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专题纳米六纳米粒子2专题纳米六纳米粒子2庞晓宇

时间：2022年08月27日

专题：纳米(六)纳米粒子2,专题：纳米(六)纳米粒子2

(三)结果与讨论

1、超声波振荡对纳米SiO2在EP中分散性的影响

超声波分散是一种降低纳米粒子团聚的有效方法。超声波是频率范围在20kHz～106kHz的机械波，波速一般约为1.5km/s，波长为10～0.1cm。超声波的波长远大于分子的尺寸，说明超声波本身不能直接对分子产生作用，而是通过对分子周围环境的物理、化学作用而影响分子，即通过超声空化能量来加速和控制化学反应，提高反应速率、引发新的化学反应纳米粒子在分散过程中很容易重新团聚，当采用高剪切工艺初步分散后，通过超声波振荡可将纳米SiO2团聚体粉碎成小颗粒，从而增强纳米SiO2与环氧树脂的相容性。

采用高剪切分散工艺以及高剪切与超声波复合分散工艺，制备的纳米SiO2/EP复合材料的SEM照片。经高剪切分散工艺制备的纳米SiO2/EP复合材料的两相界面清晰，纳米SiO2粒径较大，且在大范围内以团聚体的形式分散在EP中，有的团聚体甚至聚集为更大的集聚体，在环氧树脂中分散得很不均匀。这说明采用高剪切分散实现纳米粒子团聚体解团的效果并不理想。其原因是高剪切分散属于机械力强制性解团方法，团聚体尽管在强制剪切力作用下解团，但纳米粒子间的吸附引力尤存，解团后可能又迅速团聚长大。

虽然也有个别团聚体存在，但大部分SiO2是以纳米尺寸，分散在环氧树脂中且分布基本均匀。由此可见，采用超声波分散可以弥补高剪切分散的不稳定性，使得纳米粒子在形成团聚体之前被进一步粉碎和细化，减小了纳米粒子间的纳米作用能，增强了它们间的排斥作用能，使得纳米SiO2以单个纳米粒子的形式分布在环氧树脂中。

2、超声波分散时间对纳米复合材料冲击强度的影响

为了确定最佳的超声波分散时间，以纳米SiO2质量分数为3％的体系作为研究对象，分别进行不同时间的超声波处理，研究超声波分散时间对纳米复合材料冲击强度的影响。随着超声波分散时间的延长，复合材料的冲击强度均有较大幅度的提高。当超声波分散时间为15min时材料的冲击强度为37.9kJ/m2，提高了86.7％。随着超声波作用时间的继续延长，材料的冲击强度呈现下降趋势。超声波振荡的主要作用机理是超声波空化作用。当超声波作用于液体时，液体中的微气泡在声场作用下振动、生长扩大、收缩和崩溃。微气泡崩溃时产生的局部高温、高压、强冲击波，和微射流等可较大幅度地弱化纳米粒子间的纳米作用能，有效地防止纳米粒子团聚而使之充分分散，所以提高了复合材料的力学性能。

随着超声波作用时间的延长，产生的热能和机械能增加，颗粒碰撞的几率增加，纳米粒子可能会进一步团聚形成团聚体，导致冲击强度下降。当超声波作用时间为60min时，材料的冲击强度突增至38.7kJ/m2，提高了90.6％。这可能是由于作用时间的过度延长加速了热传导和物质传递过程，使得团聚体重新分散成单个纳米粒子，提高了纳米SiO2在EP中的分散均匀性。由此可见选择合适的超声波分散时间，是降低纳米粒子团聚的有效而简单的方法。