第五章高分子纳米复合材料
第五章 高分子纳米复合材料 1
纳米概念的形成 自然界中的纳米结构，如蒙脱土、凹凸棒、滑石、牙齿 钠离子通道、植物的组织等： 1959年，美国物理学家、诺贝尔物理奖得主Richard Feynman提出“what would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?”加州伯克 利大学设百万美元奖励制备纳米机器人； 1974年谷口纪男首次使用“纳米技术”术语；80年代， 原西德Gleiter首次制备金属纳米，提出纳米材料应用： ·1981和1986年，STM和AFM的发明，推动纳米技术发展； 1985年C60,1991年碳纳米管，2004年石墨烯的发明和 广泛应用： 2000年，美国国家纳米计划(NNI)启动： 2001年，我国筹备成立国家纳米科技中心
纳米概念的形成 • 自然界中的纳米结构，如蒙脱土、凹凸棒、滑石、牙齿、 钠离子通道、植物的组织等； • 1959年，美国物理学家、诺贝尔物理奖得主Richard Feynman提出“what would happen if we could arrange the atoms one by one the way we want them?” 加州伯克 利大学设百万美元奖励制备纳米机器人； • 1974 年谷口纪男首次使用“纳米技术”术语；80年代， 原西德Gleiter首次制备金属纳米，提出纳米材料应用； • 1981和1986年，STM和AFM的发明，推动纳米技术发展； • 1985年C60，1991年碳纳米管，2004年石墨烯的发明和 广泛应用； • 2000年，美国国家纳米计划（NNI）启动； • 2001年，我国筹备 成立国家纳米科技中心 2
纳米科学是20世纪末兴起的最重要的科技研究新 领域，当今世界各国都将纳米科学技术列入重点 研究开发的课题。 基础理论 宏观 经典力学 人类对物 介观领域 纳米 质的认识 科学 微观 基础理论 量子力学和相对论
纳米科学是20世纪末兴起的最重要的科技研究新 领域，当今世界各国都将纳米科学技术列入重点 研究开发的课题。 人类对物 质的认识 宏观 微观 经典力学 量子力学和相对论 介观领域 纳米 科学 基础理论 基础理论 3
纳米科学： 1、纳米及纳米体系 ①纳米是一个长度单位，1nm=103um=10m。 ②通常界定1~100nm的体系为纳米体系。 2、纳米科学 ①纳米体系，略大于分子尺寸的上限，恰好能体现分子间 强相互作用。这种分子间强相互作用引起的许多性质，与 常规物质相异，正是这种特异性质构成了纳米科学。 ②纳米体系尺寸上限以上为宏观领域，尺寸下限以下为微 观领域。其中，宏观领域以宏观物体作为研究对象，理论 基础是经典力学和电磁学；微观领域则以分子、原子作为 研究对象，理论基础是量子力学和相对论。 ③显然，纳米体系领域需要用全新的理论为理论基础。即 形成纳米科学
纳米科学： 1、纳米及纳米体系 ①纳米是一个长度单位，1nm = 10-3μm = 10-9m 。 ②通常界定1～100 nm的体系为纳米体系。 2、纳米科学 ①纳米体系，略大于分子尺寸的上限，恰好能体现分子间 强相互作用。这种分子间强相互作用引起的许多性质，与 常规物质相异，正是这种特异性质构成了纳米科学。 ②纳米体系尺寸上限以上为宏观领域，尺寸下限以下为微 观领域。其中，宏观领域以宏观物体作为研究对象，理论 基础是经典力学和电磁学；微观领域则以分子、原子作为 研究对象，理论基础是量子力学和相对论。 ③显然，纳米体系领域需要用全新的理论为理论基础。即 形成纳米科学。 4
纳米晶体材料 纳米非晶体材料 纳米材料 纳米相颗粒材料 纳米复合材料 纳米科学 纳米结构材料 (内容上》 纳米技术：在纳米尺寸范围内对 物质的加工、分析、表征、利用 等相关技术
纳米晶体材料 纳米非晶体材料 纳米材料 纳米相颗粒材料 纳米复合材料 纳米科学 纳米结构材料 （内容上） 纳米技术：在纳米尺寸范围内对 物质的加工、分析、表征、利用 等相关技术。 5
第一节高分子纳米复合材料概述 一、 纳米材料与纳米技术 1、纳米材料 是以纳米结构为基础的材料，或者以纳米结构为基本 单元构成的复合材料。 ①纳米结构 以具有纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑 或营造的一种新结构体系，称为纳米结构体系。 ②纳米材料 纳米材料是在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范 围的物质，或者由它们作为基本单元构成的复合材料
第一节 高分子纳米复合材料概述 一、纳米材料与纳米技术 1、纳米材料 是以纳米结构为基础的材料，或者以纳米结构为基本 单元构成的复合材料。 ① 纳米结构 以具有纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑 或营造的一种新结构体系，称为纳米结构体系。 ② 纳米材料 纳米材料是在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范 围的物质，或者由它们作为基本单元构成的复合材料。 6
按材料形态分类，纳米材料大致有以下四类： A、纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，是介于原子、分 子与宏观物质之间处于中间物态的固体颗粒材料，在块 状材料和复合材料制备方面应用较多。 B、纳米纤维：指添加纳米粉的纤维材料。 C、纳米膜：分为单层膜和多层膜的纳米膜材料，在光电 子学领域和膜分离领域应用广泛。 D、纳米块体：由纳米粉末通过高压或烧结成型，或者用 高分子材料复合构成的块状材料。 ③纳米结构材料(nanostructured materials) 纳米结构材料指含有纳米单元的结构材料，即首先是具 有宏观尺寸的结构材料，同时又具有纳米材料所具有的 微尺寸性质。也就是纳米微观材料的某种集合或聚集态
按材料形态分类，纳米材料大致有以下四类： A、纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，是介于原子、分 子与宏观物质之间处于中间物态的固体颗粒材料，在块 状材料和复合材料制备方面应用较多。 B、纳米纤维：指添加纳米粉的纤维材料。 C、纳米膜：分为单层膜和多层膜的纳米膜材料，在光电 子学领域和膜分离领域应用广泛。 D、纳米块体：由纳米粉末通过高压或烧结成型，或者用 高分子材料复合构成的块状材料。 ③ 纳米结构材料（nanostructured materials） 纳米结构材料指含有纳米单元的结构材料，即首先是具 有宏观尺寸的结构材料，同时又具有纳米材料所具有的 微尺寸性质。也就是纳米微观材料的某种集合或聚集态。 7
A、纳米结构材料的分类 零维的原子簇和原子簇的集合（纳米分散材料） 按照空 一生 维的线状材料（纳米线、管） 间维数 分类 二维的超细颗粒覆盖膜（纳米薄膜材料） 三维的纳米块体材料（纳米三维材料） 按照颗粒结 纳米晶态材料 构状态分类 纳米非晶态材料 纳米准晶态材料 B、纳米结构材料的特征： ①具有尺寸小于100nm 的原子区域（晶粒或相） ②显著的界面原子数 ③组成区域间有相互作用
A、纳米结构材料的分类 零维的原子簇和原子簇的集合(纳米分散材料) 一维的线状材料（纳米线、管） 二维的超细颗粒覆盖膜（纳米薄膜材料） 三维的纳米块体材料（纳米三维材料） 纳米晶态材料 纳米非晶态材料 纳米准晶态材料 B、纳米结构材料的特征： ①具有尺寸小于100 nm 的原子区域（晶粒或相） ②显著的界面原子数 ③组成区域间有相互作用 8 按照空 间维数 分类 按照颗粒结 构状态分类
C、纳米结构材料的结构单元及特性 纳米结构材料一般包含两类组元，即结构组元和界面组 元，其中最重要的是界面组元。界面组元具有以下两个特 点：首先是原子密度相对较低，其次是邻近原子配位数有 变化。因为界面在纳米结构材料中所占的比例较高，以至 于对材料性能产生较大影响。 2、纳米技术 纳米技术是借助现代科学技术手段的全新的实用科学， 包括纳米加工技术、纳米分析表征技术、纳米操控技术等 新型的科技方法和手段。纳米技术的强大生命力在于纳米 效应，它能使物质的许多性能发生质变，而实现纳米效应 的关键首先是具有纳米结构，任何纳米技术均须依赖通过 纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。因此，纳米结构加 工技术是整个纳米技术的核心基础，是当前世界科学研究 待解决的难题之一。目前在纳米技术领域典型的加工技术 主要有以下几种
9 C、纳米结构材料的结构单元及特性 纳米结构材料一般包含两类组元，即结构组元和界面组 元，其中最重要的是界面组元。界面组元具有以下两个特 点：首先是原子密度相对较低，其次是邻近原子配位数有 变化。因为界面在纳米结构材料中所占的比例较高，以至 于对材料性能产生较大影响。 2、纳米技术 纳米技术是借助现代科学技术手段的全新的实用科学， 包括纳米加工技术、纳米分析表征技术、纳米操控技术等 新型的科技方法和手段。纳米技术的强大生命力在于纳米 效应，它能使物质的许多性能发生质变，而实现纳米效应 的关键首先是具有纳米结构，任何纳米技术均须依赖通过 纳米加工技术将物体加工至纳米尺度。因此，纳米结构加 工技术是整个纳米技术的核心基础，是当前世界科学研究 待解决的难题之一。目前在纳米技术领域典型的加工技术 主要有以下几种
①利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术 纳米电子学技术是纳米技术中最重要的一个分支领域。 电子学未来的发展，将以“更小、更快、更冷”为目标。 “更小”是进一步提高芯片的集成度，“更快”是实现更 高的信息运算及处理速度，而“更冷”则是进一步降低芯 片的功耗。只有在这三方面都得到同步的发展，纳米电子 学技术才能取得新的重大突破。要实现上述目标，电子器 件的尺寸将必然进人纳米尺度范围，即要小于1oom。这 表明，在不久的将来，微电子器件必将过渡到纳米电子器件， 使其成为21世纪信息时代的核心。 由于目前的光刻技术能够加工的最小线宽为130m,不 能满足纳米电子器件的加工要求，为此它必将被更先进的 加工技术所取代，如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微 镜(AFM)纳米加工技术等
①利用扫描隧道显微镜和原子力显微镜的纳米加工技术 纳米电子学技术是纳米技术中最重要的一个分支领域。 电子学未来的发展,将以“更小、更快、更冷”为目标。 “更小”是进一步提高芯片的集成度,“更快”是实现更 高的信息运算及处理速度,而“更冷”则是进一步降低芯 片的功耗。只有在这三方面都得到同步的发展,纳米电子 学技术才能取得新的重大突破。要实现上述目标,电子器 件的尺寸将必然进人纳米尺度范围，即要小于loonm。这 表明,在不久的将来,微电子器件必将过渡到纳米电子器件， 使其成为21世纪信息时代的核心。 由于目前的光刻技术能够加工的最小线宽为130nm,不 能满足纳米电子器件的加工要求,为此它必将被更先进的 加工技术所取代,如扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微 镜(AFM)纳米加工技术等。 10