聚合物基纳米金属梯度复合材料的电化学制备和形态结构的研究

Electrochemical Synthesis and Morphology of Polymer Matrix Nano-Metal Gradient Composites

项目批准号：59783004、50083007

青岛大学　唐建国

　　近几年，纳米尺度的材料制备科学与技术是一个热点领域且成效斐然，但将纳米尺度粒子组装为特定形态结构的材料却是上一层次的研究领域。本研究目的在于在外场的作用下，纳米粒子生成并现时自组装为组分梯度变化的聚合物基纳米金属梯度复合材料。在纳米尺度上使两组分材料之间化学成分和组织结构在厚度方向发生连续的变化，不形成明确的相界面,这在制备两相极性差异甚大的二维连续复合材料方面是非常关键的。

● 创新点

1. 外电场下纳米粒子自组装材料的形态学

　　透视电子显微镜（TEM）对材料断面的分析[图1(1)]表明金属组分（图中为铜）以直径小于50nm 的纳米粒子网络排列。而[图1(2)]表明，这些纳米粒子与基体聚合物复合形成了组分梯度分布的梯度复合材料，电子能谱的结果表明铜在断面上浓度渐变而呈梯度分布，用指数衰减函数可以较好地表达梯度关系[图1(3)]。

2. 纳米粒子自组装的空间网络与基体大分子束空间网络互穿

　　形态结构剖析中的一个重要发现是金属相区中的微形态构结果[图1(1)]表明, 金属相区中是纳米金属晶体粒子（直径小50nm自组装而成的网络与聚合物基体的大分子束形成的空间网络互相贯穿, 称它为“聚合物-金属互穿复合”（PMIC)。

3. 外电场作用下纳米粒子的生成和自组装的机理

　　纳米尺度的微形态结构研究发现，在[图1(1)]中组成金属相的是直径小于50nm 的金属粒子，换句话说，晶粒的生长是在纳米局域云集离子并还原的结果。对不同聚合物基体的进一步研究[图2]发现更为细小（直接小于10nm）的离散的纳米粒子的生成，进一步说明了晶粒生长是在纳米局域云集并还原离子的结果。因此“纳米局域电池机理”的解释是成立的。另一方面，从动力学研究的结果表明离子在纳米局域的扩散符合线性“离子渗析机理?”，而不同于日本学者提出的“链段输运机理”

● 代表性论文

（1） Jianguo Tang, Keao Hu, Shaohai Fu, Relationship between Structures of Polyacrylonitrile (PAN)-Copper Gradient Composite  Film andElectrochemical Reaction Conditions, Journal of Applied Polymer Science (美国SCI 核心期刊), 1998, Vol.69, No.6,1159-1165

（2） Jianguo Tang, Keao Hu, Dong Guo, Haiyan Liu, Yiqin Zhou, and Renjie Wu: Micromorphological Structure and Its Mechanisms  ofPolyacrylonitrile (PAN)-Based Copper Gradient Composite Film, Journal of Applied Polymer Science (美国SCI 核心期刊), 1999, 7(8),1927-1932

（3） Jianguo Tang, Keao Hu, Haiyan Liu, Dong Guo, Yiqin Zhou, and Renjie Wu: Synthesis of 10 Nanometric Copper Cluster in a  Polymer Hostfrom a Solution-Reduction Synthesis, Journal of Applied Polymer Science (美国SCI 核心期刊), 76, 1857-1864

● 奖励情况

   山东省教委优秀科技成果一等奖(2000).

● 应用前景

   制备高分子子与金属的二维复合材料是获取以高分子为基体的光、电、磁、热、吸收等功能性质及其相互转换的功能材料的重要途径，但该两相极差的界面结合状况严重制约了该类材料的制备与使用。纳米粒子自组装的空间网络与高分子基体分子束的空间互穿极为完美地解决了该问题。

工程与材料科学部、国际合作局 主办
数理科学部、化学科学部 协办