了具有一定导电性的复合电极。
2.2 聚合物-聚合物纳米复合材料
通过熔融共混、原位复合及原位生成等方法，将纳米尺度的刚性高分子混入柔性高分子中，可显著提高柔性高分子的强度、模量等性能，是高分子共混改性的有效手段。由于受制备工艺、聚合物特性等条件限制，这方面的报道不多。
2.2.1 聚合物-聚合物分子复合材料
所谓分子复合是指用刚性高分子链或微纤作为增强剂，均匀的分散在柔性高分子基体中，分散程度接近分子水平，具有高模量、高强度的聚合物/聚合物复合材料。分子复合的微区尺寸较一般的纳米复合材料小，是更为精细的纳米复合材料。比传统纤维增强的复合材
料，消除了界面粘接问题、增强剂与基体树脂的热膨胀系数不匹配问题，并具有加工技术适用广泛、加工成本低等优点，利用较少量的刚性棒状高分子与柔性基体复合即可达到最佳增强效果，分子复合材料的加工方法基本上可用基体聚合物的成型加工方法，但为了达到最大限度的分子水平的分散，一般用溶液共混法制备[41]。王玉东等进行了PPTA/尼龙-1010分子复合材料的研制。但需要合适的共溶剂，并受溶液粘度限制，所以开发应用进度缓慢。
2.2.2 聚合物-液晶聚合物原位复合和原位聚合复合材料
原位复合是将热致液晶聚合与热塑性树脂熔融共混，用挤出、注塑方法进行加工，由于液晶分子具有易取向的特点，液晶微区沿外力方向取向形成微纤结构，熔体冷却时，微纤结构被原位固定，称为原位复合，当形成的微纤直径小于100nm时，即称作纳米复合材料。黎学东等详细研究了原位成纤复合材料的原理、材料的性能和形态分布。
原位聚合是[42]在柔性高分子基体（或其单体）中溶解刚直棒状聚合物，使其均匀地分散在高分子基体中而形成原位分子复合材料，是使刚性高分子链均匀分散的一种分子复合的新途径。白崇武等用低分子量尼龙-6作为基体树脂，以芳香族二醛和芳香族二胺原位缩合形成刚性分子聚合物作为增强剂制备了分子复合材料，材料的拉伸强度和模量均得到了提高。
2.2.3 纳米级聚合物微纤/聚合物复合材料
利用模板聚合，将有纳米级尺寸微孔的聚合物浸入另一种单体和氧化剂中，使单体溶胀于纳米级微孔中，用一定引发剂或别的聚合方法使单体在微孔中形成微纤或中空的纳米管，从而形成增强的聚合物/聚合物复合材料。
3 聚合物基纳米复合材料制备方法
聚合物基纳米复合材料的制备方法主要有以下几种[43]：
（1）纳米颗粒填充法
直接颗粒填充法是一种简单易行的方法，它是将纳米粉体直接填充到聚合物基体中。可供选择的纳米单元种类多，其混合的形式可以是溶液、乳液、熔融等共混。如利用反相胶乳制备纳米TiO2粒子，在N-甲基吡咯烷酮（NMP）中与聚酰亚胺溶液共混，制备出纳米TiO2/PI （聚酰亚胺）复合材料。但这种方法存在一定的缺陷，即所得复合体系的纳米单元空间分布参数一般难以确定，且纳米微粒易于团聚，纳米相在有机聚合物基体中产生相分离，影响复合材料的物理性能。可以通过表面改性改善纳米微粒的分散性来克服这个缺点。采用聚合物对纳米CaCO3进行表面改性，可以增强纳米CaCO3与高分子基体之间的相容性，改善界面之问的相互作用，提高纳米CaCO3在基体中的分散程度。例如CaCO3经混合溶剂稀释的钛铝酸酯复合偶联剂处理，与聚乙烯制成纳米CaCO3树脂母料。当含有5％左右的纳米CaCO3时，聚乙烯复合材料具有最佳的力学性能。
（2）纳米微粒原位合成法
此法是利用聚合物特有的官能团对金属离子的络合吸附及基体对反应物运动的空间位阻，或是基体提供了纳米级的空间限制，从而原位反应生成纳米复合材料，常用于制备金属、硫化物和氧化物等纳米单元复合高分子的功能复合材料。生成纳米单元的前驱体可以是有机金属化合物，也可以是高分子官能团上吸附（如螯合等）的金属离子等。纳米单元生成的反应方式有辐射、加热、光照、气体反应和溶液反应等多种形式。
利用聚合物离聚体，如共聚物的磺酸锌盐、丙烯酸铅离聚体溶胶在良溶剂中与H2O反应，可制备多种金属硫化物的纳米复合材料：在含有银盐的聚乙烯醇水溶液中，以CS2为硫源，通过水热法合成了Ag2S/聚乙烯醇纳米复合材料，球形的纳米Ag2S的粒径为80-120nm。利用聚合物离聚体经化学还原制备纳米氧化铁高分子复合材料，以乙烯吡啶的均聚物，衣康酸和丙烯酸的共聚物，与铁盐溶液反应，成膜，形成各种复合铁离子聚合物，后经肼还原，
制得磁性纳米Fe3O4的复合材料，这种材料既具有纳米铁离子的性能，又具有高分子材料易加工成型的特点。原位合成法不仅单独应用在制备纳米复合材料中，而且可以和其它方法联用，例如溶胶-凝胶法、插层法等来达到制备目的。
（3）聚合物基体原位聚合法[44]
此法主要是在含纳米微粒的有机单体的胶体溶液中，有机单体在一定条件下原位聚合生成有机聚合物，形成分散了纳米微粒的复合材料。这种方法的关键是保持胶体溶液的稳定性，胶体粒子不发生团聚。表面改性过的纳米材料具有形成稳定胶体的性质，一般表面改性的方法有：偶联、接枝和嵌段聚合、胶囊化聚合、使用相容剂等几条路线。例如利用NaBH4还原HAuC l4得到纳米金粒子，再包裹上一层十二烷基硫醇进行表面功能化，不仅阻止了Au 粒子的团聚，而且其烃基可增强Au粒子与许多聚合物单体的聚合。例如，将这种修饰的纳米金微粒加入到甲基丙烯酸甲酯（MMA）单体中，引发聚合得到Au/聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）纳米复合材料。
对于无机粒子SiO2而言，常常使用硅烷类偶联剂对SiO2进行改性处理。尚修勇等在用溶胶-凝胶法合成PI/SiO2纳米复合材料的过程中，用紫外-可见光谱、红外光谱、扫描电子显微镜等手段研究了硅烷偶联剂对复合材料微观形态结构以及密度、溶解性等性能的影响。研究结果表明，偶联剂的加入对两相间起到很好的增容作用，使得SiO2无机粒子分散更加均匀，在宏观上表现为透明性提高，所得PI/SiO2纳米复合材料的溶解性有明显改善，而且随偶联剂加入量的增加效果更加显著。另外PI/SiO2纳米复合材料的密度也随偶联剂量的增加而增大。日本的尼桑化学公司[45]采用特殊的分散剂将纳米级SiO2分散在甲乙酮或甲基异丁基酮溶剂中，SiO2的粒径为10nm左右，在溶剂中没有团聚，在这种情况下，Zoran将这种SiO2胶体溶液与合成聚氨酯单体的甲苯2,4-二异氰酸酯（TDI）、1,4-丁二醇（BD）、聚四氢呋喃（PTMEG）进行原位聚合，得到了拉伸强度、模量、硬度均高的分散均匀的透明聚氨酯纳米复合材料。
（4）两相同步原位合成法
此法是指纳米材料和高分子基体同步原位形成纳米复合材料，主要包括插层法和溶胶-凝胶法。插层法插层法制备纳米复合材料的原理[46]是：将聚合物单体或聚合物预聚体插入经插层剂（有机化改性剂）处理的层状硅酸盐片层之间，进而破坏硅酸盐的片层结构，使其剥离成厚约为1nm、面积约为100nm-100nm的层状硅酸盐基本单元，以实现高分子与黏土类层状硅酸盐在纳米尺度上的复合。
现在广泛使用的黏土是蒙脱土，它的化学成分是A12O3·4SiO2·3H2O，理论上各组分的质量分数为：SiO2 88.7%，A12O3 5.3%，H2O 5%。插层法合成复合材料的关键是如何将层状硅酸盐剥离成纳米级的片层结构，而且如何克服亲水性的硅酸盐片层与亲油性的高聚物的不相容性。Fukushima和Inagaki在1987年首次使用有机胺阳离子与蒙脱土中的钠离子等金属离子进行离子交换反应，使黏土有机化，从而与插层的有机聚合物或有机小分子化合物有了良好的亲和性，这样有机化合物可以较容易地插层到黏土的层间。在形成离子键的同时，由于烷基很大，还产生了烷基与黏土的范德华力，具有比较大的物理吸附。正是由于这些强有力的结合力，有机蒙脱土在比较苛刻的插层工艺中仍具有很好的稳定性。蒙脱土纳米复合材料包括插层型（intercalatd）和剥离型（exfoliated）两种类型[47]，其中剥离性又分为有序和无序两种。由于高分子链运动特性在层间的受限空间与层外自由空间有很大差异，插层型PLS 纳米复合材料可作为各向异性的功能材料，而剥离型PLS纳米复合材料具有很强的增强效应，是理想的强韧型材料。
插层型纳米复合材料使通用塑料高性能化。1993年，Usuki等在有机化后的硅酸岩片层间聚合成尼龙6硅酸盐片层，尽管硅酸盐的质量分数只有4.2%，但此复合材料相对于纯尼龙拉伸强度提高了50%，拉伸模量增加了1倍，热变形温度提高了85℃，而且明显提高了
尼龙6的稳定性和抗阻燃性。插层型纳米复合材料现已应用在商业上和工业上，丰田汽车公司已成功地将尼龙6/黏土与聚丙烯/层状结构硅酸盐纳米复合材料应用于汽车。
溶胶-凝胶法作为一种传统方法，该法在纳米材料的制备方面引起了材料学家的浓厚兴趣[48]。它是采用特定的纳米材料前驱体在一定条件下水解，形成溶胶，然后经溶剂挥发及加热等处理，使溶胶转变成网络结构的凝胶，再经过适当的后处理后形成纳米材料的一种方法。溶胶-凝胶技术是制备纳米材料的特殊工艺，它不仅从纳米单元开始，而且在纳米尺度上进行反应，最终制备出具有纳米结构特征的材料。通过溶胶-凝胶法形成的复合材料消除了纳米微粒相分离的可能性，在材料的结构上具有纳米杂化的微观现象。并且可在分子水平控制结构，制得具有独特结构的高均匀度的复合组分凝胶和产品，真正能够将无机物与有机物混杂在一起，形成具有热力学稳定性的复合材料。
最常用的有机金属化合物是金属醇盐M（OR）n，M表示Si、B、Ti和Al等可以形成网络结构的金属元素，R表示烷基。例如，原硅酸乙酯（TEOS）是最早用于制备纳米复合材料的无机组分的前体，在溶胶-凝胶过程中，TEOS首先在催化剂的作用下水解，形成可缩聚的水解物；然后，水解后的化合物在聚合物前体中形成凝胶，聚合物前体聚合与无机水解物缩聚同时进行。这样，有机聚合物形成连续相，无机缩聚物形成非连续相，获得纳米聚合物复合材料。早在1998年，Matejka采用溶胶凝胶技术将TEOS作为纳米微粒前体制备纳米级SiO2，作为橡胶的加强剂，明显改善了橡胶的力学性能。同时，也可对纳米微粒前体采用非水性的自催化水解方式来制得纳米微粒。例如，Hsiue在制备纳米SiO2聚酰亚胺复合材料时，在聚酰亚胺溶液中将苯基三乙氧基硅进行缩聚反应，三乙氧基硅基团自催化水解，形成了SiO2质量分数高达45%的透明聚酰亚胺复合材料。
4 聚合物基纳米复合材料的性能特点
4.1 力学性能
在聚合物材料中加入无机填料的一个主要目的就是提高材料的力学性能，加入高模量的无机粒子可以很显著的提高聚合物材料的模量和强度。在传统的复合材料中，由于大尺寸无机粒子会产生明显的应力集中效应，模量和强度的提高往往带来延展性、韧性的降低，有的时候甚至会导致冲击强度的减弱。相比而言，聚合物纳米复合材料在这方面有着巨大的优势，基于纳米粒子的尺寸不会引发较大程度的应力集中，无机粒子分散良好的聚合物纳米复合材料在提高材料模量和强度的同时还可以保持甚至提高材料的韧性。另一方面，纳米复合材料的巨大界面面积可以提供我们改变整个材料性能的众多途径。利用纳米粒子的表面与界面效应特性，可同时提高聚合物基有机或无机纳米复合材料的刚性与韧性。实验表明，在抗冲击强度达到最大值的同时，拉伸强度变化不大，而且该配比体系的塑化性能得到显著改善，塑化时间明显缩短。常见的工程塑料尼龙中如果掺入纳米蒙脱土，其力学性能将大大提高。4.1.1 模量和纳米粒子的载荷能
传统复合材料中，材料的模量可以通过有机无机两相的模量进行预测，模量变化的机理是载荷传递，当高模量的无机粒子填充到低模量的聚合物中时，载荷由聚合物向无机粒子进行传递，这样材料宏观表现为模量的增加。对于聚合物纳米复合材料，无机纳米粒子和聚合物链具有相同的尺寸，有些粒子具有原子级平整度的表面很难接枝聚合物链，情况相对复杂。当材料发生一定应变时，无机纳米纤维所受到载荷高于聚合物，所以应力由聚合物本体向纤维传递。在纤维的末端或者断点上，纤维不承受载荷，应力只能通过剪切力在有机无机相界面进行传递，传递速率由界面所能承受剪切力的大小所控制，这就是为什么界面区域可以控制材料模量的原因。界面所能承受的剪切力越大、应力传递路径越短，应力传递的效率就越大，材料的模量也就越高。对于纤维状无机纳米粒子，长径比越大的纤维所能承受最大载荷越大，复合材料的模量越高[49]。
另外一类机理表明，无机粒子可以阻碍聚合物链运动、链松弛，改变聚合物本体的玻璃化转变温度和模量，也可以通过无机粒子改变聚合物结晶性来改变模量，这两种机理对于不同类型的纳米无机粒子有所不同。如三维等轴无机纳米粒子，复合材料由于无机粒子的加入，模量和强度的改变很明显，如PMM刀氧化铝由于有机无机相之间存在的是弱相互作用，复合材料的模量有所降低；但是在聚苯乙烯/二氧化硅复合体系中，由于无机粒子的表面接枝了聚合物链，存在强相互作用，材料的模量有所增大。除了无机粒子对复合材料的增强作用外，模量的增加与降低还与聚合物链的活动性有关，有机无机相之间强相互作用会使复合材料玻璃化转变温度增大，弱相互作用会使玻璃化转变温度降低，所以可以用玻璃化转变温度间接估计模量的变化。
4.1.2 韧性
由于大尺寸粒子或者无机粒子团聚会产生应力集中效应，缺陷会从无机粒子处产生并迅速变大，超过临界断裂尺寸，导致整个复合材料破坏，所以传统的微米级复合材料虽然可以有效的提高材料的强度但是其韧性很差，大大限制了应用领域[50]。分散良好的纳米无机粒子的尺寸远小于聚合物断裂的临界尺寸，不会引发缺陷，所以聚合物纳米复合材料在提高材料强度和模量的同时还可以保持其韧性。纳米无机粒子正确的分散性是保持复合材料韧性的关键因素，在全剥离的聚丙烯/粘土体系中，当有机土含量达到3%时，材料的断裂伸长率还可以保持200%以上，但是如果只要体系中发生很小程度的无机粒子团聚行为，其断裂伸长率就会锐减至5%-8%。又如在聚酰亚胺本体中，同样含有l%有机蒙脱土，粘土片层非全剥离复合材料的断裂伸长率比起全剥离材料的下降了72%，随着蒙脱土量的增大，团聚行为增大，复合材料的断裂伸长率降低。很多纳米复合材料体系都有一个无机粒子含量的最佳值，超过这个值，都会使聚合物本体中的无机粒子产生一定程度的团聚行为，导致材料的断裂伸长率的降低。
虽然纳米粒子不会产生大的应力集中效应导致韧性降低，但是也不会明显的提高韧性，材料的韧性可以定义为产生断裂的能量，它与材料的形变能力有关，也与材料中可以发生形变的体积有关。橡胶增韧是一种可以显著提高聚合物材料韧性的方法[51]，对于脆性聚合物，根据应力发白现象可知，橡胶粒子起到应力集中体的作用，诱发多重银纹产生，消耗大量的能量从而使材料变韧，其增韧机理有多重银纹机理：低模量的橡胶粒子在其赤道区诱导基体银纹成核并进一步扩展，通过银纹支化作用，橡胶相可以终止银纹的扩展。另一种银纹化/剪切屈服理论表明银纹可以引发剪切带，剪切带可以终止银纹，阻止其扩展成为裂缝。对于韧性聚合物材料，存在一个脆韧转变，橡胶增韧的主要机理是空洞化损伤诱导产生剪切屈服损伤，基体在应力场下产生银纹-空洞化，空洞化损伤诱导剪切屈服损伤，能耗密度和损伤区域成倍增大，耗散大量能量，提高韧性。对于聚合物纳米复合材料而言，纳米无机粒子的作用与橡胶粒子相似，纳米粒子均匀的分散在聚合物基体中，当基体受到冲击时，无机粒子与聚合物基体之间产生银纹；同时粒子之间的基体一也产生塑性变形，吸收冲击能，从而达到增韧的效果。随着纳米粒子粒度变细，粒子的比表面积增大，粒子与聚合物基体之间接触面增大，材料在受到冲击时，会产生更多的银纹和塑性变形，从而吸收更多的冲击能，提高增韧效果。当无机粒子加入量达到每一临界值时，粒子之间过于接近，材料受冲击时产生银纹和塑料变形太大，几乎发展成宏观应力开裂，从而使韧性降低。对于有机无机两相之间相互作用较弱的韧性聚合物基体，无机粒子可以产生空洞诱导剪切屈服，产生剪切带并加厚，如蒙脱土填充的聚丙烯和尼龙6体系[52]，分散良好的蒙脱土在复合材料中可以增强空洞化作用，增大韧性。对于脆性聚合物基体来说，有机无机两相弱相互作用的PMMA/氧化铝体系的韧性比本体可以提高10倍。
4.1.3 玻璃化转变和松弛行为
聚合物纳米复合材料具有非常大的界面区域，聚合物与无机粒子之间的相互作用对聚合
物链的运动和动态松弛有各种不同的影响。如插层在近晶型粘土中的聚苯乙烯分子比本体具有更好的运动性，这可能与分子链在层间的分布有关，聚合物链在粘土层间的低密度区域中的运动自由度高于在聚合物本体中的高密度区。但是如果聚合物链粘附在粘土上，粘土片层会限制聚合物链的运动，松弛时间变慢，松弛谱变宽。对于等轴纳米粒子，聚醋酸乙烯酯/二氧化硅复合材料的研究表明[53]，纳米粒子在复合材料中形成了一个弱网络结构，聚合物链在此网络结构中具有物理缠结和陷阱缠结作用，相比于简单的区域受限作用，这样的网状作用对聚合物粘弹性具有更为明显的远程控制作用。另一个改变聚合物链活动性的例子是金纳米粒子填充的聚叔丁基丙烯酸酯，当纳米粒子的尺寸小与10nm时，金粒子体积含量30%的低分子量聚合物复合体系的粘度较纯聚合物可以大大提高，这是由于聚合物链和无机粒子之间形成化学键，在界面区域内大大限制了聚合物链段的活动性。
虽然影响聚合物链动态粘弹性的机理现在尚不完全清楚，但是通过控制聚合物纳米复合材料界面区域内聚合物链的活动性可以控制整个复合材料的流变性质和玻璃化转变温度却是显而易见的。例如，在粘土插层的聚合物复合材料中可以发现玻璃化转变消失的现象，这表示粘土片层限制了聚合物链的协同运动能力[54]，但是如果粘土片层是全剥离的状态，聚合物链运动就不受粘土限制，玻璃化转变温度变化不大。
如果不考虑受限作用，当聚合物链牢牢束缚在无机粒子上时，聚合物复合材料的玻璃化转变温度必将提高，如粘土填充的尼龙，聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯，聚酰亚胺等可以提高10度，全剥离的聚苯乙烯/石墨纳米复合材料可以提高近30度；三维等轴无机纳米粒子填充的聚合物复合材料中，碳酸钙质量含量6%的聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化温度可以提高35度，二氧化硅填充的聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化转变温度也有所提高。
如果聚合物本体和无机粒子之间存在弱相互作用，那么复合材料的玻璃化转变温度可以降低，如二氧化硅或者氧化铝填充的聚甲基丙烯酸甲酯体系。进一步的研究表明，如聚甲基丙烯酸甲酯/纳米氧化硅复合材料，玻璃化转变温度只有在无机粒子含量达到一个临界值时才会发生降低。另外对无机粒子表面进行改性，使其与聚合物本体具有更好的相容性也可以消除玻璃化转变温度降低的现象。
4.2 热稳定性和三维尺寸的稳定性
早在1965年人们在研究聚甲基丙烯酸甲酯/蒙脱土纳米复合材料中就发现纳米粘土片层可以有效的增加聚合物的对热稳定性[55]，蒙脱土质量含量10%的PMMA的热分解温度与纯聚合物相比提高了50度。近来，同样蒙脱土质量含量10%的PDMS的热分解温度可以提高140度，粘土插层的聚乙烯的热分解温度可以提高50度，粘土片层剥离程度高的聚合物/粘土纳米复合材料与插层或者传统直接填充的复合材料相比具有更高的热分解温度。一些推测认为聚合物复合材料热稳定性的提高与复合材料的阻隔性能有关，当氧气不能渗透入材料内部时，整个材料就不会被氧化。另外，无机相在复合材料中可以作为自由基的接收体，避免聚合物链的分解。
材料三维尺寸的稳定性在很多材料应用上都很重要，聚合物纳米复合材料可以改善材料由于温度、环境所引起的尺寸上的不稳定性。纳米无机粒子可以显著影响聚合物的热膨胀系数（CTE），纳米复合材料所显示出来的热膨胀系数是有机聚合物热膨胀系数与无机粒子热膨胀系数的综合表现。在传统复合材料中，低体积含量时，随着无机粒子的加入，聚合物材料热膨胀系数会发生线性的变化。而对于纳米复合材料，如聚酰亚胺/全剥离蒙脱土体系，聚合物材料热膨胀系数的变化呈现出非线性行为。这种三维尺寸非线性的变化也发生在纳米粒子填充的橡胶体系中，这些都与纳米粒子周围的界面区域有关，无机粒子和有机聚合物之间相互作用强度越大，对三维尺寸的影响就越大。
4.3 渗透和阻隔性能
纳米复合的方法可以有效的降低气体和液体对聚合物的渗透作用，复合材料可以用来做
一些具有应用价值的膜材料。层状纳米无机粒子填充的聚合物材料中，无机粒子的长径比越大，气体液体渗透性越低，如对于全剥离的层状粒子填充的复合材料中，无机粒子质量含量在2%时渗透性降低最大。聚合物纳米复合材料的阻隔性能与无机粒子在聚合物本体中的分散性和分布情况有直接关系，粘土填充的聚对苯二甲酸乙二甲酯、尼龙、聚已内酯的气体液体渗透性均有明显降低[56]。对于聚已内酯/粘土体系，渗透性的线性下降，而对聚酰亚胺体系渗透性的下降是非线性的。
一些纳米复合材料已经商业化生产用来做阻隔材料，英国帝国化学公司（ICI Corporation）生产出一种PET/蛭石粘土的复合材料，其对氧气有明显的阻隔性能，氧气的渗透值远小于1ccm-2d-2，与纯PET材料相比有明显的改善。Ube工业公司生产出一种比纯尼龙材料渗透性低100倍的尼龙/粘土材料。Nano Material Hic公司报道了一种7nm粒径二氧化硅和二氧化钛填充的PV A/EVOH复合材料，气体渗透值在1ccm-2d-2，左右、水气渗透值小于1gm-2d-l。纳米复合对于聚合物材料吸水性的也有很大的影响。例如尼龙类聚合物由于吸水性较强，导致材料的力学性能的下降，当尼龙中加入重量分数5%的全剥离蒙脱土时，材料30分钟的吸水率可以从2%降为1%。
4.4 电学和光学性能
纳米复合材料所显示出来的电学和光学上的诸多特性现在越来越引起人们的关注，纳米无机粒子的尺寸很小，不受瑞利散射的限制，可以在透明的聚合物本体中保持其固态的物理性质。如果在聚合物本体中加入一些具有电学特性的无机纳米粒子如石墨、碳纳米管等，都会使整个复合材料显示出电学方面的特性。
4.4.1 电阻、介电常数和击穿强度
纳米无机粒子对于材料的电学性能的影响与其它填料有所不同[57]。第一，与聚合物本体相比，无机纳米粒子的电学性能会更容易产生变化，所以量子效应在聚合物纳米复合材料中变得重要。第二，当无机粒子体积含量一定时，粒子尺寸越小，粒子间的距离也越小，所以逾渗结构在无机粒子低含量时就能实现。从几何角度出发，我们很容易理解此类现象，例如与一般石墨填充聚合物材料相比，长径比很大的碳纳米管和全剥离石墨在聚合物本体中可以以很低的含量形成逾渗的网络结构，带来材料导电性能上的提高。另外，随着导电无机粒子的加入，聚合物纳米复合材料电阻降低的速率与传统微米复合材料相比也较低，这可能与纳米复合材料具有很大的界面区域和较高的界面阻抗有关。
聚合物材料的介电常数可以通过加入一些微米或者纳米尺寸的金属氧化物填料来得到提高，但是微米尺寸的填料在实际应用时会导致材料电击穿强度的明显降低，相比而言，无机纳米粒子的使用的一个优势就是不会带来电击穿强度的明显下降。氧化锌填充的低密度聚乙烯体系，同样氧化锌质量含量50%的时候，纳米尺寸氧化锌填充的材料的电击穿强度比亚微米尺寸氧化锌填充的高10%。
4.4.2 光学透明性
由于聚合物复合材料中无机粒子的存在，对可见光具有很强的散射作用，所以在提高聚合物其它方面性能的同时，光学透明性有所降低。根据瑞利散射定理[58]，要减少散射作用，无机粒子的尺寸越小越好，折射率与聚合物本体越接近越好。无机纳米粒子的尺寸低于可见光的波长，因此可以得到一些光学透明性非常好的复合材料，尤其在无机粒子含量较低的时候。例如，十二烷基甲基丙烯酸改性的PMMA加入质量分数10%斑脱土时还可以很好的保持材料的透明性；同样质量含量2%有机粘土的聚酰亚胺体系，粘土片层全剥离状态的复合材料的透明性要比非全剥离状态的复合材料高很多，光学透明的聚氨酯纳米复合材料也有文献报道制备成功。
4.5 其它性能
由于纳米粒子粒径小，表面分率高，对不同波长的光线会产生不同的吸收、反射和散射
等作用，因此，用纳米TiO2、SiO2、ZnO等颗粒填充于塑料中，可显著提高塑料的紫外线吸收性，从而提高户外塑料的耐候性。此外，纳米TiO2、Fe2O3、ZnO等半导体纳米粒子加入树脂中可获得良好的静电屏蔽性，而且可以改变材料的颜色。选用适当的纳米粒子添加到塑料中还可以制得吸波材料，用于隐形材料的生产[59]。
复合材料的性能是由组成复合材料的各相材料性能、界面及其微观结构所决定的，因此复合材料可通过调整微观性能参数及结构设计来达到其宏观所需的性能。复合材料中每一组份材料的弹性常数和复合材料内部的微结构特征（如形状、几何尺寸等）是影响复合材料的等效弹性常数的主要因素。人们一直不断寻找建立相关模型，例如聚合物基纳米复合材料跨层次本构理论模型（如图2），从而建立复合材料的宏观性能与其细观结构的关系[60]。
图2. 聚合物基纳米复合材料的多尺度模型[60]
5 聚合物基纳米复合材料的应用
聚合物基纳米复合材料具有广阔的商业开发和应用前景。其应用研究主要关注[61]：一是纳米粒子分散性问题，这要从纳米粒子的生产环节，通过对纳米粒子的表面改性，赋予其亲水或亲油性质，以保障在水性或油性介质中具有一定的可溶性。选择适当的纳米粒子表面改性剂，使纳米粒子无法形成硬团聚，而只以软团聚的形式存在，只有满足上述条件，纳米粒子在聚合物基体中才会有效均匀分散。二是对分散工艺的研究，包括分散剂、分散介质的酸碱度、分散动力等工艺因素。在纳米粉体应用研究中，纳米技术与传统产业的结合是很重要的方面，在不改变传统产品生产工艺的前提下，开发纳米粉体的分散技术有现实的必要性。三是纳米微粒用量与复合材料性能间的关系，即保持、增益复合材料的性能与成型加工性能等。除了特种纳米复合材料以外，通用纳米复合材料的生产研究要考虑到经济效益。当加入少量的纳米粒子，复合材料的性能就能有明显的增益，同时不对加工成型性产生影响，这样的聚合物基纳米复合材料才是市场所需要的。
聚合物基纳米复合材料的应用关键在对特种纳米粉体材料性能的研究，如功能性、特明性、分散性等，提高其在基体材料中的分散性、高性能比、浅色或透明性，使纳米材料与聚合物基体具有适配性，从而获得具有特殊功能的均一的复合材料。
高分子材料正向高性能化、功能化、智能化发展[62]。聚合物基纳米复材的研究重心是在功能性纳米复合材料，通过原位合成技术得到具有光学、电磁学、物理化学等功能性的聚合物基纳米复合材料。其在电子器件、航空航天器件、精密机械、化学反应工程等领域具有广泛的应用前景。例如：两根半导体纳米线交叉接触时，在电流作用下能成为纳米级别的发光二极管，如果用聚合物基体作为其载体，这样的二极管将有很强的实用潜力。
具体而言，聚合物基纳米复合材料的应用领域包括作为催化剂，制备热稳定性及力学性
能优良的纳米复合材料，导电和光学应用等方面。
5.1 作为催化剂的应用
聚合物基纳米复合材料作为光催化剂有许多优点[63]。首先是其中的纳米粒子粒径小、比表面积大、光催化效率高、化学反应活性高；其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的变化；第三，纳米粒子以高聚物作为基体，既能发挥纳米粒子的高催化活性和选择催化性，又能通过高聚物的稳定作用使之具有长效稳定性。常用的纳米粒子催化剂主要是金属粒子，有贵金属（Pt、Rh、Ag、Pd等）和非贵金属（Ni、Fe、Co等）。另外一些金属氧化物，如TiO2等具有光催化性能，这些粒子可以负载在多孔树脂上或沉积在聚合物膜上，从而得到纳米粒子/聚合物复合材料催化剂，如Ni/PEO用作烯烃催化加氢等。有一种新型负载型催化剂利用溶胶．凝胶技术，制备出一种夹在疏松的多孔SiO2骨架上的纳米粒子树脂（Nafion 树脂）作为强酸性催化剂，可大大改善酸性基团参与反应的能力。
5.2 制备热稳定性及力学性能优良的纳米复合材料
由于纳米粒子的同步增韧增强效应，使得聚合物的力学性能显著提高。添加1%-2%的纳米TiO2可以明显改善PP材料的抗冲击性能，粒径为10nm的TiO2/PP（聚丙烯）复合体系的熔融挤出薄膜是半透明的，力学性能比纯PP有较大提高，弯曲模量提高20%，冲击强度提高40%。纳米SiO2/聚酰亚胺（PI）复合材料，较PI有较高的热稳定性和模量，热膨胀系数显著下降，含纳米10%的SiO2时，复合材料的拉伸强度为PI的1.5倍，30%时断裂伸长率为PI的3倍。含4%纳米SiO2的乙烯-乙酸乙烯酯共聚物（EV A）拉伸强度为纯EV A的2倍[64]。纳米SiO2对塑料不仅起补强作用，而且具有许多新的特性。由于它透光，粒度小，可使塑料变得更致密，使塑料薄膜的透明度、强度和韧性、防水性能极大提高。将纳米Al2O3加入橡胶中可以提高橡胶的介电性和耐磨性，在有机玻璃中添加纳米Al2O3既不影响透明度又提高了高温冲击韧性。用这些纳米粒子可制作功能复合镀层，极大地改善镀层的摩擦学性能。组装纳米结构涂层与传统热喷涂涂层相比，在强度、韧性、抗蚀、耐磨、热障、抗热疲劳等方面都有显著改善，且一种涂层可同时具有上述多种性能。纳米材料的高流动性和小尺寸效应可使与有机材料复合的材料的延展性提高，摩擦系数减小，材料表面光洁度大大改善。利用纳米材料的高介电性，可以制成高绝缘性能的玻璃钢等。POSS纳米结构化学品可以认为是SiO2最微细的颗粒。POSS单体（Si8O12R8）具有较大的三维骨架（直径约为1.5nm，相对分子质量可高达1000），分子呈笼形结构，其中含若干不参加反应的惰性取代基，使POSS纳米结构与聚合物、生物体系兼容；另外还含有一个或一个以上的活性基团，可以进行接枝、聚合或其它转换处理。Neumann等[65]将POSS与异丙烯基二甲基苄基异氰酸酯进行氢化硅烷化，得到表面官能团化的带有8个异氰酸酯基的有机POSS大分子体，见图3。用于制备聚氨酯基POSS杂化材料，发现这种纳米杂化材料表现出极好的阻热性能，热稳定性大大提高。
图3. 有机POSS大分子体示意图[65]（图中核心代表POSS的Si8O12部分）
5.3 导电性应用
因导电聚合物纳米复合材料集聚合物自身的导电性与纳米颗粒的功能性于一体，具有极强的应用背景，从而迅速地成为纳米复合材料领域的一个重要研究方向[66]。美国Sussex大学的Armes研究小组首先以无机纳米微粒SiO2作为分散剂制备出呈胶体状态分散的聚苯胺/纳米二氧化硅（PANI/SiO2）的复合材料，以此改善导电聚合物的加工性。Ray等用胶体SiO2作粒子分散剂合成了聚（N-乙烯基咔唑）/SiO2（PNVC/SiO2）纳米复合材料。使用经FeCl3处理的胶体SiO2粉末作分散剂，让NVC在苯中聚合，经后处理得到的胶体纳米复合材料具有“木莓形貌”，表现出比PNVC高的热稳定性和电导率。日本松下公司研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，利用具有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO等做成涂料。由于该涂料具有较高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用。
5.4 光学应用
粒子间相互作用引起的协同效应对光学性能影响显著，局域场强烈起伏也造成复合材料非线性光学效应的增强[67]。例如离子交换原位制备CdS/Nafion的简并四波混频（DFWM）效应；另外当纳米粒子分散在高聚物基体中时，由于介电局域效应，即高聚物基体（通常折射率较低）和半导体或金属粒子（通常折射率较高）折射率不同，在光照射下，粒子表面附近（包括内、外层）的场强由于折射率变化造成的边界效应而增大，从而引起高分子纳米复合材料特异的光物理性能。此外，对于具有低的功函数的纳米粒子/聚合物体系，存在大的粒子/基体界面，易于在基体中产生光致载流子。例如纳米CdSe粒子/聚合物纳米复合材料不论粒子含量高低（阈值前后）都呈高光电导性，可以用于电子照相（EP）和光热塑（PTP）记录介质。总之，可以通过改变粒子的含量、尺寸、形状及表面化学性质，改变复合材料的光学性质，包括光敏性、透光性、光学密度、非线性光学系数等。Zhang等利用聚对苯乙烯磺酸钠（PSS）和聚二丙烯基二甲基氯化铵（PDDA）基体中的磺酸基和铵基与Cd2+的吸附络合作用引入Cd2+，再与硫代乙酰胺作用得到了CdS/PDDA和CdS/PSS的复合材料。以三聚氰胺甲醛（MF）微球为模板，采用静电层自组装的方法，制得聚电解质CdS/PDDA和CdS/PSS为壳层，MF微球为核，具有稳定荧光性能的CdS/聚电解质核壳式复合微球。如图4所示。
图4. 制备具有荧光性能的CdS/聚电解质核壳式复合微球的示意图[67]
6 聚合物基纳米复合材料的性能改善及改性机理
6.1 增强增韧
与传统的复合材料相比，聚合物基纳米复合材料表现出了更好了增强增韧效果。在纳米粒子复合材料中，基体为连续相，是承载主体，其强度主要取决于基体、界面、纳米粒子的均匀分散性，也与纳米粒子的粒度、纳米微粒与聚合物的相容性、结构匹配性、极性的匹配性等。界面相容性、界面相互作用程度和界面层厚度都会影响材料的最终性能[68]。
以前广泛采用的聚合物增强增韧方法主要是[69]：脆性塑料中加弹性体粒子，韧性提高但是拉伸强度降低；聚合物材料中加入增强纤维，可大幅度提高拉伸强度，但冲击强度、断裂伸长率下降；液晶聚合物可使拉伸强度、冲击强度改善，但断裂伸长率下降；普通无机填料补强效果差，并且韧性、加工性变差。纳米级粒子改性聚合物却使三种力学性能及加工性能同时改善。胡圣飞[70]等研究了纳米CaCO3（平均粒径30nm）和轻质CaCO3对PVC/CPE 体系力学性能的影响。结果发现：纳米CaCO3用量5%-12%时，起到了增强增韧的双重效果，用量10%时，冲击强度达到最大，接近未填充体系的2倍，随后随添加量增加而下降；填充量6%时，拉伸强度有一最大值，随后下降。而轻质CaCO3填充的PVC/CPE体系，无增强增韧作用，断裂伸长率明显降低。聚合物-无机纳米复合材料是一种高强度、高韧性的复合材料，与传统弹性体增韧不同，在提高聚合物韧性的同时，提高了材料的模量、强度、尺寸稳定性、热变形温度。欧玉春关于无机刚性粒子增强增韧聚合物的机理认为，无机刚性粒子填充聚合物的增强增韧与无机粒子在基体中的分散状况及其界面结构有着密切关系。无机粒子在聚合物基体中可能形成三种分散的微观结构状态：（1）无机粒子在聚合物基体中形成第二聚集态结构，在这种情况下，如果无机粒子的粒径足够小（纳米级），界面结合良好，则这种形态具有很好的增强效果，无机粒子如同链条一样对聚合物起增强作用。（2）无机粒子以无规的分散状态存在，有的聚集成团、有的个别分散，这种形式既不能增强，也不能增韧。（3）无机粒子均匀而独立的分散在聚合物基体中，这种情况，不论是否有良好的界面结合，都有明显的增韧效果。纳米粒子的增韧机理：纳米粒子均匀分散在聚合物基体中，当基体受到外力时，粒子周围产生应力集中效应，引起基体树脂产生银纹吸收能量，同时粒子之间的树脂基体也产生塑性变形，吸收冲击能量，因为纳米粒子比表面积大，比表面能高，与基体结合力强，在外力作用下，粒子易发生更多银纹，吸收更多能量。但当粒子的加入量达到某一临界值时，粒子间过于接近，而相互凝聚，在外力作用下，粒子引发的银纹容易发展成裂纹，韧性反而下降。纳米粒子补强机理：纳米填料粒子的比表面积大与聚合物基体的相互作用力大，界面接合好，因此，相当于填料的有效体积增大无需太多填量，材料强度就得到很大提高，而当填充量大时，纳米粒子间相互凝聚，起不到应有效果。总之，要达到增强增韧目的必须保证纳米粒子分散均匀、合适的粒径间距以及界面结合力。无机填料的分散程度与无机粒子的比表面积、无机粒子的表面自由能、与树脂表面极性的差异和作用力以及基体粘度有关。粒子与树脂之间的作用力越大，无机粒子的分散越困难。无机纳米粒子的粒径小、比表面积大, 表面能高，因此与树脂基体粘附力大，又因树脂体系一般粘度大，所以纳米粒子在聚合物基体中很难分散，容易团聚。因此，防止纳米粒子团聚、实现粒子纳米尺度的分散是制备聚合物纳米复合材料的关键步骤。通过纳米粒子表面改性或用其它特殊方法（如插层法、原位聚合法等）以达到粒子在纳米尺度上与聚合物结合，制备纳米复合材料一直是材料领域的研究热点，并取得了一定进展。
6.1.2 增强增韧机理
聚合物基纳米复合材料的多样性，分散性纳米微粒对聚合物基体的增强增韧的机制也是多样的。目前已发展了几种聚合物基纳米复合材料的增强增韧机理，如物理化学作用增强增
韧机理、微裂纹化增强增韧机理、裂缝与银纹相互转化增强增韧机理、临界基体层厚度增强增韧机理等[71]。
（1）物理化学作用增强增韧机理
纳米复合材料增强增韧的物理化学作用机理，是从分子间作用角度提出的，一般两相间的作用越强，增强增韧效果就越明显。一般，纳米粒子与聚合物基体间既有物理作用也有化学作用。物理作用是指范德华力，由于纳米粒子尺寸与大分子链的尺寸处于同一数量级，甚至纳米粒子尺寸更小，从而具有改变高分子链间作用力的能力。化学作用是由于当粒子尺寸在1-100nm时，粒子表面原子数增多，而且通过量子隧道效应等在粒子表面形成活性很大的活性点。由于两界面同时存在物理和化学作用，使界面结合良好，且纳米粒子比表面积大，与聚合物间的相界面面积也非常大，因此同时具有增强增韧效果。与之相比，微米级粒子的粒径大，比表面积小，其表面的非配对原子小，表面活性低，与聚合物基体发生物理作用和化学作用的可能性小，界面粘结性差，一旦基体产生缺陷，易造成应力集中，从而导致增强增韧效果不明显，甚至会使强度和韧性下降。
纳米复合材料的增强增韧与纳米粒子和聚合物两相间的物理化学作用有密切关系。无机粒子能否增强增韧，与它在基体中的分散有关。一方面，当无机粒子均匀而单个地分散在基体中，无论无机粒子与基体树脂是否有良好的界面结合（化学作用），都会产生一定的增韧效果，这主要由两相间的物理作用引起的。如在研究TiO2/环氧树脂纳米复合材料时，通过表征纳米粒子的分布及其与基体的物理化学作用，表明纳米粒子分散均匀，材料的冲击强度和拉伸强度随纳米TiO2含量的增加而增加，纳米TiO2同时起到了增强增韧作用。另一方面，为了改善纳米粒子与基体间的结合（化学作用），有时需要对纳米粒子进行表面修饰，采用偶联剂就是常用的手段。
（2）微裂纹化增强增韧机理
从微细观力学的角度来看，通过适当工艺将刚性纳米粒子均匀地分散在基体中，当基体受到外力冲击时，由于刚性无机粒子的存在产生应力集中效应，易激发周围树脂基体产生微裂纹或银纹，吸收一定形变功，同时粒子之间的基体也产生屈服和塑性变形，吸收冲击能，此外刚性粒子的存在使基体树脂裂纹扩展受阻和钝化，最终停止，不至于发展为破坏性开裂，从而产生增韧效果，但当粒子加入太多时，在外力冲击下会产生更大银纹或塑性形变，并发展为宏观开裂，冲击强度反而下降。在纳米复合材料受到外加拉伸载荷时，当载荷达到一定值，在基体中会产生一些微裂纹，由于纳米刚性无机粒子的存在，阻止了微裂纹的生长和扩展，从而使纳米复合材料具有承受更高载荷的能力，这就是从微细观力学角度进行解释的微裂纹化增强增韧机理。
（3）裂缝与银纹相互转化增强增韧机理
“裂缝与银纹相互转化”机理可解释为聚合物在外力或外部能量作用下，由于结构缺陷或结构不均匀性所造成的应力集中而产生银纹化。由结构应力而产生的银纹状态引发裂缝，由于裂缝被终止而转化为银纹状态，阻延了塑料的断裂，因此需要再消耗更多的外界能量或更大的应力才能使材料断裂，从而提高了塑料的冲击韧性和拉伸强度，起到增强增韧效果。从银纹转化为裂缝的过程可知，当银纹生长时，在银纹本体界面上引发微纤破裂，裂缝通过破坏微纤而逐渐推进和扩展，在此过程中，若存在额外的物质与高分子微纤作用，这种裂缝的扩展将被阻延而向原银纹转变，而纳米粒子的存在就可以提供这种作用力，当纳米无机粒子含量过多形成团聚体至一定尺寸时，由于团聚体尺寸超过裂缝体内部空隙，纳米无机粒子不能进入裂缝内部，使裂缝不能转化成银纹状态，此时纳米无机粒子起到应力集中点作用而使材料韧性和强度降低。
（4）临界基体层厚度增强增韧机理
对于聚合物基纳米复合材料而言，其冲击韧性的提高与两个因素有关：一是树脂基体对
纳米材料与技术思考题2016
纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象
7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗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透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料
纳米材料的特性及相关应用
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
纳米材料科学与技术
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 Development Abstract：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; progress
纳米材料学教案
《纳米材料》教学大纲 一、课程基本信息 课程编号：2 中文名称：纳米材料 英文名称：Nano-materials 适用专业：化学工程与工艺 课程类别：专业选修课 开课时间：第5学期 总学时：32 总学分：2 二、课程简介（字数控制在250以内） 《纳米材料》是化学工程与工艺专业的一门专业选修课，本课程系统地讲授各类纳米材料的概念、制备方法、结构和性能特征以及表征技术和方法，在此基础上，对其发展前景进行了展望。通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 三、相关课程的衔接 与相关课程的前后续关系。 预修课程（编号）：高等数学B1（210102000913）、高等数学B2（210102000713）、物理化学A1（2）、物理化学A2（2），无机化学（A1）（2）、无机化学（A2）（2）。 并修课程（编号）：无特别要求 四、教学的目的、要求与方法 （一）教学目的 通过本课程的学习，引导大学生对纳米科学和技术进行认知与了解，帮助他们掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状以及未来发展前景，从而启迪大学生的创新思维，拓宽其科学视野，培养他们对纳米科技的学习兴趣。 （二）教学要求 掌握纳米科技和纳米材料学的基本概念、基本原理、研究现状，对未来发展前景有一定的认识。
（三）教学方法 本课程遵循科学性、系统性、循序渐进、少而精和理论联系实际的教学原则，结合最新的研究成果着重讲述有关纳米材料的基本理论、理论知识的应用。本课程以课堂讲授教学为主，教学环节还包括学生课前预习、课后复习，习题，答疑、期末考试等。 五、教学内容（实验内容）及学时分配 （1学时） 第一章绪论（2学时） 1、教学内容 1.1纳米科技的基本内涵 1.2纳米科技的研究意义 1.3纳米材料的研究历史 1.4纳米材料的研究范畴 1.5纳米化的机遇与挑战 2、本章的重点和难点 本章重点是纳米科技与纳米材料的基本概念。 第二章纳米材料的基本效应（2学时） 1、教学内容 2.1 小尺寸效应 2.2 表面效应 2.3 量子尺寸效应 2.4宏观量子隧道效应 2.5 库仑堵塞与量子隧穿效应 2.6 介电限域效应 2.7 量子限域效应 2.8 应用实例 2、本章的重点和难点 重点：纳米材料的表面效应、小尺寸效应及量子尺寸效应。难点：宏观量子隧道效应。 第三章零维纳米结构单元（4学时） 1、教学内容 3.1 原子团簇
纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
纳米科学与技术的发展历史
纳米科学与技术的发展历史 物三李妍 1130060110 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性 学科领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上(0.1nm到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互 作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大 空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类 能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想 包括以下几点: (1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材 料中原子的行为表现不同.在原子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇 百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正 是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪 80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——— 扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔
纳米材料与技术作业
纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产
纳米材料的概述
“纳米材料”—开启微观世界之门 1.纳米材料及纳米技术 纳米技术界定为：在1nm～100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，通过直接操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要的物质的新技术。 纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。2.纳米材料的发展 人类对物质的认识分为两个层次：一个是宏观，另一个是微观。人们对宏观物质的研究已经很深人，研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究，到20世纪60年代出现了团簇科学，成为凝聚态物理研究的热点。在团簇物理研究中，人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系，即纳米体系。这个体系通常研究的范畴为1～100nm，其中典型的代表是纳米粒子。由于纳米粒子的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使其具有不同于常规固体的新特性，而成为材料科学、物理学和化学等学科的前沿焦点。 1959年著名的美国物理学家理查德?费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲，预言说：“我不怀疑，如果我们对物质微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物质得到大量的可能的特性。”虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。1974年，日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。 1981年格尔德?宾宁（Gerd Binnig）和海因里希?罗雷尔Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。 1984年Gleiter 首次采用气体冷凝的方法，成功地制备了Fe纳米粉。随后，美国、西德和日本先后研制成纳米级粉体及块体材料。 1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特?富勒（R. Buckminster Fuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使
纳米材料及其应用前景
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米材料用在哪方面
纳米技术是新世纪一项重要的技术，为多个行业带来了深远影响。纳米技术包含几个方面：纳米电子学，纳米生物学，纳米药物学，纳米动力学，以及纳米材料。其中，纳米材料主要集中在纳米功能性材料的生产，性能的检测。其独特性使它应用很广，那么，纳米材料用在哪方面呢 1、特殊性能材料的生产 材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应（即体积效应）使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体（如SiC、WC、BC等），且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入%%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。 纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，获得烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。 2、生物医学中的纳米技术应用 从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也
碳纳米材料简介
碳纳米材料简介
第一章碳纳米材料简介 碳元素 碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。 碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。它存在三种同位素：12C、13C、14C。 碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。 碳纳米材料 富勒烯 富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。1985年， 。这一Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C 60 发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。C 由60个原子组成，包含20个 60 六元环和12个五元环。这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，出来。C 60 对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。 由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1） 表1-1 C 的一些基本物理和化学性质 60
碳纳米管 碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。 虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。 单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图1-1）。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（zigzag）单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形（armchair）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral）碳纳米管。单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。 图1-1 单壁碳纳米管结构示意图 由于其特殊的结构，碳纳米管具有许多优良的性质。从电学性质来看，碳纳米管可分为金属型（metallic，带隙为零）和半导体型（semiconducting，带隙可达2eV）。单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。
纳米科学与技术
深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订
课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常
压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管
纳米材料与技术
纳米材料与技术 (2007-05-15 16:05:21) 转载 1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出：“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹?”今天，这个美好的愿望已经开始走向现实。目前，人 类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三 维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特 性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。 0．2纳米材料的研究历史 人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限(肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。到目前为止，人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解，一些学科 领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间 科学等。微观指原子、分子，以及原子内部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。
19世纪末到20世纪初，人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。 相对而言，在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当肤浅，被誉为有待开拓的“处女地”。近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质，也不同于微观体系的奇异现象。下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。 1 000年以前。当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。 1861年，随着胶体化学(colloidchemistry)的建立，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。 20世纪初，有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。
纳米材料论文
纳米材料的特性与应用 摘要：纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。 关键词：纳米材料特性应用 1. 纳米发展简史 1959年，着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。 1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2．什么是纳米材料 纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。 一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 3. 纳米材料的特性 广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 3.1表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。 3.2小尺寸效应
纳米科学技术概述
纳米科学技术概述 一、历史背景 在20世纪90年代的科技报刊上，经常出现“纳米材料”和“纳米技术”这种名词。什么是“纳米材料”呢？通俗一点说，就是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。1纳米为10亿分之一米，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组成的材料却具有许多特异性能。因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪新材料”。而纳米材料并非完全是最近才出现的。最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之──墨，墨中的重要成分是烟。实际上，烟是由许多超微粒炭黑形成的，而制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。 1984年，一位德国科学家格莱特（Gleiter）把一些极其细微的肉眼看不见的金属粉末用一种特殊的方法压制成一个小金属块，并对这个小金属块的内部结构和性能做了详细的研究。结果发现这种金属竟然呈现出许多不可思议的特异的金属性能和内部结构。他制出的这种材料的特殊性在于，一般的物理概念认为晶体的有序排列为物质的主体，而其中的缺陷、杂质是次要的，要尽力除去。格莱特把物质碾成极小微粒再组合起来，实际上是把界面上的缺陷作为物质的主体，由微小颗粒压制成的金属块是一种双组元材料，有晶态组元和界面组元，界面组元占50％，在晶态组元中原子仍为
原来的有序排列，而在界面组元中，界面存在大量缺陷，原子的排列顺序发生变化，当把双组元材料制到纳米级时，这种特殊结构的物质就构成了纳米材料，由此开始了对纳米材料及纳米科学技术的研究。 1987年，德国和美国同时报道制备成功二氧化钛纳米陶瓷（颗粒大小为12纳米），这种陶瓷比单晶体和粗晶体的二氧化钛陶瓷的变形性能和韧性好得多。例如，纳米陶瓷在180℃下能经受弯曲变形而不产生裂纹，纳米陶瓷零件即使开始时带有裂纹，在经受一定程度的弯曲变形后，裂纹也不会扩大。1989年，美国商用机器公司（IBM）的科学家用80年代才发明的扫描隧道显微镜（STM）移动氙原子，用它们拼成IBM 三个字母，接着又用48个铁原子排列组成了汉字“原子“两字。1990年，首届纳米科学技术大会在美国成功举行，标志着一个把微观基础理论与当代高科技紧密结合的新型学科 ──纳米科学技术正式诞生了。1991年，IBM的科学家制成了速度达每秒200亿次的氙原子开关。2019年，IBM设在苏黎世的研究所又研制出世界上最小的“算盘”，这种“算盘”的算珠只有纳米级大小，由著名的“碳”巴基球C60制成。 二、发展现状 纳米技术的发展现状十分乐观，世界各国纷纷制定发展纳米科学技术的战略，纳米科技成为世界科技竞争的一个热点领
纳米材料特性
《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒 T 内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 m
纳米材料在实际生活中的应用
在现实生活中，纳米技术有着广泛的用途。 １、超微传感器传感器是纳米微粒最有前途的应用领域之一。纳米微粒的特点如大比表面积、高活性特异物性、极微小性等与传感器所要求的多功能、微型化、高速化相互对应。另外，作为传感器材料，还要求功能广、灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、选择性好、耐负荷性高、稳定可靠，纳米微粒能较好地符合上述要求。 ２、催化剂在化学工业中，将纳米微粒用做催化剂，是纳米材料大显身手的又一方面。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药有效催化剂；超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细的镍粉、银粉的轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极可以增大与液相或气体之间的接触面积，增加电池效率，有利于小型化。 超细微粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器，作为吸附氢气的储藏材料。还可作为陶瓷的着色剂，用于工艺美术中。 ３、医学、生物工程尺寸小于１０纳米的超细微粒可以在血管中自由移动，在目前的微型机器人世界里，最小的可以注入人的血管，它一步行走的距离仅为５纳米，机器人进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞噬病毒，杀死癌细胞。这些神话般的成果，可以使人类在肉眼看不见的微观世界里享用那取之不尽的财富。 ４、电子工业量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作，因此它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外，量
子元件还可以使元件的体积大大缩小，使电路大为简化，因此，量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。目前，风靡全球的因特网，如果把利用纳米技术制造的微型机电系统设置在网络中，它们就会互相传递信息，并执行处理任务。不久的将来，它将操纵飞机、开展健康监测，并为地震、飞机零件故障和桥梁裂缝等发出警报。那时，因特网亦相形见绌。 5、“会呼吸”的纳米面料。 纳米是一种基于纳米材料的化学处理技术，纳米布料是用一种特殊的物理和化学处理技术将纳米原料融入面料纤维中，从而在普通面料上形成保护层，增加和提升面料的防水、防油、防污、透气、抑菌、环保、固色等功能，可广泛应用于服装、家用纺织品以及工业用纺织品。 经过纳米技术处理的布料及图示 * 将经纳米技术处理之布料覆盖在水杯口上. 将少量清水倾倒于布料表面. * 清水凝聚成水珠, 在布料表面流动. 清水不会渗入布料纤维内. 经瑞典纳米技术处理后的产品特点： 防水:未经处理的织物防水特性指标为1(完全湿透)，而经过处理的防水特性指标为5(没有沾湿)。 防油:未经过处理的织物的防油特性指标为0,而经过处理的防油特性指标为6(最高为8)。 防污:经过瑞典纳米技术处理后的织物,在污渍附著上有非常明显的降