216 金属学与热处理 2.纳米复合材料 当材料尺寸进入纳米范围时,材料的主要成分集中在表面。例如直径为2nm的颗粒其 表面原子数将占有整体的80%。巨大的表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存 在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。如果能将这些纳米单元体分散在某种基体之中构成 复合材料,使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体(颗粒或其他形状物体),则可发挥其纳米 效应。这种效应的产生是来源于其表面原子呈无序分布状态而具有特殊的性质,表现为量 子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面与界面效应等。由于这些效应的存在使纳米复合材 料不仅具有优良的力学性能,而且会产生光学、非线性光学、光化学和电学的功能作用 1)有机-无机纳米复合材料 目前有机-无机分子间存在相互作用的纳米复合材料发展很快。因为该种材料在结构与 功能两方面均有很好的应用前景,而且具有工业化的可能性。有机-无机分子间的相互作用 有共价键型、配位键型和离子键型、各种类型的纳米复合材料均有其对应的制备方法。例 如,制备共价键型纳米复合材料基本上采用凝胶溶胶法。该种复合体系中的无机组分是用 硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩聚等反应形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络,有机 组分则以高分子单体引入此网络并进行原位聚合形成纳米复合材料。该材料能达到分子级 的分散水平,所以能赋予它优异的性能;关于配位键纳米复合材料,是将有功能性的无机 盐溶于带配合基团的有机单体中使之形成配位键,然后进行聚合,使无机物以纳米相分散 在聚合物中形成纳米复合材料。该种材料具有很强的纳米功能效应,是一种有竞争力的功 能复合材料;新近发展迅速的离子键型有机-无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来 制得的,因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间表面带负电 所以可用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进行插层,而该树脂又能与某些高分子单体或 熔体发生作用,从而构成纳米复合材料。研究表明,这种复合材料不仅能作为结构材料也 可作为功能材料,并且已显示出具有工业化的可能性 2)无机一无机纳米复合材料 无机-无机纳米复合材料虽然研究较早,但发展较慢。原因在于无机的纳米粒子容易在 成形过程中迅速团聚或晶粒长大,因而丧失纳米效应,目前正在努力改善之中。采用原位 生长纳米相的方法可以制备陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料,它们的性能有明 显改善。这类方法存在的问题是难以精确控制由原位反应生成的增强体含量和生成物的化 学组成,尚有待改进。 3.仿生复合材料 天然的生物材料基本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现,它们的形成结 构、排列分布非常合理。例如,竹子以管式纤维构成,外密内疏,并呈正反螺旋形排列、 成为长期使用的优良天然材料。又如,贝壳是以无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层 而成,既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结 构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验,优胜劣汰,为人类提供 了学习借鉴的途径。为此,可以通过系统分析和比较,吸取有用的规律并形成概念,把从 生物材料学习到的知识结合材料科学的理论和手段来进行新型材料的设计与制造。因此逐 步形成新的研究领域——仿生复合材料。正因为生物界能提供的信息非常丰富,以现有水 平还无法认识其机理,所以具有很强的发展生命力。目前虽已经开展了部分研究并建立了 216·216· 金属学与热处理 ·216· 2. 纳米复合材料 当材料尺寸进入纳米范围时，材料的主要成分集中在表面。例如直径为 2nm 的颗粒其 表面原子数将占有整体的 80%。巨大的表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存 在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。如果能将这些纳米单元体分散在某种基体之中构成 复合材料，使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体(颗粒或其他形状物体)，则可发挥其纳米 效应。这种效应的产生是来源于其表面原子呈无序分布状态而具有特殊的性质，表现为量 子尺寸效应、宏观量子隧道效应、表面与界面效应等。由于这些效应的存在使纳米复合材 料不仅具有优良的力学性能，而且会产生光学、非线性光学、光化学和电学的功能作用。 1) 有机-无机纳米复合材料 目前有机-无机分子间存在相互作用的纳米复合材料发展很快。因为该种材料在结构与 功能两方面均有很好的应用前景，而且具有工业化的可能性。有机-无机分子间的相互作用 有共价键型、配位键型和离子键型、各种类型的纳米复合材料均有其对应的制备方法。例 如，制备共价键型纳米复合材料基本上采用凝胶溶胶法。该种复合体系中的无机组分是用 硅或金属的烷氧基化合物经水解、缩聚等反应形成硅或金属氧化物的纳米粒子网络，有机 组分则以高分子单体引入此网络并进行原位聚合形成纳米复合材料。该材料能达到分子级 的分散水平，所以能赋予它优异的性能；关于配位键纳米复合材料，是将有功能性的无机 盐溶于带配合基团的有机单体中使之形成配位键，然后进行聚合，使无机物以纳米相分散 在聚合物中形成纳米复合材料。该种材料具有很强的纳米功能效应，是一种有竞争力的功 能复合材料；新近发展迅速的离子键型有机-无机纳米复合材料是通过对无机层状物插层来 制得的，因此无机纳米相仅有一维是纳米尺寸。由于层状硅酸盐的片层之间表面带负电， 所以可用阳离子交换树脂借助静电吸引作用进行插层，而该树脂又能与某些高分子单体或 熔体发生作用，从而构成纳米复合材料。研究表明，这种复合材料不仅能作为结构材料也 可作为功能材料，并且已显示出具有工业化的可能性。 2) 无机-无机纳米复合材料 无机-无机纳米复合材料虽然研究较早，但发展较慢。原因在于无机的纳米粒子容易在 成形过程中迅速团聚或晶粒长大，因而丧失纳米效应，目前正在努力改善之中。采用原位 生长纳米相的方法可以制备陶瓷基纳米复合材料和金属基纳米复合材料，它们的性能有明 显改善。这类方法存在的问题是难以精确控制由原位反应生成的增强体含量和生成物的化 学组成，尚有待改进。 3. 仿生复合材料 天然的生物材料基本上是复合材料。仔细分析这些复合材料可以发现，它们的形成结 构、排列分布非常合理。例如，竹子以管式纤维构成，外密内疏，并呈正反螺旋形排列、 成为长期使用的优良天然材料。又如，贝壳是以无机质成分与有机质成分呈层状交替叠层 而成，既具有很高的强度又有很好的韧性。这些都是生物在长期进化演变中形成的优化结 构形式。大量的生物体以各种形式的组合来适应自然环境的考验，优胜劣汰，为人类提供 了学习借鉴的途径。为此，可以通过系统分析和比较，吸取有用的规律并形成概念，把从 生物材料学习到的知识结合材料科学的理论和手段来进行新型材料的设计与制造。因此逐 步形成新的研究领域——仿生复合材料。正因为生物界能提供的信息非常丰富，以现有水 平还无法认识其机理，所以具有很强的发展生命力。目前虽已经开展了部分研究并建立了