复合材料是将两种或两种以上性质不同的材料，通过某种工艺方法组合而成，它的各个组份性能起协同作用，得到单一材料所不具有的、优越的综合性能，成为一类新型的高性能材料。复合材料优异的综合性能是否能充分地发挥出来主要取决于分散相尺度和相界面相容性这两个耦合因素。整个复合材料发展的历史都是围绕着对这两个因素的深入理解，提出新概念、发展新方法、阐明新结构、建立新模型、发现新规律，从而在更加精细的层次上设计、控制和调节分散相结构及界面相结构来最大限度地优化复合材料的性能。聚合物/无机复合材料把无机材料的强度、模量、尺寸稳定性以及光电性能与高分子材料的韧性、可加工性和介电性质巧妙地结合起来。它的发展经历了三个主要阶段：1、熔融共混；2、聚合复合；3、纳米复合［1－2］。前两个方法的特征在于以填料表面的化学修饰来改善界面相容性，从而间接地、有限度地调整分散相在基体中分散的均匀程度；而第三种方法则致力于在纳米尺度上统一解决分散相尺寸和界面相容性问题，其特征在于：利用在相界面形成化学键连接来控制纳米分散相原位生成。由于无机填料表面能比有机高分子材料表面能高很多，所以在熔融共混过程中，无机填料倾向于聚集成较大的颗粒，为此采用了各种表面处理技术（如使用偶联剂，分散剂等）来降低其较高的表面能以改善与聚合物的相容性，从而减少无机填料颗粒的聚集［3－4］。为了更有效地防止无机填料颗粒的聚集，人们考虑把有机高分子链直接连在填料表面上，发展出聚合复合方法。该方法可通过两种方式来实现：（1）、将引发剂接在填料表面或将填料表面作为催化剂载体，让高分子从填料表面上生长出来。大多数自由基聚合和配位聚合可由此途经得到复合材料［5－6］；（2）、将单体接在填料表面上并与其它自由单体进行共聚［7－11］，适用于自由基聚合和某些缩聚反应制备复合材料。熔融共混和聚合复合在不断改善界面相容性以提高复合材料性能方面获得了相当的成功，但复合材料中分散相尺度是以填料粉末粒度为其下限，而粉末粒度是由粉末加工能力决定的。即使得到了无机纳米颗粒，在制备复合材料过程中，由于纳米分散体系存在巨大的界面自由能，极易自发团聚，常规的界面偶联或聚合复合方法不足以削除无机纳米粒子与有机高分子之间的高界面能差［12］，所以无机纳米颗粒常常团聚成大颗粒，得不到真正的纳米复合材料。如何将无机材料在纳米尺度上均匀分散到有机高分子材料基体中，得到新型高性能、多功能纳米复合材料是材料科学领域急待解决的问题。问题的核心在于实现控制纳米相形成的同时，保证其与有机高分子基体之间较好的相容性。目前的新进展是在化学键连接下使无机分散相在有机高分子基体中原位生成，从而控制和调节其尺寸大小以达到纳米尺度，而不象聚合复合那样通过在已形成的无机颗粒表面上进行化学修饰来改善相容性。简言之，无机与有机组分之间化学键的形成和无机分散相的形成两者之间的先后次序，是区分纳米复合与聚合复合的主要依据。前者是先形成化学键，后生成无机纳米相；而后者则是先形成无机相，后生成化学键。根据两相间形成的化学键类型，可将有机-无机纳米复合材料分为三类：共价键连接的共价型纳米复合材料、配位键连接的配位型纳米复合材料和离子键连接的离子型纳米复合材料。制备共价型纳米复合材料最典型的方法是溶胶-凝胶法［1,12］。它是由反应物R—Si(OCH3)3开始的，其中R是可聚合的单体。无机相由—Si(OCH3)3基团水解和缩合生成的体型硅酸盐形成，而有机相由R—聚合而成的有机高分子形成，有机-无机相之间以C-Si共价键相连。两相生成反应可以同时发生，也可以先后发生，控制两相生成反应速率，使其匹配，可在非常宽的组成范围内得到透明材料。该类材料被称为杂化材料（ceramer），用于分散相尺寸远小于光波波长，因而具有优良的光学性质，可望在光学透镜、光导纤维等光学器件方面找到用武之地。配位型有机-无机纳米复合材料是一类最有希望发展成为光电导体、电致发光、荧光、快离子导体等功能性器件的有机-无机纳米复合材料。典型的制备方法是所谓“溶剂聚合法”［13－14］，它是将无机半导体（如镉盐）、无机大分子离子导体（如（LiMo3Se3）n）、稀土金属盐（如铕盐）等溶于带有配位基团的有机单体溶剂中，有机单体通过配位键与无机功能组份形成加合物，然后有机单体聚合成高分子基体，从而制得功能性有机-无机纳米复合材料。另外一种变通的方法是将配位体先接在高分子主链或侧链上，然后在熔融或溶液状态下与无机功能组份形成配位键，如尼龙-11/BiI3复合材料，聚电解质/稀土金属盐复合材料等。由此得到无机功能材料以纳米量级均匀分散在有机高分子基体中的新型高性能、多功能复合材料，不仅可以将无机材料的功能性和有机材料的可加工性及介电性质结合起来，而且由于分散相达到纳米量级，表现出一系列纳米效应，从而呈现出全新的物理特性，是极具发展前景的一类功能材料。目前应用范围最广、最有工业化希望的聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合材料是离子型的有机-无机纳米复合材料。层状硅酸盐矿物由表面带负电的约1nm厚的片层靠层间可交换阳离子的静电作用堆积在一起形成层状结构。层间可交换阳离子能够与有机阳离子（插层剂）进行离子交换，使层间距增大，并使层间微环境的极性发生变化，从亲水性变为亲油性。有机阳离子的结构应与单体结构相似以有利于单体或其聚合物的插层，最好具有可参与单体聚合的基团或能与聚合物反应的基团，这样有机高分子基体才能通过插层剂的桥梁作用与硅酸盐片层表面相结合，并且插进入层间形成纳米复合材料。根据硅酸盐片层在聚合物基体中分散状态的不同可将其分为两类：1）、插层型纳米复合材料。此类材料的硅酸盐片层间插入了1-2层聚合物分子，层间距虽然增大，但仍保持着层状堆积的骨架结构，硅酸盐含量通常较高（＞50%），是一种性质更接近于陶瓷的2-2型纳米复合材料（2表示分散相或连续相维数）；2）、剥离型（exfoliation）纳米复合材料。硅酸盐片层结构剥离并均匀分散在聚合物基体中，形成一种2-3型聚合物纳米复合材料［17－18］（2表示分散相维数，3表示连续相维数）。制备插层型纳米复合材料有两种方法：聚合物大分子直接插层和单体插层原位聚合；而剥离型纳米复合材料一般只能用单体插层原位聚合的方法制备。PLS纳米复合材料具有如下几点优势：（1）、比传统的聚合物填充体系重量轻，只需很少质量分数的无机材料就可获得很高的强度；（2）、其力学性能有望优于纤维增强聚合物体系，因为层状硅酸盐材料的片层结构可以在二维方向上起到增强作用，无需特殊的层压处理；（3）、具有优越的阻隔性能，有可能取代聚合物金属箔复合材料，且容易回收。PLS纳米复合材料不仅有广阔的应用前景，它本身的结构特点也为高分子凝聚态物理中的聚合物刷子(polymer brushes)问题提供了基本模型，因而具有十分重要的理论意义。下面我们将从热力学和组成结构关系两个角度分析PLS纳米复合材料的制备原理，从中得到一些基本原则来指导材料设计及制备工艺...