复合纳米材料范文（精选12篇）
复合纳米材料 第1篇
1 资料与方法
1.1 一般资料
选择我院2013年6月-2014年10月间收录的80例患者共172颗牙进行美容修复治疗,其中男性51例,女性29例,患者年龄最大约为64岁左右,年龄最小约为24岁左右,平均年龄约为45岁。需要美容修复的172颗牙中,龋齿96颗、外伤缺损21颗、氟斑牙28颗、楔形缺损27颗。本次研究中,根据上述患者的临床前牙美容修复材料不同,将上述所有患者分为观察组及对照组,每组各40例患者。
1.2 方法
两组患者均于修复前进行洁牙,将所需修复的牙体与周围坏死组织磨掉,使修复体与病变牙齿表面呈现恰当衔接角度,将所需修复牙体打磨出几处缺口,使修复体衔接后更为牢固。若患者牙釉质不全,则应在修复前将其磨掉,若患者牙间隙较宽,则用酸腐蚀后进行修复,修复龋齿时,应尽量保留原有健康牙体,根据龋齿缺损位置进行制作固定。待处理完所修复牙齿后,应用3M自酸蚀黏结剂酸蚀30s,再光照固化20s。待比色后,将观察组及对照组分别分层填充3M-Z350纳米复合树脂及3M-Z1000光固化复合树脂,每层固化40s。调整患者咬合后,应用3M复合树脂打磨抛光。
1.3 效果判定
以上两组患者的临床前牙美容修复效果评价以修复牙齿外观、患者自觉疼痛评分(0-10分)及患者敏感发生情况综合判定,分为优秀、良好和较差三个评价等级。优秀:患者对修复牙齿外观满意,自觉疼痛评分<2分,修复牙齿无敏感情况发生,咬合功能良好,无炎症反应;良好:患者对修复牙齿外观较为满意,自觉疼痛评分在3-5分之间,咬合功能良好,无炎症反应;较差:患者对修复牙齿外观不满意,自觉疼痛评分>6分或出现龋齿、牙周炎、修复体脱落等情况。
1.4 统计学分析
采用SPSS16.0统计学软件对以上两组患者的临床基线资料及本次研究所有研究数据进行统计学处理,以P<0.05作为组间数据差异具有统计学意义。
2 结果
以上观察组患者经临床美容修复后,均取得了较为显著的临床修复效果,相比较对照组患者的临床修复效果,差异显著。
修复后效果优秀患者23例、良好患者13例,其临床美容修复优良率高达90.00%;相比较对照组40例患者中,经临床美容馆修复后效果优秀患者17例、良好患者10例,其临床美容修复优良率为67.50%。经统计学软件对以上两组患者的临床研究数据进行统计学处理,得出组间数据差异显著。即观察组患者的临床美容修复效果显著优于对照组患者的临床美容修复效果。
3 讨论
牙齿美容修复于近年来得到快速的发展,得益于人们生活水平的不断提高,越来越注重牙齿的美观[3]。因为外伤或龋齿所导致的前牙损伤可严重影响美观及功能使用,所以广大有关人士对此进行进一步研究。常规临床对此种损伤的修复方法多为烤瓷贴面、烤瓷全冠及树脂贴面及光固化复合树脂贴面等,其临床修复效果较为一般。近年来,研究人员发现应用纳米复合树脂在前牙美容修复中有较为显著的临床修复效果。本次研究发现,观察组患者应用纳米复合树脂材料进行前牙美容修复的修复效果显著优于对照组患者应用光固化符合树脂材料的修复效果,具有临床进一步研究应用的价值。
参考文献
[1]苏存萍,邓旭亮.纳米复合树脂材料和光固化复合树脂材料用于前牙美容修复的效果比较[J].现代中西医结合杂志.2014,23(15):1669-1671.
[2]王玫.纳米复合树脂和光固化复合树脂材料用于前牙美容修复的效果比较[J].中国药业.2014,23(10):33-34.
复合型材料 第2篇
机电工程系11数控3+2班 梁帅 22号
摘要：复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。
关键词： 分类 性能 应用 分类
复合材料(Composite materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求被广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。
复合材料是一种混合物。在很多领域都发挥了很大的作用，代替了很多传统的材料。复合材料按其组成分为金属与金属复合材料、非金属与金属复合材料、非金属与非金属复合材料。按其结构特点又分为：①纤维复合材料。将各种纤维增强体置于基体材料内复合而成。如纤维增强塑料、纤维增强金属等。②夹层复合材料。由性质不同的表面材料和芯材组合而成。通常面材强度高、薄；芯材质轻、强度低，但具有一定刚度和厚度。分为实心夹层和蜂窝夹层两种。③细粒复合材料。将硬质细粒均匀分布于基体中，如弥散强化合金、金属陶瓷等。④混杂复合材料。由两种或两种以上增强相材料混杂于一种基体相材料中构成。与普通单增强相复合材料比，其冲击强度、疲劳强度和断裂韧性显著提高，并具有特殊的热膨胀性能。分为层内混杂、层间混杂、夹芯混杂、层内/层间混杂和超混杂复合材料。
60年代，为满足航空航天等尖端技术所用材料的需要，先后研制和生产了以高性能纤维（如碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维等）为增强材料的复合材料，其比强度大于4×106厘米（cm），比模量大于4×108cm。为了与第一代玻璃纤维增强树脂复合材料相区别，将这种复合材料称为先进复合材料。按基体材料不同，先进复合材料分为树脂基、金属基和陶瓷基复合材料。其使用温度分别达250～350℃、350～1200℃和1200℃以上。先进复合材料除作为结构材料外，还可用作功能材料，如梯度复合材料(材料的化学和结晶学组成、结构、空隙等在空间连续梯变的功能复合材料)、机敏复合材料（具有感觉、处理和执行功能，能适应环境变化的功能复合材料）、仿生复合材料、隐身复合材料等。
性能
复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大。其特点是比重小、比强度和比模量大。例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能。石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。纤维增强材料的另一个特点是各向异性，因此可按制件不同部位的强度要求设计纤维的排列。以碳纤维和碳化硅纤维增强的铝基复合材料，在500℃时仍能保持足够的强度和模量。碳化硅纤维与钛复合，不但钛的耐热性提高，且耐磨损，可用作发动机风扇叶片。碳化硅纤维与陶瓷复合，使用温度可达1500℃，比超合金涡轮叶片的使用温度（1100℃）高得多。碳纤维增强碳、石墨纤维增强碳或石墨纤维增强石墨，构成耐烧蚀材料，已用于航天器、火箭导弹和原子能反应堆中。非金属基复合材料由于密度小，用于汽车和飞机可减轻重量、提高速度、节约能源。用碳纤维和玻璃纤维混合制成的复合材料片弹簧，其刚度和承载能力与重量大5倍多的钢片弹簧相当。
应用领域
复合材料的主要应用领域有：①航空航天领域。由于复合材料热稳定性好，比强度、比刚度高，可用于制造飞机机翼和前机身、卫星天线及其支撑结构、太阳能电池翼和外壳、大型运载火箭的 壳体、发动机壳体、航天飞机结构件等。②汽车工业。由于复合材料具有特殊的振动阻尼特性，可减振和降低噪声、抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，故可用于制造汽车车身、受力构件、传动轴、发动机架及其内部构件。③化工、纺织和机械制造领域。有良好耐蚀性的碳纤维与树脂基体复合而成的材料，可用于制造化工设备、纺织机、造纸机、复印机、高速机床、精密仪器等。④医学领域。碳纤维复合材料具有优异的力学性能和不吸收X射线特性，可用于制造医用X光机和矫形支架等。碳纤维复合材料还具有生物组织相容性和血液相容性，生物环境下稳定性好，也用作生物医学材料。此外，复合材料还用于制造体育运动器件和用作建筑材料等。由于复合材料具有重量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良、耐化学腐蚀和耐候性好等特点，已逐步取代木材及金属合金，广泛应用于航空航天、汽车、电子电气、建筑、健身器材等领域，在近几年更是得到了飞速发展。随着科技的发展，树脂与玻璃纤维在技术上不断进步，生产厂家的制造能力普遍提高，使得玻纤增强复合材料的价格成本已被许多行业接受，但玻纤增强复合材料的强度尚不足以和金属匹敌。因此，碳纤维、硼纤维等增强复合材料相继问世，使高分子复合材料家族更加完备，已经成为众多产业的必备材料。目前全世界复合材料的年产量已达550多万吨，年产值达1300亿美元以上，若将欧、美的军事航空航天的高价值产品计入，其产值将更为惊人。从全球范围看，世界复合材料的生产主要集中在欧美和东亚地区。近几年欧美复合材料产需均持续增长，而亚洲的日本则因经济不景气，发展较为缓慢，但中国尤其是中国内地的市场发展迅速。据世界主要复合材料生产商PPG公司统计，2000年欧洲的复合材料全球占有率约为32%，年产量约200万吨。与此同时，美国复合材料在20世纪90年代年均增长率约为美国GDP增长率的2倍，达到4%~6%。2000年，美国复合材料的年产量达170万吨左右。特别是汽车用复合材料的迅速增加使得美国汽车在全球市场上重新崛起。亚洲近几年复合材料的发展情况与政治经济的整体变化密切相关，各国的占有率变化很大。总体而言，亚洲的复合材料仍将继续增长，2000年的总产量约为145万吨，预计2005年总产量将达180万吨。
从应用上看，复合材料在美国和欧洲主要用于航空航天、汽车等行业。2000年美国汽车零件的复合材料用量达14.8万吨，欧洲汽车复合材料用量到2003年估计可达10.5万吨。而在日本，复合材料主要用于住宅建设，如卫浴设备等，此类产品在2000年的用量达7.5万吨，汽车等领域的用量仅为2.4万吨。不过从全球范围看，汽车工业是复合材料最大的用户，今后发展潜力仍十分巨大，目前还有许多新技术正在开发中。例如，为降低发动机噪声，增加轿车的舒适性，正着力开发两层冷轧板间粘附热塑性树脂的减振钢板；为满足发动机向高速、增压、高负荷方向发展的要求，发动机活塞、连杆、轴瓦已开始应用金属基复合材料。为满足汽车轻量化要求，必将会有越来越多的新型复合材料将被应用到汽车制造业中。与此同时，随着近年来人们对环保问题的日益重视，高分子复合材料取代木材方面的应用也得到了进一步推广。例如，用植物纤维与废塑料加工而成的复合材料，在北美已被大量用作托盘和包装箱，用以替代木制产品；而可降解复合材料也成为国内外开发研究的重点。
另外，纳米技术逐渐引起人们的关注，纳米复合材料的研究开发也成为新的热点。以纳米改性塑料，可使塑料的聚集态及结晶形态发生改变，从而使之具有新的性能，在克服传统材料刚性与韧性难以相容的矛盾的同时，大大提高了材料的综合性能。
总结
复合材料对现代科学技术的发展有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。复合材料是现代科学技术不断进步的结果，是材料设计的一个突破；复合材料的发展同时又进一步推动了现代科学技术的不断步。可以预料，随着高性能树脂先进复合材料的不断成熟和发展、金属基、特别是金属间化合物基复合材料和陶瓷基复合材料的实用化、以及微观尺度的纳米复合材料和分子复合材料的发展，复合材料在人类生活中的重要性将越来越显著。
中国复合材料发展潜力很大，但须处理好以下热点问题。复合材料创新、聚丙烯腈基纤维发展、玻璃纤维结构调整、开发能源、交通用复合材料市场、纤维复合材料基础设施应用、复合材料综合处理与再生等方面。随着科学技术的发展，现代复合材料也将赋予新的内容和使命。21世纪将是复合材料的新时代。
参考文献
复合材料显奇威 第3篇
优越的性能
复合材料玻璃钢，是用沙子、石灰和纯碱加工出很细的玻璃丝，即玻璃纤维，然后用玻璃纤维做“筋骨”，用树脂做“肌肉”，让它们凝固成一体，结果就成了一种比钢还结实，既不怕高温又不怕腐蚀，比重比钢轻百分之八十的新型材料—玻璃钢。
一根只有4毫米粗的铜铌合金丝，可以悬吊起3吨重的机器，连现在最好的钢丝也甘败下风。用一种叫做铁硼碳合金属玻璃代替硅钢做成电源变压器，比用硅钢节省一半儿多。用金属玻璃铁钴合金制成录音磁头，其耐磨性比目前最好的合金磁头要高5倍以上，原声几乎不失真。
复合材料有许多优越的特性。比如，它具有特殊的振动阻尼特性，利用这种特性可以减振和减轻对人有害的噪声。复合材料还可以整体一次成型，减少工序和模具的使用，制成的部件尺寸稳定性好，在科学实验和生产中，工程技术人员用磁粉或橡胶泥制成磁性高分子材料，比重轻，容易加工成尺寸精度高和形状复杂的成品，还可以与其他元件一体成型，受到生产厂家和消费者的共同青睐。
广泛的应用
复合材料首先在航空航天技术和军事上得到应用。譬如，在军用飞机上用硼纤维增强环氧树脂作方向舵等。采用高性能复合材料，是导弹射程增大的秘密所在。碳纤维素增强树脂复合材料已在导弹、航天飞机和卫星上应用。
此外，复合材料在体育器材上也得到了应用。用新型复合材料制成的高尔夫球棒，具有特殊的刚柔性，比金属球棒轻百分之四十，球棒头部能承受更大的冲击力。撑杆跳高的撑杆改用玻璃钢制作后，使近20年不见提高的成绩，几次刷新世界记录，一下子提高了3米多。
在生物医学上，生物复合材料是器官缺损、病变、衰竭的替代材料，也是重新构造人的器官，使之延续人的生命的替代材料。
复合材料也走进了音乐殿堂。用碳纤维复合材料制造的提琴和吉他，比木质的优越，音质好，不失真。
抗菌天然橡胶纳米复合材料的研制 第4篇
本研究通过TBP分散剂的改性处理,改变ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的润湿性能,从而改善其在油性有机体系中的分散状态和相容性能,使纳米复合抗菌剂以纳米尺度均匀分散复合到非极性有机材料NR中,制备出了NR纳米复合材料,并研究了其抗菌和抗藻性能。
1 实验部分
1.1 亲油改性实验
准确称取一定量真空或空气煅烧的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂,放入玛瑙研钵中,加入溶剂为正己烷的TBP溶液,经手磨混合20min后转移至磁力搅拌器上,磁力搅拌20min后超声振荡40min,然后取出一定量分散后的悬浮液放入沉降容器中(外贴刻度),竖直放在试管架上,静置观察,观察不同时间清液层的体积。采用沉降率表征沉降效果:
沉降率undefined
沉降率越小分散性越好。同时按上述工艺进行未加分散剂试样的对比实验。
本方法可定性分析ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的分散状态和团聚情况。采用3000HSA型激光粒度分布仪对改性前后产物的粒径分布进行表征。
1.2 抗菌NR纳米复合材料的制备
将改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂按配方添加到NR中。基本配方(质量比):NR (100),硬脂酸(2.0),重质碳酸钙(50),硫磺(1.6),促进剂DM(1.6),ZnO(6.0)。采用常温双辊混炼,按ISO标准“硫化特性评价”测定正硫化时间t90。确定硫化条件为:143℃t90,硫化压力15MPa,然后在平板硫化机上进行胶料硫化。
1.3 抗菌NR纳米复合材料的抗菌和抗藻性能检测
根据2002年卫生部颁布的消毒技术规范2.1.8.9的奎因实验[4],采用抗菌率表征抗菌NR纳米复合材料的抗菌性能。其计算公式为:
抗菌率undefined
根据标准ASTM D5589-97,在广东省微生物分析测试中心对抗菌NR纳米复合材料进行了抗藻性能测试,测试藻种
为:丝藻属HACHB493,四尾栅藻FACHB43,小球藻FACHB167和小颤藻FACHB24。
2 结果与讨论
2.1 ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的亲油改性
采用改性前后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂在非极性介质正己烷中的沉降对比实验,考察ZnO/Ag纳米复合抗菌剂表面的亲油性和分散性。可看出,未经分散剂改性的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂在正己烷中沉降8h,沉降率达0.76;而经TBP改性后的真空或空气煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂在正己烷中沉降8h,沉降率均为0.004左右;140h后沉降率为0.01左右,真空和空气煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的沉降率区别不大。
改性前的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂与正己烷无法相容,原因在于ZnO/Ag纳米复合抗菌剂之间的亲和力远大于ZnO/Ag纳米复合抗菌剂和正己烷的亲和力,ZnO/Ag颗粒之间的这种强亲和力造成了大颗粒团聚的形成,导致了ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的快速沉降;而经过TBP改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂,表面基团发生了变化,颗粒表面状态随之改变,使ZnO/Ag纳米复合抗菌剂颗粒之间的亲和力减小而与正己烷的亲和力增强。所以,改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂团聚程度大大减小,并在相当长的时间内保持很好的悬浮稳定性,分散相容性得到明显改善。
对真空或空气煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂在正己烷中的分散状态,可通过激光粒度分布进行观察分析。图1是ZnO/Ag纳米复合抗菌剂改性前后的粒度分布图。
由图1可看出,未经TBP改性的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的粒径为1μm左右,超出了纳米级范围,团聚非常严重,很难发挥其抗菌和抗藻性能。而经过TBP改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂在正己烷中分散状态良好,真空和空气煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂经分散后的平均粒径分别为51.7nm、80.5nm,且粒径分布集中,空气煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂有少量(500nm左右)的大粒子存在,这可能是几个颗粒团聚在一起造成的。改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂粒径大大减小,基本无大块团聚,粒径呈几十纳米的分散状态,都保持在纳米级范围内,能够充分发挥ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的抗菌和抗藻性能。
2.2 抗菌NR纳米复合材料的制备
抗菌NR纳米复合材料配方中的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂具有双重作用:一方面作为活性剂,取代了传统NR配方中的普通ZnO;另一方面作为功能添加剂,实现了传统NR所不具备的抗菌和抗藻性能。在其它条件不变的情况下,改变ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的加入份数(分别为3份、6份、10份),于常温下进行双辊混炼,同时炼制了添加普通氧化锌的对比试样,按照ISO标准“硫化特性评价”测定出正硫化时间t90,试样的硫化温度和正硫化时间t90见表1所示。
由表1可以看出,加入ZnO/Ag纳米复合抗菌剂对配方的硫化温度几乎没有影响,对正硫化时间的影响较大。与0号对比样相比,1~6号试样的正硫化时间都有不同程度的延长。随着ZnO/Ag纳米复合抗菌剂添加量的增加,正硫化时间反而减小,添加量愈大效果愈显著。由于ZnO/Ag纳米复合抗菌剂粒径很小,反应活性很高,当其添加量较小时,吸附反应中生成的活性基团作用不明显,而且由于长链大分子运动的特殊性,带有活性基团的长链大分子互相接近产生交联就变得困难,因此正硫化时间t90较长;随着ZnO/Ag纳米复合抗菌剂添加量的增加,加速了NR的交联,正硫化时间缩短。在其它条件相同时,真空煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂制备的NR纳米复合材料正硫化时间小于空气煅烧的试样,如4号试样的正硫化时间小于1号试样,因为所添加的真空煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的平均粒径小于空气煅烧的试样(如图1所示)。而纳米复合抗菌剂的粒径越小,其活性越高,天然橡胶的交联速度就越快,所以减小了正硫化时间。
2.3 抗菌性能检测
根据2002年卫生部颁布的消毒技术规范2.1.8.9的奎因实验,采用抗菌率表征NR纳米复合材料的抗菌性能。将抗菌胶片及对比胶片裁成5cm5cm的试样,用75%乙醇消毒后,逐片平放于无菌平皿内备用。配置浓度为105~106cfu/L的大肠埃希氏菌液(ACTT8099),分别取一定量菌液接种于营养琼脂培养基中,在(37±1)℃条件下培养24~48h后得到对照样本平均菌落数;经胶片杀菌后,采用上述方法得到试样样本平均菌落数。按照抗菌率公式计算各胶片的抗菌率,如表2所示。
由表2可以看出,对比样0号的抗菌率为5%,1号NR纳米复合材料的抗菌率为98%,其余2~6号NR纳米复合材料的抗菌率均达到100%。与未加纳米复合抗菌剂的胶片相比,NR纳米复合材料具有良好的抗菌性能。随着纳米复合抗菌剂添加量的增加,抗菌率增大,胶片对大肠埃希氏菌的杀灭作用越强。在其它条件相同时,真空煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂制备的NR纳米复合材料的抗菌性能略优于空气煅烧的试样,如4号试样的抗菌率大于1号试样,因为真空煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的粒径较小(如图1所示),其抗菌活性较高,所以抗菌率较高。
2.4 抗藻性能检测
根据ASTM D5589-97标准,在广东省微生物分析测试中心对添加ZnO/Ag纳米复合抗菌剂10份的NR纳米复合材料进行了抗藻性能测试。结果表明:NR纳米复合材料的抗藻性能良好,表面未见有藻类生长,达到最佳零级标准。纳米ZnO在与藻菌接触时,锌离子缓慢释放出来,与藻菌细胞膜及膜蛋白结合,破坏其结构,并能破坏电子传递系统的酶,与DNA反应,达到抗藻的目的;纳米银颗粒可直接进入藻体与氧代谢酶(-SH)结合使藻体窒息而死的机制,可杀死与其接触的藻菌微生物,在两者的共同作用下达到较好的抗藻效果。
3 结 论
(1)经磷酸三丁酯改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂,沉降率从接近1减小到0.2以下,亲油性和稳定性大大提高;将磷酸三丁酯改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂加入到油性介质正己烷中,抗菌剂分散均匀,粒径在100nm以内。
(2)在NR纳米复合材料的制备中,加入ZnO/Ag纳米复合抗菌剂后,正硫化时间都有不同程度的延长;随着ZnO/Ag纳米复合抗菌剂添加量的增加,正硫化时间减小;在其它条件相同时,真空煅烧ZnO/Ag纳米复合抗菌剂制备的NR纳米复合材料正硫化时间小于空气煅烧的试样。
(3)NR纳米复合材料对大肠埃希氏菌的抗菌率随ZnO/Ag纳米复合抗菌剂添加量的增加而增大,抗菌率达98%以上,抗菌效果良好。
(4)NR纳米复合材料对丝藻属、四尾栅藻、小球藻、小颤藻等藻菌的抗藻性能良好,达到最优零级标准。
摘要：研究了自制ZnO/Ag纳米复合抗菌剂的亲油改性,利用改性后的ZnO/Ag纳米复合抗菌剂制备天然橡胶(NR)纳米复合材料,探讨了抗菌NR纳米复合材料的抗菌、抗藻性能。结果表明:ZnO/Ag纳米复合抗菌剂经磷酸三丁酯(TBP)改性后,沉降率从接近1减小到0.2以下,亲油性和稳定性大大提高,将TBP改性后的抗菌剂加入到油性介质正己烷中,抗菌剂分散均匀,粒径在100nm以内;在NR纳米复合材料的制备中,随着ZnO/Ag纳米复合抗菌剂添加量的增加,正硫化时间减小;经检测,抗菌NR纳米复合材料对大肠埃希氏菌的抗菌率达98%以上,且抗菌率随抗菌剂添加量的增加而增大,抗藻性能达到最优零级标准。
关键词：ZnO/Ag纳米复合抗菌剂,亲油性,NR纳米复合材料,抗菌性能,抗藻性能
参考文献
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水泥基复合材料 第5篇
班级:Z090162学号:Z09016206姓名:张欢 水泥基复合材料概述
以硅酸盐水泥为基体，以耐碱玻璃纤维、通用合成纤维、各种陶瓷纤维、碳和芳纶等高性能纤维、金属丝以及天然植物纤维和矿物纤维为增强体，加入填料、化学助剂和水经复合工艺构成的复合材料。
它比一般混凝土性能有所提高。以短切的耐碱玻璃纤维约3％～10％含量的复合材料为例，其密度为1600～2500kg/m3，抗冲强度8.0～24.5N·mm/mm2，压缩强度48～83MPa，热膨胀系数为(11～16)×10-6K-1。性能随所用原材料、配比、工艺和养护条件而异。水泥基复合材料基本上用于制造建筑构件，如内、外墙板、天花板等。
目前，先进水泥基复合材料的发展也比较迅速。先进水泥基复合材料是通过组成、结构优化设计，采用先进技术制备的具有优异性能的新型高技术水泥基材料，其性能特点是韧性好、强度高、可设计性好，是当前本领域研究的重点和技术应用的难点。
水泥基复合材料的分类及应用
（1）纤维水泥基复合材料
水泥基复合材料可分为水泥基和增强体两部分！目前比较热门的水泥基复合材料为：纤维水泥基复合材料。它通常是指以水泥净浆，砂浆或者混凝土为基体，以非连续的短纤维或连续的长纤维作增强材料所组成的水泥基复合材料，也叫纤维混凝土。
在混凝土中加入纤维，可以强化、韧化水泥砂浆，提高水泥基复合材料拉伸、弯曲以及冲击强度，控制裂纹的扩展，改善失效模式和未成型时材料的流动性，是改善其性能的最有效途径。
纤维在水泥基体中至少有以下三个主要作用：
1，提高基体开裂的应力水平，即使水泥基体能承受更高的应力。
2，改善基体的应变能或延展性，从而增加它吸收能量的能力或提高它的韧性。纤维对基体韧性的改善往往比较显著，甚至在它对基体的增强作用小的情况下也是如此。
3，能够阻止裂纹的扩展或改变裂纹前进的方向，减少裂纹的宽度和平均断裂空间。对于早期的水泥基材料来说，由于纤维的存在，阻碍了骨科的离析和分层，保证了早期均匀的泌水性，从而阻止沉降裂纹的产生。不定向分布的纤维有助于削弱砂浆或者混凝土塑性收缩及冻融时的张力，收缩的能量被分散到无数的具有高抗拉强度的纤维上，从而极为有效地增强了混凝土或砂浆的韧性，抑制了微细胞的产生和发展。
（2）纳米水泥基复合材料
水泥是大众建材，用量大，人们还未充分重视使用纳米技术对其进行改性。其实，水
泥硬化浆体(水泥石)是由众多的纳米级粒子(水化硅酸钙凝胶)和众多的纳米级孔和毛细孔(结构缺陷)以及尺寸较大的结晶型水化产物(大晶体对强度和韧性都不太有利)所组成的。借鉴当今纳米技术在陶瓷和聚合物领域内的研究和应用成果，应用纳米技术对水泥进行改性的研究，可望进一步改善水泥的微观结构，以提高其物理力学性能和耐久性。
采用纳米技术改善水泥硬化浆体的结构，可望在纳米矿粉－超细矿粉－高效减水剂－水溶性聚合物－水泥系统中，制得性能优异的、高性能的水泥硬化浆体－纳米复合水泥结构材料，并广泛应用于高性能或超高性能的水泥基涂料、砂浆和混凝土材料中。在不远的将来，继超细矿粉之后，纳米矿粉将有可能成为超高性能混凝土材料的又一重要组分。这也是传统水泥材料的改进和又一次革命。
（3）水泥基复合吸波材料
隐身技术是一种通过控制和降低武器系统和其它军事目标的特征信号，使其难以发现、识别、跟踪和攻击的综合性技术。因而它广泛应用于运动军事目标，如飞机、导弹、坦克、潜艇等，同时也可用于非运动军事目标，如雷达站、军用机场、军事掩体等。
通过对水泥基复合材料进行改性，使它能够吸收电磁波，从而达到对雷达的隐身性能，即得到所谓的水泥基复合吸波材料。水泥基吸波材料是在水泥或混凝土中掺入吸波剂而具有吸收电磁波功能的一类新型材料。在民用方面，它即可以用来屏蔽电磁波对人体的辐射，达到净化电磁波污染环境的目的；还可以用来防止计算机中心的数据泄密，起到保密作用；在军事上，水泥基复合吸波材料可以起到干扰雷达探测目标，减弱回波信号，使雷达无法探测到地面固定目标或探测精度明显降低，避免敌方的军事打击。目前国外一般采用伪装网来覆盖地面军事目标，改变目标及其阴影的形状，以对付地面和空中的各种侦查手段。
（4）聚合物水泥基复合材
有机物，特别是高分子聚合物，其优异的柔韧性，抗冲击性，以及良好的抗渗性和单位体积重量小等等固有的优势，是众所周知的。这正好弥补了普通水泥基材料的缺陷。大量的工程实践证明，高分子聚合物在水泥基材料中有效地改进了其性能
。若把水泥基材料视为由水泥浆休粘结剂和集料两种结构组分构成的复合材料时，则聚合物可从儿个方面来改善水泥基材料的性能。(I)提高粘结剂本身强度；(2)增强粘结剂和集料界面间的粘结力；(3)提高集料的强度；(4)填充空隙；(5)上述综合效果。
就此改性效果而言，目前应用在工程中的聚合物水泥基材料可分为三个类别：(1)用聚合物作粘结剂以粘结集料称为树脂混凝土(PC)，如人造大理石等。(2)在已硬化的普通水泥混凝土中浸渍聚合物，或有机单体在硬化体内聚合填充孔隙，称为聚合物浸渍混凝土(PIC)，如防渗墙面板，隧道衬壁等。(3)用水泥和聚合物两种粘结剂粘结集料，称为聚合物水泥混凝土(PCC)。如聚合物修补砂浆，高等级公路、桥面等。一般的水泥基复合材料主要是由未水化的水泥熟料颗粒、水泥的水化结晶矿物和凝胶体、水和少量的空气组成。因此它是一个固一液一气多相多孔体。其材料的强度也就受着这些因素的制约和影响。聚合物的加入改变了这些因素的变化关系，从而影响强度的提高
水泥基复合材料的优缺点
P.K.Mehta 在评述水泥基材料时指出,水泥基材料既不像钢材那样坚固，也不像钢材那样坚韧，而成为应用最广泛的材料的三个主要原因是其具有很好的耐水性、优异的可加工性
和显著的经济性。因此，水泥基材料仍然是当今应用最为广泛的建筑材料。然而，水泥基材料属于脆性材料，它的的抗拉、抗弯强度低，极限应变小，抗冲强度差，脆性大，易开裂，存在着严重的耐久性问题，往往引发突发性的且难以控制的建筑物的破坏，造成了巨大的经济损失，并严重污染环境，因此，作为一种结构材料在应用中受到很大限制。通过纤维增强水泥和纤维增强混凝土复合材料，是强化与韧化的水泥和混凝土、进一步提高了其阻裂能力和耐久性，是获得高性能水泥和混凝土的有效途径。
水泥基复合材料的国内外发展状况
自1990年提出高性能混凝土以来，高性能混凝土的内涵已经有了一个不断完善和发展的过程。美国十分强调高强度和高耐久性；日本学者更关注施工性。我国吴中伟院士则综合了各种论点提出了较为全面的高性能混凝土的定义，他认为高性能混凝土时一种新型的高技术混凝土，是在大幅度提高常规混凝土性能的基础上，采用现代混凝土技术，选用优质原材料，在妥善的质量控制制成的具有耐久性高、抗阻裂能力强、工作性良好、实用性强、提及稳定性好以及经济合理的水泥基复合材料。邓家才等用压缩韧性指数衡量了碳纤维对水泥基复合材料韧性的增强作用，发现碳纤维水泥基复合材料的压缩韧性指数明显大于基准水泥基复合材料（增加59%～110%），并且随着碳纤维掺量的增加，变形能力和承载能力增强。罗建林，段中东以改性巴基管（CNTs）为增强材料，制成了巴基管水泥基材料。2006年大连理工大学徐世烺科研团队的高淑龄博士配制得到了拉应变能力为0．7％的PVA纤维水泥基复合材料。
超高韧性水泥基复合材料早期的英文名称为“Engineered Cementitious Composite”。缩写为ECC。最早由密歇根大学的“教授和麻省理工的Leung教授采用细观力学和断裂力学基本原理提出了该材料的基本设计理念。Li等为提高
现代飞机的“血肉”：复合材料 第6篇
2005年和2007年，世界上最大的民用客机——空中客车A380以及美国的大型喷气客机——波音787相继诞生，它们代表了当今世界民机的最高水平。细心的人们惊奇地发现，在这两款飞机的选材介绍中，复合材料的用量均达到空前水平。其中，A380飞机上的复合材料用量为25％左右，而波音787飞机上的复合材料用量则超过了50％。事实上，除了上述民机以外，现在最先进的第四代战机F－22、F－35等的复合材料用量也分别高达24％和30％。A380、波音787、F－22、F－35等一批先进飞机的问世标志着现代飞机已从“铝为主，钛、钢、复合材料结构并存”的时代迈向“复合材料为主，铝、钛、钢结构共存”的新时代。
另据专家透露，在我国着手建造的国产大飞机上，传统的铝合金部件有望被大量轻而强韧的碳纤维等复合材料所取代，并且这件完美“外衣”将尽可能地实现中国制造。
第四代材料
那么，到底什么是复合材料呢?不同的组织或出处给出的定义略有不同。如，国际标准化组织将复合材料定义为：“两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料”；而“材料大辞典”则将复合材料定义如下：“复合材料是由有机高分子、无机非金属或金属等几类不同材料通过复合工艺组合而成的新型材料。它与一般材料的简单混合有本质区别，既保留原组成材料的重要特色，又通过复合效应获得原组分所不具备的性能。可以通过材料设计使原组分的性能相互补充并彼此关联，从而获得更优越的性能。”
可见，复合材料并不是什么新材料，它只是由两种或两种以上的不同材料组合而成的工程材料而已。也许其中某种组分的某项特性并不优越，但不同材料之间却能互相协同，取长补短，使复合材料的最终综合性能优于原组成材料，从而满足各种不同的要求。
研究人员把复合材料这种扬长避短的作用称为复合效应。人们利用复合效应可以自由选择复合材料的组成物质，人为设计各种新型复合材料，从而把材料科学推进到新的阶段。所以，国外也把复合材料称为第四代材料或“设计材料”。
现代飞机为何大量使用复合材料
目前飞机上广泛使用的复合材料以碳、硼、玻璃等纤维增强树脂为主。这些碳纤维、硼纤维或玻璃纤维通常具有很高的强度和刚度，而树脂基体的密度很低。除了上述的纤维增强树脂复合材料以外，飞机上还使用了金属基复合材料、陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料。
现代飞机结构中之所以大量使用这些复合材料，主要有以下几个原因。
首先，和金属材料相比，复合材料具有更高的比强度和比刚度。这里所说的比强度、比刚度指的是材料的强度或刚度除以密度。这是两个衡量材料承载能力的重要指标。显然，比强度和比刚度越高，说明这种材料的重量越轻，并且相对强度和刚度越大。碳、硼、玻璃等纤维增强树脂的这些特性，正是结构设计，特别是航空、航天结构设计对材料的基本要求。
其次，复合材料具有良好的抗疲劳性能。飞机在滑行、起飞、降落和着陆过程中不断经受着交变的循环载荷，即所谓的疲劳载荷。结构或材料承受这种疲劳载荷的能力通常被称为材料的抗疲劳性能。研究表明，金属结构在受到疲劳载荷时，局部位置极有可能萌生裂纹，裂纹进而会在不知不觉中增长，最后突然断裂。相比之下，复合材料的疲劳断裂通常是从基体开始，逐渐扩展到纤维和基体的界面上，始终没有突发性的变化。因此，检修人员可以有足够的时间来检查和补救。一项实验表明，用碳纤维复合材料制成的直升飞机旋翼，其疲劳寿命比用铝合金金属的长数倍。
第三，复合材料具有良好的安全性及减振性能。在纤维增强复合材料的基体中有成千上万根独立的纤维。当用这种材料制成的构件超载，并有少量纤维断裂时，载荷会被迅速重新分配并传递到未遭破坏的纤维上，因此整个构件不至于在短时间内丧失承载能力。与此同时，纤维复合材料的纤维和基体界面的阻尼(指振动系统能量损失、振幅逐渐减小的能力)较大，因此，纤维复合材料结构的振动衰减时间比相应的轻金属结构要短得多，即具有较好的减振性能。
第四，复合材料的成型工艺简单。纤维增强复合材料一般适合于整体成型，因而减少了零部件的数目，从而可减少设计计算工作量并有利于提高计算的准确性。另外，制作纤维增强复合材料部件的步骤是把纤维和基体黏结在一起，先用模具成型，而后加温固化，在制作过程中基体由流体变为固体，不易在材料中造成微小裂纹，而且固化后残余应力(构件在机械制造加工的过程中，将受到来自各种工艺等因素的作用和影响，在这些因素消失后，若构件所受到的上述作用力不能随之完全消失，仍有部分作用和影响残留在构件内。则这种残留的作用和影响被称为残留应力，或残余应力)很小。这些对提高结构的疲劳寿命都是极其有利的。
第五，使用复合材料的经济性价比高。虽然碳纤维等复合材料的成本在目前依旧比铝合金要贵，但飞机重量大幅度减轻所带来的经济效益远远超过了材料成本较高的负面效应。根据波音公司的承诺，使用了50％复合材料的波音787飞机可以降低20％的油耗，其中有8％的油耗归功于大量使用复合材料后显著减轻了机身重量。另外，与钢或铝合金零件相比，复合材料更适合整体化成型，如波音787机身就是由4个大型复合材料机身段拼接而成。减少了零部件数量就意味着成本的降低。与此同时，由于选用了大量的复合材料零部件，传统的金属结构机械修补方法，如铆接、焊接、螺接等可以大量被新的复合材料结构胶接修补技术所替代。复合材料胶接修补不仅工艺简单、维修质量可靠，而且成本低廉。据报道，若大量采用复合材料结构胶接修补技术，波音787的外场维护间隔时间将有望从同类波音767飞机的500小时提高到1000小时，维修费用则比同类波音777飞机低32％。
第六，铝、钛等合金通过冶金手段加入碳化硅短纤维、氧化铝粒子等增强剂后，在比强度、耐高温、耐疲劳、抗紫外辐射等性能方面与未强化前的合金相比，都有显著的改进。
最后，陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料具有良好的强度和热稳定性，非常适合于制作某些耐高温的发动机部件。
现代飞机使用了哪些复合材料
目前飞机上使用的复合材料一般以纤维增强树脂为主。严格地讲，树脂其实也属于塑料，常用的主要包括环氧树脂、聚酯、乙烯酯、酚醛和聚酰亚胺树脂等。虽然这些树脂低密度的特点符合飞机设计“斤斤计较”的要求，但是其强度较低，于是研究人员通过加入各种纤维来增加材料的强度。这些增强纤维主要有碳纤维、硼纤维、玻璃纤维和芳纶纤维等。
除了纤维增强树脂复合材料以外，近20年来，以铝、钛及镁等为基体的复合材料在航空领域内也取得了重大突破，如以碳化硅短纤维、氧化铝粒子增强的铝、钛合金为基体的复合材料。这类材料与未强化合金相比，在比强度和比刚度、耐高温、耐疲劳、抗震动、耐紫外线辐射、可加工性等性能方面都有大幅度的提高。
陶瓷基复合材料以及碳／碳复合材料也是近年来出现的可用作耐高温发动机部件的两类新型复合材料。目前用的最多的陶瓷基复合材料产品是以碳化硅或碳纤维增强的氧化物或氮化物基体材料，可用于制造飞机发动机加力燃烧室、燃烧室瓦片、喷嘴、火焰稳定器等，以代替高温合金。这种陶瓷基复合材料抗弯强度高，断裂韧性高，比重小，抗氧化，耐高温，热膨胀系数较小，工作温度在1250℃－1650℃。与此类似，碳／碳复合材料的耐热性也很好，能耐1650℃以上的高温，它具有密度小、强度高、模量高、导热性优良、膨胀率低以及抗蠕变和抗热冲击性等优点，已开始应用于火箭发动机的喷管喉衬、隔热瓦片和飞机刹车块等部位。
值得一提的是，一种近来出现的被称作“Glare层板”的新型复合材料。这种材料具有三明治结构。外层通常是由铝合金板组成，铝合金板中间夹有芳纶或玻璃等加强纤维。这种Glare层板具有复合材料高强低密的特点，又兼有铝合金的优点——韧性和抗疲劳性能好。据报道，合理设计使用Glare层板可使飞机结构减重30％，而且经济效益更好，因此，A380客机上已大量应用了这种Glare层板。
塑料及其复合材料 第7篇
(2) 塑料成型容易, 使得形状复杂的的部件加工十分便利。例如, 仪表台用塑料可以一次加工成型, 加工时间短, 精度有保证。
(3) 塑料制品的弹性变形特性能吸收大量的碰撞能量, 对强烈撞击有较大的缓冲作用, 对车辆和乘员起到保护作用。另外, 塑料还具有吸收、衰减振动和噪声的作用, 可以提高乘坐人员的舒适性。
(4) 塑料耐腐蚀性强, 局部受损不会腐蚀。塑料对酸、碱、盐等抗腐蚀能力大于钢板, 如果用塑料做车身覆盖件, 十分适宜在污染较大的区域中使用。
复合材料的铣削 第8篇
随着新一代碳纤维增强塑料 (CFRP) 和层压材料向更轻、更强方向发展, 性能不断提高, 其在汽车各个领域中的地位日渐突出。但作为一种工件材料, 各类纤维增强环氧树脂、聚酯和乙烯基塑料的硬度高、难切削, 并且不能在加工的过程中出现一点点异常偏差;预加工附加值高, 且不允许废品的产生。因此, 其主要挑战是如何提高制造工艺, 尤其是机加工。
新一代专用刀具纷纷涌现, 解决了各类复合材料的最常见加工需求。目前, 复合材料切削的首选刀具解决方案是, 采用整体硬质合金为基体, 薄的PVD金刚石 (PCD) 涂层、钎焊PCD刀片或在切削刃处烧结PCD。
铣削复合材料与钻削相似, 也同样具有挑战性。如果刀具在同一时间需要加工几个不同材料的层, 需要考虑到所有因素并重新设计工艺。如果需要多次进刀完成不同材料层的加工, 则需更改参数以匹配各层。专门针对CFRP和复杂层压材料的加工进行了优化。目前针对端铣和方肩铣的粗加工和精加工, 可选用优化的带金刚石涂层的整体硬质合金立铣刀。
浅谈纳米复合材料的若干应用 第9篇
关键词：纳米复合材料,应用,研究
纳米材料是指尺度为1nm~100nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体, 它具有断裂强度高、韧性好、耐高温等特性。纳米复合材料, 是指复合材料中至少有一种结晶相或者颗粒的尺寸为纳米尺度。由于纳米增强相有很大的表面积和强烈的界面相互作用、纳米复合材料具有与宏观复合材料不同的力学、热学等性能和原组分石具备的特殊性能。
1 聚合物基纳米复合材料的应用
聚合物基纳米复合材料兼有纳米粒子自身的小尺寸效应、表面效应、粒子的协同效应, 以及聚合物本身柔软、稳定、易加工等基本特点, 因而具有其他材料所不具有的特殊性质。
纳米材料增强的聚合物基纳米复合材料有更高的强度、模量, 同时还有高韧性, 拉伸强度与冲击韧性有一致的变化率。在加入与普通粉体相向质量分数的情况下, 强度和韧性一般要高出1~2倍, 在加入相同质量分数的情况下, 般要高出10倍以上。采用纳米粒子增强聚合物基体, 复合材料既可以增加强度又可以增加韧性。
纳米尺寸的硝酸盐层片具有很高的耐热性和弹性率, 使得纳米复合材料在超过玻璃化温度时也可维持高的弹性率。一般地, 高分子中即使分散有不燃的无机物, 在燃烧中高分子熔融分解后的挥发性液体在无机物表面扩散, 反而增大了燃烧性。但是, 当无机物的形态为纳米级时, 即使少量的添加, 也能使高分子燃烧时维持其状态。燃烧时形状能否保持, 对防止燃烧极其重要。细小分散的无机颗粒熔融产生架桥效应, 使高分子黏结在一起。这个特性只有在颗粒小到10nm以下时才具有。这些难燃材料可用于家庭、旅馆、火车和汽车等。
与单纯的局聚合物相比, 添加层状黏土的纳米复合材料具有高的气密性。这是由于层片的阻碍, 气体透过材料时的路径相对延长和透过困难而造成的。用于食品包装时, 可以防止氧气的透过。用于汽车的燃料管和燃料箱时, 可以防止油料的泄漏。
2 陶瓷基纳米复合材料的应用
陶瓷基纳米复合材料的基体主要有氧化铝、碳化硅、氮化硅和玻璃陶瓷等。它们与纳米级第二相的界面粘接形式主要有两种:机械粘接和化学粘接。强的界面粘接往往导致脆性破坏。在断裂过程中, 强的界面结合不产生额外的能量消耗。当界面结合较弱时, 基体中的裂纹扩展至晶须、纤维等处, 将导致界面脱粘, 其后裂纹发生偏转、裂纹搭桥、晶须、纤维断裂, 以致最后拔出。所有这些过程都要吸收能量, 从而提高陶瓷的断裂韧性。
对多种纳米陶瓷或金属颗粒增强的纳米复合材料的研究表明, 所有添加的纳米尺寸的第二相颗粒都是体积分数为5%~20%, 断裂强度与单相材料相比有大幅度的提高。除了一部分外, 断裂韧性大致为单相的1.5~1.7倍。少量的纳米尺寸颗粒可造成裂纹尖端有效的架桥作用, 而进一步导致在极短的裂纹扩展范围内破坏阻力的增加。在金属分散的材料中, 断裂韧性的改善依赖于金属的塑性变形, 使得添加的金属颗粒越多, 韧性的提高越明显。构成纳米复合材料的组织特征的相组成的多样化, 使得有些材料也具有与力学性能相关联的机能性。
锆钛酸铅 (PZT) 压电陶瓷材料, 强度和韧性很低, 而通过添加纤维和晶须及细化晶粒等方法来强化, 对材料的压电特性有很大损害。通过纳米复合, 可使PZT材料具有综合性的电气机能和力学性能。纳米复合化使结构陶瓷材料具有压电特性, 分散颗粒若具有强介电、压电性, 与结构陶瓷复合得到的纳米复合材料也可具有压电性, 这种结构与功能的复合将具有广泛的应用。
在结构陶瓷材料中添加纳米级磁性金属颗粒而得到的纳米复合材料, 提高了力学性能, 并具有良好的磁性能。金属和合金磁性材料具有电阻率低、损耗大的特性, 尤其在高频下更是如此。磁性陶瓷材料基纳米复合材料有电阻率高、损耗低、磁性范围广泛等特性, 在材料制备时, 通过对成分的严格控制, 可以制造出软磁材料和硬磁材料等。
在无机玻璃、陶瓷薄膜等宽的波长范围内, 透明的基体内分散有纳米金属、半导体、磁性体、荧光体等的结晶时, 纳米级的结晶可抑制入射光的散乱, 使材料保持透明。再加上量子尺寸效应及结晶表明的特异的电子状态和格子振动等纳米结晶的特征, 使陶瓷基纳米复合材料具有特殊光特性。
3 金属基纳米复合材料的应用
金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体, 与一种或几种金属或非金属纳米级增强相人工结合的复合材料。金属基纳米复合材料具有机械性能好、剪切强度高、工作温度较高、耐磨损、导电导热性好、不吸湿不吸气、尺寸稳定、不老化等优点。金属基纳米复合材料目前主要有:铝基、钦基、镁基和高温合金基。
主成分为Al-Ni-Mn系铝合金经过挤出成型, 形成金属基纳米复合材料。挤出材的性能与挤出条件关系很大, 这种纳米结晶的铝合金的比强度相比钢性超过商用的铝合金、不锈钢甚至钛合金。利用这些特性可以制作高速运功的机械部件、机器人部件、体育用品及模具, 其使用量和生产量也在逐年增加。
由纳米复合而导致的磁性能的改善, 有软磁性材料的金属-非金属纳米颗粒软磁材料, 硬磁性材料的纳米复合材料磁石。软磁材料要求有高饱和磁力、高磁导率和透磁率、低保磁力和无磁致伸缩, 一般软磁材料为硅钢片、铁镍合金、铁硅铝合金等金属材料及铁氧体等氧化物材料。由非晶化、纳米结晶化、金属-非金属颗粒化可以提高其性能。金属-非金属颗粒化软磁纳米复合材料, 是出Fe、Co等强磁性金属相与SiO2、Al2O3等绝缘相在纳米尺寸微细混合而构成的磁性材料, 同时具有由强磁性金属相导致的软磁性和由绝缘相的绝缘效果导致的高电阻特性。
烧结Nd磁石在MRI诊断装置、电动机、通信、音响等被广泛使用。为了制作强磁铁, 需要更高的自磁化和保磁力。由硬磁相和软磁相构成的纳米复合材料新型永磁体, 是基于利用硬磁相的高结晶磁各向界性和软磁相的高饱和磁化构成的显微组织, 通过两相相互作用而得到高的此特性。
纳米复合材料具有不同于宏观复合材料的许多优异性能, 纳米复合技术为新材料的研究和制造提供了新方向和新途径。纳米复合材料与基体材料相比, 性能有很大的提高, 一般来说, 纳米复合材料的强度和韧性比单组分纳米材料的强度和韧性高出2~5倍, 因此具有更加广泛的应用前景。
参考文献
[1]肖泳.聚合物/粘土纳米复合材料最新进展[J].工程塑料应用, 1998 (8) .
[2]林鸿溢.纳米材料与纳米技术[J].材料导报, 1993 (6) .
纳米陶瓷复合材料的研究进展 第10篇
1 分类
根据弥散相的不同分布以及母相的大小差异, 可以将纳米陶瓷复合材料分为晶内型、晶间型、晶内-晶间混合型和纳米-纳米型四种常见类型。
当弥散相处在母材晶粒内部时得到晶内型。处在母材晶界时得到晶间型。同时处于晶内、晶界时就可得到晶内-晶间混合型。这种不同的分布是改善陶瓷的力学性能的主要因素。在纳米-纳米混合型中, 弥散相的尺寸和母材晶粒的尺寸都是纳米级的, 这样陶瓷材料就能获得新的良好特性, 像可切削加工性以及超塑性等。
2 制备方法
首次制备出纳米陶瓷复合材料所用的方法为化学气相沉积法, 并且采用这种方法获得了Si3N4/Ti N这种新型复合材料, 5 nm左右大小的Ti N分布在Si3N4母材晶粒当中, 显然, 由这种方法能够得到非常好的弥散相。可是, 这种方法不太适用于成批生产较大较复杂的构件, 而且由于生产成本较高, 不符合实际经济效益。因此, 这就催生出了一些其他的更适宜制备纳米陶瓷复合材料的方法。
2.1 烧结法
用烧结法可以得到氧化物类型的陶瓷复合材料。氧化物类型的陶瓷初始材料需采用纯度至少为99.9%的超级细粉, 而弥散相的尺寸不能超过0.3μm, 母体和弥散相粉采用传统的球磨研磨手段在特殊介质中混合均匀, 然后把干燥了的粉末在Na中烧结。烧结温度要选择得当, 以确保母材与弥散相不发会生相互作用, 但又能得到高质量的烧结体。
2.2 多相悬浮液体的分散混合法
这种制备方法的主要过程是, 依据胶体化学的三种机制的稳定悬浮液, 有静电作用、电空间稳定以及空间位阻作用, 先分别制备出三种机制的单相悬浮液再加适量分散剂, 然后通过改变p H值和调节分散剂的加入量, 使颗粒表面分散剂达饱和状态;接着优先选出有较好分散性的混合悬浮液, 把三种单相悬浮液混在一起球磨, 得混合均匀的悬浮液;之后体系凝絮, 干燥, 就得到混合均匀的粉末。在分散时对悬浮液加以大功率的超声振荡, 可增大分散效率。此法的基本条件是选用合适的分散剂, 常用的分散剂有聚电解质和聚合物。而以往的机械混合法是将纳米粉末和基质粉末直接混合球磨, 这既不能充分破坏纳米颗粒聚集, 两者也不能混合均匀;并且在干燥时, 分散颗粒有可能再次聚集, 这样就很难得到均匀的纳米陶瓷复合材料。显然较之传统的机械混合法, 此法效果更佳。
2.3 复合粉体法
这种方法是指利用化学物理过程直接得到两种或多种成分的陶瓷粉体。文献[2]中报道了采用C V D法先得到出S i-C-N复合粉体, 再烧结得到Si3N4/Si C (n) 复合粉体。当前有人采用较低成本的简便工艺, 以气凝氧化硅和炭黑为原材料, 于高温氮气氛条件下进行碳热还原反应得Si3N4/Si C (n) 复合粉末。此外, 用化学沉淀法得到Z r O2-Y2O3-M g O-A l2O3和Z r O2-M g O-Y2O3系超细均匀复合粉体, 也取得好效果。
目前, 用有机先驱体配制复合粉末也取得较大进展。用有机先驱体工艺制取稳定的、均匀分布的50 nm大小的Si-C-N复合粉末, 再烧结得到Si3N4/Si C (n) 粉体;或将亚微米级的Si3N4粉与适量有机先驱体均匀混合并烧结, 经干燥、热压、烧结, 得到的纳米Si C就进到Si3N4基体中。
2.4 纳米陶瓷及纳米-纳米复合陶瓷
纳米陶瓷和纳米-纳米复合陶瓷研究中的难点是纳米颗粒在致密化时会异常长大。董绍明等用热等静压工艺, 得到晶粒尺寸小于100 nm、致密均匀的Si C纳米陶瓷和致密均匀的晶粒尺寸为50 nm的Si3N4 (n) /Si C (n) 纳米陶瓷。而Si C纳米陶瓷晶界中有一层薄非晶态膜。可见, 高压力可以抑制纳米颗粒长大。
3 结语
纳米陶瓷复合材料是有高性能的新型材料, 但要想广泛使用这种先进复合材料还需要我们作更系统的深入研究, 以进一步改善纳米陶瓷复合材料的综合性能, 缩减其生产成本, 使其更大程度的满足社会需求。
参考文献
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[3]新原皓一.有机先驱体制备复合体[J].粉末冶金, 1990, 37 (2) :348-351.
[4]董绍明, 江东亮, 谭寿洪.纳米SiC及Si3N4-SiC的高温等静压研究[J].无机材料学报, 1997, 12 (2) :191-194.
复合纳米材料 第11篇
【关键词】石墨稀 制备 光催化
1.引言
石墨稀是一种新型的二维蜂窝状的碳纳米材料。碳原子以sp2轨道杂化成键，有着很强的稳定性、大的比表面积、高导电性能、磁学性能和高吸附性等物理化学性质。将石墨稀作为载体，与各类金属催化剂制备成的石墨稀纳米复合材料，拥有更强的催化性能和效果。石墨烯复合材料的研究已经在光催化、电催化、医药应用等领域中开展并取得了一定的成果。在光催化领域的应用研究显得尤为突出和重要。
2.石墨稀纳米复合材料的制备
目前石墨烯的主要制备方法有：机械剥离法、化学还原法、晶体外延生长法、化学气相沉积法等，其中化学还原法是最简单有效的制备方法，应用化学还原法制备石墨烯以及其复合物可分为4类。
2.1 使催化剂前体在还原后的石墨烯上生长，并且对石墨烯表面进行不断的化学修饰，可避免石墨烯薄片聚集，还可以增强石墨稀与催化剂之间的相互作用。通过验证证明，经化学修饰后的石墨烯复合物的互溶性及反应的活性位都得到了增强。
2.2 首先使有着完美结构的催化剂尽可能沉积在石墨烯氧化物的表面上。在石墨烯氧化物表面上，有大量含氧官能团存在，使得催化剂能够均匀地分布在其表面上。在经对搭载有催化剂的石墨稀氧化物进行还原，便可得到石墨烯复合物。
2.3 利用原位生长和还原法制备，就是先把石墨烯的氧化物同催化剂前体进行混合，再经化学修饰和还原，来制备石墨烯复合物的实验手段。常用的还原剂有硼氢化钠等。
2.4 利用一锅生长法来制备石墨烯的复合物，通常把石墨烯的氧化物和催化剂前体先在高压反应釜中进行直接混合，这样，石墨烯氧化物被还原的同时，催化剂也在不断的生长。最终得到具有较好作用的化学键的石墨稀复合材料。
此外，超声化学法也常用于制备石墨稀复合材料。即利用超声波引发的特殊物理和化学条件，来加强和改善液-固非均匀体系的化学反应过程，强化反应传质过程，进而控制晶体生长以及团聚的发展，得到粒度分布较窄的超细颗粒。
3.石墨稀纳米复合材料的光催化应用
3.1 石墨稀提高光催化剂效率的原因
通过将光催化剂搭载到石墨稀上，形成石墨烯复合材料，可以很好的改善催化剂的性能，弥补光催化剂本身的不足。使石墨稀与某些光催化材料复合，可以适当减小禁带宽度，提高对可见光的利用效率，提高该催化剂的光催化率。石墨烯有高导电性，当电子得到能量激发时，能够轻易地迁移到石墨烯片层结构中，降低激发电子与空穴复合的概率，提高其催化效率。石墨烯有大的比表面积，可以很好地吸附污染物，并通过激发电子和空穴的氧化产物-自由基处理污染物。由此可见，石墨烯不仅起到吸附污染物的作用，而且还可以为光催化反应提供良好的反应位。
3.2 石墨稀复合材料的光催化应用研究
刘辉等人通过控制钛酸丁酯在氧化石墨烯表面原位水解的方法制备石墨烯与二氧化钛复合光催化剂，并进行了性能测定。由石墨稀-二氧化钛的SEM分析可知，在石墨稀表面生成了密集的二氧化钛纳米层，该结构可以加速催化反应，提高光催化的效率。由石墨稀紫外分析可知，二氧化钛吸收发生红移，同时提高了吸收强度，扩大了吸收波长的范围，有效改善了二氧化钛的禁带宽度，提高光催化效率。降解罗丹明B模拟污染物测试结果表明，石墨稀-二氧化钛复合材料在可见光区域有较强的吸收，同时，由于其表面的罗丹明B富集度提高，进而提高了其光催化活性。
周田等人利用超声化学法制备了CdS与石墨烯纳米复合材料，并对该复合催化剂进行了性质分析和光催化实验。实验表明，CdS与石墨烯纳米复合材料的衍射峰明显变宽，石墨烯上负载的CdS 尺寸小，原因是石墨烯的存在，阻止了CdS 晶粒的长大和团聚。在石墨稀的片层结构上，均匀地密布着CdS微粒，并形成了大的纳米层。依据石墨烯的特性，可作为性能优良的电子接受体，CdS 纳米粒子因受光激发后，产生的光生电子会迅速从CdS 转移到石墨烯的片层表面，使发射强度减弱，复合材料的吸收曲线发生了蓝移，且发光强度有显著地降低。
3.3 总结
众多的研究都表明，通过将光催化剂搭载到石墨稀上，形成纳米复合材料，可以很好地改善催化剂本身的禁带宽度大、激发电子与空穴的负荷率高等的缺点；同时，利用石墨稀本身的物理化学特性，如优异的导电性、大的表面积的等，大大的提高催化剂的光催化效率。因此，石墨稀复合材料将广泛的应用于光催化领域中。
4.应用展望
经研究发现，水将会成为未来的新能源。目前，利用光能催化分解水制氢的研究主要集中于无机半导体催化制氢、光生物催化制氢和还原水制氢，而已有的光催化分解水制氢体系效率低下，只能在紫外光范围内工作。所以，通过选择适当的催化剂，并与石墨稀复合形成的复合材料，探索一种高效的光催化制氢的体系变的十分重要，并有着很大的潜在实用价值。这将为石墨稀复合材料提供广大的发展空间。
【参考文献】
[1]王保伟，孙启梅. 石墨烯在光催化水解制氢中的应用. 化工进展，2012，31（10），2245—2259.
[2]周田，陈炳地，姚爱华，王德平.CdS/石墨烯纳米复合材料的超声化学法制备及光催化性能. 无机化学学报，2013，29（2），231—236 .
[3]刘辉，董晓楠，孙超超.石墨烯/二氧化钛复合光催化剂的制备及可见光催化性能研究.陕西科技大学学报，2013，30（1），23—28.
[4]魏翠，丁天英，陈冰冰，郑楠，石川. 银在光催化分解NO反应中的光催化行为研究 .分子催化，2010，24（ 3），268- 273.
核壳型纳米复合材料的研究进展 第12篇
1 核-壳型纳米复合材料的制备
根据核-壳成分的不同,主要可分为3类[5]:有机-无机型、无机-有机型和无机-无机型。这些核-壳结构的设计都是有针对性的,一方面是采用性质相对稳定的外壳来保护内核粒子不发生物理、化学变化,另一方面是通过表面包覆将外壳粒子特有的电磁性能、光学性能、催化性能赋予内核粒子,改善核粒子的表面荷电、表面活性与稳定性、分散性等。近年来,核壳型复合材料的制备方法越来越多,主要有表面沉积、离子交换反应、超声化学、自组装(静电组装、气相沉积、化学镀)[5,6]。
1.1 无机-无机核壳型纳米复合材料
无机-无机核壳型纳米复合材料的研究主要集中在Ⅱ-Ⅵ族,特别是CdSe/ZnS和CdSe/CdS等体系受到了广泛和较为深入的研究,目前已报道的体系[6,7,8,9,10]有CdS/Cd(OH)2、CdSe/ZnSe、HgS/CdS、CdS/HgS、CdS/PbS、ZnS/CdS、ZnS/CdSe、CdS/SiO2、CdS/Ag2S、CdS/CdSe1-x、CdS/HgS/CdS、InP/ZnCdSe、InAs/InP、InAs/CdSe、InAs/ZnSe、CdS/ZnO、CdS/ZnS、CdS/S、CdTe/CdS等。
Velikov等[8]报道了同质均匀成核或以SiO2、PS微球为核合成Ⅱ-Ⅴ族半导体微球(如CdS、ZnS)。Y.N.Xia等[11,12]以单分散a-Se微球为核合成了结构可调的Se@-Ag2Se核-壳胶体复合微球,并通过离子交换反应获得了单分散Se@CdSe微球(图1)[13],为组装有序纳米结构新型光电复合功能材料提供了新的构筑基元。
Mohwald等[3]利用胶体颗粒可控沉积法制备了CrSe2纳米粒子覆盖的SiO2微球,主要是通过控制溶液条件使得CrSe2纳米粒子沉积到SiO2溶胶微球表面,并通过调节溶液浓度实现对CrSe2厚度的调控。曹立新等[14]采用反胶束方法制备了核壳型ZnS@Mn纳米复合粒子,发现Mn2+580nm的数倍发光增强效应。金包覆氧化硅微球和氧化硅包覆金体系是目前研究的一大热点。Sadtler等[15]采用静电自组装制备了SiO2@Au复合微球,观察到了表面增强Raman光谱现象。Lee H B等[16]采用原位直接包覆制备了可用于光子晶体组装的单分散Au@SiO2复合微球,并通过调节前驱物TEOS浓度、反应时间等成功控制壳层SiO2厚度。Xia等[17]综合了Liz-Marzan与Walt的工作,首先制备了Au@SiO2核壳型复合微球,然后采用Walt方法即加入CTMS与SiO2微球表面的羟基进行偶联反应,引入氯甲基苯乙基作为ATRP引发剂引发BzMA在SiO2微球表面进行ATRP反应,制备出具有双重壳结构的Au@SiO2@PBzMA复合微球,以氢氟酸溶解SiO2微球则可以进一步得到内含可移动Au纳米粒子的中空Au@Air@PBzMA或Au@Water@PBzMA微囊的复合微球。
1.2 无机-有机核壳型纳米复合材料
目前最为常见的无机核是SiO2微球,这主要是因为单分散SiO2微球制备技术成熟、SiO2微球表面硅羟基易改性、修饰、接枝。柏杨等[18]制备了内含可移动SiO2微球、三明治结构核壳型SiO2@Polystyrene@Polypyrrole空心胶囊。该复合微球将在传导基元组装等领域具有潜在的广泛用途,具体合成步骤如图2所示。SiO2@PS@PPy核壳微球的SEM、TEM图如图3所示。
金属氧化物(ZnO、Fe3O4、ZrO2等)也可作为核,但很多金属氧化物易水解且在水中易聚集,这在一定程度上限制了金属氧化物核的有效包覆。在氧化物小球表面先采用LBL技术吸附1层或多层(1~2nm)聚电解质,可在防止小球静电聚集的同时作为纳米反应器继续包覆其他材料。Wang等[19]把油酸包覆过的Fe2O3纳米微球用2-溴-2-甲基丙酸(Br-MPA)改性后分散于苯乙烯单体中,通过原子转移自由基聚合(ATRP)得到Fe2O3@PS纳米复合微球。此外,采用乳液聚合法,通过直接包覆法或预处理包覆法,还可制备出以CuO、ZnO、Ag2O、Al2O3等无机粒子为核的多种核壳式无机-有机纳米复合粒子[6]。近年来,在乳液聚合技术发展的基础上,运用“复合技术”将高分子包覆在无机纳米粒子表面,制备出核壳结构无机-有机纳米复合材料。Song等[20]采用Oil/Water微乳液法合成了核壳型PS包覆Fe3O4磁性微球。
这些无机-有机复合胶体微粒具有无机组分的功能性和聚合物的可加工性。在核材料周围构筑了一个保护层,既增加了它的化学稳定性和分散性,又赋予聚合物胶体微粒特殊的光学、磁学或机械性质。另外,通过共聚或表面改性使其表面带有多种反应性功能基团(如-COOH、-NH2、-OH、-COH等),从而使其可广泛应用于生物医学等方面。
1.3 有机-无机核壳型纳米复合材料
目前常见的有机核主要有PS、PMMA等聚合物微球。Shiho等[21]在有PVP、尿素和盐酸存在的条件下,水解陈化FeCl3生成Fe3O4,包裹到PS微球表面,得到PS@Fe3O4磁性复合微球。Xia等[22]通过pH值控制表面电荷在表面含-NH2基、带正电的PS微球表面均匀地包覆带负电的SiO2纳米粒子,合成了单分散PS@SiO2核壳型复合微球,如图4所示。利用γ射线引发聚合的亲水性单体St/MMA与制备含金属的无机盐处于均相中,通过原位聚合可得到均匀分散的复合微球。Qian等[23]以上述方法制备的PS为模板,十二烷基苯磺酸钠为表面活性剂,通过超声处理Zn(Ac)2的乙醇溶液与硫代乙酰胺反应生成PS@ZnS复合微球,热处理后可得到具有较大折射率和相对低吸收率的ZnS空心球,可用于光子晶体组装。Ge等[24]在苯乙烯单体的疏水溶液中加入少量的Cd2+、硫代硫酸钠和表面活性剂的水溶液,然后在60Co辐照下不仅可使苯乙烯聚合,还可使硫代硫酸钠在辐照下分解产生S2-,与Cd2+反应生成空心状CdS复合微球。该方法的无机粒子弥散在壳层中,不需要煅烧即可得到空心复合微球。
嵌段共聚物由于具有在介质中形成自组装结构体的性质,近10年来,以其为模板制备核壳复合微球备受关注。Wormuth[25]以PEO-PMMA双亲性嵌段共聚物为模板,通过沉积反应合成了超顺磁性的PEO-PMMA@Fe2O3有机-无机核壳复合微球;Sommerdijk等[26]报道了在EO76-PO29-EO76/丁醇/乙醇/水的四元体系中,通过Na2SiO3在酸性条件下水解,合成了由层状颗粒堆积形成的多孔性巨型空心SiO2微球。近年来,利用生物组织或生物大分子制备复杂形态的有机-无机复合材料已引起科学家的浓厚兴趣。Kunitake等[27]报道了在烟草花叶病毒(TMV)和表面带有羧酸盐的乳胶颗粒水溶液中加入表面用聚二烯丙基氯化铵和聚苯磺酸钠处理的石英晶体为模板,使异丙基钛经过Sol-gel过程合成了一种新型的超薄TiO2空心球;Molvinger[28]以壳聚糖微凝胶为模板,在醋酸/水混合溶液中加入TEOS制备了SiO2空心微球。
1.4 有机-有机核壳型纳米复合材料
自20世纪60年代报道丙烯酸/聚甲基丙烯酸甲酯核壳聚合物以来,有机-有机核壳型复合纳米粒子的研究已取得新的进展。目前,该类型复合纳米粒子可通过高分子胶束交联、原位引发聚合、种子聚合等方法制备。Teng[29]用脂肪族环氧化物作交联剂,合成P(MMA+BA+α-羟基丙烯酸酯)@-P(MMA+BA+MAA)核壳结构复合微球。研究表明,将强酸性的丙烯酸盐加入到壳层中可催化交联反应,并可提高该聚合物复合微球的耐冻、耐熔性。Wooley等[30]报道了以嵌段共聚物聚苯乙烯-b-聚-4-乙烯基吡啶(PS-b-P4VP)壳交联制备核壳型复合纳米粒子:先用对氯甲基苯乙烯将P4VP嵌段季铵化,含不饱和双键的嵌段共聚物在30%THF的THF/H2O混合溶剂中形成以PS为核、季铵化的P4VP嵌段为壳的球形胶束,然后在水溶性引发剂的存在下使双键聚合得到壳交联胶束。改变嵌段共聚物组成、季铵化程度、季铵化试剂的亲疏水特性等可有效调节所生成的壳交联胶束的大小及稳定性等[31]。
Ballauff等[32,33]用种子乳液聚合法分别制备了苯乙烯及NIPAM共聚物为核、PNIPAM为壳的核壳粒子以及PS为核、NIPAM与AAc共聚物为壳的核壳复合纳米粒子。Okubo等[34]用多步种子分散聚合法制备了PMMA/PS/PMMA/PS多重核壳粒子,且粒径单分散程度非常好。Lyon等用种子分散聚合法制备了以PNIPAM为核、PEG-MA为壳的单分散核壳粒子[35],以及以PNIPAM为核、NIPAM及AAc共聚物为壳的单分散核壳微球[36]。李鑫等[37]在Lyon工作的基础上用种子分散聚合法制备了以PNIPAM为核、聚4-乙烯基吡啶为壳的温度及pH值响应型核壳复合粒子。
2 核壳结构纳米复合材料的形成机理
目前核壳型复合微球的形成机理主要有化学键作用、库仑力静电引力作用、吸附层媒介作用机理等。颗粒表面的包覆,无论是无机包覆还是有机包覆,一般均认为是由以上3种机理形成的,当然有的包覆可能是几种机理同时存在。
2.1 化学键作用机理
IR等分析表明,在SiO2包覆TiO2过程中,二者是通过Si-O-Ti形成键结合在一起的。这是由于SiO2、TiO2等无机氧化物纳米颗粒在水中可与水分子发生水合作用产生羟基,如硅溶胶颗粒表面的硅醇基,这些基团容易与其他无机颗粒表面的羟基或高分子链上所带的一些官能团(如-COOH、-OH、-SH等)发生化学作用,使二者形成化学键。通过在反应体系中引入偶联剂,也可使包覆物与被包覆物之间形成化学键。文献[16]介绍的是先将柠檬酸吸附在Au微晶表面,再加入偶联剂和硅酸钠,通过化学键作用合成Au@SiO2核壳型复合微球。
2.2 库仑静电引力作用机理
该机理认为,核与壳表面带相反电荷,靠库仑引力使壳层包覆剂颗粒吸附到核芯颗粒表面。Homola等[38]研究了SiO2包覆γ-Fe2O3的机理,当pH值在3~6之间时,γ-Fe2O3和SiO2带有相反的电荷。利用带相反电荷的SiO2与γ-Fe2O3颗粒之间的静电相互作用,在γ-Fe2O3表面包覆一层SiO2,使磁性纳米颗粒具有良好的分散性。文献[23]中的单分散PS@SiO2核壳型复合微球也是通过静电吸附形成的。
2.3 吸附层媒介作用机理
在部分无机核型核壳纳米复合粒子的制备中,可将作为核的无机颗粒进行表面处理(修饰或敏化)形成一层有机吸附层,通过吸附层的媒介作用,可以提高无机颗粒与有机物质的亲和性,进行有机单体的聚合,从而得到复合胶囊化颗粒。Cui等[39]用柠檬酸对Y2O3/Eu进行表面修饰,使其表面吸附一层有机层,再进行苯乙烯的聚合,从而获得聚苯乙烯包覆的Y2O3/Eu复合颗粒。
3 核壳型纳米复合材料的应用
具有特殊核壳结构的纳米复合材料,可通过改变、增加壳层材料的组成与组分,赋予核壳材料2种或2种以上光、电、磁、催化与稳定等多功能复合性质,还可通过对壳层厚度的控制实现对性能的剪裁。核壳结构的纳米包覆粒子还可产生新的特性:修饰纳米粒子的块材特性或产生不同于原成分的新特性;调整纳米粒子的表面特性,以改变其表面电荷密度、表面活性、官能团、反应性、生物相容性、稳定及分散性;通过特殊梯度结构,将外壳粒子特有的催化活性、电磁性能和光学性质等赋予内核微粒[5]。
3.1 催化
催化剂在提供燃料、精细化学试剂和加强环境保护方面起到非常关键的作用。在均相和异相催化反应中,巨大的比表面和特定的吸附、活性点是现代纳米催化剂发展的方向将催化剂以有机-无机复合的形式制成空心核壳粒子材料,可提高催化活性,实现选择性催化[39]。
Murali Sastry等[40]制备了Au/Pd和Au/Pt核壳纳米粒子,获得了较高的催化活性。Sang-wook Kim等[41]利用二氧化硅微球为模板,制备出了钯中空微球,并用其来催化碘代噻吩与苯基硼酸之间的Suzuki偶联反应。结果表明,在整个催化过程中,钯中空微球具有较高的反应活性,很容易在反应后回收并在再次使用时仍保持较高的催化性能,解决了传统催化剂因初次使用时凝结而导致再次使用时催化活性失效的难题。这种具有更大比表面、较轻质量的空心复合贵金属纳米结构在特定的化学反应中具有潜在的增强催化效果。
3.2 生物医学
1999年Jordan Andreas等发现SiO2包覆过的Fe3O4粒子被细胞吞噬后在细胞内仍然是分散的,且含有SiO2修饰过的Fe3O4粒子的肿瘤细胞在交变磁场下处理60min,只有10%的肿瘤细胞能够存活下来,每个存活的肿瘤细胞分裂成2个子细胞,每个子细胞中磁性粒子的含量均为母细胞中的50%,因而SiO2包覆过的Fe3O4粒子很适合细胞内致热疗法。目前,德国新材料研究所已开始生产被前列腺癌细胞吞噬而不被正常细胞吞噬的表面包覆SiO2的磁性纳米粒子[42]。
医学表明,活体组织对于近红外(0.8~1.2μm)的低能辐射是不吸收的,但经过设计的纳米壳层可以被吸收。美国莱斯大学的研究人员利用这一特性来治疗癌症,将经过培养的人类乳腺癌细胞放在含有金纳米壳层的溶液中,并将肿瘤置于红外线附近加热,发现肿瘤内温度在4~6min提高到了足以消灭癌细胞的水平,成功地杀死乳腺肿瘤而不伤及周围正常细胞[43]。以金属为壳的核壳结构纳米材料因其表面等离子共振(SPR)特性现广泛应用于生物体系的药物筛选、临床诊断、食物与环境监控和膜生物学等领域。陆泽忠等[44]自行研制的SPR生物传感器,以戊二醛作偶联剂并采用自组装成膜技术在传感片表面修饰HBsAg单克隆抗体,用于乙肝表面抗原(HBsAg)的检测,实验结果表明检出的灵敏度明显高于传统的酶联免疫吸附试验法。
3.3 药物控制释放
表面包裹生物分子层的核壳复合粒子,特别是磁性核壳复合粒子,能够选择性地与抗原、靶细胞或病毒反应。将药物做成核,把可以控制药物缓释的材料做成壳,就可以保持药物的定量持续释放,维持它在血液中浓度的相对平稳,减少给药次数和用量,有效地拓宽给药途径,提高药物的生物利用度,同时降低某些药物集中吸收对胃肠道所造成的刺激性,特别是降低对肝肾的毒副作用。
Chu等利用界面聚合法制备出多孔核壳微球,然后利用等离子体聚合技术在微球的孔中接枝N-异丙基丙烯酰胺-苯并8-冠醚6-丙烯酰胺(PNIPAM-BCAM)共聚物,并已成功应用于VB12药物的控制释放[45]。具有良好生物相容性的SiO2包覆的磁性纳米粒子,在外磁场作用下有好的磁响应性,且包覆层SiO2具有生物相容性,可以在其表面荷载药物,通过外磁场的定位将药物输运到病灶部位实现靶向给药。Zhao等[46]制备出介孔SiO2包覆的磁性纳米粒子,作为药物载体70%的孔都可以被名为布洛芬的药物所填充,所载药物量最高为12%(质量分数),在模拟的体液环境下70h可释放药物量87%(质量分数),前24h释放速度较快。复旦大学的付守宽等[47]在Fe3O4的种子乳液中水解TEOS得到Fe3O4/SiO2复合粒子,在特定磁场的作用下,双重响应的聚合物微球可以到达特定部位,在指定位置一定温度下引发可以保证药物的准确释放。
3.4 光子晶体
具有核-壳型结构的复合微球可自组装形成光子晶体,其Bragg衍射峰的位置和宽度会因核与壳比例的变化而改变[48]。目前,以半导体和金属为壳层的核壳结构复合微球组装具有完全光子带隙的光子晶体是纳米材料研究的热点[49]。刘应亮等[50]综述了近年来金属介电核壳结构复合材料应用的研究进展,指出它在光子学、生物光子学、生物医学等领域具有潜在的应用。如当纳米银掺杂在半导体或绝缘体中,可获得较大的三阶非线性极化率,可用于制作光开关、光过滤器、光截止器等光电器件;一定尺寸的壳层为金属的超微颗粒对特定波长的光吸收很强,反射率很低(<1%)。根据该特性可作为高效率的光热、光电转换、红外敏感元件和红外隐身材料等。Xia等[13]以离子交换反应制备的单分散Se@-CdSe核壳微球为构筑基元组装形成了具有很宽、很强禁带的光子晶体。
4 结语
现代材料学研究的一个重要方向是发现和设计材料的性质,这也体现在核壳结构纳米复合材料的研究上。随着人们对纳米材料认识的不断深入,对其研究也逐渐从制备简单的纳米颗粒向设计和可控合成具有特定功能性质的纳米复合材料方面过渡。内核微球直径的可控性与壳层组装包覆的可裁剪性,不仅决定着核-壳型复合微球的结构与性能,还对以核-壳型复合微球为基元组装而形成的光子晶体的带隙、有序介孔材料的性质等产生重要影响。近年来,笔者对SiO2-@Ge、PS@Cu、SiO@Ag、SiO2@Au等体系进行了研究,发现在基于核壳结构材料的计算与设计、壳层有效均匀与可控包覆等方面还存在诸多亟待解决的问题,认为未来研究核-壳型纳米复合材料及其组装体系不仅要揭示核-壳型纳米复合微球的形成机理、结构与性能之间的关系,还要揭示核-壳型纳米复合微球光子晶体或有序介孔的组装机理、功能性质与核-壳结构属性等之间的定量关系;寻找核壳结构可控与性能可裁剪的新型合成技术,探讨核壳结构的量子效应等物理图像[51]。笔者坚信随着上述问题研究的不断深入,核壳结构纳米复合材料将为人类展现更为广阔的用途。
摘要：核壳结构纳米复合材料因其独特的结构而呈现出诸多新奇的物理、化学特性,具有广阔的应用前景。系统地综述了近年来无机/无机、无机/有机、有机/无机3种类型的核壳结构纳米复合材料合成方法的研究进展与形成机理,重点阐述了它们在催化、生物医学、药物控制释放和光子晶体等领域的应用,最后展望了核壳结构纳米复合材料未来的发展方向。
