纳米复合物

纳米复合物是一种多相固体材料，其中一个相具有小于 100 纳米 (nm) 的一个、两个或三个维度，或者在构成该材料的不同相之间具有纳米级重复距离的结构。

纳米复合物背后的想法是使用尺寸在纳米范围内的积木来设计和创造具有前所未有的灵活性和物理性能改进的新材料。

从最广义上讲，该定义可以包括多孔介质、胶体、凝胶和共聚物，但更通常指的是本体基质和纳米维相的固体组合，这些相由于结构和化学的不同而具有不同的特性。

纳米复合材料的机械、电学、热学、光学、电化学、催化性能将明显不同于组分材料的性能。已经提出了这些影响的大小限制：

• <5 nm 用于催化活性
• <20 nm 用于使硬磁材料变软
• <50 nm 折射率变化
• <100 nm 用于实现超顺磁性、机械强化或限制基体位错运动

纳米复合物存在于自然界中，例如在鲍鱼壳和骨头的结构中。富含纳米粒子的材料的使用早于对这些材料的物理和化学性质的理解。何塞 - 亚卡曼等人研究了颜色深度的起源以及玛雅蓝漆的耐酸和生物腐蚀能力，将其归因于纳米粒子机制。

从 20 世纪 50 年代中期开始，纳米级有机粘土已被用于控制聚合物溶液的流动（例如作为油漆增粘剂）或凝胶的构成（例如作为化妆品中的增稠物质，使制剂保持均匀形式）。到 1970 年代，聚合物/粘土复合材料成为教科书的主题，尽管术语纳米复合材料并不常用。

在机械方面，纳米复合材料不同于传统的复合材料，因为增强相的表面积与体积比特别高和/或其纵横比特别高。

增强材料可以由颗粒（例如矿物）、片材（例如剥离粘土堆）或纤维（例如碳纳米管或电纺纤维）组成。基体和增强相之间的界面面积通常比传统复合材料大一个数量级。

增强材料附近的基体材料特性会受到显着影响。请注意，对于聚合物纳米复合材料，与局部化学、热固性固化程度、聚合物链流动性、聚合物链构象、聚合物链有序度或结晶度相关的特性都可以从与增强材料的界面到基体主体之间发生显着且连续的变化。

这种大量的增强表面积意味着相对少量的纳米级增强可以对复合材料的宏观性能产生可观察到的影响。例如，添加碳纳米管可以提高导电性和导热性。

其他种类的纳米颗粒可能会导致增强的光学性能、介电性能、耐热性或机械性能，例如刚度、强度以及耐磨性和抗损坏性。

通常，纳米增强材料在加工过程中分散到基体中。由于填料渗透阈值低，引入的纳米颗粒的重量百分比（称为质量分数）可以保持非常低（大约 0.5% 至 5%），特别是对于最常用的非球形、高纵横比填料 （例如纳米薄片，如粘土，或纳米直径圆柱体，如碳纳米管）。

不对称纳米粒子的取向和排列、界面处的热性能不匹配、纳米复合材料单位体积的界面密度以及纳米粒子的多分散性显着影响纳米复合材料的有效热导率。

陶瓷基复合材料 (CMC) 由嵌入陶瓷基体中的陶瓷纤维组成。基质和纤维可以由任何陶瓷材料组成，包括碳和碳纤维。占据大部分体积的陶瓷通常来自氧化物组，例如氮化物、硼化物、硅化物，而第二组分通常是金属。

理想情况下，两种成分彼此精细分散，以产生特定的光学、电学和磁学特性以及摩擦学、耐腐蚀和其他保护特性。

在设计陶瓷-金属纳米复合材料时应考虑混合物的二元相图，并且必须采取措施避免两种组分之间发生化学反应。