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纳米材料讲义

聚合物纳米复合材料

1、一般认为颗粒直径在1~100nm之间的粒子称为纳米粒子。它是由一定数量的原子或分子组成的亚微观粒子。如下图为纳米SiO2的三维链状结构图。

纳米粒子区别于本体结构的特点是粒子具有壳层结构,而其特殊类结构导致了它具有了四方面效应:表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性能。

表面效应:指的是纳米粒子表面原子与总的原子数之比随粒径的减小而急剧增大,粒子表面结合能随之增加,从而引起纳米微粒性质变化的现象。

体积效应:当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导的相干长度或透视深度等特征尺寸相当或更小时,晶体周期性的条件将会被破坏,非晶体纳米颗粒的颗粒层附近原子密度减小,导致声、光、热、电、磁等一些化学特性会发生变化,出现体积效应。

量子尺寸效应:当粒子的尺寸下降到一定值时,粒子内部原子数目减少,费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。

宏观量子隧道效应:近年来,人们发现一些宏观量例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的能垒而产生变化,故称为宏观的量子隧道效应。

由于纳米粒子比表面积大,粒子间距离小,表面能高,并在磁性、光学性、电磁波吸收、化学活性等方面呈现多种多样的优异特性,所以将纳米材料应用于材料领域,开发新型功能复合材料,已成为目前的研究重点。

DLVO理论表明,粒子间相互作用的总位能为排斥力位能和引力位能之和。(1)表面活性剂法:利用表面活性剂的有机官能团与粒子表面进行化学吸附或化学反应,从而使表面活性剂覆盖于粒子表面,起到减小表面能,减少粒子间相互结合的机会。

(2)等离子体与辐射引发聚合法:无机粒子表面往往含有少量结合羟基,用化学方法一般难以使这些羟基产生引发活性,但如用高能辐射、等离子体处理等方法,可使这些结合羟基产生具有引发活性的活性种(自由基、阳离子或阴离子等),引发单体在其表面聚合。

(3)表面接枝聚合改性法:通过化学反应将高分子链连接到无机纳米粒子表面

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