功能陶瓷及纳米复合材料的制备、结构与性能研究
2016-03-10 09:35:02
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实验目的
该实验是材料物理专业的重要专业方向实验之一。通过该实验使学生较系统与全面地掌握陶瓷材料及纳米复合材料的制备、表征和性能测试中的理论和技术，提高学生在材料科学研究方面的实验动手能力和分析问题能力。
教学要求
1．掌握电子陶瓷材料的制备技术；
2．掌握聚合物及其纳米复合材料的制备加工技术；
3．掌握材料的介电性能的测试技术；
4．掌握材料基本力学性能测试技术
5．熟悉材料的XRD、SEM、正电子湮没等表征技术
6．熟悉材料热分析实验方法和技术
实验内容
实验内容与学时分配表（总学时：
实验原理
一、高介电常数电子陶瓷材料制备实验
高介电常数电子陶瓷是一种重要的功能陶瓷材料，由它们制造的陶瓷电容器广泛用于消费、通讯、信息、控制类等电子整机设备中，主要起到滤波、隔直、耦合、振荡等作用。CaCu3Ti4O12是近年来人们发现的一种新型的高介电常数电子陶瓷材料。本实验希望通过对CaCu3Ti4O12陶瓷材料的制备与性能测试的具体学习，使学生了解一般的电子陶瓷元器件的制造过程，认识烧结等工艺过程对电子陶瓷元器件性能的重要影响。
二、 聚合物/无机硅酸盐纳米复合材料的制备
插层纳米复合材料（PLS），是指粘土与高分子有机化合物以某种方式形成的粘土以纳米级分散的复合材料。最早是由日本学者在1987年开创合成的，当时Okada等人采用插层聚合的方法制备了尼龙-6/粘土纳米混杂材料。由于这类复合材料实现了无机纳米相均匀分散、无机/有机强界面结合、自组装，以及具有较常规聚合物/无机填料复合材料无法比拟的优点（如优异的力学、热学性能和气体阻隔性能等），因此此类聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料倍受关注。国内外对PLS纳米复合材料的研究异常活跃，美国Cornell大学、Michigan大学、日本丰田研究发展中心和中国科学院化学研究所等制备出Nylon-6/clay、PS/clay、PET/clay、PBT/clay等多种PLS纳米复合材料，并在其基础理论和应用开发方面取得了一系列重要进展。
在PLS纳米复合材料中，粘土以纳米级二维片层分散在聚合物基体中，使复合材料具有以下优点：（1）只需很少重量分数（5%以下）的粘土即可具有相当高的强度、模量、韧性及阻隔性能，而常规纤维、矿物填充的复合材料则需要4～6倍的填充量，并且各项指标还不能兼顾；（2）纳米粘土片层具有高度一致的结构和各向异性，提高了复合材料对溶剂分子和气体分子的阻隔性、抗静电性和阻燃性；（3）复合材料能保持低应力条件下较好的尺寸稳定性；（4）具有较高的热变形温度；（5）热塑性插层纳米复合材料还具有再生性，并且再生材料的力学性能还会进一步增强；（6）因分散有纳米级片层材料，这类复合材料具有光洁的表面结构。
蒙脱土（montmorillonite, MMT）是迄今为止研究得最多的一种用于制备PLS纳米复合材料的粘土，这主要是由于蒙脱土易于得到，它是我国丰产的一类天然矿物；同时蒙脱土中有效的层状硅酸盐片晶含量高，可达到95％以上。蒙脱土的化学组成为Na0.7(AL3.3Mg0.7)Si8O20(OH)4 ·nH2O，属2:1型层状硅酸盐，结构如图所示。
天然黏土必须先进行有机化改性，使其表面由亲水性变为亲有机性，从而增强与聚合物基体的相容性。在蒙脱土晶层层间具有可交换阳离子，利用长链烷烃季铵盐阳离子可与累脱石层的可交换阳离子进行离子交换，反应式简写
R1R2R3R4NCl + M-Na → R1R2R3R4N-M + NaCl
式中R1、R2、R3均代表烷基，R4代表烷基或苄基等，M-Na 代表钠基蒙脱土，R1R2R3R4N-M 表示有机蒙脱土。
在粘土片层间插层的有机化合物可以是高分子量的聚合物或者是预聚体，也可以是聚合的单体。聚合物对粘土的插层主要有熔融插层和溶液插层两种形式。熔融插层就是将聚合物粉末（如乙烯-醋酸乙烯酯、尼龙等）与粘土按一定比例混合均匀，于一定温度下进行热处理，然后自然冷却至室温即可。溶液插层就是将聚合物和有机粘土分布溶解、分散在有机溶剂中，聚合物分子链在构相熵和混合熵的综合驱动力作用下，进入粘土层间的空隙形成纳米复合物。
三、 聚合物纳米复合材料的力学性能测定
作为材料使用时要求高分子聚合物具有必要的力学性能。可以说，对于高分子聚合物的大部分应用而言，力学性能比其他物理性能显得更为重要。高分子聚合物具有所有已知材料中可变性范围最宽的力学性质，这是由于高聚物由长链分子组成，分子运动具有明显的松弛特性的缘故。如高聚物材料具有相当高的伸长率，一般PE的断裂伸长率在90％～950％（其中线性低密度聚乙烯LLDPE的伸长率较高），通过特殊的制作工艺，部分材料的伸长率可在1000％之上，而普通高聚物材料的断裂伸长率也多在50％～100％之间。
材料的力学性能包括多个方面，本实验主要研究拉伸和冲击性能。聚合物的拉伸性能是其力学性能中最重要、最基本的性能之一，它在很大程度上决定了该种材料的使用场合。拉伸试验是研究材料力学强度最广泛使用的方法之一，需要使用恒速运动的拉力试验机。按载荷测定方式的不同，拉力试验机大体可以分为摆锤式拉力试验机和电子拉力试验机两类，目前使用较多的是电子拉力试验机。
拉伸试验（应力－应变试验）一般是将试样夹持在专用夹具卜对试样施加静态拉伸负荷，通过压力传感器、形变测量装置以及计算机处理，测绘出试样在拉伸变形过程中的拉伸应力一应变曲线，计算出曲线上的特征点如试样直至断裂为止所承受的最大拉伸应力(拉伸强度)、试样断裂时的拉伸应力(拉伸断裂应力)、在拉伸应力—应变曲线上屈服点处的应力(拉伸屈服应力)、应力—应变曲线偏离直线性达规定应变百分数(偏置)时的应力(偏置屈服应力)和试样断裂时标线间距离的增加量与初始标距之比(断裂伸长率，以百分
冲击强度是高聚物材料的一个非常重要的力学指标，它是指某一标准样品在每秒数米乃至数万米的高速形变下，在极短的负载时向下所表现出的破坏强度，或者说是材料对高速冲击断裂的抵抗能力，也称为材料的韧性。根据实验中试样受力形式和冲击物的几何形状，板、条试样的冲击实验方法可分为：简支梁冲击实验(GB 1093)、悬臂梁冲击实验(GBl043)和落锤式冲击实验(GB ll548—89)，所有冲击实验均应按GB 2918规定，在(23土2℃)、常湿下进行试样环境调节，调节时间不少于4h。
与理想弹性材料和粘稠液体不同，聚合物的力学行为有它的独特性，即除了有弹性材料的一些特点之外，还具有粘性液体的特性征，因而聚合物被称为粘弹性材料。聚合物的动态力学性能是分子运动的一种反应，它可以把微观结构与宏观性能联系起来，可以提供聚合物玻璃化温度、多重转变、结晶性、交联度、相分离、聚集态结构与性能多方面的信息。
参考书
1.《聚合物-无机纳米复合材料》，化学工业出版社，柯扬船，皮特?斯壮，2003
2.《高聚物与复合材料的动态力学热分析》，化学工业出版社，过梅丽，2002
3.《聚合物量热测定》，化学工业出版社，刘振海，畠山立子，陈学思，2002
4.《特种陶瓷》，中南工业大学出版社，王零森，2000.
5．《正电子物理及其应用》，科学出版社，郁伟中，2003