生物医学中含银微纳米复合材料的应用研究进展

进入21世纪以来,随着科学技术的进步,微纳米复合材料也得到了飞速发展。该材料通常由两种或两种以上纳米材料遵循特定结构组合而成,不仅拥有单一纳米材料极其特殊的表面特性、体积效应、量子尺寸效应,而且拥有多种纳米材料的协同效应,因此在很多行业中的应用频率非常高。含银微纳米材料是微纳米复合材料中不可或缺的材料之一,拥有非常出色的抗菌作用,在生物医学行业中的使用频率非常高。本文主要针对含银纳米复合材料的制备方法以及其在生物医学中的应用进行了综述。

含银微纳米复合材料在生物医学应用的研究进展

近些年来,微纳米复合材料发展十分迅速。微纳米复合材料通常由两种或以上的不同材料组成在一个单元结构里,藉此具有多功能的、功能增强或协同增强的特性。含银微纳米复合材料是其中重要的研究分支,在当前生物医学应用中取得了众多的功能集成或功能增强等研究成果。主要综述了银/聚合物和银/氧化铁两类微纳复合材料,首先总结了银/聚合物和银/氧化铁微纳复合材料的制备方法,包括乳液聚合法、原位生成/还原法、空穴法、离子交换法、一锅法、种子法、静电作用法以及胶束法等;其次,总结了银/聚合物和银/氧化铁复合材料在表面增强拉曼散射、光学成像、抗菌抗癌、免疫检测、电化学检测、催化降解等生物医学领域的应用,以及对未来发展趋势的展望。

核-壳结构Cu/Al微纳米复合材料与WO_3的热反应性能

采用置换法通过对溶液浓度的控制实现了纳米Cu颗粒在微米Al粉表面定量、快速地化学沉积,制备出核一壳结构的Cu/Al微纳米复合粒子,并用SEM、EDS和XRD技术进行表征.在此基础上,利用DSC分析了Cu/ Al-WO_3的热反应性能,对比了Al-WO_3与Cu/Al-WO_3在不同化学配比下的热反应历程,同时分别提出了其相应的反应机理.实验结果表明,Cu/Al微纳米复合材料与WO_3的热反应活性明显高于传统微米级Al粉,并且在还原剂Cu/Al轻微过量时该热反应达到最佳效果.通过对Al粉表面改性,热反应的活化能降低了68.185 kJ·mol^(-1).

EP/SiO_2/MMT微纳米复合材料耐电树枝性能

为了研究聚合物/无机微纳米复合物的耐电树枝性能,采用熔融共混法制备了环氧树脂/二氧化硅/蒙脱土(EP/SiO_2/MMT)微纳米复合材料,利用针–板电极系统同时配合数字摄像系统对纯EP及其复合材料试样进行电树枝引发并记录树枝的生长过程以及形貌特征,对比研究了4种试样的起树率、电树枝发展过程、电树枝长度、扩展系数和形态特征。实验结果表明:与纯环氧树脂相比,微米复合材料和微纳米复合材料起树率较低,而纳米复合材料和微纳米复合材料电树枝长度较短,在所研究的4种试样中,微纳米复合材料具有最大的扩展系数。利用景深合成技术,获得了环氧树脂及其复合材料中电树枝的叠层立体图像和电树枝通道细节,据此建立了EP/SiO_2/MMT微纳米复合材料电树枝发展的模型。

聚合物基微纳米复合材料的制备及微型注塑加工研究

微型高分子功能器件具有独特优点,发展迅速,应用广泛,是当今科学技术的重要前沿,迫切需要发展高性能多功能聚合物基微纳米复合材料,实现其微型注塑加工。介绍了近年来作者课题组在聚合物基微纳米复合材料制备及其微型注塑加工方面的研究进展:通过有机/无机杂化、固相剪切碾磨、纳米复合、分子复合及熔融共混技术等制备适合于微成型加工的高性能多功能聚合物基微纳米复合材料,如尼龙11/钛酸钡压电复合材料、聚乙烯醇/羟基磷灰石生物医用纳米复合材料、聚氨酯/碳纳米管导电复合材料等。解决了微纳米填料难分散、复合体系难加工的难题,实现了聚合物基微纳米功能复合材料的微型注塑加工,研究了其流变行为和充填行为,调控和优化了微型制品的结构与性能,为制备高性能多功能的聚合物微型器件提供了新材料、新技术和新理论。

感应熔覆微-纳米复合材料涂层组织及摩擦磨损特性研究

以Ni60A、微米级和纳米级WC粉末为原料,利用感应熔覆技术在45钢表面制备了微纳米WC复合材料耐磨涂层。利用扫描电子显微镜、能谱仪及X射线衍射仪观察分析了复合材料涂层的显微组织结构;同时考察了复合材料涂层在室温滑动干摩擦条件下的耐磨性能。结果表明,复合涂层由WC、Cr23C6、Co6W6C、γNi固溶体等物相组成;其组织均匀,与基体之间为完全冶金结合;复合材料涂层表现出优异的耐磨性及良好的承载能力,其磨损速率随载荷增大变化不大。

仿生蜘蛛丝微纳米复合材料的集水性能

水是自然界大多数生物生存的必要条件,而动植物界存在着诸多奇妙的浸润现象。仿生微纳米复合材料浸润性相关研究是近年来国内外发展迅速的前沿热点,涉及跨领域、交叉领域。本文对仿生工程领域拥有集水性能的类蜘蛛丝微纳米复合材料的研究进展进行了评述,简要分析了材料的微纳米复合结构及其控制浸润性/液滴行为的机制,总结了类蜘蛛丝微纳米复合材料及集成蜘蛛网的制备技术发展(包括提拉法、静电纺丝法、微流体技术、三维编织技术、3D打印技术等),展示了不同微纳米复合材料及相应集水性能。本文重点分析并对比了仿生蜘蛛丝微纳米复合材料的仿生结构设计、材料制备技术、集水性能等,并展望了拥有集水性能的微纳米复合材料在微流体芯片、天气预报、海水淡化、药物缓释、微反应器、能量储运与转换等多领域的进一步新兴、多功能化应用。

高分子微纳米功能复合材料和功能器件的先进制造

现代能源、电子通讯、生物医用等高技术领域迫切需要具有光、电、磁、生物医用等多功能、复杂、微型、轻量化高分子功能器件,需要解决两大难题:一是高性能高分子微纳米功能复合材料及规模化制备,二是复杂、微型、轻量化功能器件的先进制造技术。文中介绍了近年来作者团队在高分子微纳米功能复合材料和功能器件先进制造方面的研究进展:通过有机无机/杂化、固相剪切碾磨层间剥离、聚合物粉体球形化、分子复合热塑加工等技术,规模化制备了兼具目标功能、加工性和力学性能的新型高分子微纳米功能复合材料,通过3D打印、微型加工、可控发泡等先进制造技术,制备了系列复杂、微型、轻量化高分子功能器件。

聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的实践探析

目前我国3D打印技术自身具有独特性,所以在各行各业得到了广泛的技术发展,是目前我国先进科学技术中重要组成部分。但是实际操作过程中,3D打印技术受到了材料的约束,需要我国技术人员针对聚合物基微纳米功能复合材料进行全面探索。首先针对3D打印加工技术限制因素进行综合阐述,并且结合压电纳米技术以及生物医用纳米技术总结出纳米功能复合材料加工技术应用。

微纳米复合导热材料的制备及导热性能

采用超声处理方法将膨胀石墨剥离成微纳米石墨片,并以制备的微纳米石墨片为导热填料采用溶液共混法对聚偏氟乙烯(PVDF)进行改性,制备出微纳复合导热材料。通过扫描电子显微镜对其微观结构进行了表征,结果表明通过超声处理可以使膨胀石墨发生部分剥离得到微纳米石墨片。导热性能测试结果表明,复合材料的导热性能随着超声处理时间的增加而增加;当超声处理时间为150min时,复合导热材料的导热系数是膨胀石墨填充PVDF的1.8倍。

核壳结构Ni(Cu,Co)/Al微纳米复合粒子的制备及其与Fe_2O_3的热反应性能表征

采用置换法通过对溶液中各种参数的控制,实现了在弱酸性条件下Ni(Cu,Co)3种纳米金属粒子在微米Al粉表面定量、快速地化学沉积,分别制备出核壳结构的Ni(Cu,Co)/Al3种微纳米复合粒子,并用SEM和XRD方法进行了相应表征。在此基础上,利用DSC分析研究了不同包覆物和升温速率对热反应性能的影响,用Kissinger法求解了热反应的表观活化能Ea,对比了传统微米级Al-Fe2O3混合物与Ni(Cu,Co)/Al-Fe2O3复合材料的热反应性能,同时分别提出了其相应的热反应机制。结果表明,通过对Al粉进行表面改性,其热反应性能明显增强,不同试样与Fe2O3的热反应活性依次为Ni/Al>Cu/Al>Co/Al>Al。同时,降低升温速率不利于热反应的进行。

Si_3N_4基微纳米复合陶瓷刀具的高速切削性能与磨损机理

在亚微米Si3N4、TiC颗粒中添加纳米Si3N4、SiC颗粒,采用真空热压烧结工艺制备出STS微纳米复合陶瓷刀具,并对比STS刀具及FD-01刀具在PUMA200MA车削中心干切削淬硬40CrNiMo工件的切削性能。利用扫描电子显微镜(SEM)分析刀具前、后刀面的磨损形态,研究STS陶瓷刀具的磨损机理。结果表明:STS微纳米复合刀具材料具有较高的力学性能,抗弯强度达1000MPa,维氏硬度达19.5GPa。高速干切削40CrNiMo工件时,随着切削速度的增大,刀具后刀面磨损随之增大。切削速度越高,STS刀具优势越明显。两种刀具的磨损形态均主要为月牙洼磨损和后刀面磨损,磨损机制主要为磨粒磨损和粘结磨损。

聚苯胺/聚苯乙烯复合材料的电磁波吸收特性

研究了导电聚合物聚苯胺(PAni)/聚苯乙烯(PS)微/纳米复合材料的电磁波吸收特性．随掺杂态PAni在复合材料中的含量增加,复合材料电导率和PAni/PS复合板的吸波能力随之提高．PAni的微观形貌对吸波性能有影响,纤维形貌PAni要比颗粒形貌PAni具有更好的吸波特性．经过优化后,厚度为1．80 mm的掺杂态PAni/PS微/纳米复合材料雷达波反射率小于-10 dB的频宽达6 GHz(11．6—17．6 GHz)．

高附加值生物质复合材料研究现状

以生物质原料特性为出发点,简要介绍了微纳米纤维素复合材料和木塑复合材料的独特优势,针对当前研究的热点问题,总结了已有的研究成果,并对二者未来的发展方向和应用领域做出了展望。

聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工技术的应用实践研究

随着材料性能要求的提高,轻量化、强度高以及多功能化成为研究的重点。利用3D打印技术,设计师能将多种功能结构直接集成于复杂的几何形状中,打破了传统制造方法的束缚,开辟了设计创新的新纪元。因此,研究和探索聚合物基微纳米功能复合材料的3D打印加工方法对于推动材料科学的创新和制造业的转型至关重要。文章概述了聚合物基微纳米功能复合材料和3D打印技术的内涵,分析了聚合物基微纳米功能复合材料的3D打印加工要点,并探讨了在各个领域内的应用,以促进材料的性能提升和应用拓展。

基于微纳米结构疏油剂提高页岩气井井壁稳定性

采用Pickering乳液聚合法在聚苯乙烯表面镶嵌改性的纳米二氧化硅颗粒,研发出具备微纳米粗糙度的疏油剂OL-1,分析其对岩石表面性能的影响和抑制油相渗吸性能,评价新型疏油剂提高页岩气井井壁稳定性的效果及其机理。实验结果表明:疏油剂OL-1在岩石表面吸附成膜,构建微纳米双级粗糙度,将岩石表面能降至0.13 mN/m,进而使白油在岩石表面接触角由16.39°升至153.03°;添加疏油剂前后,毛细管浸入3号白油中,毛管压力由273.76 Pa反转为−297.71 Pa,油相在毛细管中渗吸高度由31 mm降至低于外部液面33 mm,页岩岩心油相浸入量减少64.29%;岩心浸入含1%疏油剂的油基钻井液中,孔隙度降幅仅为4.5%,与不含疏油剂的油基钻井液相比,岩心内聚力提高24.9%,说明疏油剂通过抑制油相渗吸可显著提高岩石的力学稳定性。

聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工的研究

高分子材料3D打印加工可制备传统加工不能制备的形状复杂的高分子制件,是近年来发展很快的先进制造技术。但适用于3D打印加工的高分子材料种类少,结构功能单一,难以制备高分子功能器件。本文介绍了我们在聚合物基微纳米功能复合材料3D打印加工方面的研究工作:通过有机/无机杂化、固相剪切碾磨、超声辐照、分子复合等技术制备适合于选择性激光烧结(SLS)和熔融沉积成型(FDM)的聚合物基微纳米功能复合材料;实现了聚合物基微纳米功能复合粉体的SLS加工和功能复合丝条的FDM加工;研究了3D打印低维构建、层层叠加、自由界面成型、复杂固-液-固转变过程;建立了功能复合粉体球形化技术,发明了直接熔融挤出新型FDM打印机;制备了常规加工方法不能制备的数种形状复杂的功能器件,如尼龙11/钛酸钡压电器件、柔性聚氨酯/碳纳米管传感器、个性化人颌骨模型等,突破了传统加工难以制备复杂形状制品和目前3D打印难以制备功能制品的局限。

微电解技术处理难降解工业废水的研究进展

介绍了铁碳微电解技术处理工业废水的作用机理。综述了铁碳微电解技术的研究进展。针对该技术在处理不同工业废水时普遍存在的堵塞、短路、死角、铁屑结块等问题,介绍了研发的新型纳米铁碳微电解复合材料及新工艺,并对铁碳微电解技术今后的研究方向进行了展望。

通过氮化硅基质中SiO2的现场碳热还原反应制备Si3N4-SiC微／纳米复合材料

利用α-Si3N4、无定形碳(炭黑)和Y2O3组成的混合物，通过对Si3N4基质微粒表面上的SiO2进行碳热还原反应，或在原料基质中加入该混合物，制备了SiC／Si3N4微／纳米复合材料。进行特殊的热处理后，CO气体(碳热还原反应产物)从材料中排出，材料残余孔隙度降至2％以下。在SiC和Si3N4界面上，存在包含无定形富氧层的粒间和粒内SiC内含物，它是由单体碳和熔融二氧化硅反应而生成的。反应要消耗晶界相中的二氧化硅。晶界化学性质的改变对本纳米级复合材料的室温性能和高温性能都有影响。

碳纤维和SiO2纳米颗粒增强环氧树脂复合材料的压缩性能

纤维增强聚合物复合材料的压缩性能与聚合物基体力学性质密切相关。本文利用连续碳纤维(CF)和含有均匀分散的SiO2纳米颗粒改性的环氧树脂基体,制备了CF-nano SiO2/Epoxy微纳米多相复合材料单向层合板,并对其轴向压缩性能进行了系统的研究。试验表明,将纳米颗粒引入基体能够有效提高纤维增强聚合物基复合材料的压缩强度,占nano SiO2/Epoxy体积为8.7%的纳米颗粒可将复合材料的压缩强度提升约62.7%。基于单向层合板的弹塑性微屈曲模型对纳米颗粒的增强效应进行了理论分析。根据含纳米颗粒的环氧树脂在压缩过程中的损伤行为,提出了一套基于加卸载试验建立纳米复合材料基体压缩本构关系的方法。将模型获得的基体本构关系与经典复合材料弹塑性微屈曲模型耦合,能够较为准确地预测本研究制备的微纳米多相复合材料的压缩强度。经试验检验,预测结果与实测数值达到很好的一致性。