納米復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)性能

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1、聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)分析摘要：本文介紹了蒙脫土的結(jié)構(gòu)性能以及聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料的制備、表征技術(shù)、細(xì)觀力學(xué)分析以及其應(yīng)用與前景等。關(guān)鍵詞：蒙脫土；納米復(fù)合材料；制備；力學(xué)分析Abstract:thestructureandpropertiesofmontmorilloniteandpolymer/montmorillonitenanocompositespreparation,characterizationtechniques,mechanicalanalysisanditsapplicationsandprospects.Keywords：mont

2、morillonite；nanocomposites；preparation；mechanicalanalysis1.前言納米復(fù)合材料的概念最早是由RustunRoy于1984年提出的，它是指分散相尺寸至少有1種小于100nm的復(fù)合材料[1]。納米粒子是由數(shù)目較少的原子或分子組成的原子群或分子群,其表面原子是既無長程有序又無短程有序的非晶層,而在粒子芯部,存在結(jié)晶完好、周期性排布的原子。正是由于納米粒子的這種特殊結(jié)構(gòu),導(dǎo)致了納米粒子特殊的表面效應(yīng)和體積效應(yīng),從而具備很多新的特性。1、表面與界面效應(yīng)：表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨粒徑的減小而急劇增大后引起性質(zhì)

3、上的變化。由于粒徑的減小,表面原子數(shù)的增加,使得表面能和表面綜合能迅速增加。同時由于表面原子周圍缺少相鄰原子,存在許多懸空鍵,容易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來,從而具有很高的化學(xué)活性。因此納米粒子的表面效應(yīng)是影響化學(xué)活性的主要因素。2、小尺寸效應(yīng)：當(dāng)納米材料的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時,晶體周期性的邊界條件將被破壞,非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小,導(dǎo)致聲光、熱和電磁等特征出現(xiàn)小尺寸效應(yīng)。例如納米鐵的抗斷裂應(yīng)力比普通鐵高12倍；光吸收顯著增加；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變；聲譜發(fā)生改變等。3、量

4、子尺寸效應(yīng)：粒子的尺寸減小到一定程度時,金屬費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級,對于納米顆粒,由于所含電子數(shù)少,能級間距不再趨于零,從而形成分離的能級。一旦粒子尺寸小到使分離的能級間隔大于熱能、磁能、電能和光子能量等特征能量時,則引起能級改變,能隙變寬,使粒子的發(fā)射能量增加,光學(xué)吸收向短波方向移動,直觀上表現(xiàn)為樣品顏色的變化,例如:PdS顆粒由黃色變?yōu)闇\黃色。該現(xiàn)象即為量子尺寸效應(yīng)[2]。由于納米粒子有獨特的“表面效應(yīng)”、“體積效應(yīng)”和“量子效應(yīng)”，使納米復(fù)合材料表現(xiàn)出獨特的化學(xué)和物理性質(zhì)，因此引起了人們的廣泛關(guān)注。納米復(fù)合材料可以是金屬/金屬、金屬/陶瓷、陶瓷/

5、陶瓷、無機（金屬、陶瓷）/聚合物、聚合物/無機及聚合物/聚合物等不同的組合方式，如圖1所示。這種復(fù)合材料有可能同時兼顧納米微粒和其它材料的優(yōu)點，具有特殊的性能。納米復(fù)合材料是在復(fù)合材料的特征上疊加了納米材料的優(yōu)點，使材料的可變結(jié)構(gòu)參數(shù)及復(fù)合效應(yīng)獲得最充分的發(fā)揮，產(chǎn)生出最佳的宏觀性能。納米復(fù)合材料的發(fā)展已經(jīng)成為納米材料工程的重要組成部分[3]。圖1、納米復(fù)合材料的分類聚合物基納米復(fù)合材料包括聚合物基有機納米復(fù)合材料和聚合物基無機納米復(fù)合材料。聚合物基無機納米復(fù)合材料是集有機組分和無機納米組分于一體的新型功能高分子材料。目前，聚合物基無機納米復(fù)合材料的制備方法主要有3種：即溶

6、液—凝膠法、嵌入法和納米微粒填充法[4]。許多無機物如硅酸鹽類蒙脫土、磷酸鹽類、石墨、金屬氧化物、二硫化物、三硫化物等具有典型的層狀結(jié)構(gòu),可以嵌入有機物。從研究的廣度和深度以及工業(yè)化前景角度看,聚合物基納米復(fù)合材料主要集中于聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料[5]。聚合物/蒙脫土納米復(fù)合材料是以有機聚合物為基體，蒙脫土填料為分散相得有機/無機納米復(fù)合材料。由于其具有常規(guī)復(fù)合材料所沒有的結(jié)構(gòu)、形態(tài)以及較常規(guī)聚合物基復(fù)合材料更優(yōu)越的性能和廣泛的應(yīng)用前景，已經(jīng)成為當(dāng)今聚合物材料基礎(chǔ)研究和開發(fā)應(yīng)用的熱點。2.蒙脫土的特性蒙脫土的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。片狀結(jié)構(gòu)的蒙脫土是由兩個硅氧四面體晶片中間

7、夾帶一個鋁氧八面體晶片構(gòu)成，由于硅氧四面體中的部分Si4+和鋁氧八面體中的部分Al3+容易被Mg2+所置換，因此在這些片層內(nèi)產(chǎn)生了過剩的負(fù)電荷[6]。為了保持電中性,這些過剩的負(fù)電荷通過層間吸附陽離子來補償。蒙脫土片層間吸附有Ca2+、Na+等水合陽離子，它們很容易與有機或無機陽離子發(fā)生交換，使層間距發(fā)生變化，因此通過適當(dāng)有效的方法使聚合物插入到蒙脫土片層間形成納米復(fù)合材料，材料科學(xué)家們看重的也正是這一點。蒙脫土的離子交換容量適中、力學(xué)性能優(yōu)良、價格低廉，使得其成為制備納米復(fù)合材料的首選礦物。我國有豐富的蒙脫土礦藏，研究聚合物