纳米复合材料

纳米复合材料是至少有一个相处于纳米尺度的复合材料。通常情况下，它们是由分散在连续基体中的纳米粒子、纳米纤维或纳米片组成。基体可以是聚合物、金属或陶瓷。纳米级成分通常占体积百分比较小，但对材料特性的影响却超乎寻常。

纳米复合材料的非凡特性主要源于基质与纳米级相之间的巨大界面。机械、热、电或屏障效应并非由材料本身产生，而是由其均匀分布和界面的质量所产生。

因此，混合成为材料开发的核心。工艺上的主要瓶颈不是混合不同的成分，而是纳米颗粒的完全解聚及其在基体中的稳定嵌入。

纳米颗粒在初始状态下几乎总是以团聚体的形式存在。这些团聚体在颗粒合成或储存过程中就已经形成了。由于范德华力、静电效应或烧结桥的稳定作用，它们的内部结合能很高。要制造高性能的纳米复合材料，必须完全或至少大部分地打破这些团聚体。

为此所需的解聚工作与表面能密切相关。分离所需的最低能量可近似用以下公式描述：

E ≈ γ · ΔA

其中 γ 是比表面能，ΔA 是新产生的表面积。由于纳米颗粒的 ΔA 非常大，因此真正的一级颗粒分散所需的能量会大幅增加。关键的不是总能量，而是混合过程中局部有效的能量密度。

对于纳米复合材料而言，这意味着传统的、以重力为主导的混合机制是不够的。只有产生高局部剪切力、压应力或冲击能量的过程才有效。例如强烈的剪切流、受压下的固体-固体接触或壁面上的定向剪切梯度。

基质对纳米颗粒的润湿性非常重要。不完全的润湿会稳定团聚体，并阻碍界面上的力和电荷转移。润湿性取决于纳米粒子的表面化学性质、基质的极性以及工艺状态。在许多情况下，需要进行表面改性或使用分散助剂。

从混合技术角度来看，工艺步骤的顺序至关重要。通常，干式预混合是明智的选择，因为它可以打破团聚体，并形成一种均匀的预混合物。

这适用于聚合物纳米复合材料以及陶瓷和金属系统。对于聚合物基纳米复合材料，基质的粘度也会影响分散过程。随着粘度的增加，剪切传递会增加，但同时排气也会变得困难。封闭的空气会形成额外的界面，并可能促进重新团聚。因此，通常在真空条件下进行可控的工艺控制是一个重要的质量标准。

纳米复合材料的特性在很大程度上取决于分散质量。即使是很少的团聚残留物，也会在工件中形成缺陷。