纳米材料研究分析(6篇)

纳米材料研究分析篇1

关键词碳纳米管/铜基复合材料；制备工艺；显微组织

中图分类号：TB33文献标识码：A文章编号：1671-7597（2013）13-0050-02

将增强纤维、颗粒等与铜制备成铜基复合材料，可以提高其强度、耐磨性以及保持较优良的导电导热性能。SiC作为一种陶瓷颗粒，具有弹性模量高及抗氧化性能好等优良性能。由于金属具有优良的力学机械性能，使得金属基复合材料可以按机械零件的结构和性能要求，设计成合理组织和性能分布，从而工程技术人员对材料的性能进行最佳设计。由于能够根据不同的力学性能要求来选择相应的金属基体和不同的增强体，使得复合材料中的各组成材料之间既能保持各自的最佳性能特点，又可以进行性能上的相互补充，功能上的取长补短，甚至满足一定的特殊性能，所以纳米复合材料是一类具有结构和功能极佳的材料。另外，纳米复合材料由于具有特有的的纳米表面效应、特有的纳米量子尺寸效应，能够对其光学特性产生影响。按照复合材料基体的性能特点特，人们将纳米复合材料通常分三大类：纳米树脂基复合材料、纳米陶瓷基复合材料和纳米金属基复合材料。纳米金属基复合材料不仅具有强度高、韧性高的特点，纳米金属基复合材料还具有耐高温、高耐磨及高的热稳定性等性能。纳米金属基复合材料应用表明：在功能方面具有高比电阻性能、高透磁率性能，以及高磁性阻力等物理性能。本文采用球磨混料方法，通过真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料，研究铜基纳米复合材料的制备工艺，分析相应的材料性能。

1试验材料及方法

1.1试验材料

试验用原材料是上海九凌冶炼有限公司生产的电解铜粉，铜粉纯度是99.8%，铜粉粒度为-300目，铜粉松装密度是1.2～1.7。碳纳米管（CNTs）选用深圳纳米港有限公司产品。选用哈尔滨化工化学试剂厂的十二烷基硫酸钠（化学纯），以及该厂生产的酒精（分析纯）。

1.2试验方法

试验采用行星式球磨机进行湿磨混合配料，选择的球磨机转速参数为300r/min，球磨时间为2.5小时，试验球料比选择为1：1。试验的热压温度参数选择在800℃进行烧结，热压压力参数为3.9吨，烧结时间参数为3小时。使用光学显微镜分析复合材料的显微组织特点，用新鲜配制的三氯化铁盐酸酒精溶液腐蚀复合材料组织，腐蚀时间选为15s。

2试验结果与分析

2.1碳纳米管/铜基复合材料显微组织

2.2CNTs/Cu复合材料的硬度

2.3CNTs添加量对复合材料相对密度的影响

试验结果表明，纯铜试样致密度最高，但是，随着碳纳米管含量的增加，纳米复合材料的相对密度下降。复合材料材料相对密度随着碳纳米管含量的增加而逐渐降低，原因主要是碳纳米管和铜的润湿性较差，致使强化相CNTs不能均匀分布，引起复合材料的缺陷，材料中产生孔隙，呈现出相对密度的下降的特点。

3结论

1）采用球磨混料方法，真空热压法工艺，制备出碳纳米管增强铜基复合材料。

2）随着CNTs的增加，复合材料的硬度呈现降低的趋势，CNTs含量与硬度之间关系为曲线关系。

3）纯铜试样致相对密度最高，随着碳纳米管含量的增加，复合材料的相对密度下降。

参考文献

[1]解念锁，李春月，艾桃桃，等.SiCp尺寸对铜基复合材料抗氧化性及磨损性的影响[J].热加工工艺，2010，39（8）：

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[2]王瑾，解念锁，冯小明，等.SiCp/Cu梯度复合材料的压缩性能研究[J].热加工工艺，2011，40（8）：106-107.

[3]王艳，解念锁.原位自生Sip/ZA40复合材料的组织及性能研究[J].陕西理工学院学报（自然科学版），2011，27（1）：1-4.

[4]董树荣，涂江平，张孝彬.碳纳米管增强铜基复合材料的力学性能和物理性能[J].材料研究学报，2000，14（Sl）：132-136.

[5]王浪云，涂江平，杨友志.多壁碳纳米管/Cu基复合材料的摩擦磨损特性[J].中国有色金属学报，2001，11（3）：367-371.

纳米材料研究分析篇2

关键词：硼酚醛树脂；塑料合成；制备

0.前言

近年来，塑料工厂所使用的合成树脂及塑料大部分都是酚醛树脂与酚醛树脂合成塑料，塑料研制的时间非常早，且商品化发展也较成功。所以，在各种材料生产及加工中，硼酚醛树脂及其塑料备受青睐。因此，研究人员为进一步了解硼酚醛树脂及其塑料合成情况，深入分析相关合成方法，对之后进行硼酚醛树脂塑料合成制备起到重要作用。

1.硼酚醛树脂合成分析

当前，大量研究针对硼酚醛树脂的具体合成方法做了更进一步的分析，基本认定合成方法包括以下几种：

1.1甲醛水溶液合成法

甲醛水溶液合成法又称之为福尔马林法，包括缩合反应、酯化反应两种，即首先把苯酚和甲醛的水溶液或是固定的甲醛与催化剂作用之下，完成初始反应，以取得水杨醇；然后把硼酸直接加至水杨醇的体系当中，以控制好整个反应的时间、温度，同时把硼直接放入硼酚醛树脂的分子结构当中，待其固化后可制作成相应的硼酚醛树脂。

1.2固相合成法

硼酚醛树脂合成过程中所采用的固相合成方法，又称之为多聚甲醛法，包括两个流程：第一，先把苯酚和硼酸进行酯化反应，从而生成硼酸酚酯；第二，再加入一定量的固体甲醛，以完成缩合反应；然后对其进行固化处理之后，可制作成硼酚醛树脂。在整个合成过程中，与硼酸所进行的酯化反应，会把苯酚内的酚羟基封锁，进而较好地解决了因酚羟基导致所合成的硼酚醛树脂的耐水性较差问题。此种合成方法的收回率非常高，但进行反应所需条件较高，很难控制，所得到的产物质量容易受到时间所影响。

1.3有机硼化合物改性合成法

因硼酸在大部分有机溶解剂当中的溶解性能相对较差，所以，很多研究者采用各种方式来合成相应的有机硼化合物，之后把所合成的有机硼化合物和硼酚醛树脂进行反应，以合成全新的硼酚醛树脂。经此种方法合成的硼酚醛树脂塑料，可改善硼与酚醛树脂之间的相容性，同时还能进一步提升整个反应活性，最终提升所合成硼酚醛树脂的热性能。

2.硼酚醛树脂塑料合成制备分析

硼酚醛树脂塑料的具体合成制备方法为：以原位聚合法来制备硼酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料：首先，用各种有机改性剂来对蒙脱土纳米复合材料做相应地改性，以改善蒙脱土的亲和性，且将层与层之间的间距扩大；其次，把已改性的蒙脱土和甲醛、苯酚直接放置于反应瓶当中，并使用氨水当作催化剂，根据甲醛水溶液合成方法来制备相应的硼酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料。根据上述研究结果证实，蒙脱土的片层已经被部分地剥离，然后均匀地分散至树脂的基体当中。

通常情况下，硼酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料热分解的温度与在780摄氏度之下所计算出的最高残炭率进行对照，结果显示比酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料温度高出大约56摄氏度。然而，硼酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料所产生的吸水率往往要高于酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料；出现此种情况主要因酚醛树脂在合成时，会携带一些没有反应或是反应不彻底的硼导致，研究人员利用固相合成方法来制备硼酚醛树脂，吸水率比甲醛水溶液合成方法所合成的硼酚醛树脂要低。

多壁碳纳米管是分子模型的石墨碳管中的一种，其性能良好，特别是岬夹浴⑷刃阅芗傲ρ性能等优势较明显。大部分研究者在合成制备过程中，在制备改性多壁碳纳米管时，在纳米管中加入适量羧基，在相同条件下进行反应，同时在多壁碳纳米管的结构内直接加入苯环，而硼酚醛树脂主链主要包括苯环、亚甲基，因此，加入苯环能够较好地改善硼酚醛树脂与多壁碳纳米管间的相容性。同时以硼酸于多壁碳纳米管侧壁上面直接引入相应的反应基团，而后通过原位聚合方法把改性多壁碳纳米管直接引到整个硼酚醛树脂当中，以便配置制备硼酚醛树脂/蒙脱土纳米复合材料。上述研究结果证实，改性多壁碳纳米管内直接引入基团，其作用较明显，可大大促进多壁碳纳米管和与硼酚醛树脂互相作用。

纳米材料研究分析篇3

关键词纳米材料课程设计教学方法评价机制

中图分类号：G424文献标识码：A

"Nano-materials"CourseDesignandTeachingExploration

LIHongping，CHENBeibei

（SchoolofMaterialScience&Engineering，JiangsuUniversity，Zhenjiang，Jiangsu212013）

AbstractNano-materialisanemerginginterdisciplinary，involvinganumberofareasmaterials，physics，chemistry，biologyandsoon.Emergeandflourishnanotechnologynano-technologyandnewmaterials，andonthe"nano-materials"teachingactivitiesproposednewrequirements.Inthispaper，thecharacteristicsofthecourse，withitsownteachingexperience，mainlyfromthreeaspectsdeterminethearrangementofteachingcontent，selectteachingmethodsandevaluationmechanismsconductedtoexplorethesysteminordertoachievegoodteaching，studentsofthescientificspiritandabilitytoinnovate.

Keywordsnano-materials;coursedesign;teachingmethods;evaluationmechanism

1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料作为材料科学的一个新分支公布于世，从而纳米材料科学作为一个相对比较独立的学科诞生。①本文结合纳米材料课程的特点、重要性以及教学经验，拟从课程教学内容的安排、教学方法的选取以及评价机制的确定三个方面对高等院校材料类专业本科生进行纳米材料课程教学改革进行探讨。

1课程特点概述

相比于其它发展相对成熟的课程，纳米材料是一门前瞻性、创新性、专业性和实践性很强的课程，涉及物理、化学、材料、生物、能源等领域，具有涵盖范围广、知识点复杂、概念抽象以及知识更新快的特点。②传统的课堂教学模式不能满足课程的教学要求，传统的教学方法和教学手段也不能很好地满足纳米材料课程的教学要求。比如在教材选择方面，由于纳米材料是一门交叉学科，涵盖的领域众多，再加上知识更新速度快，教材的更新速度跟不上知识点内容的更新速度，所以采用单一的教材、沿袭传统的教学方法讲授纳米材料这门课程很难达到课程教学目标。因此，根据该课程特点，合理地安排教学内容，恰当地选择教学模式和评价机制，对于完成纳米材料课程教学目标具有重要意义。

2教学内容的安排

纳米材料课程涵盖了纳米科技的整个领域，它的内容多、范围广、更新快等特点，且需要在规定的课时内将整个纳米材料领域讲授给学生，这就需要教学内容条理清晰，重点突出，逻辑性强，同时要结合纳米材料最新研究进展，以点带面，合理优化课堂教学结构。因此，笔者从广度和深度的统一、基础与前沿的兼顾、新旧内容的衔接等方面考虑，合理安排教学内容。具体如下：（1）纳米材料的概念：从纳米材料的新奇特性开始，引入纳米材料的基本概念、发展史、分类方法，在内容编排上注重引入最新研究成果，激发学生的学习兴趣。（2）纳米材料的结构和基本效应：该部分内容是理解纳米材料特殊性质的基础，也是该课程的重点、难点。在讲述过程中，结合纳米材料应用实例（如：纳米二氧化钛光催化特性的原因及相关应用等），加深学生对纳米材料特性的理解和掌握。（3）纳米材料的制备方法及表征手段：纳米材料的制备方法主要有：气相法、液相法和固相法。气相法中重点讲述物理气相法和化学气相法的原理及特点。液相法中重点讲述共沉淀法、水热法、溶胶―凝胶法的原理及应用条件等。在固相法中重点讲述机械粉碎法和固相反应法的特点。纳米材料的主要分析测试手段包括：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜、激光粒度仪等，重点讲述测试仪器的原理、优缺点及使用范围，让学生掌握纳米材料的分析表征的主要方法。（4）纳米材料的理化特性及应用领域：回忆前面纳米材料结构和基本效应的学习，引出纳米材料的理化特性，以微观结构―特殊效应―特殊功能―应用领域为思路，使学生认识纳米材料的重要性，同时启发学生深入思考，进而深入掌握纳米材料的理化特性。（5）纳米材料最新研究进展：根据纳米材料的最新研究动态，让学生了解国际最新研究热点。

3教学方法的选取

（1）多种教学方法和手段相结合，激发学生兴趣。“学起于思，思起于疑”，通过巧妙设疑，激发学生的学习主动性和积极性。如在讲述纳米材料基本理论知识时，可以从生活中一些常见现象启发学生思考：出淤泥而不染的荷叶为什么具有自清洁功能？美丽的紫铜在尺寸小到一定程度为什么会变为黑色？通过这种情景设置启发学生思考，寻求答案，对于其中的难点再予以解释。另外，针对纳米材料课程内容多，涉及范围广的特点，利用多媒体集图、文、声、像等于一体的优点，将大量的课程内容以丰富多彩的形式呈现给学生，激发他们学习的兴趣。（2）加强师生交流，建立以“学生为主体”的教学模式。结合课程内容，将学生分为多个小组。学生根据课程要求以及兴趣，自主查阅文献资料，通过PPT形式与大家进行课堂交流。在此基础上，针对学生遇到的疑点、难点，加以详细讲解。这种充分发挥学生主体的教学模式可以有效地提高学生自主学习及探索能力。（3）科研工作与教学内容紧密结合，提高学生综合能力。科研工作与教学内容紧密结合，使学生参与一定科研项目，是一个双赢举措。对于学生来讲，不仅可以加深课堂上对于纳米材料理论知识的学习，同时可以锻炼学生的动手能力，培养他们发现问题、解决问题的能力，激发学生的创新思维能力等。③笔者把自己科研工作中纳米二氧化钛纳米球、纳米管等的扫描电子显微镜图片通过多媒体形式与学生分享。通过带领学生进入实验室，参与纳米二氧化钛的制备、表征以及光催化性能研究，让学生了解影响二氧化钛形貌的因素、光催化特性的原理以及扫描电子显微镜的原理和方法，熟悉电镜样品的制样过程和方法，为学生今后从事纳米材料方面的学习奠定基础。

4评价机制的确定

本课程的考核方式和成绩评定具体如下：（1）考核方式：让学生查阅资料、做PPT，介绍纳米材料制备、性能及相关应用，在PPT汇报的同时，撰写综述。（2）成绩评定：平时成绩（出勤情况及上课表现）占20%，学生做PPT及演讲情况占40%，综述占40%。这种灵活的考核评价模式可以充分调动学生的积极性，以不同于闭卷考试的形式检验学生对纳米材料相关知识的掌握情况，同时使学生了解纳米科技前沿，培养学生的综合能力。

5结束语

纳米科学技术作为科学技术的重要分支，它的发展必然推动社会的进步。而纳米材料是纳米科学技术的基础，对纳米材料的学习，是适应未来社会对材料专业人才的需要。本文结合纳米材料课程的特点，从教学内容的安排，到教学方法的选取和评价体制的确定三方面对高等院校材料类本科专业进行纳米材料课程教学改革进行了探讨。实践证明，这些方法和模式有助于加强师生交流，发挥学生的学习主体作用，使学生不仅掌握纳米材料相关知识，并能运用相关知识分析、解决问题，提高学生的综合能力。

注释

①陈敬中.纳米材料科学导论[M].高等教育出版社，2006.

纳米材料研究分析篇4

关键词：手印显现；纳米材料；发光材料；潜在手印；上转换

纳米材料是纳米技术领域中被研究最多、应用最广泛的部分.一般认为，纳米材料颗粒为1～100nm.随着纳米科技的发展，将稀土纳米发光材料应用于手印显现的相关研究已经引起了国内外研究人员的广泛关注.稀土纳米发光材料的发光强度高、光稳定性好，能够对手印显现的检测信号起到放大增强的作用，使显现后的手印和客体背景之间产生较大的对比反差，有利于提高手印显现的对比度.稀土纳米发光材料的颗粒尺寸较小、比表面积较大、粉末外观细腻，能够反映出更多的手印细微特征，有利于提高手印显现的灵敏度.稀土纳米发光材料的表面修饰方法丰富且技术成熟，能够操控稀土纳米发光材料的表面性能，进而调节纳米粉末与手印物质及客体之间的吸附状况，有利于提高手印显现的选择性.鉴于此，本研究采用溶剂热法合成出了性能优良的NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料，并将其应用到传统的粉末显现技术中、对传统显现方法进行改良，使传统显现方法兼具高对比度、高灵敏度.

1实验部分

1.1实验试剂

氧化钇（99.99%）、氧化镱（99.99%）、氧化铒（99.99%）、浓硝酸（优级纯）、硬脂酸（分析纯）、氢氧化钠（分析纯）、油酸（分析纯）、氟化钠（优级纯）、无水乙醇（分析纯）、三氯甲烷（分析纯），实验中使用的水均为去离子水.

1.2NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料的合成

称取0.8807g氧化钇、0.3941g氧化镱和0.0383g氧化铒于烧杯中，向其中加入20mL硝酸，加热并搅拌使氧化物粉末溶解，继续加热至近干，挥发掉过量硝酸得到稀土硝酸盐粉末.将稀土硝酸盐粉末用80mL无水乙醇溶解到500mL三口烧瓶中，然后升温至78℃并回流，在磁力搅拌下向三口烧瓶中缓慢滴加20mL含1.1900g氢氧化钠的乙醇溶液，滴加时间约为30min.滴加完毕，继续恒温回流40min，得到白色悬浊液.将悬浊液减压抽滤，用水洗涤2次、乙醇洗涤1次，滤饼在60℃干燥箱中烘干12h.向一烧杯中加入10mL水、15mL无水乙醇和5mL油酸，搅拌后形成均一溶液.再向其中加入0.9577g稀土硬脂酸盐前驱体和0.2099g氟化钠，混合物在超声辅助下充分搅拌.将此悬浊液转移到水热合成反应，向产中加入氯仿-乙醇混合溶剂，离心分离产品得白色粉末.将该粉末用水-乙醇混合溶剂洗涤3次.将洗涤后的粉末放入60℃干燥箱，得到稀土硬脂酸盐.向一烧杯中加入10mL水、15mL无水乙醇和5mL油酸，搅拌后形成均一溶液.将此悬浊液转移到水热合成反应，离心分离产品得白色粉末.将该粉末用水-乙醇混合溶剂洗涤3次.将洗涤后的粉末放入60℃干燥箱向中烘干12h，得到NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料.

1.3NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料的表征

采用TECNAI20型透射电子显微镜（TEM，美国FEI公司）观察纳米材料的尺寸形貌；采用XPertPro型多晶X射线衍射仪表征纳米材料的晶体结构；采用LS-55型荧光光谱仪检测纳米材料的上转换发光性能.

2结果与讨论

2.1NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料的表征

下图为NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料的TEM照片.可以看出，纳米材料的微观形貌为球形，尺寸均一，具有良好的单分散性.经测量，纳米颗粒的平均粒径约为70nm，其尺寸完全满足手印图1NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料的TEM照片显现的需要.

2.2NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料用于手印显现

粉末显现法是利用汗液、油脂等手印遗留物质与粉末之间的吸附力，使粉末吸附于手印遗留物质表面，从而实现潜在手印的显现.从理论上推断，将上转换发光纳米材料用于手印显现能够有效提高显现的对比度、灵敏度.本研究将NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料应用于传统粉末显现法中，并与使用市售荧光粉末的显现效果进行对比，考察手印显现的对比度、灵敏度.

2.2.1对比度的考察

本研究分别使用NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料以及市售绿色荧光粉末对玻璃表面的潜在手印进行显现，并考查两种手印显现方法的对比度。如图4所示，使用上述两种粉末显现的手印都可以在各自激发光的照射下发射出明亮的绿光，乳突纹线部位与黑色客体背景之间的对比反差较大，纹线清晰连贯.以上现象说明，使用NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料和市售绿色荧光粉末，均可以明显提高手印显现的对比度.

2.2.2灵敏度的考察

本研究分别使用NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料以及市售绿色荧光粉末对玻璃表面的潜在手印进行显现，并考查两种手印显现方法的灵敏度.使用市售绿色荧光粉末显现手印，只能观察到很小一部分汗孔特征，使用NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米粉末显现手印，能够明显观察到汗孔特征，清晰度高.以上现象说明，NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料本身细小的颗粒粒径有利于保护细微特征不被掩盖，进而使手印显现具有较高的灵敏度.

3结论

采用溶剂热法在水-乙醇-油酸的混合溶剂中合成出性能优良的NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料.该上转换发光纳米材料的微观形貌为球形、单分散性较好、平均粒径约为70nm，晶体结构为六方NaYF4晶型，在980nm红外光的激发下能够发射出较强的绿光。将NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料成功用于常见光滑非渗透性客体以及某些渗透性客体表面汗潜手印的粉末法显现，该显现方法除了具备传统粉末显现法操作简便、省时高效、适用性广等优点外，还具有灵敏度高、对比度强等一系列优点.使用NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料显现的手印纹线清晰连贯、细节特征明显、对比反差强烈，鉴定价值较高.因此，本研究中合成的NaYF4：Yb，Er上转换发光纳米材料在很多真伪鉴别实践中具有广阔的应用前景.

参考文献

[1]詹求强，刘静，赵宇翔，等.多光子发光的稀土上转换纳米颗粒在生物光子学中的研究进展[J].激光生物学报，2013，22（1）：13-25

纳米材料研究分析篇5

关键词：石墨；纳米石墨微片；氧化镍；聚乙烯；纳米复合材料

中图分类号：TQl27.1；TQ322.2文献标志码：A文章编号：1007-2683（2013）02-0011-05

有机/无机纳米复合材料因其在导电、导热、电磁屏蔽、热稳定性、力学性能等方面的独特功能倍受科学家们的重视而成为当前功能性复合材料的研究热点，石墨作为一种优良的导电、导热、耐腐蚀、化学性质稳定的层状材料，其研究和应用一直受到广泛的关注，特别是自石墨烯发现以来，其潜在的理论和应用价值使其已成为目前研究的热点，石墨烯独特的物理、化学和力学性能为有机/无机纳米复合材料的开发提供了原动力，可望开辟诸多新颖的应用领域，诸如新型导电复合材料、多功能聚合物基复合材料等等。

然而，石墨烯无论从制备及其在聚合物中的分散方面均存在较大的难度，这在很大程度上限制了聚合物/石墨烯纳米复合材料的研究与应用，相对而言，具有较多片层结构的纳米石墨微片在制备和分散方面具有较明显的优势，纳米石墨微片的特征结构在于它的厚度为纳米尺寸，一般在30～80nm范围内，直径为微米尺寸，因此形状比可以达到100～300；纳米石墨微片仍然有与鳞片石墨相当的导电性，室温下电导率达104S/m数量级；其制备方法较为简单，可以从膨胀石墨（EDG）经超声或其他分散方法直接获得；另外，纳米石墨微片只有厚度为纳米尺寸，因此作为填料不会像其它纳米粉末那样具有很强的团聚性而难于分散，同时也避免了石墨烯只有在水溶液或原位聚合时才能均匀分散的问题。

纳米石墨微片作为聚合物复合填料较一般传统的石墨粉末具有很多优势，如其形状比非常之大，在聚合物中较易形成导电网络结构，同时添加量少、导电渗滤阀值低、复合材料相对密度小、力学性能因填充导致的劣化小等，例如，PMMA/纳米石墨微片复合材料当纳米石墨微片的体积分数为2.O%时，电导率达到10-3/cm；PP/纳米石墨微片复合材料的力学性能在较低逾渗值时也获得了提高；PANI/纳米石墨微片复合材料的导电性能在纳米石墨微片质量分数仅为1.5%时由原来单纯掺杂PA-NI的5S/cm提高到33.3S/cm，有关聚合物/纳米石墨微片复合材料的研究多集中获得导电性能方向，其他方面研究相对较少。

聚乙烯（PE）作为产量最大的通用塑料之一，其原料广泛、价格低廉、重量轻、低毒性，并具有良好的机械性能、电气绝缘性、耐化学腐蚀性、以及成型加工方便等特点，被广泛应用于建筑、交通、电线电缆等行业，然而，聚乙烯属易燃材料，有关其热降解机理与阻燃技术的研究仍是有待深入研究的领域之一。而纳米石墨微片对聚乙烯热稳定性的影响鲜有报道，为此，本文在成功制备纳米石墨微片的基础上，采用氧化镍负载纳米石墨微片，研究了二者对复合材料热稳定性的影响。

1、实验部分

1.1实验原料

聚乙烯（PE）：Q210，中国石化北京燕山分公司；石墨，297μm，青岛天和石墨有限公司，其他试剂均为化学纯。

1.2膨胀石墨的制备

称取1.0g的重铬酸钾，加入到盛有30mL浓硫酸的烧杯中，超声处理使之充分溶解，将称量好的10g天然鳞片石墨加入到烧杯中，并在水浴30℃的条件下反应30min，过滤并以蒸馏水水洗，至pH接近7，产物放入80℃烘箱中干燥处理24h，在800℃的马弗炉中加热1min，得到膨胀石墨（EDG）。

1.3纳米石墨微片的制备

将膨胀石墨3.Og加入300mL浓硫酸与浓硝酸体积比为3：1溶液中，30℃水浴加热30min，抽滤水洗至中性，加入250mL蒸馏水中，再加入O.5g十二烷基硫酸钠，30℃水浴加热30min，抽滤水洗至滤液中无泡沫，将产物超声处理30min得到纳米石墨微片悬浮液，干燥后得到纳米石墨微片（GN）。

1，4氧化镍负载纳米石墨微片的制备

称取0.50g硝酸镍溶于含有1g纳米氧化石墨微片的溶液中，超声处理1h；称取0.48g柠檬酸和0.05g聚乙二醇溶于适量水中；将两者混可后改用磁力搅拌1h，然后逐滴滴加氨水调节pH至7后再搅拌O.5h；将体系放人90℃水浴锅中继续搅拌至呈凝胶状态；取出放人120℃烘箱中干燥处理12h后，放入坩埚中于马弗炉中500℃烧2h，得到氧化镍负载纳米石墨微片（NiO/GN）。

1.5复合材料的制备

将0.50gGN或NiO/GN放人500mL三口瓶中，加入150mL二甲苯，超声处理30min；机械搅拌加热至沸腾，30min后加入9.50g聚乙烯，继续搅拌加热3h；将三口瓶中溶液倒入800mL水与乙醇体积比为l：l的溶液中，沉淀后抽滤，所得样品于120℃烘干5h，得到复合材料。

1.6测试表征

x-射线衍射分析（XRD）采用日本理学D/MAX-2200，CuKα，管压40kV，波长为0.154nm，扫描速率2°/win；扫描电子显微镜（sEM）采用FEI-Sirion200（Philips）测试，样品采用乙醇超声分散后粘在导电胶上，喷金处理后观察其形貌；透射电子显微镜（TEM）采用日本电子公司JEM-2100F表征，样品在乙醇中超声处理30rain后负载在74μm的铜网上进行观察；热重分析（TG）采用Pyris6热重分析仪（美国PE公司），样品质量约为10mg，温度范围50～700℃，升温速率为20℃/min，氮气气氛保护，氮气流量为20mL/min。

2、结果与讨论

2.1纳米石墨微片的结构

纳米石墨微片的XRD谱图如图1所示，可以看出，纳米石墨微片在20为26.4°时出现了石墨层结构的（002）特征衍射峰，同时（004）衍射峰出现在2θ为54.7°，说明纳米石墨微片仍具有石墨的层结构，从SEM和TEM可以观察到很薄的纳米石墨片层，如图2所示，而且，纳米石墨片层分散均匀，未发现明显的团聚现象，在制备纳米石墨微片的过程中，将膨胀石墨进行酸化处理，使片层边缘形成一定的羧基、羟基等基团，能够与表面活性剂（十二烷基硫酸钠）相互作用，从而形成表面活化的纳米片层，长链烷基的存在有效阻隔了纳米片层间的相互作用，从而避免了纳米片层间的团聚的发生，此外，经表面处理还有助于纳米片层在聚乙烯中的分散。

2.2氧化镍负载纳米石墨微片的结构

采用溶胶一凝胶法制备的氧化镍负载纳米石墨微片的XRD谱图如图3所示，可以看出，除了纳米石墨微片在2θ为26.4°和54.7°处的（002）和（004）衍射峰外，谱图中还在2θ为37.3°、43.2°和62.8°处出现了氧化镍的（111）、（200）和（220）衍射峰，SEM的形貌观察可以看出，如图4，在纳米石墨微片的片层上均匀分布着氧化镍颗粒，经过负载后，出现了纳米片层的团聚现象，重叠的纳米片层间存在氧化镍颗粒，在负载过程中，产物经过500℃的热处理，在此温度下，十二烷基硫酸钠全部热分解，片层间因丧失了表面活化作用以及长链烷烃的阻隔作用而发生团聚，但由于溶胶一凝胶反应过程中，镍离子能够与酸化及活性的片层发生作用而均匀分散在片层上，在热处理时，生成的氧化镍因此能够被固定在片层间及表面。EDS能谱结果（图5和表1）证实了产物中镍元素的存在。

2.3复合材料的热稳定性

PE及其纳米复合材料的TG曲线如图6所示，其在不同热失重下对应的热降解温度在表2中列出，在热失重2%时，PE的热降解温度（T2%）最高，PE/GN的T2%比PE低14℃，主要原因在于表面活性剂的分解导致复合材料的热稳定性降低；而PE/NiO/GN的T2%较PE下降了138℃，表明氧化镍的存在显著降低了复合材料的热稳定性，在热失重为5%时，PE和PE/GN具有相同的热降解温度（T2%），而PE/NiO/GN的T2%较其下降了73℃，进一步说明了氧化镍具有促进PE热降解的作用，在热失重为50%时，PE/GN的热降解温度（T50%）最高，比PE高3℃，而PE/NiO/GN的T50%与PE十分接近，可见，在此温度下，纳米石墨微片的加入有助于提高PE主链的热稳定性，其解释应在于纳米石墨微片在表面的积累能够在一定程度上阻隔传递到聚合物的热量以及热降解产物的释放，从而提高了相应的热降解温度。在热降解后期，热失重90%时，大部分的PE已经降解，此时，PE/GN和PE/NiO/GN的T90%均比PE略高，说明在热降解后期，纳米片层的阻隔作用对延迟PE的降解发挥了一定的作用，由以上分析可以看出，纳米片层的存在能够提高PE的热稳定性，应归功于其对热量和质量传递的阻隔作用，而氧化镍却使PE的热降解提前发生，其对热降解的促进作用显著大于纳米片层的阻隔作用，因此，PE/NiO/GN的热失重在497℃之前始终高于PE和PE/GN（如图6），直至纳米片层的阻挡层足以作用，之后PE/NiO/GN与PE/GN的热失重曲线逐步接近。

纳米材料研究分析篇6

纳米技术是在20世纪末逐渐发展起来的前沿交叉性的新兴学科.如今，该技术已经渗透到诸多领域，建筑材料领域就是其中之一.通过对传统建筑材料的改性表明该技术具有很大的应用潜力和前景[1-3].纳米颗粒因其尺度在纳米范围，从而具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应[4]，具有传统材料所不具备的一些新特性.

纳米CaCO3是目前最大宗也是最廉价的纳米材料之一，其价格约只有纳米SiO2的十分之一[5].目前国内外学者对纳米SiO2在水泥基材料中的应用有较多研究，而对纳米CaCO3的研究相对较少.王冲等[6]研究了纳米颗粒在水泥基材料中应用的可行性.黄政宇等[7]研究了纳米CaCO3对超高性能混凝土的性能影响，研究表明掺入纳米CaCO3能促进水化反应，使超高性能混凝土的流动性下降，能提高超高性能混凝土的抗压强度及抗折强度.Sato等[8]采用传导量热法发现，纳米CaCO3的掺入可以显著加快早期的水化反应，且掺量越多加快效果越明显.Detwiler和Tennis[9]发现，在水泥水化过程中，石灰石粉颗粒会成为成核的场所，增加了水化产物C-S-H凝胶沉淀在石灰石粉颗粒上的概率，加快了水泥石中C3S的水化.本文通过超声波分散方式将纳米CaCO3掺入水泥基材料中，研究其对水泥基材料性能和结构的影响，并进一步通过XRD和SEM分析纳米CaCO3对水泥基材料的影响作用机理，以期为纳米CaCO3在水泥基材料的工程应用提供理论基础.

1原材料与方法

1.1原材料

水泥为P?O42.5R普通硅酸盐水泥，由重庆天助水泥有限公司生产，化学成分见表1；细集料为岳阳产中砂，细度模数为2.48；高效减水剂为重庆三圣特种建材股份有限公司生产的聚羧酸系高效减水剂，固含量为33%；纳米CaCO3由北京博宇高科新材料技术有限公司生产，表现为亲水性，部分技术指标列于表2，扫描电镜图见图1，X射线衍射结果见图2.

1.2试验方法

1.2.1纳米CaCO3分散方式

根据前期试验验证，超声波分散方式对纳米CaCO3有更好的分散效果.制备水泥砂浆试件时，将减水剂和纳米CaCO3加入水中，超声波分散10min，再手工搅拌2min，以待测试.

1.2.2表观密度

水泥浆体表观密度试验采用水泥净浆，水胶比为0.29，减水剂掺量为胶凝材料质量的0.15%，纳米CaCO3掺量分别为胶凝材料质量的0.5%，1.5%，2.5%.试验所采用容器为1L的广口瓶，采用水泥净浆搅拌机制样，放在振动台上振捣密实.

1.2.3流动性测试及成型

流动度试验按照GB/T2419-2005《水泥胶砂流动度测定方法》进行；力学性能试验按照GB/T17671-1999《水泥胶砂强度检验方法》进行.将水泥和砂在搅拌机中搅拌90s，再将分散有纳米CaCO3和减水剂的溶液倒入干料中搅拌90s.采用40mm×40mm×160mm三联钢模成型，1d后脱模，在温度为（20±2）℃的饱和石灰水中养护至相应龄期.水泥砂浆试件的配合比见表3，其中纳米CaCO3和聚羧酸减水剂以胶凝材料的质量百分比掺入.

1.2.4微观测试试验

XRD分析测试采用日本Rigaku公司D/MAX2500PC型X射线衍射仪.测试条件：Cu靶，管压40kV，电流100mA，扫描步长0.02°，扫描速度4°/min，扫描范围5°～70°.样品采用与表3相同胶凝材料组成与水胶比的水泥净浆，养护至规定龄期破碎取样，放入无水乙醇中浸泡3d以终止水化，置于50℃干燥箱中干燥24h，取出样品用研钵研磨过0.08mm方孔筛，将过筛的粉末样品置于干燥器中以待测试.

扫描电镜测试采用捷克TESCAN公司生产的TescanVEGAⅡLMU型扫描电子显微镜（Scanningelectronmicroscope，SEM），测试样品取自强度测试破坏后的砂浆试块，放入无水乙醇中浸泡3d终止水化，装入50℃干燥箱中干燥24h，将样品真空镀金，在20kV高压钨灯下分析其微观形貌.

2结果与分析

2.1纳米CaCO3对水泥基材料表观密度的影响

对新拌的水泥净浆浆体进行表观密度测试，试验结果如图3所示.

结果表明，随着纳米CaCO3掺量的提高，水泥浆体的表观密度随之增大.掺量从0%增加到2.5%时，表观密度由1.98g/cm3提高到2.10g/cm3.表明纳米CaCO3可填充水泥浆体中熟料颗粒之间空隙，使浆体的结构更加密实.

2.2纳米CaCO3对水泥基材料流动性的影响

按表3拌制水泥砂浆测试流动度，结果如图4所示.随着纳米CaCO3掺量的增大，砂浆的流动度逐渐减小.这是因为纳米CaCO3比表面积大，其颗粒表面吸附更多的水导致需水量增大[10]，纳米CaCO3同其它超细粉料一样可以填充熟料颗粒之间的空隙，将熟料颗粒之间的填充水置换出来，起到减水作用，但纳米CaCO3颗粒比表面积过大，其增加需水量的作用远远大于减水作用，宏观表现为水泥砂浆的流动度减小.

2.3纳米CaCO3对水泥基材料力学性能的影响

按表3拌制水泥砂浆，分别测试3d和28d的抗压和抗折强度，结果如图5和图6所示.

由图可知，纳米CaCO3提高了水泥砂浆的3d及28d强度.1.5%的纳米CaCO3掺量效果最好，其3d的抗压和抗折强度较基准组分别提高20.6%和17.7%，28d的抗压和抗折强度较基准组分别提高22.9%和11.1%.然而掺量增加到2.5%时，砂浆强度相较于1.5%掺量明显下降.由试验结果可知纳米CaCO3的掺量不宜过多，存在一个最佳掺量[11-12]，在本研究中这个最佳掺量为1.5%.

纳米CaCO3可以提高水泥基材料早期强度有以下几方面原因：纳米CaCO3可以起到超细微集料的作用，填充熟料颗粒周围的空隙，使结构变得更加密实从而提高强度，这与图3结果一致；纳米CaCO3可以明显降低Ca（OH）2在界面处的密集分布和定向排列，有助于改善界面的综合性能[13]；纳米CaCO3可促进C3A与石膏反应生成钙矾石，钙矾石与纳米CaCO3反应生成碳铝酸钙也是早期强度提高的原因之一[13].而文献[14]也指出，纳米颗粒掺量过多容易产生团聚，并包裹水泥颗粒，因而阻碍水化反应，使得强度下降.纳米CaCO3掺量过多所造成的团聚也会影响纳米CaCO3在水泥基材料中的分散，使新拌水泥砂浆产生过多的微小气泡，增加硬化后的水泥浆体有害孔的数量，导致强度下降.

2.4纳米CaCO3对水泥基材料性能与结构的影响

机理

2.4.1XRD分析

按表3配合比制备水泥净浆，其3d和28d的XRD图谱见图7和图8.由图7可知，在3d龄期内，纳米CaCO3并没有改变水泥的水化产物组成.2组试样的水化产物基本相同，均含有Ca（OH）2，钙矾石（AFt）相，未水化的硅酸三钙（C3S）和硅酸二钙（C2S），以及掺入的和因碳化而生成的CaCO3.分析2组试样的C3S和C2S的特征衍射峰（2θ=32.3°）可以发现，对照组中C3S和C2S的特征衍射峰比基准组中低；而对照组中钙矾石的特征衍射峰（2θ=23.1°）比基准组中高；对照组中Ca（OH）2的特征峰（2θ=34.2°）略比基准组强，说明前者Ca（OH）2含量略高于后者，这是由纳米CaCO3加速硅酸三钙的水化所致，使其水化产生更多的Ca（OH）2.上述分析说明纳米CaCO3可以促进水泥的早期水化.

由图8可见，在28d龄期内水泥的水化产物中出现了水化碳铝酸钙（C3A?CaCO3?11H2O），这与李固华等[12]的试验结果类似，即表明纳米CaCO3参与了水泥的水化反应，与水及铝酸三钙反应生成了水化碳铝酸钙.对比2个样品的C3S，C2S的特征衍射峰发现，对照组中C3S，C2S的特征衍射峰要比基准组中低；而对照组中Ca（OH）2的特征峰略比基准组低，根据前人的研究[15]，这是由于Ca（OH）2和CaCO3作用生成了碱式碳酸钙，这种碱式碳酸钙可以增强界面区的粘结.纳米CaCO3的这种效应使得水化产物Ca（OH）2在更大程度上被消耗，因此其衍射峰强度低于基准组.上述分析表明在3d到28d的龄期内，纳米CaCO3仍促进水泥的水化，产生新的水化产物相并从宏观上导致水泥基材料强度提高，内部界面区增强粘结能力更好，XRD图谱从微观方面解释了28d掺入纳米CaCO3其力学性能优于基准组的原因.

2.4.2SEM分析

按表3成型的水泥砂浆试样的3d和28dSEM图片见图9和图10.图9显示了4组试样水化3d的微观形貌结构.分析发现：试样（a）已有一定程度的水化，发现有针状的AFt晶体和水化硅酸钙凝胶，但整体结构不太密实，存在较多的空隙，在过渡区处水泥石与集料的结合不太紧密.掺入纳米CaCO3后对于界面过渡区来说有明显的改善，水泥石更加密实.试样（b）和（c）已有明显的水化，水化产物水化硅酸钙凝胶增多，形成网络状和絮凝状的凝胶填充未水化颗粒之间的空隙，使整体结构更加致密[16].由图可知，随着掺量的提高，当纳米CaCO3掺量为胶凝材料质量的1.5%（试样c）时，其对界面的改善效果最好，水泥石结构也更加致密，在界面过渡区几乎看不到水泥石与集料之间的间隙，说明连接很紧密，与上述力学性能试验结果相符.但未明显发现有Ca（OH）2晶体，这可能是因为Ca（OH）2晶体被大量的水化硅酸钙凝胶所覆盖.随着掺量的继续提高，从试样（d）中可看出，水泥石的孔隙变多，结构变得不密实.在界面过渡区处水泥石与集料之间存在间隙并发现了针状钙矾石晶体和六方片状的Ca（OH）2晶体，水化产物水化硅酸钙凝胶也随之减少.这是由于纳米CaCO3掺量过多，分散不均匀形成团聚引起的.水泥石结构的致密程度以及水泥石和集料的界面过渡区的结合紧密程度都会影响水泥基材料的强度，上述分析从微观角度解释了水泥基材料力学性能变化的原因.

图10显示了4种试样水化28d后的微观形貌结构.分析发现：随着水化的进行，在28d龄期内各组试样中的水化产物都较3d增多，水泥石结构也更加致密，水泥石与集料的在界面过渡区处的结合也更加紧密.但在试样（a）和试样（d）中集料与水泥石的界面过渡区处的结合仍不是很紧密，且存在一定的缝隙，水泥石自身结构也存在一定的空隙，不是十分致密，而在试样（b）和试样（c）中则发现集料与水泥石的界面过渡区处的结合更为紧密，水泥石中存在大量的凝胶状的水化产物，结构密实.尤其在试样（c）中，界面过渡区处找不到连接的间隙，水泥石中都是凝胶状水化产物几乎没有孔隙，这些水化产物并不独立分散，而是呈现整体化结构.上述现象说明适宜掺量的纳米CaCO3可以促进水泥基材料早期的水化，使水泥熟料颗粒水化产生更多的水化硅酸钙凝胶[17].同时，纳米CaCO3可以增加水化硅酸钙凝胶在界面处的含量，可以改善Ca（OH）2晶体的定向排列性能，使得界面位置的水化结构由平面排列向空间结构过渡，所以适宜的掺量可以改善界面的综合性能[13].

3结论