本发明涉及纳米材料，具体为一种复合核壳结构纳米粉体及其制备方法。
背景技术：
1、纳米粉体技术在现代科技领域的应用已经取得了显著的成果，其应用范围涵盖了电子器件、防腐涂料、高温工业处理、高性能复合材料、生物医疗设备以及高要求的环境适应性领域。然而，随着科技的不断进步，纳米粉体技术也面临着一系列挑战，这些挑战在一定程度上限制了其应用领域的拓展和性能的进一步提升。
2、首先，纳米粉体的导电性能受其表面涂层均匀性的影响，涂层的不均匀性导致电子传输的不连续性，从而影响了整个材料的导电效率。解决这个问题需要研究和发展更均匀、更稳定的纳米粉体表面涂层技术。
3、其次，传统纳米粉体在海洋和酸性环境中的耐腐蚀性较差，这在很大程度上限制了其在苛刻环境中的应用。为了克服这一挑战，研究人员需要致力于提高纳米粉体的耐腐蚀性能，以实现在各种环境中的应用。
4、在热稳定性方面，现有纳米粉体在高温环境下易出现性能衰退，这无疑对其在高温加工领域的应用造成了限制。为了改善这一状况，研究人员需要开发具有较高热稳定性的纳米粉体材料。
5、在机械强度方面，现有纳米粉体的核壳结构界面强度不足，无法满足高强度材料的应用需求。为了解决这一问题，研究人员需要研究和发展具有更强界面强度的纳米粉体材料。
6、在生物医疗领域，现有纳米粉体缺乏生物相容性和抗菌性，这增加了医疗器械使用的风险。为了满足生物医疗领域的需求，研究人员需要研发具有良好生物相容性和抗菌性能的纳米粉体。
7、最后，现有技术的纳米粉体在环境温度剧烈变化的情况下，其性能表现不佳。在航空航天和汽车制造等领域，这一问题显得尤为突出。为了适应这一需求，研究人员需要开发能够适应环境温度变化的纳米粉体材料。
8、总之，纳米粉体技术在多个领域具有广泛的应用前景，但现有技术仍面临着诸多挑战。为了克服这些挑战，本发明提出一种复合核壳结构纳米粉体及其制备方法。
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种复合核壳结构纳米粉体及其制备方法，解决了的问题。
2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种复合核壳结构纳米粉体及其制备方法，包括以下重量百分比的组成：二氧化钛：20％-35％、氧化锌：3％-5％、聚苯乙烯：20％-30％、聚甲基丙烯酸甲酯：8％-15％、聚苯胺5％-8％、氧化铝纳米颗粒：4％-7％、氮化硼纳米片：3％-5％、光学活性剂：1％-3％、助剂：2％-5％、抗菌剂：1％-3％、耐热增强剂：2％-5％、抗紫外剂：1％-3％、抗氧化剂：1％-4％、自润滑剂：2％-6％。
3、优选的，所述光学活性剂为荧光染料掺杂的硅胶纳米粒子，可在特定波长下发出明亮的荧光，用于生物标记或安全印刷。
4、这些光学活性剂具有如下优点：
5、明亮的荧光：荧光染料能在特定波长的光照射下发出荧光，这种性质使得它们在生物标记和安全印刷中非常有用，因为可以通过荧光来追踪和识别样品或产品。
6、稳定的载体：硅胶纳米粒子作为载体，提供了一个稳定和惰性的环境，可以保护荧光染料不受外部环境因素影响，如ph变化、酶的降解或其他化学物质的干扰。
7、多功能性：除了发光特性，硅胶纳米粒子还可以被功能化以附加其他特性，比如靶向特定的生物分子或提供特定的化学功能。
8、生物相容性：硅胶纳米粒子具有良好的生物相容性，使得它们适用于生物医学领域的应用，如药物递送和生物成像。
9、安全性：在安全印刷领域，这种荧光染料掺杂的硅胶纳米粒子可以作为防伪标记，因为它们难以复制且可以设计为仅在特定类型的检测设备下才显示荧光。
10、优选的，所述助剂为硅烷偶联剂，用于促进无机纳米粉体与有机高分子之间的界面相容性。
11、在无机纳米粉体与有机高分子复合材料的制备中，优选硅烷偶联剂的原因和优势包括：
12、增强相容性：硅烷偶联剂能够提高无机纳米粉体与有机高分子材料之间的界面相容性，从而使复合材料的分散性更好，防止相分离。
13、提升机械性能：通过改善两种材料之间的结合，硅烷偶联剂可以增强复合材料的机械强度、韧性和耐磨性。
14、改善热稳定性：硅烷偶联剂的使用可以提高复合材料的热稳定性，使其更适合在高温环境下使用。
15、耐化学品性提高：增强了界面结合的复合材料表现出更好的耐化学品性和耐溶剂性。
16、优选的，所述二氧化钛和氧化锌均为金属氧化物纳米颗粒为纳米粉体的核心材料，所述二氧化钛和氧化锌通过高能球磨技术制备而成。
17、高能球磨技术是一种利用球磨机中的球体和材料粉末之间的冲击、剪切和摩擦力来实现粉末微粒化和纳米化的物理方法。在这个过程中，二氧化钛和氧化锌的粉末被放入球磨机中，通过球磨介质(如钢球、陶瓷球等)的高速运动和碰撞，粉末被进一步细化到纳米尺寸。
18、球磨过程中，粉末颗粒受到连续的机械力作用，导致其尺寸减小和晶格畸变。这种畸变可以引发更多表面活性位点的产生，从而改变纳米颗粒的物理和化学性质。高能球磨还可以促进不同材料的混合和相互作用，如果同时球磨二氧化钛和氧化锌，可以得到混合的纳米复合材料。
19、优选的，所述聚苯乙烯为纳米粉体的壳层材料一，所述聚甲基丙烯酸甲酯为纳米粉体的壳层材料二，所述聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯通过共混技术制备，以形成多相互穿网络结构。
20、这种结构不仅增强了材料的机械和热稳定性，还优化了其光学和化学性质，同时改善了加工性能。此外，通过调整两种聚合物的比例和共混条件，能够实现对材料性能的精细调控，这使得纳米粉体在高性能应用领域中具有更广泛的适用性和更长的使用寿命。
21、优选的，所述聚苯胺作为导电层材料通过原位聚合法在壳层材料上形成导电网络，用以增强了复合材料的导电性；所述耐热增强剂为纳米碳酸钙，用于提高材料的耐热性。
22、选择聚苯胺作为导电层材料并通过原位聚合法在聚苯乙烯(ps)和聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)形成的壳层上形成导电网络，是为了赋予复合材料良好的导电性。聚苯胺被广泛认为是一种有效的导电高分子，它可以在不显著增加材料重量和牺牲其他性能的情况下提供良好的导电性。原位聚合法能够确保导电聚苯胺均匀分布在壳层材料中，形成连续的导电路径，从而有效提升复合材料的整体导电性。
23、同时，纳米碳酸钙作为一种耐热增强剂的应用，能够提高材料的耐热性。纳米碳酸钙在提高耐热性的同时，还能改善材料的加工性能和力学性能，因为它能作为一种填充剂分散在高分子基体中，增加材料的刚度和稳定性。这种耐热增强剂的加入对于在高温环境下需要保持稳定性和功能性的应用场合尤为重要。
24、通过这种优化设计，不仅增强了复合材料的导电性和耐热性，而且还能通过调整各组分的比例和相互作用，进一步定制材料的综合性能，以满足特定应用领域的需求。
25、优选的，所述抗菌剂为纳米银颗粒，具有广谱抗菌性能，用于提高材料的抗菌效果；所述抗氧化剂为纳米硒颗粒，用于捕捉自由基，提高材料的抗氧化稳定性。
26、将这两种纳米颗粒整合到复合材料中，不仅提高了材料的抗菌和抗氧化性能，还在不影响基体材料原有性能的前提下，为材料赋予了额外的功能。这种多功能复合材料的开发对于满足特定行业对材料性能要求不断提高的趋势具有重要意义，尤其是在医疗卫生、食品安全、环境保护和高性能工业应用等领域。通过这样的设计，可以在保证材料性能的同时，为用户提供更安全、更健康的使用体验。
27、优选的，所述抗紫外剂为纳米级的二氧化钛，用于吸收紫外线；所述自润滑剂为二硫化钼纳米片，用于提供材料的自润滑性能。
28、把这两种纳米材料整合到复合材料之中，可以使得材料在保持原有性能的同时，获得额外的防紫外和自润滑功能。这样的复合材料可以在户外应用中提供长期的耐候性，同时在减少维护需求和提高能效方面展现出优势，如在高性能工程塑料、汽车零部件、建筑材料等领域具有潜在的应用价值。
29、优选的，一种复合核壳结构纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
30、s1：制备核心-壳结构
31、s11：核心制备：
32、采用高能球磨技术混合二氧化钛和氧化锌粉体；
33、球磨时间、速度和介质按实验要求设定，确保获得均匀的纳米粒子；
34、s12：壳层制备：
35、将聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯按比例混合。
36、使用溶液共混法，通过搅拌确保两种聚合物完全混合；
37、s13：核心－壳结合：
38、将制备好的核心纳米粒子加入到聚合物混合物中；
39、继续搅拌以形成核心－壳结构；
40、s14：导电层形成：
41、在核心－壳结构上通过原位聚合方法形成聚苯胺导电层；控制聚合时间和温度以优化导电层的厚度和均匀性；
42、s2：添加功能性材料及后处理
43、s21：添加功能性材料：
44、向核心－壳结构中加入氧化铝纳米颗粒、氮化硼纳米片；加入硅烷偶联剂以促进不同组分间的相容性；
45、s22：混合与固化：
46、在适当的溶剂/分散剂中均匀分散上述混合物；
47、将混合物倒入模具或托盘中，进行固化处理；
48、s23：热处理：
49、对固化后的材料进行热处理，以提高耐热性和结构稳定性；热处理的温度和时间根据实验要求设定；
50、s24：物理后处理：
51、研磨固化后的材料以获得所需的粒度；
52、通过筛分分离出合格的纳米粉体；
53、s25：品质检验：
54、对纳米粉体进行粒度、形态、化学组成和性能的测试；确认所得粉体的导电性、耐热性和抗菌性等指标符合要求；s26：包装与存储：
55、对检验合格的纳米粉体进行包装；
56、存放于阴凉干燥处，避免直接光照和高温影响。
57、优选的，所述s11步骤中：
58、所述高能球磨技术采用的球磨介质为直径1—5毫米的球形氧化锆球，氧化锆球具有高硬度和高密度的特性，适合用于精细磨料，可以有效地将粉体研磨至纳米级别。
59、球磨速度为200-400转/分钟，这个速度范围可以提供足够的冲击力和剪切力，以实现高效的粒子破碎和均匀混合。
60、球磨时间为1—5小时，以确保获得的二氧化钛和氧化锌纳米粒子的平均粒径小于100纳米；球磨时间的控制确保了粉体能够充分磨细，同时避免了过度磨损和不必要的能量消耗。
61、通过上述条件的控制，最终获得的二氧化钛和氧化锆纳米粒子的平均粒径小于100纳米，这有助于提升粉体的均一性和后续功能层的附着性。
62、所述s23步骤中：
63、所述热处理采用管式炉进行，可以提供均匀的加热和温度控制。
64、在氩气保护气氛中进行，使用惰性气体可以防止高温下的氧化或其他不必要的化学反应，确保纳米粒子的纯度和稳定性。
65、热处理的温度范围为200-800℃，不同材料和所需的性能需要不同的热处理温度，这个范围提供了足够的灵活性来优化特定的性能。
66、时间为1—4小时，根据材料的特性和所需性能，热处理时间可以进一步优化以实现最佳的材料性能。
67、本发明提供了一种复合核壳结构纳米粉体及其制备方法。具备以下有益效果：
68、1、本发明通过优化的化学共沉积方法，实现了导电壳层在纳米粒子表面的均匀分布。这种均匀的壳层不仅包裹了整个纳米粒子，还形成了连续的导电网络，大幅度提高了纳米粉体的导电率。这种改进的导电性能，使得本发明的纳米粉体在电子器件中的应用变得更加高效，特别是在需要高导电性的电池电极材料或导电涂层中。
69、2、本发明的核壳结构设计，使得核心部分完全被抗腐蚀的壳层包裹，有效隔绝了湿气、盐分等腐蚀性物质的侵袭。这种结构设计显著提高了纳米粉体在海洋环境、酸雨影响区以及其他高腐蚀环境中的稳定性和耐久性。在实际应用中，这种改进可以减少材料的维护频率，降低长期运营成本。
70、3、本发明通过选择具有高热稳定性的材料作为壳层，并优化核心材料的组成，显著提高了纳米粉体的玻璃化转变温度和热分解温度。这意味着本发明的纳米粉体可以在更高的温度下保持结构和性能的稳定，适用于高温加工工艺，如热塑性塑料成型、金属熔融等。
71、4、本发明中的核壳结构经过界面优化处理，增强了核与壳之间的黏合强度。这种增加的黏合强度使得纳米粉体能够承受更大的机械应力而不发生断裂，提高了其在高强度材料应用中的可靠性，如增强复合材料、高性能塑料等。
72、5、本发明通过在核壳结构中引入具有生物相容性和抗菌性的组分，如银或铜等抗菌金属，提高了纳米粉体的生物相容性和抗菌性。这种改进使得本发明的纳米粉体可以安全地用于医疗器械表面，促进器械表面的无菌环境，减少感染风险，特别是在植入式医疗设备和外科手术器械中。
73、6、本发明的纳米粉体具有优异的热膨胀和冷缩性能，即使在温度剧烈变化的环境中也能保持性能稳定。此外，改进的疲劳寿命意味着材料可以承受更多的循环载荷而不发生性能退化。这些特性使得本发明的纳米粉体适用于航空航天、汽车制造等对环境适应性有严格要求的行业。
1.一种复合核壳结构纳米粉体，其特征在于，包括以下重量百分比的组成：二氧化钛：20％-35％、氧化锌：3％-5％、聚苯乙烯：20％-30％、聚甲基丙烯酸甲酯：8％-15％、聚苯胺5％-8％、氧化铝纳米颗粒：4％-7％、氮化硼纳米片：3％-5％、光学活性剂：1％-3％、助剂：2％-5％、抗菌剂：1％-3％、耐热增强剂：2％-5％、抗紫外剂：1％-3％、抗氧化剂：1％-4％、自润滑剂：2％-6％。
2.根据权利要求1所述的一种复合核壳结构纳米粉体，其特征在于，所述光学活性剂为荧光染料掺杂的硅胶纳米粒子，可在特定波长下发出明亮的荧光，用于生物标记或安全印刷。
3.根据权利要求1所述的一种复合核壳结构纳米粉体及其制备方法，其特征在于，所述助剂为硅烷偶联剂，用于促进无机纳米粉体与有机高分子之间的界面相容性。
4.根据权利要求1所述的一种复合核壳结构纳米粉体，其特征在于，所述二氧化钛和氧化锌均为金属氧化物纳米颗粒为纳米粉体的核心材料，所述二氧化钛和氧化锌通过高能球磨技术制备而成。
5.根据权利要求1所述的一种复合核壳结构纳米粉体，其特征在于，所述聚苯乙烯为纳米粉体的壳层材料一，所述聚甲基丙烯酸甲酯为纳米粉体的壳层材料二，所述聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯通过共混技术制备，以形成多相互穿网络结构。
6.根据权利要求1所述的一种复合核壳结构纳米粉体，其特征在于，所述聚苯胺作为导电层材料通过原位聚合法在壳层材料上形成导电网络，用以增强了复合材料的导电性；所述耐热增强剂为纳米碳酸钙，用于提高材料的耐热性。
7.根据权利要求1所述的一种复合核壳结构纳米粉体，其特征在于，所述抗菌剂为纳米银颗粒，具有广谱抗菌性能，用于提高材料的抗菌效果；所述抗氧化剂为纳米硒颗粒，用于捕捉自由基，提高材料的抗氧化稳定性。
8.根据权利要求1所述的一种复合核壳结构纳米粉体，其特征在于，所述抗紫外剂为纳米级的二氧化钛，用于吸收紫外线；所述自润滑剂为二硫化钼纳米片，用于提供材料的自润滑性能。
9.根据权利要求1-8任一项所述的一种复合核壳结构纳米粉体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的一种复合核壳结构纳米粉体的制备方法，其特征在于，所述s11步骤中，所述高能球磨技术采用的球磨介质为直径1—5毫米的球形氧化锆球，球磨速度为200-400转/分钟，球磨时间为1—5小时，以确保获得的二氧化钛和氧化锌纳米粒子的平均粒径小于100纳米；所述s23步骤中，所述热处理采用管式炉进行，在氩气保护气氛中进行，热处理的温度范围为200-800℃，时间为1—4小时。
