高分子纳米复合材料的结构和性能

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1、高分子纳米复合材料的结构和性能作者：曾　戎　　章明秋　　曾汉民　　文　摘　综述了高分子纳米复合材料的发展研究现状，包括纳米粒子的结构和性能，及其在聚合物基体中聚集形成高次结构的特征和协同性能。　　关键词　高分子纳米复合材料，结构，性能ProgressinPolymer-Nanocomposites（II）—TheStructureandPropertiesofPolymer-NanocompositesZengRong　　ZhangMingqiu　　ZengHanmin(MaterialsScienceInstituteofZhongshanUniversit

2、yLaboratoryofPolymericComposite&FunctionalMaterials　Guangzhou　510275)　　Abstract　Theprogressinpolymer-nanocompositeshasbeenreviewed,includingthestructureandpropertiesofnanoparticles,theformationofaggregatedstructureandthecollectivepropertiesofthewholeensembleofpolymer-nanocomposites.

3、　　Keywords　Polymer-Nanocomposites,Structure,Property1　前言　　高分子纳米复合材料是由各种纳米单元与高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料，可由零维、一维、二维或三维及中间维数相构成，本文针对零维纳米粒子分散于聚合物基体中的复合体系，介绍高分子纳米复合材料的结构和性能，包括纳米粒子的结构与性能、复合体系的结构和性能（主要是纳米粒子的聚集结构和协同性能）和纳米粒子在聚合物基体中的生长、聚集规律等等。2　纳米粒子的结构与性能　　纳米粒子的尺寸范围一般是1nm～100nm，当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸（

4、其值近似或小于某一物性的临界尺寸），则材料的这一物性发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同种材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以纳米级材料表现出强烈的尺寸依赖性［1,2］。2.1　纳米粒子的结构　　纳米粒子按成分分可以是金属，也可以是非金属，包括无机物和有机高分子等；按相结构分可以是单相，也可以是多相；根据原子排列的对称性和有序程度，有晶态、非晶态、准晶态。纳米粒子的形状及其表面形貌也多种多样，其表面上可观察到原子台阶。纳米粒子尺寸小，比表面积大，位于表面上的原子占相当大的比例，因此一方面粒子表现为具有壳层

5、结构，其表面层结构不同于内部完整的结构（包括键态、电子态、配位数等）；另一方面纳米粒子的体相结构也受到尺寸制约，而不同于常规材料的结构，且其结构还与制备方法有关。从原子间相互作用来考虑［3］，构成材料的化学结合力主要有四种：范德华力、共价键、金属键和离子键。由于材料的结合力性质与原子间距有关，而纳米粒子内部的原子间距与相应的常规材料不同，其结合力性质也就相应地发生变化，表现出尺寸依赖性。具有闭壳层电子结构的金属，如Ⅱ主族的Ca、Mg等，其纳米粒子内部的原子间距比常规块材的要大，相应地结合力性质从金属键向范德华力转变；而其它具有开壳层电子结构的金属，如Cu、Al

6、等，则表现出不同的变化趋势，粒子尺寸变小，原子间距也变小，而结合力性质向共价键和离子键转变；常规的Si、Ge等材料是典型的共价键型材料，而其纳米粒子表现出金属键的性质；常规的离子键材料，如金属卤化物等，其纳米粒子带有共价键的性质，且主要是由于表面原子的贡献。由此可见，几乎所有的纳米粒子都部分地失去了其常规的化学结合力性质，表现出混杂性，这已经被许多理论和实验（IR、NMR及XPS等）证实［4］。2.2　纳米粒子的性能　　正是由于小颗粒尺寸进入纳米量级后，其结构和原子间相互作用发生了上述变化。一方面尺寸的减小会导致材料周期性边界条件的破坏，以及材料的电子能级或能

7、带结构的尺寸依赖性；另一方面粒子表面原子比例的增大，导致表面能和活性的增大，从而产生了小尺寸效应、表面或界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等［5～9］，在化学、物理（热、光、电磁等）性质方面表现出特异性。　　化学性质方面［10］。例如金属纳米粒子在空气中易氧化，甚至燃烧，而对催化反应，纳米粒子尤其具有重要意义。纳米粒子不仅可具有常规材料所没有的催化性能，且可以有特征反应，在提高催化反应效率、优化反应路径、提高反应速度和定角度等方面，提供了新的途径，这是由于纳米粒子比表面积大，活性位置增加，且其电子结构随尺寸的变化会导致其催化选择性发生变化。　　物理性能方

8、面。由于纳米粒子尺寸小，表面能高，其熔