纳米复合材料.pptx

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1、会计学1第一页，编辑于星期二：六点 二十五分。2纳米复合材料纳米复合材料 Nano-Composite Materials 第1页/共96页第二页，编辑于星期二：六点 二十五分。3主要内容主要内容纳米复合材料的定义纳米复合材料的定义纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类纳米复合材料的制备纳米复合材料的制备纳米复合材料的应用纳米复合材料的应用第2页/共96页第三页，编辑于星期二：六点 二十五分。4n高科技的飞速发展对高性能材料的要高科技的飞速发展对高性能材料的要求越来越迫切，求越来越迫切，纳米技术纳米技术为发展高性为发展高性能新材料和对现有材料的性能进行改能新材料和对现有材料的性能进行改善提供了一

2、个新的途径。善提供了一个新的途径。n纳米复合材料纳米复合材料与传统复合材料在结构与传统复合材料在结构和性能上有明显区别，成为材料学、和性能上有明显区别，成为材料学、物理化学和聚合物化学和物理等多门物理化学和聚合物化学和物理等多门学科交叉的前沿领域，成为研究的热学科交叉的前沿领域，成为研究的热点。点。纳米材料的典型纳米材料的典型代表代表-纳米碳管纳米碳管第3页/共96页第四页，编辑于星期二：六点 二十五分。5纳米复合材料的定义纳米复合材料的定义第4页/共96页第五页，编辑于星期二：六点 二十五分。6n纳米材料纳米材料是指是指三维空间三维空间中至少有一维处于纳米中至少有一维处于纳米尺度范围内，或以

3、它们尺度范围内，或以它们作为基本构成单元的材作为基本构成单元的材料料。n零维零维在空间三继尺度均在空间三继尺度均在纳米尺度，如纳米颗在纳米尺度，如纳米颗粒、原子团簇等；粒、原子团簇等；n一维一维在三继空间有两维在三继空间有两维处于纳米尺度，如纳米处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；丝、纳米棒、纳米管等；n二维二维在三维空间中有一在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。膜、多层膜、超晶格等。0维纳米维纳米Au颗粒颗粒1维纳米维纳米Au线线第5页/共96页第六页，编辑于星期二：六点 二十五分。7n纳米复合材料纳米复合材料(Nano-composites)

4、是是由由两种或两种以上的固相至少在一维以两种或两种以上的固相至少在一维以纳米级大小纳米级大小(1100nm)复合而成的复合复合而成的复合材料材料。n固相可以是非晶、晶态或兼而有之，固相可以是非晶、晶态或兼而有之，而且可以是无机、有机或二者都有。而且可以是无机、有机或二者都有。Co-WC纳米复合硬质合纳米复合硬质合金微观形貌金微观形貌Co-WC纳米复合硬质合纳米复合硬质合金材料金材料第6页/共96页第七页，编辑于星期二：六点 二十五分。8纳米复合材料的分类纳米复合材料的分类 第7页/共96页第八页，编辑于星期二：六点 二十五分。9n n按按按按基体形状基体形状基体形状基体形状可把纳米复合材料大致

5、分为可把纳米复合材料大致分为可把纳米复合材料大致分为可把纳米复合材料大致分为0-00-0复合、复合、复合、复合、0-20-2复复复复合、合、合、合、0-30-3复合、复合、复合、复合、1-31-3复合和复合和复合和复合和2-32-3复合复合复合复合等主要形式。等主要形式。等主要形式。等主要形式。n n0-00-0复合：复合：复合：复合：不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子复不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子复不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子复不同成分的不同相或不同种类的纳米粒子复合而成合而成合而成合而成的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与金属、的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与金属、的

6、纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与金属、的纳米复合材料。纳米粒子可以是金属与金属、陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷与陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷与陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷与陶瓷与高分子、金属与高分子、陶瓷与陶瓷、陶瓷与高分子等构成。高分子等构成。高分子等构成。高分子等构成。纳米纳米TiN和纳米和纳米AlN复合制备的超硬材料，复合制备的超硬材料，HRA达到达到91第8页/共96页第九页，编辑于星期二：六点 二十五分。10n n0-20-2复合：把复合：把复合：把复合：把纳米粒子分散到二维的薄膜材料纳米粒子分散到二维的薄膜材料纳米粒子分散到二维的薄膜

7、材料纳米粒子分散到二维的薄膜材料中得到中得到中得到中得到的纳米复合薄膜材料。的纳米复合薄膜材料。的纳米复合薄膜材料。的纳米复合薄膜材料。n n可分为可分为可分为可分为均匀弥散型均匀弥散型均匀弥散型均匀弥散型和和和和非均匀弥散型非均匀弥散型非均匀弥散型非均匀弥散型：均匀弥散型是指：均匀弥散型是指：均匀弥散型是指：均匀弥散型是指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型是指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型是指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型是指纳米粒子在薄膜基体中均匀分散，非均匀弥散型是指纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中。纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中。纳米粒子随机混乱地

8、分散在薄膜基体中。纳米粒子随机混乱地分散在薄膜基体中。纳米薄膜纳米薄膜纳米薄膜太阳能电池纳米薄膜太阳能电池第9页/共96页第十页，编辑于星期二：六点 二十五分。11n n0-30-3复合：复合：复合：复合：把纳米粒子分散到把纳米粒子分散到把纳米粒子分散到把纳米粒子分散到常规三维固体材料中，常规三维固体材料中，常规三维固体材料中，常规三维固体材料中，也也也也即纳米即纳米即纳米即纳米-微米复合材料。微米复合材料。微米复合材料。微米复合材料。n n通过纳米粒子加入和均匀通过纳米粒子加入和均匀通过纳米粒子加入和均匀通过纳米粒子加入和均匀分散在微米粒子基体中，分散在微米粒子基体中，分散在微米粒子基体中，

9、分散在微米粒子基体中，阻止基体粒子的晶粒长大，阻止基体粒子的晶粒长大，阻止基体粒子的晶粒长大，阻止基体粒子的晶粒长大，以获得具有微晶结构的致以获得具有微晶结构的致以获得具有微晶结构的致以获得具有微晶结构的致密材料，使材料强度、硬密材料，使材料强度、硬密材料，使材料强度、硬密材料，使材料强度、硬度、韧性等力学性能得到度、韧性等力学性能得到度、韧性等力学性能得到度、韧性等力学性能得到显著提高。显著提高。显著提高。显著提高。纳米纳米-微米复合材料结构示意图微米复合材料结构示意图第10页/共96页第十一页，编辑于星期二：六点 二十五分。12n n1-31-3复合：主要是复合：主要是复合：主要是复合：主

10、要是纳米碳管、纳米晶须与常规金属粉体、纳米碳管、纳米晶须与常规金属粉体、纳米碳管、纳米晶须与常规金属粉体、纳米碳管、纳米晶须与常规金属粉体、陶瓷粉体和聚合物粉体的复合陶瓷粉体和聚合物粉体的复合陶瓷粉体和聚合物粉体的复合陶瓷粉体和聚合物粉体的复合，对金属、陶瓷和聚合，对金属、陶瓷和聚合，对金属、陶瓷和聚合，对金属、陶瓷和聚合物有特别明显的增强作用。物有特别明显的增强作用。物有特别明显的增强作用。物有特别明显的增强作用。n n2-32-3复合：复合：复合：复合：无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物前驱物无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物前驱物无机纳米片体与聚合物粉体或者聚合物前驱物无机纳米片体与聚合

11、物粉体或者聚合物前驱物的复合的复合的复合的复合，主要是插层纳米复合材料的合成。，主要是插层纳米复合材料的合成。，主要是插层纳米复合材料的合成。，主要是插层纳米复合材料的合成。纳米碳管增强复合材料示意图纳米碳管增强复合材料示意图第11页/共96页第十二页，编辑于星期二：六点 二十五分。13n n近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同样可近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同样可近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同样可近年来引人注目的气凝胶材料也称为介孔固体，同样可以作为纳米复合材料的母体，通过物理或化学方法将以作为纳米复合材料的母体，通过物理或化学方法将以作为纳米复合材料的母

12、体，通过物理或化学方法将以作为纳米复合材料的母体，通过物理或化学方法将纳纳纳纳米粒子填充在介孔中米粒子填充在介孔中米粒子填充在介孔中米粒子填充在介孔中(孔洞尺寸为纳米或亚微米级孔洞尺寸为纳米或亚微米级孔洞尺寸为纳米或亚微米级孔洞尺寸为纳米或亚微米级)，这种这种这种这种介孔复合体介孔复合体介孔复合体介孔复合体也是纳米复合材料。也是纳米复合材料。也是纳米复合材料。也是纳米复合材料。低密度多孔镍形貌低密度多孔镍形貌第12页/共96页第十三页，编辑于星期二：六点 二十五分。14n按按基体类型基体类型分为分为金属基、陶瓷基和金属基、陶瓷基和聚合物基聚合物基纳米复合材料。纳米复合材料。纳米复合材料纳米复合

13、材料金属基纳米金属基纳米复合材料复合材料金属金属/金属纳米复合材料金属纳米复合材料金属金属/陶瓷纳米复合材料陶瓷纳米复合材料陶瓷基纳米陶瓷基纳米复合材料复合材料陶瓷陶瓷/陶瓷纳米复合材料陶瓷纳米复合材料陶瓷陶瓷/金属纳米复合材料金属纳米复合材料聚合物基纳聚合物基纳米复合材料米复合材料聚合物聚合物/陶瓷纳米复合材料陶瓷纳米复合材料聚合物聚合物/金属纳米复合材料金属纳米复合材料聚合物聚合物/聚合物纳米复合材料聚合物纳米复合材料第13页/共96页第十四页，编辑于星期二：六点 二十五分。15纳米复合材料的制备纳米复合材料的制备 第14页/共96页第十五页，编辑于星期二：六点 二十五分。16无机纳米复合

14、材料制备无机纳米复合材料制备高能球磨法高能球磨法 n将两种或两种以上无机粉末放入球磨将两种或两种以上无机粉末放入球磨机中，利用球磨机的转动或振动，使机中，利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，粉末颗粒经压延，压合，碾碎，搅拌，粉末颗粒经压延，压合，碾碎，再压合的反复过程，获得纳米复合粉再压合的反复过程，获得纳米复合粉末，烧结后得到纳米复合材料。末，烧结后得到纳米复合材料。行星式高能球磨机行星式高能球磨机不锈钢磨球不锈钢磨球第15页/共96页第十六页，编辑于星期二：六点 二十五分。17n n高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金高能

15、球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金高能球磨能合成两相或多相不相溶的均匀混合合金，如如如如 Cu-FeCu-Fe、Cu-CrCu-Cr、Cu-WCu-W等材料，还可用于制备等材料，还可用于制备等材料，还可用于制备等材料，还可用于制备TiAlTiAl、NiAlNiAl等金属间化合物和超硬合金等。等金属间化合物和超硬合金等。等金属间化合物和超硬合金等。等金属间化合物和超硬合金等。n n高能球磨法还能制备纳米晶复合材料高能球磨法还能制备纳米晶复合材料高能球磨法还能制备纳米晶复合材料高能球磨法还能制备纳米晶复合材料。晶粒细化是由于粉。晶粒细化是由于粉。晶

16、粒细化是由于粉。晶粒细化是由于粉末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达到临界值时，末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达到临界值时，末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达到临界值时，末反复形变引起缺陷密度的增加，当缺陷密度达到临界值时，粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最终形成纳米晶复合材粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最终形成纳米晶复合材粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最终形成纳米晶复合材粗晶内部破碎。这个过程不断重复，最终形成纳米晶复合材料。料。料。料。高能球磨制备的高能球磨制备的Ti(C,N)粉末形貌，粉末形貌，XRD分析显示分析显示f粉末粉末晶粒尺寸在晶粒尺寸在100nm以下

17、以下第16页/共96页第十七页，编辑于星期二：六点 二十五分。18n n西安交通大学通过对西安交通大学通过对西安交通大学通过对西安交通大学通过对Al-TiAl-Ti系粉末进行高能球磨和压制系粉末进行高能球磨和压制系粉末进行高能球磨和压制系粉末进行高能球磨和压制烧结，发现烧结，发现烧结，发现烧结，发现Al-TiAl-Ti合金系高能球磨后，各组元晶粒得到合金系高能球磨后，各组元晶粒得到合金系高能球磨后，各组元晶粒得到合金系高能球磨后，各组元晶粒得到细化，并且细化，并且细化，并且细化，并且TiTi在在在在AlAl中发生了强制超饱和固溶，烧结时形成中发生了强制超饱和固溶，烧结时形成中发生了强制超饱和固

18、溶，烧结时形成中发生了强制超饱和固溶，烧结时形成纳米晶纳米晶纳米晶纳米晶AlAl3 3Ti/AlTi/Al复合材料。复合材料。复合材料。复合材料。n nHwangHwang等通过机械球磨等通过机械球磨等通过机械球磨等通过机械球磨Mg,TiMg,Ti和和和和C C粉合成粉合成粉合成粉合成Mg-Ti-CMg-Ti-C纳米纳米纳米纳米复合材料，复合材料，复合材料，复合材料，MgMg晶粒尺寸在晶粒尺寸在晶粒尺寸在晶粒尺寸在2560nm2560nm之间之间之间之间,TiC,TiC颗粒尺寸颗粒尺寸颗粒尺寸颗粒尺寸在在在在3070nm3070nm之间。之间。之间。之间。Mg-Ti-CMg-Ti-C纳米复合材

19、料具有高的屈纳米复合材料具有高的屈纳米复合材料具有高的屈纳米复合材料具有高的屈服强度和与服强度和与服强度和与服强度和与Mg-TiMg-Ti合金相似的高延展性。合金相似的高延展性。合金相似的高延展性。合金相似的高延展性。第17页/共96页第十八页，编辑于星期二：六点 二十五分。19非晶晶化法非晶晶化法n n在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组态将在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组态将在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组态将在合金液的凝固中实现快速冷却，使熔体中原子的组态将基本上保持不变，被基本上保持不变，被基本上保持不变，被基本上保持不变，被“冻结冻结冻结冻结”形

20、成长程无序的非晶结构形成长程无序的非晶结构形成长程无序的非晶结构形成长程无序的非晶结构，再通过再通过再通过再通过晶化热处理对原子进行晶化热处理对原子进行晶化热处理对原子进行晶化热处理对原子进行“解冻解冻解冻解冻”。控制热处理。控制热处理。控制热处理。控制热处理温度和时间，使原子具有足够的能量和时间进行扩散，温度和时间，使原子具有足够的能量和时间进行扩散，温度和时间，使原子具有足够的能量和时间进行扩散，温度和时间，使原子具有足够的能量和时间进行扩散，得到纳米晶复合材料。得到纳米晶复合材料。得到纳米晶复合材料。得到纳米晶复合材料。快淬法制备非晶快淬法制备非晶NdFeB条带条带第18页/共96页第十

21、九页，编辑于星期二：六点 二十五分。20n n利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在利用非晶晶化法可以制备出晶粒尺寸在20-30nm20-30nm的纳米的纳米的纳米的纳米晶双相复合晶双相复合晶双相复合晶双相复合NdFeB/-FeNdFeB/-Fe永磁粉末，其最大磁能积可以达永磁粉末，其最大磁能积可以达永磁粉末，其最大磁能积可以达永磁粉末，其最大磁能积可以达到到到到126-132kJ/m126-132kJ/m3 3，将其与高分子树脂制成粘结磁体的可广，将其与高分子树脂制成粘结磁体的可广，将其与高分子树脂制成粘结磁体的可广，将其与高分

22、子树脂制成粘结磁体的可广泛应用于计算机、打印机、空调、汽车所用的微特电机泛应用于计算机、打印机、空调、汽车所用的微特电机泛应用于计算机、打印机、空调、汽车所用的微特电机泛应用于计算机、打印机、空调、汽车所用的微特电机及传感器等领域及传感器等领域及传感器等领域及传感器等领域 纳米晶双相复合纳米晶双相复合NdFeB/-Fe粉末的微观形貌粉末的微观形貌第19页/共96页第二十页，编辑于星期二：六点 二十五分。21非常规快速烧结非常规快速烧结n n用纳米粉体制备纳米复合材料，最终显微结构中晶粒仍要保用纳米粉体制备纳米复合材料，最终显微结构中晶粒仍要保用纳米粉体制备纳米复合材料，最终显微结构中晶粒仍要保

23、用纳米粉体制备纳米复合材料，最终显微结构中晶粒仍要保持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉末的巨大活性，在持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉末的巨大活性，在持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉末的巨大活性，在持在纳米尺度是非常困难的。由于纳米粉末的巨大活性，在烧结过程中晶界扩散非常快，极易发生晶粒快速生长。采用烧结过程中晶界扩散非常快，极易发生晶粒快速生长。采用烧结过程中晶界扩散非常快，极易发生晶粒快速生长。采用烧结过程中晶界扩散非常快，极易发生晶粒快速生长。采用非常规烧结工艺，如非常规烧结工艺，如非常规烧结工艺，如非常规烧结工艺，如微波烧结、放电等离子烧结、感应微波烧结、放电等离子烧结、感应

24、微波烧结、放电等离子烧结、感应微波烧结、放电等离子烧结、感应烧结和自蔓延燃烧合成烧结和自蔓延燃烧合成烧结和自蔓延燃烧合成烧结和自蔓延燃烧合成等，可在烧结过程中降低烧结等，可在烧结过程中降低烧结等，可在烧结过程中降低烧结等，可在烧结过程中降低烧结温度，缩短烧结时间，加快冷却速度等，有效抑制温度，缩短烧结时间，加快冷却速度等，有效抑制温度，缩短烧结时间，加快冷却速度等，有效抑制温度，缩短烧结时间，加快冷却速度等，有效抑制晶粒的长大。其中采用是比较有效的技术。晶粒的长大。其中采用是比较有效的技术。晶粒的长大。其中采用是比较有效的技术。晶粒的长大。其中采用是比较有效的技术。第20页/共96页第二十一页

25、，编辑于星期二：六点 二十五分。22放电等离子烧结放电等离子烧结颗粒间的放电颗粒间的放电纳米纳米SiCx纤维的联结纤维的联结第21页/共96页第二十二页，编辑于星期二：六点 二十五分。23只需较低的只需较低的温度温度:600-750只需较低的只需较低的压力压力:102M Pa只需很短的只需很短的时间时间:约约2分钟分钟,包括包括:由室温加热至热压温度由室温加热至热压温度(约约 700进行热压进行热压冷却至约冷却至约200热压后可获得全密度热压后可获得全密度有效地防止晶粒长大有效地防止晶粒长大价格低廉价格低廉感应烧结感应烧结a-Fea-Fea-Fea-Fe纳米晶双相复合纳米晶双相复合NdFeB/

26、-Fe致密磁体致密磁体第22页/共96页第二十三页，编辑于星期二：六点 二十五分。24n n利用粉末状混合物化学反应产生的热量和反应的自传播性利用粉末状混合物化学反应产生的热量和反应的自传播性利用粉末状混合物化学反应产生的热量和反应的自传播性利用粉末状混合物化学反应产生的热量和反应的自传播性，使材料燃烧和合成来制备纳米复合材料。使材料燃烧和合成来制备纳米复合材料。使材料燃烧和合成来制备纳米复合材料。使材料燃烧和合成来制备纳米复合材料。反应迅速，反应迅速，反应迅速，反应迅速，能耗低，纯度高，最适合于生成热大的化合物的合成如能耗低，纯度高，最适合于生成热大的化合物的合成如能耗低，纯度高，最适合于生

27、成热大的化合物的合成如能耗低，纯度高，最适合于生成热大的化合物的合成如AlNAlN、TiCTiC、TiBTiB等。等。等。等。自蔓延高温合成自蔓延高温合成自蔓延高温合成的纳米自蔓延高温合成的纳米TiNTiN粉末粉末第23页/共96页第二十四页，编辑于星期二：六点 二十五分。25n n这些方法的共同特点是可瞬时加热到所需温度。烧结中这些方法的共同特点是可瞬时加热到所需温度。烧结中这些方法的共同特点是可瞬时加热到所需温度。烧结中这些方法的共同特点是可瞬时加热到所需温度。烧结中还可以借助压力驱动，使致密化加速而不使晶粒迅速长还可以借助压力驱动，使致密化加速而不使晶粒迅速长还可以借助压力驱动，使致密化

28、加速而不使晶粒迅速长还可以借助压力驱动，使致密化加速而不使晶粒迅速长大。而燃烧合成则可反应放热，在瞬间完成致密化。大。而燃烧合成则可反应放热，在瞬间完成致密化。大。而燃烧合成则可反应放热，在瞬间完成致密化。大。而燃烧合成则可反应放热，在瞬间完成致密化。n n使用微波烧结技术对使用微波烧结技术对使用微波烧结技术对使用微波烧结技术对 ZrO2ZrO2纳米粉体进行烧结，最终可达纳米粉体进行烧结，最终可达纳米粉体进行烧结，最终可达纳米粉体进行烧结，最终可达98%98%以上理论密度，晶粒尺寸在以上理论密度，晶粒尺寸在以上理论密度，晶粒尺寸在以上理论密度，晶粒尺寸在100200nm100200nm。n n

29、在在在在14501450 C C用用用用SPSSPS技术烧结技术烧结技术烧结技术烧结Al2O3Al2O3陶瓷的强度可达陶瓷的强度可达陶瓷的强度可达陶瓷的强度可达800MPa800MPa以上，比常规工艺烧结的陶瓷强度高一倍以上，显以上，比常规工艺烧结的陶瓷强度高一倍以上，显以上，比常规工艺烧结的陶瓷强度高一倍以上，显以上，比常规工艺烧结的陶瓷强度高一倍以上，显微硬度微硬度微硬度微硬度HVHV达到达到达到达到18.5GPa18.5GPa。第24页/共96页第二十五页，编辑于星期二：六点 二十五分。26涂层法涂层法 n n涂层是用物理的、化学的或者其它方法，在金属或者非金属涂层是用物理的、化学的或者

30、其它方法，在金属或者非金属涂层是用物理的、化学的或者其它方法，在金属或者非金属涂层是用物理的、化学的或者其它方法，在金属或者非金属表面形成一层具有一定厚度，不同于基材自身，且具有一定表面形成一层具有一定厚度，不同于基材自身，且具有一定表面形成一层具有一定厚度，不同于基材自身，且具有一定表面形成一层具有一定厚度，不同于基材自身，且具有一定的强化、防护或特殊功能的覆盖层。通过调节相应的工艺条的强化、防护或特殊功能的覆盖层。通过调节相应的工艺条的强化、防护或特殊功能的覆盖层。通过调节相应的工艺条的强化、防护或特殊功能的覆盖层。通过调节相应的工艺条件，控制涂层的厚度，形成均匀的纳米薄膜，得到纳米复合件

31、，控制涂层的厚度，形成均匀的纳米薄膜，得到纳米复合件，控制涂层的厚度，形成均匀的纳米薄膜，得到纳米复合件，控制涂层的厚度，形成均匀的纳米薄膜，得到纳米复合材料。材料。材料。材料。n n制备纳米复合材料的涂层法主要有制备纳米复合材料的涂层法主要有制备纳米复合材料的涂层法主要有制备纳米复合材料的涂层法主要有磁控溅射、物理化学气磁控溅射、物理化学气磁控溅射、物理化学气磁控溅射、物理化学气相沉积、电沉积和热喷涂相沉积、电沉积和热喷涂相沉积、电沉积和热喷涂相沉积、电沉积和热喷涂等。等。等。等。第25页/共96页第二十六页，编辑于星期二：六点 二十五分。27磁控溅射磁控溅射等离子喷涂等离子喷涂化学气相沉积

32、化学气相沉积电化学沉积电化学沉积第26页/共96页第二十七页，编辑于星期二：六点 二十五分。28n nM.GellM.Gell等采用等离子弧喷涂制备出等采用等离子弧喷涂制备出等采用等离子弧喷涂制备出等采用等离子弧喷涂制备出AlAl2 2OO3 3-TiO-TiO2 2 纳米结构纳米结构纳米结构纳米结构涂层涂层涂层涂层,其中其中其中其中AlAl2 2OO3 3晶粒尺寸为晶粒尺寸为晶粒尺寸为晶粒尺寸为20-70 nm20-70 nm。与普通涂层相比。与普通涂层相比。与普通涂层相比。与普通涂层相比,纳米结构涂层的气孔率降低纳米结构涂层的气孔率降低纳米结构涂层的气孔率降低纳米结构涂层的气孔率降低,结合

33、强度增大结合强度增大结合强度增大结合强度增大,耐冲蚀磨耐冲蚀磨耐冲蚀磨耐冲蚀磨损性能提高了损性能提高了损性能提高了损性能提高了3 3倍，而且韧性较传统涂层大大提高。倍，而且韧性较传统涂层大大提高。倍，而且韧性较传统涂层大大提高。倍，而且韧性较传统涂层大大提高。n nJianhong HeJianhong He等采用热喷涂技术制备出纳米结构的等采用热喷涂技术制备出纳米结构的等采用热喷涂技术制备出纳米结构的等采用热喷涂技术制备出纳米结构的CrCr3 3C C2 2-NiCrNiCr涂层，退火后涂层晶粒为涂层，退火后涂层晶粒为涂层，退火后涂层晶粒为涂层，退火后涂层晶粒为39 nm39 nm，同时出现

34、平均尺，同时出现平均尺，同时出现平均尺，同时出现平均尺寸为寸为寸为寸为8.3nm8.3nm的析出相。纳米涂层的显微硬度的析出相。纳米涂层的显微硬度的析出相。纳米涂层的显微硬度的析出相。纳米涂层的显微硬度HVHV达达达达1200,1200,而传统涂层显微硬度而传统涂层显微硬度而传统涂层显微硬度而传统涂层显微硬度HVHV仅为仅为仅为仅为846846。此外。此外。此外。此外,纳米涂层划痕纳米涂层划痕纳米涂层划痕纳米涂层划痕抗力明显增加抗力明显增加抗力明显增加抗力明显增加,摩擦因数降低。摩擦因数降低。摩擦因数降低。摩擦因数降低。第27页/共96页第二十八页，编辑于星期二：六点 二十五分。29剧烈塑性变

35、形法剧烈塑性变形法n n采用大塑性变形细化技术可使材料组织细化到亚微米级或采用大塑性变形细化技术可使材料组织细化到亚微米级或采用大塑性变形细化技术可使材料组织细化到亚微米级或采用大塑性变形细化技术可使材料组织细化到亚微米级或纳米级。纳米级。纳米级。纳米级。n n等通道角形变等通道角形变等通道角形变等通道角形变ECAP(equal channel angular pressing)ECAP(equal channel angular pressing)、高压扭转形变高压扭转形变高压扭转形变高压扭转形变HPT(high pressure torsion)HPT(high pressure tors

36、ion)和多重轧制复合和多重轧制复合和多重轧制复合和多重轧制复合ARB(accumulative roll bonding)ARB(accumulative roll bonding)等方法依靠剪切力使材等方法依靠剪切力使材等方法依靠剪切力使材等方法依靠剪切力使材料在不改变横截面积情况下产生大的剪切变形料在不改变横截面积情况下产生大的剪切变形料在不改变横截面积情况下产生大的剪切变形料在不改变横截面积情况下产生大的剪切变形,从而使从而使从而使从而使材料晶粒尺寸细化到材料晶粒尺寸细化到材料晶粒尺寸细化到材料晶粒尺寸细化到10-1000 nm10-1000 nm。第28页/共96页第二十九页，编辑于

37、星期二：六点 二十五分。30剧烈苏醒变形原理图剧烈苏醒变形原理图(a)(a)高压扭转变形高压扭转变形 (b)(b)等通道角形变等通道角形变第29页/共96页第三十页，编辑于星期二：六点 二十五分。31高碳钢高碳钢(1.8%C)的微观结构的微观结构(a)常规状态常规状态(b)室温下剧烈塑性变形后室温下剧烈塑性变形后ab第30页/共96页第三十一页，编辑于星期二：六点 二十五分。32abTi合金的微观结构合金的微观结构(a)等通道角形变等通道角形变，变形角度，变形角度90(b)等通道角形变，变形角度等通道角形变，变形角度180 第31页/共96页第三十二页，编辑于星期二：六点 二十五分。33n n

38、日本用日本用日本用日本用ARB(accumulative roll bonding)ARB(accumulative roll bonding)方法方法方法方法,通过通过通过通过对含对含对含对含TiTi的超深冲钢的超深冲钢的超深冲钢的超深冲钢(IF(IF钢钢钢钢)经过经过经过经过5 5次次次次500 500 的的的的ARBARB循环后循环后循环后循环后,晶粒尺寸细化到晶粒尺寸细化到晶粒尺寸细化到晶粒尺寸细化到500 nm500 nm以下。以下。以下。以下。n n 通过多向变形加工通过多向变形加工通过多向变形加工通过多向变形加工(变化变形方向变化变形方向变化变形方向变化变形方向)能促进奥氏体能促

39、进奥氏体能促进奥氏体能促进奥氏体/铁素体铁素体铁素体铁素体相变相变相变相变,从而加速铁素体的形核速度从而加速铁素体的形核速度从而加速铁素体的形核速度从而加速铁素体的形核速度,并强制引发晶内并强制引发晶内并强制引发晶内并强制引发晶内湍流湍流湍流湍流,起到破碎晶粒的作用。通过多向变形细化技术起到破碎晶粒的作用。通过多向变形细化技术起到破碎晶粒的作用。通过多向变形细化技术起到破碎晶粒的作用。通过多向变形细化技术可以有效地细化低合金钢甚至高合金钢的显微组织。可以有效地细化低合金钢甚至高合金钢的显微组织。可以有效地细化低合金钢甚至高合金钢的显微组织。可以有效地细化低合金钢甚至高合金钢的显微组织。第32页

40、/共96页第三十三页，编辑于星期二：六点 二十五分。34有机纳米复合材料制备有机纳米复合材料制备溶胶溶胶-凝胶法凝胶法n n溶胶溶胶溶胶溶胶-凝胶法是将前驱物凝胶法是将前驱物凝胶法是将前驱物凝胶法是将前驱物(金属有机化合物，如金属醇盐金属有机化合物，如金属醇盐金属有机化合物，如金属醇盐金属有机化合物，如金属醇盐以及部分无机盐以及部分无机盐以及部分无机盐以及部分无机盐)在一定的溶剂在一定的溶剂在一定的溶剂在一定的溶剂(水或有机溶剂水或有机溶剂水或有机溶剂水或有机溶剂)中形成中形成中形成中形成均质溶液，溶质水解均质溶液，溶质水解均质溶液，溶质水解均质溶液，溶质水解(或醇解或醇解或醇解或醇解)形成纳

41、米级粒子并成为溶胶，形成纳米级粒子并成为溶胶，形成纳米级粒子并成为溶胶，形成纳米级粒子并成为溶胶，然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶的过程。然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶的过程。然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶的过程。然后经溶剂挥发或加热等处理使溶胶转化为凝胶的过程。第33页/共96页第三十四页，编辑于星期二：六点 二十五分。35n n溶胶溶胶溶胶溶胶-凝胶法的基本原理可用三个阶段表述：凝胶法的基本原理可用三个阶段表述：凝胶法的基本原理可用三个阶段表述：凝胶法的基本原理可用三个阶段表述：单体单体单体单体(即先驱体即先驱体即先驱体即先驱体)经水解、缩合生成溶胶粒子经

42、水解、缩合生成溶胶粒子经水解、缩合生成溶胶粒子经水解、缩合生成溶胶粒子(初生粒初生粒初生粒初生粒子，粒径为子，粒径为子，粒径为子，粒径为2nm2nm左右左右左右左右)；溶胶粒子聚集生长溶胶粒子聚集生长溶胶粒子聚集生长溶胶粒子聚集生长(次生粒子，粒径为次生粒子，粒径为次生粒子，粒径为次生粒子，粒径为6nm6nm左右左右左右左右)；长大的粒子长大的粒子长大的粒子长大的粒子(次生粒子次生粒子次生粒子次生粒子)相互连接成链相互连接成链相互连接成链相互连接成链，进而在整个液体，进而在整个液体，进而在整个液体，进而在整个液体介质中扩展成三维网络结构，形成凝胶。介质中扩展成三维网络结构，形成凝胶。介质中扩展

43、成三维网络结构，形成凝胶。介质中扩展成三维网络结构，形成凝胶。第34页/共96页第三十五页，编辑于星期二：六点 二十五分。36n n溶胶溶胶溶胶溶胶-凝胶法的工艺过程：先驱体经水解、缩合生成溶胶，凝胶法的工艺过程：先驱体经水解、缩合生成溶胶，凝胶法的工艺过程：先驱体经水解、缩合生成溶胶，凝胶法的工艺过程：先驱体经水解、缩合生成溶胶，溶胶转化成凝胶，凝胶经陈化、干燥、热处理溶胶转化成凝胶，凝胶经陈化、干燥、热处理溶胶转化成凝胶，凝胶经陈化、干燥、热处理溶胶转化成凝胶，凝胶经陈化、干燥、热处理(烧结烧结烧结烧结)等不等不等不等不同工艺处理，得到不同形式的材料。同工艺处理，得到不同形式的材料。同工艺

44、处理，得到不同形式的材料。同工艺处理，得到不同形式的材料。n n凝胶的陈化、干燥和热处理凝胶的陈化、干燥和热处理凝胶的陈化、干燥和热处理凝胶的陈化、干燥和热处理(烧结烧结烧结烧结)是溶胶是溶胶是溶胶是溶胶-凝胶工艺中凝胶工艺中凝胶工艺中凝胶工艺中比较重要的步骤。比较重要的步骤。比较重要的步骤。比较重要的步骤。典型的溶胶典型的溶胶-凝胶工艺流程示意图凝胶工艺流程示意图第35页/共96页第三十六页，编辑于星期二：六点 二十五分。37层间插入法层间插入法n n层间插入法利用层状无机物层间插入法利用层状无机物层间插入法利用层状无机物层间插入法利用层状无机物(如粘土、云母等层状金属盐如粘土、云母等层状金

45、属盐如粘土、云母等层状金属盐如粘土、云母等层状金属盐类类类类)的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无的膨胀性、吸附性和离子交换功能，使之作为无机主体，将聚合物机主体，将聚合物机主体，将聚合物机主体，将聚合物(或单体或单体或单体或单体)作为客体插入无机相的层作为客体插入无机相的层作为客体插入无机相的层作为客体插入无机相的层间，制得聚合物基有机间，制得聚合物基有机间，制得聚合物基有机间，制得聚合物基有机无机纳米复合材料。无机纳米复合材料。无机纳米复合材料。无机纳米复合材料。n n层状无机物是一维方向上的纳米材料

46、，粒子不易团聚，层状无机物是一维方向上的纳米材料，粒子不易团聚，层状无机物是一维方向上的纳米材料，粒子不易团聚，层状无机物是一维方向上的纳米材料，粒子不易团聚，又易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范围又易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范围又易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范围又易分散，其层间距离及每层厚度都在纳米尺度范围1nm-100nm1nm-100nm。不仅可大幅度提高机械性能，还能获得。不仅可大幅度提高机械性能，还能获得。不仅可大幅度提高机械性能，还能获得。不仅可大幅度提高机械性能，还能获得多种功能特性。多种功能特性。多种功能特性。多种功能特性。第36页/共96页第

47、三十七页，编辑于星期二：六点 二十五分。38n蒙脱土是水合的铝硅酸盐，具有八面蒙脱土是水合的铝硅酸盐，具有八面体铝层夹于四面体体铝层夹于四面体SiO2层的层的夹心薄片夹心薄片结构结构，其薄片表面的净负电荷使其能，其薄片表面的净负电荷使其能吸引吸引Na+或或Ca2+等正离子，此特性使等正离子，此特性使其能够与单体进行嵌插，是制备聚合其能够与单体进行嵌插，是制备聚合物物/粘土纳米复合材料粘土纳米复合材料(Po1ymer/Clay Hybrids，简称，简称PCH)最重要的研究对最重要的研究对象。象。插层用的蒙脱土材料插层用的蒙脱土材料第37页/共96页第三十八页，编辑于星期二：六点 二十五分。39

48、n n从材料微观形态的角度，可将从材料微观形态的角度，可将从材料微观形态的角度，可将从材料微观形态的角度，可将PCHPCH材料分成三类：材料分成三类：材料分成三类：材料分成三类：n n普通普通普通普通(Conventional)(Conventional)型型型型：PCHPCH材料中粘土片层紧密堆积，材料中粘土片层紧密堆积，材料中粘土片层紧密堆积，材料中粘土片层紧密堆积，粘土片层之间并无聚合物插入；粘土片层之间并无聚合物插入；粘土片层之间并无聚合物插入；粘土片层之间并无聚合物插入；n n插层插层插层插层(Intercalated)(Intercalated)型型型型：PCHPCH材料中粘土片层

49、间有少量高材料中粘土片层间有少量高材料中粘土片层间有少量高材料中粘土片层间有少量高聚物分子插入，但末使其完全脱离联系，粘土颗粒聚物分子插入，但末使其完全脱离联系，粘土颗粒聚物分子插入，但末使其完全脱离联系，粘土颗粒聚物分子插入，但末使其完全脱离联系，粘土颗粒在聚合物基体中保持着在聚合物基体中保持着在聚合物基体中保持着在聚合物基体中保持着“近程有序、远程无序近程有序、远程无序近程有序、远程无序近程有序、远程无序”的的的的层状堆积的骨架结构；层状堆积的骨架结构；层状堆积的骨架结构；层状堆积的骨架结构；n n解离解离解离解离(Exfo1iated)(Exfo1iated)型型型型：PCHPCH材料中

50、厚度为材料中厚度为材料中厚度为材料中厚度为1nm1nm数量级的数量级的数量级的数量级的粘土片层独立均匀的分散于聚合物基体中，粘土分粘土片层独立均匀的分散于聚合物基体中，粘土分粘土片层独立均匀的分散于聚合物基体中，粘土分粘土片层独立均匀的分散于聚合物基体中，粘土分散程度接近分子水平，粘土片层与聚合物实现纳米散程度接近分子水平，粘土片层与聚合物实现纳米散程度接近分子水平，粘土片层与聚合物实现纳米散程度接近分子水平，粘土片层与聚合物实现纳米尺度的均匀混合。尺度的均匀混合。尺度的均匀混合。尺度的均匀混合。第38页/共96页第三十九页，编辑于星期二：六点 二十五分。40聚合物粘土纳米复合材料可能的类型示