智能膨胀材料（精选三篇）
智能膨胀材料 篇1
关键词：膨胀石墨,聚合物,晶体,金属氧化物,纳米复合材料
膨胀石墨纳米复合材料通常由两种或多种物质与膨胀石墨复合而成, 与各自材料自身特性相比, 膨胀石墨纳米复合材料的特性更加优良。膨胀石墨纳米复合材料制备的方法是:将聚合物、金属氧化物和晶体插入膨胀石墨空隙或片层间, 借助适合的复合工艺实现上述化合物与膨胀石墨在纳米尺度上的复合[1,2]。由于膨胀石墨纳米复合材料在制备方法、结构、性能及应用方面独特的优势, 膨胀石墨纳米复合材料逐渐成为纳米复合材料研究和开发应用的热点[1,3]。
1 膨胀石墨的制备
天然石墨是层状结构如图1 (a) 所示, 石墨是共价键结合的正六边形片状结构单元, 层间依靠离域π键和范德华力连接并可相对滑动。
天然石墨层间的范德华力非常微弱, 许多化合物可以插入石墨层间, 有些可与层内电子发生局部化学反应, 形成层间化合物[GIC, 图1 (b) ][4,5]。天然石墨可与HNO3、H2SO4、KMnO4、H2O2、O3等强氧化剂混合形成可膨胀石墨。当可膨胀石墨通过马弗炉或微波加热时, 石墨碳层沿C轴方向发生大幅膨胀, 形成结构疏松、低密度的蠕虫石墨, 也即膨胀石墨[EG, 图1 (c) ][6,7,8]。
2 膨胀石墨纳米复合材料的制备方法和特性
膨胀石墨可以看作尺寸由100~400nm的纳米石墨薄片堆栈形成的结构体, 就像层状结构的硅酸盐一样很容易让聚合物、金属氧化物等化合物插入其层间形成纳米复合材料[9,10]。按照纳米复合材料的成分含量进行分类, 膨胀石墨纳米复合材料可以分为两种:一是膨胀石墨作为添加剂加入聚合物, 用来改善聚合物的机械、导电特性;二是以膨胀石墨为主体, 金属氧化物、晶体等材料作为添加剂与膨胀石墨复合, 这类材料主要用于润滑剂、光催化剂与电磁波屏蔽等材料。
2.1 聚合物/膨胀石墨纳米复合材料
聚合物/膨胀石墨纳米复合材料的制备方法关键是:用合适的方法使单体或聚合物均与分散在膨胀石墨空隙或片层间。制备聚合物/膨胀石墨纳米复合材料的3种主要方法如下:溶液插层复合法、原位聚合法与熔体插层复合法[11,12,13,14,15,16,17,18,19]。
溶液插层复合法:聚合物大分子在溶液中借助于溶剂而插层进入石墨片层间, 然后再挥发去除溶剂。该方法需要优选溶剂且大量溶剂不易回收, 对环境不利, 但聚合物分子易于借助溶剂插入石墨片层间, 插层复合效果往往较好。溶液插层复合法制备聚合物/膨胀石墨纳米复合材料的示意图如图2所示。
原位聚合法:应用在位填充使纳米粒子在聚合物单体中均匀分散 (在溶液中或熔融状态下) , 然后在一定条件下使单体在石墨层间及石墨层外进行原位本体聚合, 形成聚合物/膨胀石墨纳米复合材料。原位聚合法制备聚合物/膨胀石墨纳米复合材料的示意图如图3所示。
熔体插层复合法:聚合物在高于其软化温度下加热, 在静止条件或剪切作用下直接插层进入膨胀石墨片层间, 具有工艺简单、成本较低等优点, 但是对膨胀石墨表面修饰、相容剂选择、加工工艺要求较高。由热力学分析可知:熔体插层复合由焓变控制, 故而插层物与石墨之间的相互作用程度是决定插层成功与否的关键因素。熔体插层复合法制备聚合物/膨胀石墨纳米复合材料的示意图如图4所示。
3种制备聚合物/膨胀石墨纳米复合材料方法的优缺点见表1。
目前, 聚合物/膨胀石墨纳米复合材料研究取得了一定进展, 出现了一大批新型聚合物/膨胀石墨纳米复合材料。聚合物/膨胀石墨纳米复合材料具有很多优良的特性, 从目前的研究成果看, 它在润滑材料、阻燃材料、吸波材料、导电材料、密封材料和催化材料等方面具有很大的应用前景。表2对目前国内外学者对聚合物/膨胀石墨纳米复合材料研究成果进行了分类总结, 并对其特性和应用领域进行了简要概括。
2.2 晶体/膨胀石墨纳米复合材料
晶体是内部质点在三维空间呈周期性重复排列的固体。晶体具有整齐规则的几何外形、固定的熔点、各项异性等特点, 大部分金属氧化物属于离子晶体。目前已有文献将晶体材料与膨胀石墨复合形成晶体/膨胀石墨纳米复合材料, 该材料在润滑剂、光催化剂与电磁波屏蔽材料等方面有潜在的应用前景。
制备晶体/膨胀石墨的方法通常是化学氧化热处理法, 这种方法将晶体和膨胀石墨均与混合, 在特定的条件下通过热处理方法得到晶体/膨胀石墨纳米复合材料。以富勒烯/膨胀石墨纳米复合材料制备过程为例。第一步, 将石墨放入46mL的98%浓。H2SO4 (KMnO46g, NaNO31g) 溶液中, 在经过离心、清洗、透析一些列复杂步骤后, 石墨氧化物 (GO) 形成。膨胀石墨通过将GO加热至400℃3min获得;第2步, 将质量之比为2∶1的富勒烯和膨胀石墨放进1个特制的容器中, 在真空中加热至600℃2w, 最终富勒烯/膨胀石墨纳米复合材料形成。其制备过程示意图如图5所示。
对于金属氧化物 (离子晶体) /膨胀石墨纳米复合材料, 其制备方法与一般晶体不尽相同。当前, 从文献中查到的能够与膨胀石墨复合形成纳米复合材料的金属氧化物有ZnFe2O4、ZnO和TiO2等, 这些纳米复合材料主要应用于润滑剂、光催化剂、蓄热相变材料等材料的制备领域。制备金属氧化物/膨胀石墨纳米复合材料的方法主要有溶胶-凝胶法和化学氧化-浸渍法。
溶胶-凝胶法, 以ZnFe2O4/EG纳米复合材料的制备过程为例:用溶胶-凝胶法制备纳米锌铁氧体, 在凝胶形成之前加入超细可膨胀石墨, 生成的干凝胶粉末在马弗炉中灼热一段时间, 在纳米锌铁氧体生成的同时膨胀石墨发生膨胀, 由此合成出纳米铁氧体复合材料。
化学氧化-浸渍法, 以ZnO/EG纳米复合材料制备过程为例:将石墨和浓H2SO4按一定的质量比混合, 加入适量H2O2水溶液, 进行化学氧化反应, 产物经水洗、干燥及微波膨化后得到高倍膨胀的石墨。用一定浓度的Zn (Ac) 2水溶液浸渍此膨胀石墨, 所得物于60℃干燥、450℃煅烧后, 即制得ZnO/EG纳米复合材料。
晶体/膨胀石墨纳米复合材料, 金属氧化物/膨胀石墨纳米复合材料的制备方法、特性及用途见表3。
3 总结与展望
对聚合物/膨胀石墨、晶体/膨胀石墨等膨胀石墨纳米复合材料制备方法、材料特性和应用领域等方面进行了系统的综述。目前国内外在这些材料的研究方面取得了一定进展, 但最近对膨胀石墨基纳米复合材料的研究报道相对较少, 主要是因为材料的制备方法制约了材料的发展, 因此有必要改良材料的制备方法, 使得膨胀石墨基纳米复合材料的研究更上一个台阶。为了得到性能优良的膨胀石墨基纳米复合材料, 笔者认为应重点解决如下问题:
(1) 解决膨胀石墨在聚合物基体中的分散问题, 使得膨胀石墨均匀的分散在聚合物基体中。
(2) 突破现有手段, 用新方法表征膨胀石墨基纳米材料的特性。
(3) 探索制备更多的类富勒烯/膨胀石墨纳米复合材料的晶体/膨胀石墨纳米复合材料, 比如新出来的石墨烯、碳纳米管等, 并表征其特性。
揭秘智能可调超材料 篇2
近来，超材料的研发日益受到关注。一方面，对于超材料的新颖特性和物理现象的研究在不断深入，另一方面，基于超材料在军事和民用方面的实际应用也不断涌现和实用化。
实际上，在过去的十五年中，电磁超材料引起了人们广泛的研究兴趣。电磁超材料是由亚波长结构单元组成，具有自然界材料所没有的新颖电磁特性的人工结构材料。对于三维体材料用有效材料参数、而对于二维平面材料用有效表面阻抗来表征是超材料的特点。超材料直接和自由空间传播的电磁波耦合相互作用，无需通过波导或传输线来引导。根据电磁超材料工作的频谱范围，可以简单地将它划分为微波超材料、太赫兹超材料及光学超材料。电磁超材料最早是在微波频率段实现的，随后很快发展到从太赫兹到红外及可见光的几乎整个电磁频谱范围。超材料的研究已经远远超出了最初的负折射材料或者左手材料的范畴。在超材料的基础上，人们又提出了超表面、超器件等新的概念，并且研究领域已经从电磁扩充到声学、热学、力学等领域。
超材料在电磁波的偏振相位和振幅控制方面具有许多传统电磁材料和器件无法比拟的独特优势，在新型电磁元件的开发方面具有巨大潜力。基于超材料，特别是平面超材料的光学元件，可以极大地减小传统光学元件的体积和重量，从而更加有利于小型化和集成化。同时，通过改变超材料结构单元的尺寸，可以使其工作在不同的波段。这在一些传统光学元件比较缺乏的光学频段（如中远红外或者太赫兹波段）具有尤为重要的价值。
智能可调超材料的发展对于超材料的应用有着重要的意义。可调超材料可以通过施加外部信号来改变超材料的电磁性质。这一方面可以改变和扩展超材料的工作频段，另一方面则为调制器等各种有源器件的开发提供了可能。目前可调超材料的机制主要有三大类，其一是基于电路的方法，在微结构单元中插入可改变电路阻抗的器件；其二是基于几何结构的方法，从物理上改变微结构的几何结构从而改变其等效参数；最后是基于材料特性的方法，组成超材料微结构单元本身就由可调材料组成。从调制方式来说，有热调制、电调制、磁场调制和光调制等。从被调制的电磁波特性来说，有振幅调制、共振频率调制、相位调制等。
调控微结构层间的相对位置实现可调超材料
超材料通常由亚波长的共振结构单元组成。尽管包括陶瓷、高折射率半导体在内的介质材料等都被用做制作超材料的基体，但大多数超材料的结构单元都是由金属构成。为了实现特定的电磁学性能，人们提出了多种超材料结构单元的设计方案，如开口谐振环、不对称开口谐振环、渔网结构、S形、Ω形，雪花形以及它们的互补结构等。超材料共振单元的电磁特性可以用多种模型来描述，其中等效电路模型可以较好地描述超材料的共振特性，尤其是微波金属谐振环结构。在该模型中，每个超材料结构单元都有一个分布电感和一个分布电容，超材料结构单元的共振频率平方反比于电容和电感的乘积。因此，如果能够通过一个外部信号改变超材料结构单元的电容或者电感，就可以改变其共振特性。
用电路方法来实现可调超材料最常见的是在每个构成超材料结构单元的谐振环上加上一个具有可变电容的二极管，通过改变二极管的电容，结构单元和超材料的共振频率也会随之改变。这种类型的可调超材料主要用于微波波段。除了可变容二极管，加入PIN二极管和数字电位器也起到类似的作用，不过它们改变的是电阻而非电容，在调控的便捷性和带宽控制上可以与可变容二极管相媲美，在设计超材料吸波体上是常用的手段。
在电路方法中被广泛应用的另一类器件是理想开关。射频开关可以在电路某两点间实现0阻抗和开路的切换，用MEMS开关可以实现这一功能。MEMS开关的性能虽然优良，限制其应用的因素主要在于其较高的驱动电压（70~150V）以及成本。
另一应用在电路方法中的是所谓的有源非福斯特（Non-Foster）电路。福斯特电抗定理表明，对于一个一端口网络，其输入电抗或输入电纳对频率的导数总是正的。而非福斯特电路则不满足，即电路元件的输入阻抗或输入电纳对频率的导数为负。由此通过引入非福斯特负载可以实现宽频特性，这可以被看作是一种频率选择调控。
通过改变超材料的几何结构，即构成超材料的共振单元的形状大小等，或者结构单元之间的空间相对位置，同样可以对超材料的性质进行调控。前者主要使得每个结构单元的共振波长发生改变，后者则改变了结构单元之间的近场相互作用。当不同层的结构单元位置发生水平方向相对运动时，超材料的共振频率会发生改变。基于这种原理的可调超材料被称为可重构超材料。
可重构超材料中使用最为常见的是射频MEMS，得益于射频MEMS低损耗、高线性、高Q值等特性。利用射频MEMS不仅可以改变微结构的几何形状等参数，还可以改变基体的相关参数以及微结构和基体的耦合，从而改变超材料的共振频率。也可以通过热效应来改变微结构的倾角，从而改变入射电磁波的入射角，最终调控超材料的吸收滤波性能。在光学超材料中利用纳米金属棒的自组装来控制其对齐方向，从而实现超材料的可调谐性。利用微流控技术把水银注入腔体形成谐振环，并且调谐谐振环的参数从而实现可调超材料。如果应用于光频段，需要尺度更小的NEMS。
聪明的智能材料 篇3
所谓的智能材料就是要具有感知环境（包括内环境和外环境）刺激，能根据不断变化的外部环境和条件，及时地自动调整自身结构和功能，并能相应地改变自身的状态和行为的材料。简单地说，就是智能材料要具备“发现故障”和“自我修复”的功能。但是，现有的材料一般比较单一，难以满足智能材料的要求，所以智能材料一般由两种或两种以上的材料复合构成一个智能材料系统。智能材料系统要具有或部分具有传感功能、反馈功能、信息识别与积累功能、响应功能、自我诊断能力、自我修复能力、自我调节能力等。
不要以为智能材料离我们很远，其实我们熟悉的变色太阳镜中就含有智能材料。这种智能材料能感知周围的光线强弱，当周围的光很强时，就自行变暗，当光较弱时，就变得透明起来。不久以后，智能材料将普遍地在我们的生活中出现，如智能服装会自动调节大小、颜色和温度；变形建筑允许主人按一下键就能改变自身的形状，智能窗户会自动调节光线，智能墙壁可以变换颜色，房间和屋顶也能根据需求而扩展、收缩甚至改变外形。
会“报警”的智能材料
有一次，美国一架大型客机发生坠机事件，机上的270名乘客全部丧生。经过检查，原来是发动机上的一个小小螺钉断裂造成机毁人亡。人与动物生病都有前兆，可以及时进行预防、医治，但飞机即使裂开了口子，也不会喊痛。于是有人设想：如果飞机在刚出现裂纹还没有断裂之前，自己能大呼“救命”，向人类发出警报，或者在出现裂纹后，自己能立即自动修补并加固，不就可以避免机毁人亡的悲剧了吗？
为了达到这个目的，曾有科学家设想在制造机翼的高性能复合材料中嵌入细小的光纤，这些纵横交错的光纤就如同机翼的神经，可以感受到机翼上承受的不同压力。通过测量光纤传输光时的各种变化，就能测出飞机机翼承受的不同压力。当异常情况发生时，光纤发生断裂，光传输中断，报警装置便发出警报，以便机组人员及时采取防范措施。科学家还设想，可以将一种智能材料薄片贴在机翼上，形成机翼的“智能皮肤”。这种智能材料的覆盖层可根据飞行员发出的电脑指令改变外形，一旦飞机的升降舵和方向舵失灵就可取代它们，使飞机能继续正常飞行。
会“修补”的智能材料
2006年8月5日，巴基斯坦马尔丹市，当人们聚集在一座大桥上看洪水时，大桥突然坍塌，至少有60人在这起桥梁坍塌事故中被淹死。这种事故多数是因材料发生疲劳断裂而引起的。为了不让惨剧再度上演，在建筑方面，科学家正集中力量研制使桥梁、高大的建筑设施以及地下管道等能自行诊断其“健康”状况，并能自行“医治疾病”的材料。
在这方面，英国伊利斯诺大学科学家的研究已经有了成效。他们研制出的一种新型智能混凝土，不是由水泥、沙石加水搅拌而成，而是把大量的空心纤维埋于混凝土中，空心纤维里面装满了“裂缝修补剂”。一旦公路、桥梁或高层建筑开裂，空心纤维也随之开裂，修补剂便从中流淌出来，自行填补在开裂的地方，使之愈合。
会“说话”的智能材料
英国科学家还在研制一种能让残疾儿童借助它“说话”的智能化衣料。目前，该研究组织正在把大部分精力投入医疗保健应用领域，用这种布料制成的马甲帮助残疾儿童（如孤僻或脑瘫痪者）与他人交流。这些儿童只需简单地轻拍外衣上不同的部位，就可以传达不同的信息。信息通过红外信号传给声音合成器或电视屏幕。
这种材料是用普通的布料和一种独创的导电网状饱和碳纤维制成。当布料受压时，通过导电纤维的低电压信号发生变化，一个简单的电脑芯片就可以精确地指出面料的哪个部位被触摸。它还可以触发任何与其相连的、体积不超过两个火柴盒大小的电子设备。这种材料可以洗涤，裹在别的东西外面或者揉搓都不会损坏，它可以低成本地大批量生产。该材料也引起了艺术家的兴趣，期望能利用它非凡的特性带来艺术上的创新。
会“治病”的智能材料
在医疗方面，智能材料还被应用于药物自动释放系统上。日本东京女子医学院已经推出一种能根据血液中的葡萄糖浓度而扩张和收缩的聚合物。葡萄糖浓度低时，该聚合物会缩成小球，葡萄糖浓度高时，小球会伸展成带。借助这一特性，这一聚合物可制成人造胰脏细胞。这种聚合物包封的胰岛素小球注入糖尿病患者的血液中，小球就可以模拟胰细胞工作，血液中的血糖浓度高时，小球释放出胰岛素，血糖浓度低时，胰岛素被密封。这样，病人的血糖浓度就会始终保持正常的水平。
由于导电有机聚合物在微电流刺激下可以收缩或扩张，因而具备将电能转变为机械能的潜力。这类导电聚合物组成的装置，在较小电流刺激下同样表现出明显的弯曲或伸张/收缩能力。因此，它们有着广泛的潜在用途，在诸如机器人（如轻型齿轮、杠杆、风挡雨刷等）、假肢装置和微型泵等方面可以一展身手。目前，澳大利亚智能聚合物研究所主要在两个项目上取得了一些进展。其一，澳大利亚智能聚合物研究所成功开发了更有序的聚合物装置。该装置可以产生比天然肌肉多15倍的力，计算显示，这种导电聚合物纤维最终将可以产生1000倍于天然肌肉的应力。第二项进展为第一台基于碳纳米管的聚合物致动器。这种致动器包括高度有序的纳米管，当电荷加到纳米管上或从纳米管上卸去时，这些纳米管能作出快速的尺寸改变。
有记忆功能的智能材料
有一种神奇的材料能记得自己“出生”时的样子，不管人们将它弄成什么样子，只要环境温度达到某个点，它就会“想起”自己‘出生’时的模样，并恢复本来面目。这种现象被科学家称为“形状记忆效应”，具有这种效应的合金则被称为“形状记忆合金”，或称“记忆合金”。
各种卫星通过无线电波将信号传送到地球上，发射无线电波当然离不开天线，令许多人不解的是，卫星的天线直径一般有数米，而且形状各异，那么，这些天线是如何被装进小巧的航天飞船里送上太空的呢？原来，这种天线很多都是用具有记忆功能的合金材料制成的。直径数米的天线制成后，降低温度将其压成一小团，装入航天飞船里。当天线在太阳光的照耀下温度升高到记忆温度时，天线的记忆力被唤醒了，恢复成“出生”时的样子。