納米材料

　　納米材料是80年代初發(fā)展起來(lái)的新材料領(lǐng)域,，它具有奇特的性能和廣闊的應(yīng)用前景,，被譽(yù)為跨世紀(jì)的新材料，引起了科學(xué)界和企業(yè)界的極大關(guān)注,。一些國(guó)家政府高度重視納米材料,，先后將其列入美國(guó)的“星球大戰(zhàn)”,、歐洲的“尤里卡”及日本的“高技術(shù)探索研究”等高技術(shù)研究計(jì)劃，發(fā)展迅速,。我國(guó)也及時(shí)地編制“863”計(jì)劃,，對(duì)其進(jìn)行跟蹤和研究開發(fā)，國(guó)家火炬計(jì)劃重點(diǎn)支持研究成果向生產(chǎn)力的轉(zhuǎn)化,，使納米材料的研究開發(fā)取得了可喜的進(jìn)展,。

　　現(xiàn)代材料和物理學(xué)家所稱的納米材料是指固體顆粒小到納米(1納米=10-9米)尺度的超微粒子(也稱之為納米粉)和晶粒尺寸小到納米量極的固體和薄膜。納米材料的發(fā)現(xiàn)者是著名的美國(guó)物理學(xué)家,，兩次諾貝爾獎(jiǎng)金獲得者RichardFeynmen,。他在60年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們能控制物體微小規(guī)模上的排序，將獲得很多具有特殊性能的物質(zhì),。一些科學(xué)家認(rèn)為,，納米材料不同于晶態(tài)與非晶態(tài)，是物質(zhì)的第三態(tài)固體材料,，其種類很多,，可分為金屬、陶瓷,、有機(jī)與無(wú)機(jī),、復(fù)合納米材料等。

　　納米材料的特殊性能由于納米材料的特殊結(jié)構(gòu)——物質(zhì)的顆粒尺寸＜100nm的超微粉末,，它的比表面積很大,，晶界處的原子數(shù)比率高達(dá)15%—50%，使之產(chǎn)生四大效應(yīng),，即小尺寸效應(yīng),、量子效應(yīng)(含宏觀量子隧道效應(yīng))、表面效應(yīng)和界面效應(yīng),，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理,、化學(xué)性能。如Tio2納米材料具有奇特韌性,，在180℃經(jīng)受彎曲不斷裂,；CaF2納米材料在80—180℃溫度下，塑性提高100%,。

　　納米材料的制造方法納米材料的制造方法比較多,，一些制取超細(xì)微粉的方法可以用來(lái)制納米微粒。但是,，高效率低成本獲取優(yōu)質(zhì)納米材料的技術(shù),，仍然是各國(guó)科學(xué)家研究的重點(diǎn)。目前,，已經(jīng)報(bào)道的工藝方法主要是以下幾種：物理氣相沉積法(PVD),、化學(xué)氣相沉積法(CVD),、等離子體法、激光誘導(dǎo)法,、真空成型法,、惰性氣體凝聚法、機(jī)械合金熔合法,、共沉淀法,、水熱法、水解法,、微孔液法,、溶膠—凝膠法等等。

　　納米材料標(biāo)志著人們對(duì)材料性能的發(fā)掘達(dá)到了新的高度,，這項(xiàng)技術(shù)大范圍地改造了傳統(tǒng)材料,，又源源不斷地創(chuàng)造出新的材料，開辟了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域,。在1984年,，Glecter采用氣體冷凝方法制備成功鐵納米微粉后，美國(guó),、德國(guó)和日本科學(xué)家先后制成多種納米材料粉末及燒結(jié)塊體材料,，開始了納米材料及技術(shù)的研究時(shí)代。為了總結(jié)和交流納米材料的研究成果,，推動(dòng)納米技術(shù)的發(fā)展,，1990年在美國(guó)召開了“第一屆納米科學(xué)與技術(shù)討論會(huì)”，這是納米材料發(fā)展的一個(gè)里程碑,。以后,，各國(guó)科學(xué)家積極參與了對(duì)納米材料物理和化學(xué)性能的研究，不斷地發(fā)現(xiàn)納米材料的特殊性能,，引起各國(guó)科學(xué)家和政府的關(guān)注,，特別是工業(yè)化國(guó)家給予專款支持,，使納米材料的性能開發(fā),、制備技術(shù)和實(shí)際應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。

　　目前定義納米材料尺寸范圍為0.1-100納米,。粒徑小于100納米以后,，粒子表面的原子數(shù)與其體內(nèi)數(shù)目可比,，例如5納米微粒,，表面原子比例占百分之四十，比表面積達(dá)成180米2/克,，導(dǎo)致納米材料出現(xiàn)不同于傳統(tǒng)固體材料的小尺寸,，表面和量子隧道等效應(yīng)引發(fā)的結(jié)構(gòu)和能態(tài)的變化,，產(chǎn)生了許多獨(dú)特的光、電,、磁,、力學(xué)等物理化學(xué)特能。例如納米ZrO2分可在1250℃燒結(jié)到理論密度百分之九十分以上(比微米級(jí)降低400℃),，具有400%超塑性變形,；納米粒子的室溫可發(fā)射可見(jiàn)光；由量子效應(yīng)可使絕緣體變成導(dǎo)體,，具有共價(jià)鍵結(jié)構(gòu)無(wú)極性相聯(lián)系的壓早效應(yīng)和極高交流電導(dǎo),，常規(guī)磁性的鐵基粒子如γ-Fe2O2在小于某一納米尺寸時(shí)變成超順磁體(即在有磁場(chǎng)作用才表現(xiàn)出磁性)，對(duì)人體細(xì)胞具有選擇性吸收性能,，目前已利用作為細(xì)胞醫(yī)用炮彈載體和人體磁共振檢驗(yàn)示蹤劑的組員,。

　　納米ZnO2粒子具有優(yōu)良的屏蔽紫外線性能，人們已開發(fā)出納米ZnO2化妝品,、纖維和衣服,。因此納米材料科學(xué)及工業(yè)應(yīng)用已成為國(guó)內(nèi)外跨新世紀(jì)研究開發(fā)熱點(diǎn)，并開拓發(fā)展成為高技術(shù)產(chǎn)業(yè),，在電子,、化工、機(jī)械,、生物醫(yī)學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域內(nèi),，具有日益廣泛發(fā)展的應(yīng)用前景。

　　美國(guó),、日本和德國(guó)在納米材料的研制與發(fā)展方面處于世界領(lǐng)先水平?，F(xiàn)在高能量納米材料、納米隱形材料,、納米磁性材料已有重大突破,。某些納米材料產(chǎn)品已在高技術(shù)開發(fā)和軍事應(yīng)用領(lǐng)域作出了突出貢獻(xiàn)。


納米涂層材料的發(fā)展

    一．納米材料的特性

　　納米材料可劃分為三大類：一是一維的納米粒子,；二是二維的納米固體（包括薄膜和涂層,、管、線）,；三是三維的納米體材（包括介孔材料）,。

　　納米材料具有極佳的力學(xué)性能，如高強(qiáng),、高硬和良好的塑性,。金屬材料的屈服強(qiáng)度和硬度隨著晶粒尺寸的減小而提高。同時(shí),，不犧牲塑性和韌性,。

　　納米材料的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對(duì)納米材料的光學(xué)特性有很大的影響,。如，它的紅外吸收譜頻帶展寬,，吸收譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失,，中紅外有很強(qiáng)的光吸收能力。

　　納米材料的顆粒尺寸越小,，電子平均自由程縮短,，偏離理想周期場(chǎng)愈加嚴(yán)重，使得其導(dǎo)電性特殊,。當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到納米量級(jí),，金屬會(huì)顯示非金屬特征。

　　納米材料與常規(guī)材料在磁結(jié)構(gòu)方面的很大差異,，必然在磁學(xué)性能表現(xiàn)出來(lái),。當(dāng)晶粒尺寸減小到臨界尺寸時(shí)，常規(guī)的鐵磁性材料會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?，甚至處于超順磁狀態(tài),。

　　納米材料的比表面積／體積很大，因此它具有相當(dāng)高的化學(xué)活性,，在催化等,，敏感和響應(yīng)等性能方面顯得尤為突出。

　　二,、納米材料迅速投入應(yīng)用的方向

　　如上所述,，納米材料擁有優(yōu)異的特性，吸引著人們?cè)诒姸嗟念I(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用,。雖然納米材料的價(jià)格一再降低,，但生產(chǎn)成本仍不低。這就阻礙納米材料進(jìn)一步擴(kuò)大應(yīng)用,。然而利用納米材料的優(yōu)異特性,，對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，是一條經(jīng)濟(jì),、實(shí)用的可行方法,，有利于納米材料的應(yīng)用迅速擴(kuò)大。

　　納米材料有望在以下方面率先有較大規(guī)模的應(yīng)用,。納米Co－WC的硬度提高一倍以上,，且韌性和耐磨性均顯著改善。納米氧化鋁添加到氧化鋁陶瓷中,，顯著地起到增強(qiáng)和增韌作用,。可見(jiàn)，納米材料對(duì)于解決陶瓷材料的脆性問(wèn)題行之有效,，從而為提高陶瓷材料的可靠性，擴(kuò)大陶瓷材料的應(yīng)用開辟了一條新的途徑,。根據(jù)納米材料的光學(xué)特征,，可以進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)、制備各種光學(xué)功能材料,，用于制造紅外探測(cè)裝置,、非線性光學(xué)器件以及抗紫外照射的設(shè)備。納米材料達(dá)到單疇臨界尺寸,，產(chǎn)生很高的矯頑力,，可用于制成各種磁卡，用于信息存儲(chǔ)系統(tǒng),；制成磁性液體,，廣泛地應(yīng)用于阻尼器件，旋轉(zhuǎn)密封等,；作為新型制冷材料,，提高制冷效率。

　　三,、納米材料涂層的發(fā)展

　　將納米材料與表面涂層技術(shù)相結(jié)合,，有利于納米材料的擴(kuò)大應(yīng)用，同時(shí)給涂層技術(shù)進(jìn)一步提高創(chuàng)造了條件,。

　　1．納米材料涂層的組成與體系

　　根據(jù)納米涂層的組成將其分為三類：完全為一種納米材料體系,、兩種（或以上）納米材料構(gòu)成的復(fù)合體系，稱0－0復(fù)合,；添加納米材料的復(fù)合體系,，稱為0－2復(fù)合。

　　完全的納米材料涂層離商業(yè)化尚有相當(dāng)一段距離,，只有在軍事上有所應(yīng)用,。但借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料,，可使傳統(tǒng)涂層的功能得到飛躍提高,，技術(shù)上勿需增加太大的成本。這種納米添加的復(fù)合體系涂層很快就可走向市場(chǎng)展示出強(qiáng)勁的應(yīng)用勢(shì)頭,。

　　利用現(xiàn)有的涂層技術(shù),，針對(duì)涂層的性能，添加納米材料,，都可以獲得納米復(fù)合體系涂層,。納米涂層的實(shí)施對(duì)象既可以是傳統(tǒng)材料基體，也可以是粉末顆粒或是纖維,，用于表面修飾,、包覆、改性或增添新的特性,。

　　2．納米材料涂層產(chǎn)生與功用

　　凡是傳統(tǒng)表面涂層技術(shù),，都可以用來(lái)或者稍加改造，實(shí)現(xiàn)納米材料復(fù)合涂層,。

　　在硬度高的,，耐磨涂層中添加納米相，可進(jìn)一步提高涂層的硬度和耐磨性能,，并保持較高的韌性,。

　　將納米顆粒加入到表面涂層中，可以達(dá)到減小摩擦系數(shù)的效果,，形成自潤(rùn)滑材料,，甚至獲得超潤(rùn)滑功能。在一些涂層中復(fù)合C60,，巴基管等,，制備出超級(jí)潤(rùn)滑新材料。涂層中引入納米材料,，可顯著地提高材料的耐高溫,、抗氧化性。如,，在Ni的表面沉積納米Ni－La203涂層,，由于納米顆粒的作用，阻止了鎳離子的短路擴(kuò)散,，改善了氧化層的生長(zhǎng)機(jī)制和力學(xué)性質(zhì),。

　　納米材料涂層可以提高基體的腐蝕防護(hù)能力，達(dá)到表面修飾,、裝飾目的,。在油漆或涂料中加入納米顆粒，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力,，能夠耐大氣,，紫外線侵害，從而實(shí)現(xiàn)防降解,，防變色等功效,；另外，還可以在建材產(chǎn)品,，如衛(wèi)生潔具,、室內(nèi)空間,、用具等中運(yùn)用納米材料涂層，產(chǎn)生殺菌,、保潔效果,。

　　納米材料涂層具有廣泛變化的光學(xué)性能。它的光學(xué)透射譜可從紫外波段一直延伸到遠(yuǎn)紅外波段,。納米多層組合涂層經(jīng)過(guò)處理后在可見(jiàn)光范圍內(nèi)出現(xiàn)熒光,，用于多種光學(xué)應(yīng)用需要，如傳感器等器件,。在各種標(biāo)牌表面施以納米材料涂層，成為發(fā)光,、反光標(biāo)牌,；改變納米涂層的組成和特性，得到光致變色,，溫致變色,，電致變色等效應(yīng)，產(chǎn)生特殊的防偽,，識(shí)別手段,。80nm的氧化釔可作為紅外屏蔽涂層，反射熱的效率很高,。在諸如玻璃等產(chǎn)品表面上涂納米材料涂層,，可以達(dá)到減少光的透射和熱傳遞效果，產(chǎn)生隔熱作用,；在涂料中加入納米材料,，能夠起到阻燃，隔熱,，起到防火作用,。

　　經(jīng)過(guò)納米復(fù)合的涂層，具有優(yōu)異的電磁性能．利用納米粒子涂料形成的涂層具有良好的吸波能力,，能用于隱身涂層,。納米氧化鈦、氧化鉻,、氧化鐵和氧化鋅等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粒子,，加入到樹脂中形成涂層，有很好的靜電屏蔽性能,；80nm的鈦酸鋇可作為高介電絕緣涂層,，40nm的四氧化三鐵能用于磁性涂層；納米結(jié)構(gòu)的多層膜系統(tǒng)產(chǎn)生巨磁阻效應(yīng),，可望作為應(yīng)用于存儲(chǔ)系統(tǒng)中的讀出磁頭,。

　　四、納米材料涂層的發(fā)展展望

　　納米材料涂層及其技術(shù)隨著納米材料的發(fā)展而發(fā)展。鑒于表面涂層所具備的特性和潛在的功能,，都靠納米材料去加以開創(chuàng),、提高，在納米材料的制備合成技術(shù)不斷取得進(jìn)展和基礎(chǔ)理論的日趨完善基礎(chǔ)上,，納米功能涂層會(huì)有更快的發(fā)展,，應(yīng)用面將遍及多個(gè)領(lǐng)域。


納料材料具有特異的光,、電,、磁、熱,、聲,、力、化學(xué)和生物學(xué)性能

　 納米材料一誕生,，即以其異乎尋常的特性引起了材料界的廣泛關(guān)注,。這是因?yàn)榧{米材料具有與傳統(tǒng)材料明顯不同的一些特征。例如,，納米鐵材料的斷裂應(yīng)力比一般鐵材料高12倍,；氣體通過(guò)納米材料的擴(kuò)散速度比通過(guò)一般材料的擴(kuò)散速度快幾千倍等；納米相的銅比普通的銅堅(jiān)固5倍,，而且硬度隨顆粒尺寸的減小而增大,；納米陶瓷材料具有塑性或稱為超塑性等。

　　效應(yīng)顏料 這是納米材料最重要最有前途的用途之一,，特別是在汽車的涂裝業(yè)中,，因?yàn)榧{米材料具有隨角變統(tǒng)汽車面漆大增光輝，深受配受專家的喜愛(ài),。

　防護(hù)材料 由于某些納米材料透明性好和具有優(yōu)異的紫外線屏蔽作用,。在產(chǎn)品和材料中添加少量(一般不超過(guò)含量的2%)的納米材料，就會(huì)大大減弱紫外線對(duì)這些產(chǎn)品和材料的損傷作用,，使之更加具有耐久性和透明性,。因而被廣泛用于護(hù)膚產(chǎn)品、所裝材料,、外用面漆,、木器保護(hù)、天然和人造纖維以及農(nóng)用塑料薄膜等方面,。

　　精細(xì)陶瓷材料 使用納米材料可以在低溫,、低壓下生產(chǎn)質(zhì)地致密且性能優(yōu)異的陶瓷。因?yàn)檫@些納米粒子非常小,，很容易壓實(shí)在一起,。此外,，這些粒子陶瓷組成的新材料是一種極薄的透明涂料，噴涂在諸如玻璃,、塑料,、金屬、漆器甚至磨光的大理石上,，具有防污,、防塵、耐刮,、耐磨,、防火等功能。涂有這種陶瓷的塑料眼鏡片既輕又耐磨,，還不易破碎,。

　催化劑 納米粒子表面積大、表面活性中心多,，為做催化劑提供了必要的條件,。目前用納米粉材如鉑黑,、銀,、氧化鋁和氧化鐵等直接用于高分子聚合物氧化、還原及合成反應(yīng)的催化劑,，可大大提高反應(yīng)效率,。利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，燃燒效率可提高100倍,，如用硅載體鎳催化劑對(duì)丙醛的氧化反應(yīng)表明,，鎳粒徑在5nm以下，反應(yīng)選擇性發(fā)生急劇變化,，醛分解反應(yīng)得到有效控制,，生成酒精的轉(zhuǎn)化率急劇增大。

　磁性材料 納米粒子屬單磁疇區(qū)結(jié)構(gòu)的粒子,，它的磁化過(guò)程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行,，即使不磁化也是永久性磁體，因此用它可作永久性磁性材料,。磁性納料粒具有單磁疇結(jié)構(gòu)及矯頑力很高的特征,，用它來(lái)做磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖象質(zhì)量,。當(dāng)磁性材料的粒徑小于臨界半徑時(shí),，粒子就變得有順磁性，稱之為超順磁性,，這時(shí)磁相互作用弱,。利用這種超強(qiáng)磁性可作磁流體,，磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁性，它在工業(yè)廢液處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景,。

　傳感材料 納米粒子具有高比表面積,、高活性、特殊的物理性質(zhì)及超微小性等特征,，是適合用作傳感器材料的最有前途的材料,。外界環(huán)境的改變會(huì)迅速引起納料粒子表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)輸?shù)淖兓闷潆娮璧娘@著變化可做成傳感器,，其特點(diǎn)是響應(yīng)速度快,、靈敏度高、選擇性優(yōu)良,。

　材料的燒結(jié) 由于納米粒子的小尺寸效應(yīng)及活性大,，不論高熔點(diǎn)材料還是復(fù)合材料的燒結(jié)，都比較容易,。具有燒結(jié)溫度低,、燒結(jié)時(shí)間短，而且可得到燒結(jié)性能良好的燒結(jié)體,。例如普通鎢粉耐在3000℃的高溫下燒結(jié),，而當(dāng)摻入01%～05%的納米鎳粉時(shí)，燒結(jié)成形溫度可降低到1200℃到1311℃,。

　　醫(yī)學(xué)與生物工程 納米粒子與生物體有著密切的關(guān)系,。如構(gòu)成生命要素之一的核糖核酸蛋白質(zhì)復(fù)合體。其粒度在15～20nm之間,，生物體內(nèi)的多種病毒也是納米粒子,。此外用納米Si02微粒可進(jìn)行細(xì)胞分離,，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療,，以減少副作用等。研究納米生物學(xué)可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系,，獲取生命信息,，特別是細(xì)胞內(nèi)的各種信息，中利用納米粒子研制成機(jī)器人,，注入人體血管內(nèi),，對(duì)人體進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓,，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物,。甚至還能吞噬病毒、殺死癌細(xì)胞等,。印刷油墨 根據(jù)納米材料粒子大小不同,，具有不同的顏色這一特點(diǎn),，可不依靠化學(xué)顏料而選擇顆粒均勻、體積適當(dāng)?shù)牧Ｗ硬牧蟻?lái)制得各種顏色的油墨,。

　能源與環(huán)保 德國(guó)科學(xué)家正在設(shè)計(jì)用納料材料制作一個(gè)高溫燃燒器,，通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，不經(jīng)燃燒就把天然氣轉(zhuǎn)化為電能,。燃料的利用率要比一般電廠的效率提高20%至30%,，而且大大減少了二氧化碳的排氣量。

　微器件 納米材料,，特別是納米線,，可以使芯片集成度提高，電子元件體積縮小,，使半導(dǎo)體技術(shù)取得突破性進(jìn)展,，大大提高了計(jì)算機(jī)的容量和進(jìn)行速度，對(duì)微器件制作起決定性的推動(dòng)作用,。納米材料在使機(jī)器微型化及提高機(jī)器容量方面的應(yīng)用前景被很多發(fā)達(dá)國(guó)家看好,，有人認(rèn)為它可能引發(fā)新一輪工業(yè)革命。

　　光電材料與光學(xué)材料 納米材料由于其特殊的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性能作為非線性光學(xué)材料,、特異吸光材料,、軍事航空中用的吸波隱身材料，以及包括太陽(yáng)能電池在內(nèi)的儲(chǔ)能及能量轉(zhuǎn)換材料等具有很高的應(yīng)用價(jià)值,。

　增強(qiáng)材料 納米結(jié)構(gòu)的合金具有很高的延展性等,，在航空航天工業(yè)與汽車工業(yè)中是一類很有應(yīng)用前景的材料,；納米硅作為水泥的添加劑可大大提高其強(qiáng)度,；納米纖維作硫化橡膠的添加劑可增強(qiáng)橡膠并提高其回彈性，納米管在作纖維增強(qiáng)材料方面也有潛在的應(yīng)用前景,。

納米濾膜 采用納米材料發(fā)展出分離僅在分子結(jié)構(gòu)上有微小差別的多組分混合物,，實(shí)現(xiàn)高能分離操全的納米濾膜。其它還有將納米材料用作火箭燃料推進(jìn)劑,、H2分離膜,、顏料穩(wěn)定劑及智能涂料、復(fù)合磁性材料等,。納料材料由于具有特異的光,、電、磁,、熱,、聲、力,、化學(xué)和生物學(xué)性能,，廣泛應(yīng)用于宇航,、國(guó)防工業(yè)、磁記錄設(shè)備,、計(jì)算機(jī)工程,、環(huán)境保護(hù)、化工,、醫(yī)藥,、生物工程和核工業(yè)等領(lǐng)域。不僅在高科技領(lǐng)域有不可替代的作用,，也為傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)生機(jī)和活力,。可以預(yù)言,，納米材料制備技術(shù)的不斷開發(fā)及應(yīng)用范圍的拓展,，必將對(duì)傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)重大影響。