什麼是納米複合材料?
納米複合材料結合了兩種或兩種以上具有不同物理和化學性質的材料——其中至少有一種是納米材料。納米複合材料被設計成表現出超過(有時是大大超過)其組成部分之和的性能。
未來，噴氣機的機翼可能會像巴爾沙木一樣輕，但比最堅硬的金屬合金還要堅固。這是納米複合材料的前景之一。
納米複合材料是如何製成的?
納米複合材料是由嵌入材料(稱為納米複合材料)製成的強化階段)變成另一種材料(稱為矩陣相)．其中一種或兩種相都可以是納米材料。
通常情況下，增強材料強度低，而基體通常是韌性或韌性材料。如果複合材料的設計和製造正確，它將強化的強度與基體的韌性結合在一起，從而實現任何單一常規材料都無法獲得的理想性能的組合。
納米複合材料的基體相和增強相的圖解。(圖片來源:內布拉斯加州材料與納米科學中心)
納米複合材料的製備通常采用化學取向的合成方法:軟光刻、軟光刻、層壓、旋塗或溶液鑄造。
納米複合材料的主要挑戰是實現納米顆粒的均勻分散。分散質量影響相之間的界麵，從而決定納米複合材料的最終性能。
通過在納米複合材料中包含不同的材料、結構和成分，可以調整不同的性能(如機械、電、熱、磁甚至聲學)，使納米複合材料適合各種應用。這就是為什麼納米複合材料也導致了多功能材料領域的快速發展。
含有納米粒子的填料每個粒子的原子數量很少，因此可能與大塊材料具有不同的性質，並與基體發生強烈的相互作用。研究認為，納米粒子與基體之間的分子水平相互作用以及極高的納米粒子-基體界麵麵積對納米複合材料的物理力學性能有重要影響。
斯坦福大學和IBM公司的研究人員在納米複合材料層之間插入聚苯乙烯(聚苯乙烯是聚苯乙烯咖啡杯中的同一種材料)的鏈狀分子，使這些材料更堅韌、更靈活。(圖片來源:斯坦福大學)
由於不同尋常的尺寸依賴行為，納米複合材料中的納米成分可能局限在一維、二維或三維的納米尺度域中:
閱讀我們的文章納米粒子理解為什麼這些維度很重要以及為什麼材料在納米尺度上表現不同。
納米尺度的分類。(資料來源:塔林工業大學)
納米複合材料不僅可以由不同的納米結構材料製成，還可以由各種生物分子和導電聚合物製成。例如，研究人員通過基因工程將來自自然界的兩種不同材料結合在一起，這兩種材料都具有獨特而重要的特性。通過結合了蠶絲和生物二氧化矽的特性通過設計、合成和表征一個新的嵌合蛋白家族，他們製造了一種創新的仿生納米複合材料。
聚合物納米複合材料
聚合物納米複合材料——將納米尺寸的包裹體納入聚合物基質的材料——代表了納米複合材料領域的一個主要領域。它們表現出優異的機械性能、增強的模量和尺寸穩定性、阻燃性、改善的抗劃傷和損壞性、優越的熱和加工性能、減少零件的翹曲和增強的抗衝擊性，使它們適合在各種工業應用中取代金屬。
聚合物和非聚合物基納米複合材料的分類。(©IntechOpen)
聚合物納米複合材料的指數增長始於富勒烯(又稱C60或巴克球)。這一發現為碳納米管(CNTs)和後來的石墨烯的發現鋪平了道路，所有這些都成為納米複合材料的重要填充材料。
將納米填料引入聚合物基質中所取得的一些最主要的改進是:增強了力學性能，通過加入CNTs改善了熱和電學性能，在引入納米粘土和金屬氫氧化物的情況下，阻燃性能，熱穩定性，透氣性，等等。
由於納米複合材料的電學性能，納米複合材料的結合也引起了人們對形狀記憶材料發展的極大興趣。形狀記憶材料具有在外部刺激的幫助下變形為臨時形狀的能力。CNTs的電學特性允許使用電流控製智能執行器，用於許多不同的應用。
此外，一些納米填料(如納米纖維素)的有機來源使這些材料由於其生物相容性而可用於醫療目的。
總之，聚合物納米複合材料引發了對高性能產品開發的巨大興趣，如輕量級傳感器、薄膜電容器、電池、阻燃產品、生物降解和生物兼容材料。
納米複合材料類型與應用
納米複合材料的應用領域包括醫療領域和跨越許多行業，從電子到汽車到運動設備。它們耐得住緊張和極端溫度的能力甚至可以給航空航天帶來革命性的變化。
Epoxy-based納米複合材料
環氧樹脂是一種熱固性聚合物，是一種應用廣泛的工業材料。環氧基納米複合材料以其高強度和輕質量的特點被廣泛應用於各種工程應用中。例如，高負載石墨烯環氧複合材料是很有前途的熱界麵材料，可用於改善計算機芯片，發光二極管和微波源的熱傳導。
聚合物納米複合材料在汽車工業中的應用
在汽車工業中使用聚合物納米複合材料的關鍵驅動因素是減少汽車重量，提高發動機效率(節省燃油)，減少CO2排放和卓越的性能(更安全，更舒適和更好的駕駛性能)。
聚合物納米複合材料零件在汽車工業中的應用說明。
閱讀更多關於納米工作者聚焦的細節聚合物納米複合材料為汽車行業帶來機遇．
碳納米管啟用納米複合材料
由於碳納米管納米複合材料具有導電性、抗拉強度、熱偏轉溫度和阻燃性等力學、電學、熱學、阻隔性和化學性質，作為傳統複合材料的一種極具吸引力的替代材料，受到了廣泛關注。
石墨烯納米複合材料
石墨烯獨特地結合了巨大的機械和拉伸強度、大的表麵積、高的化學穩定性、優越的導熱性和導電性。這些特性賦予了材料非凡的潛力。
石墨烯和石墨烯基複合材料目前很有前景的一個領域是作為儲能設備電極的替代材料。迄今為止，石墨烯顯著提高了鋰離子電池和超級電容器的容量和效率。
例如，研究人員創造了一種石墨烯和錫納米複合材料用於可再生鋰離子電池的大容量儲能。通過將錫封裝在石墨烯薄片之間，研究人員構建了一種新的、輕量級的夾層結構，應該可以提高電池的性能。
量子點啟用的納米複合材料
研究人員進行了生物可降解量子點納米複合材料活細胞成像．通過製造一種生物可降解的混合納米複合材料水凝膠而量子點，他們創造了一個輸送係統，將納米粒子送入細胞質。這使得標記亞細胞細胞器或生物醫學研究的其他分子靶標成為可能。
納米複合材料在食品包裝中的應用
納米粘土被添加到聚丙烯或聚乳酸包裝薄膜中，可以防止氧氣或調味品的擴散，從而延長食品的保質期。納米銀具有抗菌作用，可用於塑料複合材料中，例如用於製造食品包裝，如薄膜或容器，以防止食品變質。
納米複合材料是改善聚合物性能的傳統技術之外的一種新選擇。與整齊的聚合物和傳統複合材料相比，納米複合材料具有更高的阻隔性能、更高的機械強度和更高的耐熱性。文獻中使用和提出的顆粒填料包括納米粘土蒙脫土(MMT)和高嶺石，碳納米管和石墨烯納米片。
納米複合材料的其他應用領域
這張基於納米複合材料的設備和用途的清單應該能讓你了解其應用的廣度，但絕不是完整的: