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纳米材料

  纳米材料是80年代初发展起来的新材料领域,它具有奇特的性能和广阔的应用前景,被誉为跨世纪的新材料,引起了科学界和企业界的极大关注。一些国家政府高度重视纳米材料,先后将其列入美国的“星球大战”、欧洲的“尤里卡”及日本的“高技术探索研究”等高技术研究计划,发展迅速。我国也及时地编制“863”计划,对其进行跟踪和研究开发,国家火炬计划重点支持研究成果向生产力的转化,使纳米材料的研究开发取得了可喜的进展。

  现代材料和物理学家所称的纳米材料是指固体颗粒小到纳米(1纳米=10-9米)尺度的超微粒子(也称之为纳米粉)和晶粒尺寸小到纳米量极的固体和薄膜。纳米材料的发现者是著名的美国物理学家,两次诺贝尔奖金获得者RichardFeynmen。他在60年代曾经预言:如果我们能控制物体微小规模上的排序,将获得很多具有特殊性能的物质。一些科学家认为,纳米材料不同于晶态与非晶态,是物质的第三态固体材料,其种类很多,可分为金属、陶瓷、有机与无机、复合纳米材料等。

  纳米材料的特殊性能由于纳米材料的特殊结构——物质的颗粒尺寸<100nm的超微粉末,它的比表面积很大,晶界处的原子数比率高达15%—50%,使之产生四大效应,即小尺寸效应、量子效应(含宏观量子隧道效应)、表面效应和界面效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。如Tio2纳米材料具有奇特韧性,在180℃经受弯曲不断裂;CaF2纳米材料在80—180℃温度下,塑性提高100%。

  纳米材料的制造方法纳米材料的制造方法比较多,一些制取超细微粉的方法可以用来制纳米微粒。但是,高效率低成本获取优质纳米材料的技术,仍然是各国科学家研究的重点。目前,已经报道的工艺方法主要是以下几种:物理气相沉积法(PVD)、化学气相沉积法(CVD)、等离子体法、激光诱导法、真空成型法、惰性气体凝聚法、机械合金熔合法、共沉淀法、水热法、水解法、微孔液法、溶胶—凝胶法等等。

  纳米材料标志着人们对材料性能的发掘达到了新的高度,这项技术大范围地改造了传统材料,又源源不断地创造出新的材料,开辟了广阔的应用领域。在1984年,Glecter采用气体冷凝方法制备成功铁纳米微粉后,美国、德国和日本科学家先后制成多种纳米材料粉末及烧结块体材料,开始了纳米材料及技术的研究时代。为了总结和交流纳米材料的研究成果,推动纳米技术的发展,1990年在美国召开了“第一届纳米科学与技术讨论会”,这是纳米材料发展的一个里程碑。以后,各国科学家积极参与了对纳米材料物理和化学性能的研究,不断地发现纳米材料的特殊性能,引起各国科学家和政府的关注,特别是工业化国家给予专款支持,使纳米材料的性能开发、制备技术和实际应用得到了迅速发展。

  目前定义纳米材料尺寸范围为0.1-100纳米。粒径小于100纳米以后,粒子表面的原子数与其体内数目可比,例如5纳米微粒,表面原子比例占百分之四十,比表面积达成180米2/克,导致纳米材料出现不同于传统固体材料的小尺寸,表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化,产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能。例如纳米ZrO2分可在1250℃烧结到理论密度百分之九十分以上(比微米级降低400℃),具有400%超塑性变形;纳米粒子的室温可发射可见光;由量子效应可使绝缘体变成导体,具有共价键结构无极性相联系的压早效应和极高交流电导,常规磁性的铁基粒子如γ-Fe2O2在小于某一纳米尺寸时变成超顺磁体(即在有磁场作用才表现出磁性),对人体细胞具有选择性吸收性能,目前已利用作为细胞医用炮弹载体和人体磁共振检验示踪剂的组员。

  纳米ZnO2粒子具有优良的屏蔽紫外线性能,人们已开发出纳米ZnO2化妆品、纤维和衣服。因此纳米材料科学及工业应用已成为国内外跨新世纪研究开发热点,并开拓发展成为高技术产业,在电子、化工、机械、生物医学等工业领域内,具有日益广泛发展的应用前景。

  美国、日本和德国在纳米材料的研制与发展方面处于世界领先水平。现在高能量纳米材料、纳米隐形材料、纳米磁性材料已有重大突破。某些纳米材料产品已在高技术开发和军事应用领域作出了突出贡献。


纳米涂层材料的发展

    一.纳米材料的特性

  纳米材料可划分为三大类:一是一维的纳米粒子;二是二维的纳米固体(包括薄膜和涂层、管、线);三是三维的纳米体材(包括介孔材料)。

  纳米材料具有极佳的力学性能,如高强、高硬和良好的塑性。金属材料的屈服强度和硬度随着晶粒尺寸的减小而提高。同时,不牺牲塑性和韧性。

  纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响。如,它的红外吸收谱频带展宽,吸收谱中的精细结构消失,中红外有很强的光吸收能力。

  纳米材料的颗粒尺寸越小,电子平均自由程缩短,偏离理想周期场愈加严重,使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级,金属会显示非金属特征。

  纳米材料与常规材料在磁结构方面的很大差异,必然在磁学性能表现出来。当晶粒尺寸减小到临界尺寸时,常规的铁磁性材料会转变为顺磁性,甚至处于超顺磁状态。

  纳米材料的比表面积/体积很大,因此它具有相当高的化学活性,在催化等,敏感和响应等性能方面显得尤为突出。

  二、纳米材料迅速投入应用的方向

  如上所述,纳米材料拥有优异的特性,吸引着人们在众多的领域开发应用。虽然纳米材料的价格一再降低,但生产成本仍不低。这就阻碍纳米材料进一步扩大应用。然而利用纳米材料的优异特性,对传统材料进行改性,是一条经济、实用的可行方法,有利于纳米材料的应用迅速扩大。

  纳米材料有望在以下方面率先有较大规模的应用。纳米Co-WC的硬度提高一倍以上,且韧性和耐磨性均显著改善。纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中,显著地起到增强和增韧作用。可见,纳米材料对于解决陶瓷材料的脆性问题行之有效,从而为提高陶瓷材料的可靠性,扩大陶瓷材料的应用开辟了一条新的途径。根据纳米材料的光学特征,可以进行光学设计、制备各种光学功能材料,用于制造红外探测装置、非线性光学器件以及抗紫外照射的设备。纳米材料达到单畴临界尺寸,产生很高的矫顽力,可用于制成各种磁卡,用于信息存储系统;制成磁性液体,广泛地应用于阻尼器件,旋转密封等;作为新型制冷材料,提高制冷效率。

  三、纳米材料涂层的发展

  将纳米材料与表面涂层技术相结合,有利于纳米材料的扩大应用,同时给涂层技术进一步提高创造了条件。

  1.纳米材料涂层的组成与体系

  根据纳米涂层的组成将其分为三类:完全为一种纳米材料体系、两种(或以上)纳米材料构成的复合体系,称0-0复合;添加纳米材料的复合体系,称为0-2复合。

  完全的纳米材料涂层离商业化尚有相当一段距离,只有在军事上有所应用。但借助于传统的涂层技术,添加纳米材料,可使传统涂层的功能得到飞跃提高,技术上勿需增加太大的成本。这种纳米添加的复合体系涂层很快就可走向市场展示出强劲的应用势头。

  利用现有的涂层技术,针对涂层的性能,添加纳米材料,都可以获得纳米复合体系涂层。纳米涂层的实施对象既可以是传统材料基体,也可以是粉末颗粒或是纤维,用于表面修饰、包覆、改性或增添新的特性。

  2.纳米材料涂层产生与功用

  凡是传统表面涂层技术,都可以用来或者稍加改造,实现纳米材料复合涂层。

  在硬度高的,耐磨涂层中添加纳米相,可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能,并保持较高的韧性。

  将纳米颗粒加入到表面涂层中,可以达到减小摩擦系数的效果,形成自润滑材料,甚至获得超润滑功能。在一些涂层中复合C60,巴基管等,制备出超级润滑新材料。涂层中引入纳米材料,可显著地提高材料的耐高温、抗氧化性。如,在Ni的表面沉积纳米Ni-La203涂层,由于纳米颗粒的作用,阻止了镍离子的短路扩散,改善了氧化层的生长机制和力学性质。

  纳米材料涂层可以提高基体的腐蚀防护能力,达到表面修饰、装饰目的。在油漆或涂料中加入纳米颗粒,可进一步提高其防护能力,能够耐大气,紫外线侵害,从而实现防降解,防变色等功效;另外,还可以在建材产品,如卫生洁具、室内空间、用具等中运用纳米材料涂层,产生杀菌、保洁效果。

  纳米材料涂层具有广泛变化的光学性能。它的光学透射谱可从紫外波段一直延伸到远红外波段。纳米多层组合涂层经过处理后在可见光范围内出现荧光,用于多种光学应用需要,如传感器等器件。在各种标牌表面施以纳米材料涂层,成为发光、反光标牌;改变纳米涂层的组成和特性,得到光致变色,温致变色,电致变色等效应,产生特殊的防伪,识别手段。80nm的氧化钇可作为红外屏蔽涂层,反射热的效率很高。在诸如玻璃等产品表面上涂纳米材料涂层,可以达到减少光的透射和热传递效果,产生隔热作用;在涂料中加入纳米材料,能够起到阻燃,隔热,起到防火作用。

  经过纳米复合的涂层,具有优异的电磁性能.利用纳米粒子涂料形成的涂层具有良好的吸波能力,能用于隐身涂层。纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁和氧化锌等具有半导体性质的粒子,加入到树脂中形成涂层,有很好的静电屏蔽性能;80nm的钛酸钡可作为高介电绝缘涂层,40nm的四氧化三铁能用于磁性涂层;纳米结构的多层膜系统产生巨磁阻效应,可望作为应用于存储系统中的读出磁头。

  四、纳米材料涂层的发展展望

  纳米材料涂层及其技术随着纳米材料的发展而发展。鉴于表面涂层所具备的特性和潜在的功能,都靠纳米材料去加以开创、提高,在纳米材料的制备合成技术不断取得进展和基础理论的日趋完善基础上,纳米功能涂层会有更快的发展,应用面将遍及多个领域。


纳料材料具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能

  纳米材料一诞生,即以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。这是因为纳米材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如,纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍;气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍等;纳米相的铜比普通的铜坚固5倍,而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大;纳米陶瓷材料具有塑性或称为超塑性等。

  效应颜料 这是纳米材料最重要最有前途的用途之一,特别是在汽车的涂装业中,因为纳米材料具有随角变统汽车面漆大增光辉,深受配受专家的喜爱。

 防护材料 由于某些纳米材料透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用。在产品和材料中添加少量(一般不超过含量的2%)的纳米材料,就会大大减弱紫外线对这些产品和材料的损伤作用,使之更加具有耐久性和透明性。因而被广泛用于护肤产品、所装材料、外用面漆、木器保护、天然和人造纤维以及农用塑料薄膜等方面。

  精细陶瓷材料 使用纳米材料可以在低温、低压下生产质地致密且性能优异的陶瓷。因为这些纳米粒子非常小,很容易压实在一起。此外,这些粒子陶瓷组成的新材料是一种极薄的透明涂料,喷涂在诸如玻璃、塑料、金属、漆器甚至磨光的大理石上,具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。涂有这种陶瓷的塑料眼镜片既轻又耐磨,还不易破碎。

 催化剂 纳米粒子表面积大、表面活性中心多,为做催化剂提供了必要的条件。目前用纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等直接用于高分子聚合物氧化、还原及合成反应的催化剂,可大大提高反应效率。利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂,燃烧效率可提高100倍,如用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明,镍粒径在5nm以下,反应选择性发生急剧变化,醛分解反应得到有效控制,生成酒精的转化率急剧增大。

 磁性材料 纳米粒子属单磁畴区结构的粒子,它的磁化过程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也是永久性磁体,因此用它可作永久性磁性材料。磁性纳料粒具有单磁畴结构及矫顽力很高的特征,用它来做磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。当磁性材料的粒径小于临界半径时,粒子就变得有顺磁性,称之为超顺磁性,这时磁相互作用弱。利用这种超强磁性可作磁流体,磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性,它在工业废液处理方面有着广阔的应用前景。

 传感材料 纳米粒子具有高比表面积、高活性、特殊的物理性质及超微小性等特征,是适合用作传感器材料的最有前途的材料。外界环境的改变会迅速引起纳料粒子表面或界面离子价态和电子运输的变化,利用其电阻的显著变化可做成传感器,其特点是响应速度快、灵敏度高、选择性优良。

 材料的烧结 由于纳米粒子的小尺寸效应及活性大,不论高熔点材料还是复合材料的烧结,都比较容易。具有烧结温度低、烧结时间短,而且可得到烧结性能良好的烧结体。例如普通钨粉耐在3000℃的高温下烧结,而当掺入01%~05%的纳米镍粉时,烧结成形温度可降低到1200℃到1311℃。

  医学与生物工程 纳米粒子与生物体有着密切的关系。如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体。其粒度在15~20nm之间,生物体内的多种病毒也是纳米粒子。此外用纳米Si02微粒可进行细胞分离,用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用等。研究纳米生物学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,获取生命信息,特别是细胞内的各种信息,中利用纳米粒子研制成机器人,注入人体血管内,对人体进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物。甚至还能吞噬病毒、杀死癌细胞等。印刷油墨 根据纳米材料粒子大小不同,具有不同的颜色这一特点,可不依靠化学颜料而选择颗粒均匀、体积适当的粒子材料来制得各种颜色的油墨。

 能源与环保 德国科学家正在设计用纳料材料制作一个高温燃烧器,通过电化学反应过程,不经燃烧就把天然气转化为电能。燃料的利用率要比一般电厂的效率提高20%至30%,而且大大减少了二氧化碳的排气量。

 微器件 纳米材料,特别是纳米线,可以使芯片集成度提高,电子元件体积缩小,使半导体技术取得突破性进展,大大提高了计算机的容量和进行速度,对微器件制作起决定性的推动作用。纳米材料在使机器微型化及提高机器容量方面的应用前景被很多发达国家看好,有人认为它可能引发新一轮工业革命。

  光电材料与光学材料 纳米材料由于其特殊的电子结构与光学性能作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料,以及包括太阳能电池在内的储能及能量转换材料等具有很高的应用价值。

 增强材料 纳米结构的合金具有很高的延展性等,在航空航天工业与汽车工业中是一类很有应用前景的材料;纳米硅作为水泥的添加剂可大大提高其强度;纳米纤维作硫化橡胶的添加剂可增强橡胶并提高其回弹性,纳米管在作纤维增强材料方面也有潜在的应用前景。

纳米滤膜 采用纳米材料发展出分离仅在分子结构上有微小差别的多组分混合物,实现高能分离操全的纳米滤膜。其它还有将纳米材料用作火箭燃料推进剂、H2分离膜、颜料稳定剂及智能涂料、复合磁性材料等。纳料材料由于具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学和生物学性能,广泛应用于宇航、国防工业、磁记录设备、计算机工程、环境保护、化工、医药、生物工程和核工业等领域。不仅在高科技领域有不可替代的作用,也为传统产业带来生机和活力。可以预言,纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展,必将对传统的化学工业和其它产业重大影响。