液晶高分子分子复合材料.docx
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液晶高分子分子复合材料
液晶高分子分子复合材料
液晶高分子分子复合材料（Molecularcomposite）是一种新型的高分子复合材料，其概念是由日本的Takayanagi和美国的Helminiak等人差不多同时在20世纪80年代初提出来的。
它通常是指将纤维与树脂基体的宏观复合扩展到分子水平的微观复合，也就是用刚性高分子链或微纤作增强剂，并以接近分子水平的分散程度分散到柔性高分子基体中的复合材料。
制备方法
（1）共沉淀法
此方法是先将棒状聚合物与柔性链聚合物溶解在共同的溶剂中。
在低于液晶形成的临界浓度下沉淀。
在临界浓度以下，溶液为各向同性。
将各向同性溶液挤出到凝固浴中，尽可能避免结晶的生成最理想的情况是，混合溶液通过凝固剂排除溶剂之后，棒状分子以分子分散在柔性链分子中。
但实际上，用此法制备的分子复合材料，其棒状分子形成很细的微纤网络，其尺寸约为30nm左右。
（2）悬浮法
涂覆在玻璃板上的PPTA薄层溶液用丙酮浸渍后用超声波辐射，从丙酮的悬浮液中得到直径为几十纳米的微纤，然后用聚氯乙烯的四氢呋喃溶液置换丙酮，并采用溶液浇铸的方法制得PPTA微纤增强PVC的复合材料薄膜。
当复合薄膜的微纤形成缠结时，断裂表面的扫描电镜照片有许多大孔隙形成。
这说明微纤呈均匀分散状态。
原则上讲，此种方法不能制备理想结构的分子复合材料。
（3）原位聚合法
原位聚合是可使刚性分子链均匀分散的一种分子复合的新途径。
在挠曲性聚合物（或单体）中溶解刚直棒状聚合物分子单体，然后就地聚合，生成的刚棒聚合物分子均匀地分散在高分子基体中而形成原位分子复合材料。
这种方法称为原位聚合法。
也就是将可形成刚性高分子链的单体溶解于基材聚合物（或单体）中，在一定条件下就地聚合而对基体起到增强的作用，从而达到两种高分子的分子水平的接触。
（4）原位复合法
原位复合法是指用热致液晶高分子与热塑性聚合物熔融共混。
由于液晶高分子有易于取向的特点，共混物熔体在加工剪切应力下注射或挤出成型时，液晶微区取向成微纤结构，这种结构在制品冷却过程中能有效地被冻结起来。
液晶高分子能起到加工助剂和增强剂的双重作用，取向液晶相对熔体流动起润滑作用，使熔体粘度降低。
这对改进热塑性复合材料的加工很有益处。
（5）嵌段-共聚法
嵌段-共聚法是实现分子复合的一种有效途径。
由于嵌段与接枝液晶高分子其分子链上同时具有液晶段和非液晶段，从而可以在原位复合材料的两相界面上起到“桥梁”的作用，增进两相界面的相互粘结，阻止了聚合物共混在溶液中发生的相分离。
其溶液加工方法是先合成ABA嵌段成“毛状棒”悬挂嵌段共聚物，其中一段是刚棒状聚合物，另一段为热塑性聚合物。
然后用该共聚物进行溶液加工制备分子复合材料。
液晶高分子分子复合材料的优越性
①分子复合材料是短纤维增强复合材料向分子水平的延伸，因此要求增强剂应该是具有高的长径比的刚棒状分子。
分子单元应具有高强度、高模量，以达到最大的增强效果。
刚性棒状的液晶高分子则具有很大的长径比。
比如，分子量等于30000和41000的PBZT分子的长径比分别高达300和400。
理想的液晶高分子复合材料是以单个分子作为增强剂，长径比可达到最大值，因此可以实现最大的增强效果；
②热致液晶高分子的微纤增强是一个显微层次上的增强技术，在加工过程中形成纤维（所谓原位）。
与宏观纤维相比，它没有纤维与基体材料间的粘合困难，也不存基质相和增强剂相在热膨胀系数方面的差异，能充分发挥增强剂分子的内在优异力学性能，高温环境稳定性和高耐热性等。
此外，少量的液晶高分子的加入可以降低共混物的加工粘度，减少了对设备的磨损，从而提高了制备的经济性；
③由于增强剂的分散程度达到了分子级别，所以能够充分发挥材料的协同效应。
同时，较少用量的增强剂就可以实现大量宏观纤维的增强效果。
例如1983年道氏公司的黄文芳等人用刚性棒状高分子聚苯并噻唑增强柔性高分子聚苯并咪唑，成功地制得了高性能分子复合材料。
其抗拉强度达700MPa，模量达62GPa，能耐550℃高温，综合性能超过铝合金，而比重仅为铝合金的50%；
④由于液晶高分子分子复合材料通常是通过共聚或与极少量的硬段分子共混，其加工性能与基体的加工性能相当。
它们适应于各种成型方法，而不需要特别的加工设备。
传统的纤维复合材料存在着加工污染大、设备磨损严重、难于加工、流动性差等不足；
⑤可用作热塑性工程塑料，也可制成适合于不同用途的纤维和薄膜，可见液晶高分子分子复合材料有着广泛的应用前景。
有机太阳能电池
结构原理
1有机太阳能电池的原理
有机太阳能电池以具有光敏性质的有机物作为半导体的材料，以光伏效应而产生电压形成电流。
主要的光敏性质的有机材料均具有共轭结构并且有导电性，如酞菁化合物、卟啉、菁（cyanine）等。
2有机太阳能电池的几种结构
有机太阳能电池按照半导体的材料可以分为单质结结构、P-N异质结结构、染料敏化纳米晶结构。
3单质结结构
单质结结构是以Schotty势垒为基础原理而制作的有机太阳能电池。
其结构为玻璃/金属电极/染料/金属电极，利用了两个电极的功函不同，可以产生一个电场，电子从低功函的金属电极传递到高功函电极从而产生光电流。
由于电子—空穴均在同一种材料中传递，所以其光电转化率比较低。
4P—N异质结结构
P-N异质结结构是指这种结构具有给体-受体（N型半导体与P型半导体）的异质结结构，结构如图。
其中半导体的材料多为染料，如酞菁类化合物、苝四甲醛亚胺类化合物，利用半导体层间的D/A界面（Donor——给体，Acceptor——受体）以及电子—空穴分别在不同的材料中传递的特性，使分离效率提高。
EliasStathatos等人结合无机以及有机化合物的优点制得的太阳能电池光电转化率在5%~6%。
5NPC（nanocristalinephotovoltaiccell）染料敏化纳米晶
染料敏化太阳能电池（DSSC）主要是指以染料敏化的多空纳米结构TiO2薄膜为光阳极的一类太阳能电池。
它是仿生植物叶绿素光合作用原理的太阳能电池。
而NPC太阳能电池可选用适当的氧化还原电解质从而使光电效率提高，一般可稳定于10%，并且纳米晶TiO2制备简便，成本低廉，寿命可观，具有不错的市场前景。
石墨烯-简介
石墨烯
石墨烯（Graphene）的命名来自英文的graphite（石墨）+-ene（烯类结尾）。
它一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在。
2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯是世上最薄也是最坚硬的纳米材料，它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300W/（m·K），高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过15000cm2/（V·s），又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6Ω·cm，比铜或银更低，为世上电阻率最小的材料。
因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管。
由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板，甚至是太阳能电池。
石墨烯-制备方法
撕胶带法/轻微摩擦法
石墨烯的能带结构
最普通的是微机械分离法，直接将石墨烯薄片从较大的晶体上剪裁下来。
2004年，海姆等用这种方法制备出了单层石墨烯，并可以在外界环境下稳定存在。
典型制备方法是用另外一种材料膨化或者引入缺陷的热解石墨进行摩擦，体相石墨的表面会产生絮片状的晶体，在这些絮片状的晶体中含有单层的石墨烯。
但缺点是此法利用摩擦石墨表面获得的薄片来筛选出单层的石墨烯薄片，其尺寸不易控制，无法可靠地制造长度足供应用的石墨薄片样本。
取向附生法
取向附生法是利用生长基质原子结构“种”出石墨烯，首先让碳原子在1150℃下渗入钌，然后冷却，冷却到850℃后，之前吸收的大量碳原子就会浮到钌表面，镜片形状的单层的碳原子布满了整个基质表面，最终它们可长成完整的一层石墨烯。
第一层覆盖80％后，第二层开始生长。
底层的石墨烯会与钌产生强烈的相互作用，而第二层后就几乎与钌完全分离，只剩下弱电耦合，得到的单层石墨烯薄片表现令人满意。
但采用这种方法生产的石墨烯薄片往往厚度不均匀，且石墨烯和基质之间的黏合会影响碳层的特性。
碳化硅表面外延生长法
该法是通过加热单晶碳化硅脱除硅，在单晶（0001）面上分解出石墨烯片层。
具体过程是：
将经氧气或氢气刻蚀处理得到的样品在高真空下通过电子轰击加热，除去氧化物。
用俄歇电子能谱确定表面的氧化物完全被移除后，将样品加热使之温度升高至1250~1450℃后恒温1~20min，从而形成极薄的石墨层。
在C-terminated表面比较容易得到高达100层的多层石墨烯。
其厚度由加热温度决定，制备大面积具有单一厚度的石墨烯比较困难。
氧化减薄石墨片法
石墨烯也可以通过加热氧化的办法一层一层地减薄石墨片，从而得到单、双层石墨烯。
肼还原法
将氧化石墨烯纸置入纯肼溶液（一种氢原子与氮原子的化合物），这溶液会使氧化石墨烯纸还原为单层石墨烯。
切割碳纳米管法
切割碳纳米管也是制造石墨烯带的正在试验中的方法。
其中一种方法用过锰酸钾和硫酸切开在溶液中的多层壁碳纳米管。
另外一种方法使用等离子体刻蚀一部分嵌入于聚合物的纳米管
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