纳米复合材料细观力学性能..docVIP

聚合物/蒙脱土纳米复合材料细观力学分析 摘要：本文介绍了蒙脱土的结构性能以及聚合物/蒙脱土纳米复合材料的制备、表征技术、细观力学分析以及其应用与前景等。 关键词：蒙脱土；纳米复合材料；制备；力学分析 Abstract: the structure and properties of montmorillonite and polymer /montmorillonite nanocomposites preparation,characterization techniques,mechanical analysis and its applications and prospects. Key words：montmorillonite；nanocomposites；preparation；mechanical analysis 1.前言 纳米复合材料的概念最早是由Rustun Roy于1984年提出的，它是指分散相尺寸至少有1种小于100nm的复合材料[1]。纳米粒子是由数目较少的原子或分子组成的原子群或分子群, 其表面原子是既无长程有序又无短程有序的非晶层,而在粒子芯部,存在结晶完好、周期性排布的原子。正是由于纳米粒子的这种特殊结构, 导致了纳米粒子特殊的表面效应和体积效应,从而具备很多新的特性。1、表面与界面效应：表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的减小而急剧增大后引起性质上的变化。由于粒径的减小,表面原子数的增加,使得表面能和表面综合能迅速增加。同时由于表面原子周围缺少相邻原子,存在许多悬空键,容易与其他原子相结合而稳定下来,从而具有很高的化学活性。因此纳米粒子的表面效应是影响化学活性的主要因素。2、小尺寸效应：当纳米材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长、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,非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小,导致声光、热和电磁等特征出现小尺寸效应。例如纳米铁的抗断裂应力比普通铁高12倍；光吸收显著增加；磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相转变；声谱发生改变等。3、量子尺寸效应：粒子的尺寸减小到一定程度时,金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级,对于纳米颗粒,由于所含电子数少, 能级间距不再趋于零,从而形成分离的能级。一旦粒子尺寸小到使分离的能级间隔大于热能、磁能、电能和光子能量等特征能量时,则引起能级改变,能隙变宽, 使粒子的发射能量增加,光学吸收向短波方向移动,直观上表现为样品颜色的变化,例如: PdS颗粒由黄色变为浅黄色。该现象即为量子尺寸效应[2]。由于纳米粒子有独特的“表面效应”、“体积效应”和“量子效应”，使纳米复合材料表现出独特的化学和物理性质，因此引起了人们的广泛关注。纳米复合材料可以是金属/金属、金属/陶瓷、陶瓷/陶瓷、无机（金属、陶瓷）/聚合物、聚合物/无机及聚合物/聚合物等不同的组合方式，如图1所示。 这种复合材料有可能同时兼顾纳米微粒和其它材料的优点，具有特殊的性能。纳米复合材料是在复合材料的特征上叠加了纳米材料的优点，使材料的可变结构参数及复合效应获得最充分的发挥，产生出最佳的宏观性能。纳米复合材料的发展已经成为纳米材料工程的重要组成部分[3]。 图1、纳米复合材料的分类 聚合物基纳米复合材料包括聚合物基有机纳米复合材料和聚合物基无机纳米复合材料。聚合物基无机纳米复合材料是集有机组分和无机纳米组分于一体的新型功能高分子材料。目前，聚合物基无机纳米复合材料的制备方法主要有3种：即溶液—凝胶法、嵌入法和纳米微粒填充法[4]。许多无机物如硅酸盐类蒙脱土、磷酸盐类、石墨、金属氧化物、二硫化物、三硫化物等具有典型的层状结构, 可以嵌入有机物。从研究的广度和深度以及工业化前景角度看, 聚合物基纳米复合材料主要集中于聚合物/ 蒙脱土纳米复合材料[5]。 聚合物/蒙脱土纳米复合材料是以有机聚合物为基体，蒙脱土填料为分散相得有机/无机纳米复合材料。由于其具有常规复合材料所没有的结构、形态以及较常规聚合物基复合材料更优越的性能和广泛的应用前景，已经成为当今聚合物材料基础研究和开发应用的热点。 2.蒙脱土的特性 蒙脱土的结构示意图如图2。片状结构的蒙脱土是由两个硅氧四面体晶片中间夹带一个铝氧八面体晶片构成，由于硅氧四面体中的部分Si4+和铝氧八面体中的部分Al3+容易被Mg2+所置换，因此在这些片层内产生了过剩的负电荷[ 6]。为了保持电中性,这些过剩的负电荷通过层间吸附阳离子来补偿。蒙脱土片层间吸附有Ca2+、Na+等水合阳离子，它们很容易与有机或无机阳离子发生交换，使层间距发生变化，因此通过适当有效的方法使聚合物插入到蒙脱土片层间形成纳米复合材料，材料科学家们看重