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杂志俱乐部2008年1月15日主题:活性纳米复合材料
活性或智能材料是在多个物理领域之间表现出耦合的材料，如机械和电压电材料，或热和机械，如形状记忆合金和聚合物。纳米技术可以通过解决当前的不足和扩大可用材料空间的范围，为智能材料领域提供重新激活的机会。力学学界的一些学者将研究重点放在纳米复合材料上，以阐明和预测碳纳米管等纳米颗粒对聚合物和复合材料的力学增强水平。总的来说，研究人员一致认为，纳米复合材料的内部界面面积，而不是成分的相对体积分数，是解释和决定这种增强的关键特征。对于机械师和材料科学家来说，有必要和机会走到一起，研究聚合物纳米复合材料万博体育平台中电和机电增强的研究较少的领域。
T. J.刘易斯为这样一个机会奠定了理论基础。李建军，李建军，李建军。纳米介电介质的研究进展[j] .电子工程学报，2004，第4期，第2- 6页)。Lewis提出了一种可能性，即聚合物中纳米颗粒的存在可以引起机电耦合，否则在原始聚合物中不存在。此外，他还强调了界面的作用，无论是机械的、电的还是耦合的，其性质都源于界面相互作用区的行为。这个日益占主导地位的界面是极化和电荷分离的所在地，它可以采取被动或主动的作用。在无源界面中，我们感兴趣的宏观性质是有效介电常数，它可以用基于麦克斯韦-加内特的许多方法来分析。在有源界面中，电场的施加引起机械应力。这种耦合导致了压电和电致伸缩现象，并且是由纳米级界面的协同行为引起的。在连续介质力学中，纳米复合材料的界面在某些情况下被认为是具有自身力学性能的第三相。Lewis认为，这第三相也具有自己的介电性，因此具有电致伸缩行为，可以在强场的作用下被“激活”。
纳米填充材料独特的电学和介电性能的前景激发了Nelson等人的灵感。j·k·Nelson和Y·Hu，“纳米复合介质的性质和意义”，物理学报D辑:应用物理38,pp213-222, 2005)来研究聚合物纳米复合介质。这些研究人员看到了介电性能的改善，例如电压耐久性和介电强度的数量级增加，他们将其归因于界面上的键合，以及界面区域中影响空间电荷分布的双层的形成。
最近，欧文斯等人(FJ Owens, JRP Jayakody, SG Greenbaum，“单壁碳纳米管:聚二氟乙烯复合材料的表征”，复合材料科学与技术66,pp1280- 84,2006)报道了单壁碳纳米管与PVDF中的氟偶极子之间的电子供体-受体相互作用，为纳米复合材料界面上的诱导极化提供了实验证据。这两个例子表明，界面区除了是颗粒-聚合物结合的区域外，在决定复合材料的介电行为方面起着重要作用。
介电纳米复合材料为我们提供了将界面探索扩展到机械性能之外的机会。我们对聚合物纳米复合材料中界面作用的进一步了解将使我们能够设计具有规定介电行为的材料，或定制活性材料以获得所需的性能，如低驱动电压、高机电应变和快速响应时间。虽然提议的三篇论文(再次列在下面)旨在发起关于纳米复合材料作为被动或主动介质的影响的讨论，但任何关于纳米复合材料在机械增强之外的潜力的讨论都是受欢迎的。
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评论
谢谢这个有趣的话题。
事实上，由于碳纳米管(CNT)-聚合物纳米复合材料的优异性能，对其介电性能的研究越来越受到人们的关注。正如你提到的，增强的很大一部分来自于界面，因为基质和纳米填料之间的表面积非常重要。我看到了一篇由Q.Z. Xue等人撰写的论文，该论文提出了一个模型，该模型预测了考虑界面效应的碳纳米管复合材料的有效导电性(闫庆，薛启智，郑启波，郝立志。碳纳米管复合材料有效导电性的界面效应[j] .纳米技术，2007,25(6):557 - 557。)。在该模型中，基于平均场论，将界面视为具有自身性质的第三相。
界面对弹性、热和电道具的重要性
碳纳米管和聚合物之间在性能上的巨大差异导致人们对所得到的纳米复合物的有效性能有很大的期望，特别是在使用诸如混合物规则之类的“信封背面”计算时。然而，表征工作经常发现纳米复合材料的测量性质与这些方法预测的不一样。在弹性性能、导热性和导电性方面，已经确定界面效应可能对纳米复合材料的性能有很大的影响;弹性性质受弱范德华相互作用的影响，热性质受界面热阻的影响，电学性质受可视为界面的电子跳变的影响。在我们最近的努力中在微观力学水平上对纳米复合材料进行建模时，我们确实看到了这种界面效应对有效性能有很大影响的潜力。由于纳米管的大部分界面都沿着其轴线，这似乎进一步强调了能够控制纳米管的排列或方向的重要性。然而，不管纳米管的方向如何，我们经常面临的问题是，界面的确切性质是什么，以及如何测量它们?目前，这些性质中的一些可以使用较低长度尺度(原子)模拟来评估，但这不能完全代替直接的物理测量。因此，对我来说，不仅要了解界面影响下纳米复合材料介电特性建模和表征的进展，还要了解在实验室中探索这些特性的策略，这对我来说肯定是很有趣的。
界面对电性能的重要性
Amira和Gary，谢谢你们有趣的推荐信。事实上，纳米复合材料表征的一个方面似乎可以推动建模向前发展，那就是开发实验手段来探测界面。正如你们两位所指出的，将界面建模作为第三阶段是一种选择，但仍然不清楚应该规定哪些属性/特征。当然，研究人员已经使用拉曼光谱和傅里叶红外光谱(如我上面提到的欧文斯等人的论文)来探测纳米颗粒-聚合物的相互作用。这些结果可能允许我们“限定”界面的类型，但不能屈服于“量化”。
半结晶聚合物纳米复合材料的形貌
关于半结晶聚合物纳米复合材料中界面/界面区域的另一个影响，我现在刚刚开始真正体会到的是纳米颗粒对结晶度和纳米复合材料中晶体多晶态的影响。为了扩展本博客之前的想法，这提出了一个非常有趣的问题，即如何区分结晶度变化对界面/界面效应的影响(例如由于与纳米颗粒相互作用而限制流动性的聚合物的环形区域)与实际纳米包裹体本身对有效纳米复合材料性能的实际影响。
例如，2004年Giannelis小组发表在《先进材料》(Advanced Materials)杂志上的一篇论文(见下文)表明，在PVDF中加入适当的表面改性纳米颗粒(5 wt%的纳米粘土)会使聚合物的韧性提高一个数量级。这种大的韧性增强很大程度上归因于纳米复合材料中半晶PVDF的β相数量的增加(以α相为代价)。由于PVDF的压电特性在很大程度上归因于β晶体相，这为使用纳米颗粒控制这些类型的纳米复合材料的晶体形态和相提供了一些有趣的可能性。
如果您对这项工作进一步感兴趣，我将非常强烈地推荐上面突出显示和下面给出的文章，以及其中的参考文献……
D Shah, P.Maiti, E. Gunn, DF Schmidt, DD Jiang, CA Batt和EP Giannelis，纳米粘土定向晶体结构和形貌对聚偏氟乙烯纳米复合材料韧性的显著增强，《先进材料》16,pp 1173-1177, 2004
信
亲爱的先生,
首先，我对您的研究表示诚挚的敬意，您的研究反映了当今世界的最新技术趋势。
此外，我还写道，我是arindam Mukherji博士，最近被任命为我们的研究机构(IRMRA)的c级科学家，该机构隶属于商务部和工业部。如果您觉得合适的话，我愿意在您的指导下从事我的学术和研究工作。我非常渴望能融入合适的研究氛围和团队，而这只有在贵公司才能实现。
我对你的答复非常积极。所以请查收我的简历，供您仔细阅读。
关于
Dr.Arindam Mukherji
Scientist-C,
Asst.Director
IRMRA
纳米约束和纳米成核位点?
亲爱的弗兰克,
好点!正如你所提到的，纳米颗粒当然可以通过影响结晶度和结晶度来影响聚合物的形态。你提到的PVDF的例子很重要，因为增强不仅限于机械性能，而且还通过将α相转化为β相来影响压电性能。这是一个非常好的结果。沿着这些思路，有一个很好的工作Li等人。界面(弱与强相互作用)对聚合物形态的影响。作者表明，“强”界面会导致聚合物迁移率的限制和结晶度的整体下降——你在文章中提到的纳米限制效应——而“弱”界面会导致结晶度的增强。这是另一个迹象，并不是所有的接口都是平等的!当建模和预测纳米复合材料的性能时，对特定纳米填料和聚合物基体之间可能发生的相互作用类型有一些清晰的认识是很重要的。
请注意
请注意，Giannelis组在论文中的增强韧性是指断裂伸长率的增加。我想知道它的抗断裂性能是如何受到影响的。
纳米增强材料的团聚
非常感谢。这是一个非常有趣的话题。
纳米复合材料的另一个地面挑战是纳米增强剂的团聚。例如，碳纳米管和纳米粘土倾向于凝聚形成大颗粒(见下文)。这将导致强化效果和功能的减少。对这一主题的深入讨论可能会导致纳米复合材料在实际应用中的真正突破。
李晓东，高洪生，费冬玲，许晓友，Michael A Sutton, Anthony P Reynolds, Michael L Myrick，“单壁碳纳米管增强聚合物复合材料的物理增强机制”，纳米科学与纳米技术，7(2007):2301-2308。
李晓东，高宏升，费冬玲，Michael A. Sutton, Anthony P. Reynolds, Michael L. Myrick，“纳米粘土增强琼脂糖纳米复合材料的结构和力学特性”，纳米技术，16(2005)2020-2029。
李晓东，高宏升，费冬玲，许晓友，Michael A. Sutton, Anthony P. Reynolds, Michael L. Myrick，“单壁碳纳米管增强环氧复合材料的纳米力学性能表征”，纳米技术，15(2004)1416-1423。
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Dr.Arindam Mukherji
Scientist-C,
Asst.Director
IRMRA
界面的介电特性
感谢Zoubeida博士为我指出Lewis的参考文献。正如他正确地指出的那样，界面将变得越来越突出，它的物理性质必须得到适当的考虑，特别是当所考虑的结构的尺寸达到纳米尺度时。
考虑一个标准电容器(由夹在金属电极之间的介电层组成)，其宏观尺寸受到两端电位差的影响，例如“V”。目的是找出沿其长度的电场/电位/极化矢量分布。如果从标准静电学的角度出发，可以得出电介质中的电场/极化是恒定的。这两个场在金属内部突然降为零，也就是说，这两个场在“界面”处都有跳跃。然而，如果将电容器缩小到纳米尺寸，界面就会变得和介电层的尺寸一样大……因此，如果假设介电常数平滑变化(在原子水平上平滑是什么意思?)，那么电场/极化场就不会有任何跳跃。虽然这种考虑在分析大型结构时可能没有任何影响，但它可能对纳米器件产生深远的影响。
我觉得接口的特性描述是一个重要的问题。此外，我不确定是否存在良好的分析模型来模拟接口。下面是我发现的一个参考，它模拟了绝缘体/绝缘体界面处的介电特性
F. Stern，物理学家启B。17， 5009 (1978)
答复李晓东——纳米颗粒的团聚
亲爱的小东,
谢谢你提出纳米颗粒在环氧树脂和其他聚合物基质中的分散这一非常重要的观点。事实上，由于纳米颗粒的高表面积，范德华相互作用导致它们的捆绑，这使得加工和分散非常具有挑战性。正如你所指出的，捆绑减少了与聚合物的相互作用面积，这反过来又会影响性能。我看了一下你在《纳米科学与纳米技术》杂志上的文章摘要。它看起来很有趣。这篇文章是我通过我们图书馆订购的，收到后期待再次与您沟通。
祝你研究顺利
Zoubeida
回复拉维:纳米电容器!
嗨拉维,
我很高兴你欣赏刘易斯的论文。你提到的模型电容器的例子是一个很好的例子。当缩小电容器厚度时，即使在电容器表面施加均匀场，也会开始产生场非线性。在纳米复合材料中，这种效应(例如纳米管之间的距离)在增强介电性能方面应该具有有趣的含义。我们确实需要更多的工具和方法来模拟介电行为。这个帖子中提到的一些文章似乎也在回应同样的信息。因此，我非常乐观地看到在纳米复合材料界面的介电模拟领域有更多的工作。
温暖的问候,
Zoubeida