納米材料及應(yīng)用綜述

1、納米材料及應(yīng)用綜述蔡春波摘要：納米材料是當(dāng)今材料學(xué)科發(fā)展領(lǐng)域最重要的前沿研究課題，本文詳細(xì)介紹納米材 料的范圍、定義、四個(gè)基本效應(yīng)以及介紹了納米材料與傳統(tǒng)材料的區(qū)別及在涂料、催化和精 細(xì)化工及陶瓷、電子學(xué)等方面的應(yīng)用，最后對(duì)納米材料技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望方面的具體應(yīng) 用情況。關(guān)鍵詞：納米材料發(fā)展應(yīng)用Abstract: Nano materials is the most important development of materials research, the frontiers of nanometer materials is introduced in detail in this

2、paper, the definition and scope of four basic effects and introduces the nanometer material and the difference between traditional materials and coatings, catalysis and fine chemical industry and ceramics, electronics, etc, the application of nanometer materials technology development prospects of s

3、pecific application.Key word: Nano materials development application引言納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)（10-9米）的超細(xì)材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于 通常的微粒，一般為100 102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)部分:一是直徑為幾個(gè)或 幾十個(gè)納米的粒子;二是粒子間的界面。前者具有長(zhǎng)程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒(méi)有長(zhǎng)程序 也沒(méi)有短程序的無(wú)序結(jié)構(gòu)。1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國(guó)阿貢試驗(yàn)室的Siegel相繼成功地制得了純 物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleite;在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結(jié)

4、得 到納米微晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1990年7月在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó) 際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。從材料的結(jié)構(gòu)單元 層次來(lái)說(shuō)，它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。在納米材料中，界面原子占極大 比例，而且原子排列互不相同，界面周?chē)木Ц窠Y(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu)原子排列互不相同， 界面周?chē)木Ц窠Y(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu).在納米材料中，納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個(gè)重要特征。納米晶粒 中的原子排列已不能處理成無(wú)限長(zhǎng)程有序，通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能 級(jí)，高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超

5、導(dǎo)性、光學(xué) 乃至熱力學(xué)性能的改變。納米相材料和其他固體材料都是由同樣的原子組成，只不過(guò)這些原 子排列成了納米級(jí)的原子團(tuán)，成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。其常規(guī)納米材料 中的基本顆粒直徑不到l00nm，包含的原子不到幾萬(wàn)個(gè)。一個(gè)直徑為3nm的原子團(tuán)包含大約900 個(gè)原子，幾乎是英文里一個(gè)句點(diǎn)的百萬(wàn)分之一，這個(gè)比例相當(dāng)于一 條300多米長(zhǎng)的帆船跟整 個(gè)地球的比例。納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的納米技術(shù)被公認(rèn)為 是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。納米材料的構(gòu)成：納米是一個(gè)尺度的度量，1nm=10-9m，納米來(lái)命名材料是在20世紀(jì)80年代。納米材料是 指在三維空間中至

6、少有一維處于納米尺度范圍（小于100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的 材料。它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，處原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域；是近 年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型結(jié)構(gòu)的材料。它與晶體和非晶態(tài)材料不同。晶態(tài)的基本特征是長(zhǎng)程有序， 非晶態(tài)的基本特征是長(zhǎng)程無(wú)序，短程有序。納米態(tài)的基本特征是中程有序原子與類(lèi)“氣態(tài)狀” 原子并存。納米材料由2種結(jié)構(gòu)組元構(gòu)成:晶體組元和界面組元。晶體組元由所有晶粒中的原 子組成，這些原子都嚴(yán)格位于晶格位置上；界面組元由處于各晶粒之間的界面原子組成，這 些原子由超微晶粒的表面原子轉(zhuǎn)化而來(lái)。超微晶粒內(nèi)部的有序原子與超微晶粒的界面無(wú)序原 子各占薄膜總原子數(shù)的50%。界面

7、結(jié)構(gòu)由相鄰晶粒的相對(duì)取向和邊界的傾角決定。如果晶粒 取向是隨機(jī)的，則納米材料所有晶粒間界面將具有不同的結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)由不同的原子間距表 征。所有晶界的原子間距不同，從統(tǒng)計(jì)意義來(lái)說(shuō)，不具有擇優(yōu)的原子間距，這些界面的平均 結(jié)果將導(dǎo)致各種可能的原子間距取值，從這個(gè)意義上說(shuō)，可以認(rèn)為界面的結(jié)構(gòu)既不具有晶體 的長(zhǎng)程序，也不具有非晶態(tài)的短程序；但從另一意義上說(shuō)，界面原子是由晶粒表面原子組成， 所以這些原子又具有某種特殊的序。因此，界面原子處于一種特殊的狀態(tài)，是一種物質(zhì)新態(tài) 一納米態(tài)。研究納米材料是德國(guó)物理學(xué)家H.Gleiter1運(yùn)用逆向思維的一個(gè)結(jié)果。長(zhǎng)期以來(lái) 人們視具有完整空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的實(shí)體是晶體材料的主

8、體，而把空間點(diǎn)陣中的空位、替位原子、 間隙原子、相界、位錯(cuò)和晶界看作晶體材料中的缺陷。而他設(shè)想：把“缺陷”作為主體，研 制出一種晶界占有相當(dāng)大體積比的材料，那么世界將會(huì)怎樣？經(jīng)過(guò)四年的不懈工作，他終于 在1984年研制成功黑色金屬粉末。實(shí)驗(yàn)表明，任何金屬顆粒，當(dāng)其尺寸在納米量級(jí)時(shí)都呈黑 色，盡管各種塊狀金屬各具色彩。納米材料特性：一般在宏觀領(lǐng)域中，某種物質(zhì)固體的理化特性與該固體的尺度大小無(wú)關(guān)。當(dāng)物質(zhì)顆粒小 于100 nm時(shí)，物質(zhì)本身的許多固有特性均發(fā)生質(zhì)的變化。這種現(xiàn)象稱(chēng)為“納米效應(yīng)”。納米 材料具有三大效應(yīng)：表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。3.1表面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子

9、的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇 增大后所引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑變小，表面原子所占百分?jǐn)?shù)將會(huì)顯著增加。當(dāng)粒徑 降到1 nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子表面。由于納 米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié) 合而穩(wěn)定下來(lái)，故具有很高的化學(xué)活性。3.2小尺寸效應(yīng)由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱(chēng)為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺 寸變小，比表面積增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)：1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：納米金屬的光吸收性顯著增強(qiáng)。粒度越小，光反射率越低。所有的 金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏

10、色愈黑。金屬超微顆粒對(duì)光的反射率通常 可低于l %，約幾微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金屬材料在接近納米尺度時(shí)，出 現(xiàn)反光現(xiàn)象。納米TiO2、納米SiO2、納米A12O3等對(duì)大氣中紫外光很強(qiáng)的吸收性。2）熱學(xué)性質(zhì)的改變：固態(tài)物質(zhì)超細(xì)微化后其熔點(diǎn)顯著降低。當(dāng)顆粒小于10 ni*級(jí)時(shí)尤 為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064CC，當(dāng)顆粒尺寸減小到2 nm尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327C左 右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670 C，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100C。3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力 約為80A/m，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20 nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍

11、，當(dāng)顆粒尺寸約小于 6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性， 已做成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤(pán)、磁卡等。利用超順磁性，人們已 將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。4）特殊的力學(xué)性質(zhì)：納米材料的強(qiáng)度、硬度和韌性明顯提高。納米銅的強(qiáng)度比常態(tài)提高 5倍；納米金屬比常態(tài)金屬硬35倍。納米陶瓷材料具有良好的韌性，因?yàn)榧{米材料具有大 的界面，界面的原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳 的韌性與一定的延展性。氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。3.3宏觀量子隧道效應(yīng)對(duì)超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分

12、裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺 寸減小而增大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏 觀物體截然不同的反常特性，稱(chēng)之為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變 成絕緣體，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線(xiàn)會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的 宏觀表現(xiàn)。一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧 道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，稱(chēng)之為宏觀量子隧道效應(yīng)。這一效應(yīng)與 量子尺寸效應(yīng)，確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí) 必須要考慮上述的量子效應(yīng)。納米材料的制備方法介紹：4.1物理合成法1）

13、噴霧法噴霧法是將溶液通過(guò)各種物理手段霧化，再經(jīng)物理、化學(xué)途徑而轉(zhuǎn)變?yōu)槌?xì) 微粒子。2）噴霧干燥法將金屬鹽溶液送入霧化器,由噴嘴高速?lài)娙敫稍锸耀@得金屬鹽的微粒， 收集后焙燒成超微粒子，如鐵氧體的超微粒子可采用此種方法制備。3）噴霧熱解法金屬鹽溶液經(jīng)壓縮空氣由賁嘴噴出而霧化，噴霧后生成的液滴大小隨著 噴嘴而改變,液滴受熱分解生成超微粒子。例如，將Mg（NO3）2-Al（NO3）3的水溶液與甲醇混合噴 霧熱解（T=800 C）合成鎂鋁尖晶石，產(chǎn)物粒徑為幾十納米。等離子噴霧熱解工藝是將相應(yīng)溶 液噴成霧狀送入等離子體尾焰中，熱解生成超細(xì)粉末。等離子體噴霧熱解法制得的二氧化鋯 超細(xì)粉末分為兩級(jí):平均尺寸為

14、2050 nm的顆粒及平均尺寸為1 mm的球狀顆粒。4）冷凍-干燥法冷凍干燥法將金屬鹽的溶液霧化成微小液滴，快速凍結(jié)為粉體。加入冷 卻劑使其中的水升華氣化，再焙燒合成超微粒。在凍結(jié)過(guò)程中，為了防止溶解于溶液中的鹽發(fā) 生分離，最好盡可能把溶液變?yōu)榧?xì)小液滴。常見(jiàn)的冷凍劑有乙烷、液氮。5）反應(yīng)性球磨法反應(yīng)性球磨法克服了氣相冷凝法制粉效率低、產(chǎn)量小而成本高的局 限。一定粒度的反應(yīng)粉末（或反應(yīng)氣體）以一定的配比置于球磨機(jī)中高能粉磨,同時(shí)保持研磨 體與粉末的重量比和研磨體球徑比并通入氬氣保護(hù)。例如固體所采用球磨法制備出納米合金 WSi2、MoSi等。應(yīng)性機(jī)械球磨法應(yīng)用于金屬氮化物合金的制備。室溫下將金屬粉

15、在氮?dú)饬髦?球磨，制得Fe-N、TiN和AlTa納米粒子。6）氣流粉碎技術(shù)氣流粉碎技術(shù)是采用高速的超音速氣流加速固體物料并使其互相撞 擊或與靶撞擊事物料粉碎的技術(shù),采用氣流粉碎的加工效率較高特別是對(duì)超硬的材料經(jīng)過(guò) 優(yōu)化設(shè)計(jì)的氣流粉碎設(shè)備，可以使物料在粉碎時(shí)不接觸其它物質(zhì)如粉碎艙的壁等，因而對(duì)粉 料的污染可以減到最小。4.2 化學(xué)合成法1）等離子體制備納米粉末技術(shù)等離子體作為物質(zhì)存在的一種基本形態(tài),由于在地球上 很難自然存在，通常條件下，人們使電流通過(guò)氣體，這樣就可以使氣體這個(gè)良好的絕緣體攜帶 充分的電荷，從而形成“電擊穿”，產(chǎn)生等離子體。帶電的氣體可以是氧化性氣體、還原性氣 體和中性氣體等。熱

16、等離子體作為高溫氣體具有高電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率高粘度和高溫度梯度， 材料處于等離子體中，將迅速分解成自由原子、離子和電子，這種處于高激發(fā)態(tài)的物質(zhì)通過(guò)“淬冷，導(dǎo)致具有獨(dú)特性質(zhì)的超細(xì)粉體和晶體的核化與生長(zhǎng)。天然氣加空氣的燃燒產(chǎn)物與空 氣電弧加熱器在不同的工作溫度條件下加熱效率的比較電弧加熱器的加熱效率可幾倍于用 天然氣的加熱效率,這樣就可以彌補(bǔ)電能與一次能源的差價(jià)。2）化學(xué)氣相沉淀法一種或數(shù)種反應(yīng)氣體通過(guò)熱、激光、等離子體等而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)析 出超微粉的方法,叫做化學(xué)氣相沉積法。由于氣相中的粒子成核及生長(zhǎng)的空間增大，制得的產(chǎn) 物粒子細(xì)，形貌均一，交具有良好的單分散度，而制備常常在封閉容器中進(jìn)行，保證了粒子

17、具 有更高的純度CVD技術(shù)更多的應(yīng)用于陶瓷超微粉的制備，如AlN,SiN,SiC,其中源材料為氣體 或易于氣化，沸點(diǎn)低的金屬化合物。3）共沉淀法在含有多種陽(yáng)離子的溶液中加入沉淀劑，使金屬離子完全沉淀的方法稱(chēng)為 共沉淀法。共沉淀法可制備BaTiO3、PbTiO3等PZT系電子陶瓷及ZrO2等粉體。以CrO2為晶種的 草酸沉淀法，制備了La、Ca、Co、Cr摻雜氧化物及摻雜BaT-iO3等。以Ni（NO3）2 - 6H2O溶液為 原料、乙二胺為絡(luò)合劑,NaOH為沉淀劑，制得Ni（OH） 2超微粉，經(jīng)熱處理后得到NiO超微粉。4）均勻沉淀法 在溶液中加入某種能緩慢生成沉淀劑的物質(zhì)，使溶液中的沉淀均勻

18、出現(xiàn), 稱(chēng)為均勻沉淀法。本法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀劑而造成沉淀劑的局部不均勻 性。5）溶劑熱合成法用有機(jī)溶劑代替水作介質(zhì),采用類(lèi)似水熱合成的原理制備納米微粉。 非水溶劑代替水，不僅擴(kuò)大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍，而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的反 應(yīng),包括制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。6）溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法廣泛應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備。前驅(qū)物用金屬醇 鹽或非醇鹽均可。方法實(shí)質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠，再制成凝膠，經(jīng)干燥納米材料 熱處理后制得所需納米粒子。7）水熱法制備納米粉末技術(shù)水熱法是一種在密閉容器內(nèi)完成的濕化學(xué)方法，與溶膠凝 膠法、共沉淀法等其它濕化學(xué)方法的主要區(qū)別在于溫

19、度和壓力。水熱法研究的溫度范圍在水 的沸點(diǎn)和臨界點(diǎn)（3740之間，但通常使用的是130250C之間，相應(yīng)的水蒸汽壓是0.34MPa。 與溶膠凝膠法和共沉淀法相比，其最大優(yōu)點(diǎn)是一般不需高溫?zé)Y(jié)即可直接得到結(jié)晶粉末，從 而省去了研磨及由此帶來(lái)的雜質(zhì)。所得粉末的粒度范圍通常為0.川m至幾p m,有些可以幾十 納米，且一般具有結(jié)晶好、團(tuán)聚少、純度高、粒度分布窄以及多數(shù)情況下形貌可控等特點(diǎn)。8）微乳化技術(shù)一般情況下，將2種互不相溶液體在表面活性劑作用下形成的熱力學(xué)穩(wěn) 定的、各向同性、外觀透明或半透明、粒徑l100nm的分散體系稱(chēng)為微乳液。相應(yīng)地把制備 微乳液的技術(shù)稱(chēng)之為微乳化技術(shù)（MET）。微乳體系中,

20、用來(lái)制備納米粒子的一般是W/O型體系， 該體系一般由有機(jī)溶劑、水溶液?；钚詣?、助表面活性劑4個(gè)組分組成。常用的有機(jī)溶劑多 為C6C8直鏈烴或環(huán)烷烴;表面活性劑一般有AOT2一乙基己基磺基琥珀酸鈉。AOS、SDS（十 二烷基硫酸鈉）、SDBS（十六烷基磺酸鈉）陰離子表面活性劑、CTAB（十六烷基三甲基漠化銨） 陽(yáng)離子表面活性劑、TritonX（聚氧乙烯醚類(lèi)）非離子表面活性劑等;助表面活性劑一般為中等 碳鏈C5C8的脂肪酸。W/O型微乳液中的水核中可以看作微型反應(yīng)器（Microreactor）或稱(chēng)為納 米反應(yīng)器,反應(yīng)器的水核半徑與體系中水和表面活性劑的濃度及種類(lèi)有直接關(guān)系。一種反應(yīng) 物在增溶的水核

21、內(nèi),另一種以水溶液形式（例如水合肼和硼氫化鈉水溶液）與前者混合。水相 內(nèi)反應(yīng)物穿過(guò)微乳液界面膜進(jìn)入水核內(nèi)與另一反應(yīng)物作用產(chǎn)生晶核并生長(zhǎng)產(chǎn)物粒子的最終 粒徑是由水核尺寸決定的。例如,鐵,鎳,鋅納米粒子的制備就是采用此種體系。納米材料的應(yīng)用：5.1在催化方面的應(yīng)用催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效 率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，不僅造成 生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi)，使經(jīng)濟(jì)效益難以提高，而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中 心多，為其作催化劑提供了必要條件。納米粒用作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率，有效控制 反應(yīng)速度。納米微

22、粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機(jī)物制備方面。 分散在溶液中的每一個(gè)半導(dǎo)體顆粒，可近似地看成是一個(gè)短路的微型電池，用能量大于半導(dǎo) 體能隙的光照射半導(dǎo)體分散系時(shí)，半導(dǎo)體納米粒子吸收光產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。在電場(chǎng)作用下， 電子與空穴分離，分別遷移到粒子表面的不同位置，與溶液中相似的組分進(jìn)行氧化和還原反 應(yīng)。光催化反應(yīng)涉及到許多反應(yīng)類(lèi)型，如醇與烴的氧化、無(wú)機(jī)離子氧化還原、有機(jī)物催化脫 氫和加氫、氨基酸合成、固氮反應(yīng)、水凈化處理、水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以 實(shí)現(xiàn)的。半導(dǎo)體多相光催化劑能有效地降解水中的有機(jī)污染物，例如納米級(jí)的Ti02，既有較 高的光催化活性，又能耐酸堿，對(duì)光穩(wěn)定

23、、無(wú)毒且便宜易得，是制備負(fù)載型光催化劑的最佳 選擇。納米Ti02粉末可采用氣相水解法、氣相氧化法、膠溶法、低溫?zé)岱纸夥ǖ确椒ㄟM(jìn)行制 備。利用納米TIO:的光催化活性，納米Ti02粉末可與其他物質(zhì)混合而制成環(huán)保催化劑，發(fā)揮 光催化降解性能。納米Ti02粉末粒徑小，電子一空穴在體內(nèi)復(fù)合的幾率小，光倒七活劑很高。 已有文章報(bào)道，選用硅膠為載體，制得了催化活性較高的Ti02/ Si02負(fù)載型光催化劑。Ni或 CuZn化合物的納米顆粒，對(duì)某些有機(jī)化合物的氫化反應(yīng)是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑 或鎳催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應(yīng)溫度從600降至室溫。用納米微粒作催 化劑提高反應(yīng)效率、優(yōu)化反應(yīng)路徑

24、、提高反應(yīng)速度方面的研究，是未來(lái)催化科學(xué)的重要研究 課題，很可能給催化在工業(yè)上的應(yīng)用帶來(lái)革命性的變革。5.2在涂料方面的應(yīng)用表面涂層技術(shù)也是當(dāng)今世界關(guān)注的熱點(diǎn)。納米材料為表面涂層提供了良好的機(jī)遇，使得 材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術(shù)，添加納米材料可獲得納米復(fù)合體系 涂層，實(shí)現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性涂層按其用途可分為結(jié)構(gòu)涂層和功能涂層， 結(jié)構(gòu)涂層是指涂層提高基體的某些性質(zhì)和改性;功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而 獲得傳統(tǒng)涂層沒(méi)有的功能。結(jié)構(gòu)涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、 裝飾涂層等;功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學(xué)涂層，導(dǎo)電、絕緣

25、、半導(dǎo)體特性 的電學(xué)涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加人納米材料，可進(jìn)一步提高 其防護(hù)能力，實(shí)現(xiàn)防紫外線(xiàn)照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應(yīng)用可起到 殺菌保潔作用。日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有 Fe2O3、Ti02和ZnO等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規(guī)的氧化物 高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通 過(guò)復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性。納米材料 的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應(yīng)。在汽車(chē)的裝飾噴涂業(yè)中，將納米Ti02添加

26、在 汽車(chē)、轎車(chē)的金屬閃光面漆中，能使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車(chē)面漆 舊貌換新顏。納米涂層具有良好的應(yīng)用前景，將為涂層技術(shù)帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命，也將推 動(dòng)復(fù)合材料的研究開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。5.3在精細(xì)化工方面的應(yīng)用精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多，用途廣泛，并且影響到人類(lèi)生活的各 個(gè)方面。納米材料的功能性無(wú)疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來(lái)革命，并顯示它的獨(dú)特魅力。在橡膠、 塑料、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加人納米Si02,可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米A1203和Si02 加人到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白

27、炭黑作填 料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強(qiáng)度和韌性，而且致密性和防水性 也相應(yīng)提高。國(guó)外已將納米Si02作為添加劑加人到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性 都大為提高。此外，納米材料在纖維改性、有機(jī)玻璃制造方面也都有很好的應(yīng)用。在有機(jī)玻 璃中加人經(jīng)過(guò)表面修飾處理的Si02，可使有機(jī)玻璃抗紫外線(xiàn)輻射而達(dá)到抗老化的目的;而加 人A1203，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會(huì)提高玻璃的高溫沖擊韌性。納宋iO 2具有優(yōu)良 的紫外線(xiàn)屏蔽性能，而且質(zhì)地細(xì)膩，無(wú)毒無(wú)臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提 高。超細(xì)TiO2:還可應(yīng)用到涂料、塑料、人造纖維等行業(yè)。最近又開(kāi)發(fā)了用于食品包裝

28、的iO2 及高檔汽車(chē)面漆用的珠光納米欽白(TiO2)，能夠強(qiáng)烈吸收太陽(yáng)光中的紫外線(xiàn)，產(chǎn)生很強(qiáng)的光 化學(xué)活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有機(jī)污染物，具有除凈度高、無(wú)二次污染、適用 性廣泛等優(yōu)點(diǎn)，在環(huán)保水處理中有著很好的應(yīng)用前景。在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域，除了利用納米材料 作為催化劑來(lái)處理工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中排放的廢料外，還將出現(xiàn)功能獨(dú)特的納米膜。這種膜能探 測(cè)到由化學(xué)和生物制劑造成的污染，并能對(duì)這些制劑進(jìn)行過(guò)濾，從而消除污染。1）在陶瓷領(lǐng)域的應(yīng)用納米添加使常規(guī)陶瓷的綜合性能得到改善，納米陶瓷具有優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能， 抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性均有顯著提高。把納米氧化鋁與二氧化鋯進(jìn)行混合已獲得高韌性的陶瓷 材料，

29、燒結(jié)溫度可降低100C。我國(guó)已成功地制備了納米陶瓷粉體材料，其中氧化鋯、碳化 硅、氧化鋁、氧化鐵等制備工藝穩(wěn)定，生產(chǎn)量大，已為規(guī)模生產(chǎn)提供了良好的條件。2）在催化方面的應(yīng)用納米微粒作為催化劑應(yīng)用較多的是半導(dǎo)體光催化劑，在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機(jī)物降解、 失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2、Fe2O3, CdS，ZnS， PbS，PbSe，等。主要用處：將在這類(lèi)材料做成空心小球，浮在含有有機(jī)物的廢水表面上， 利太陽(yáng)光可進(jìn)行有機(jī)物的降解。美國(guó)、日本利用這種方法對(duì)海上石油泄漏造成的污染進(jìn)行處 理。采用這種方法還可以將粉體添加到人造纖維中制成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO

30、2粒子 表面用Cu+，Ag+離子修飾，殺菌效果更好。這種材料在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù) 室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用情景。3）在光學(xué)方面的應(yīng)用。紅外反射材料：納米微粒用于紅外反射材料上主要制成薄膜和多層膜來(lái)使用。納米微 粒的膜材料在燈泡工業(yè)上有很好的應(yīng)用前景。高壓鈉燈、碘弧燈都要求強(qiáng)照明，但電能的69% 轉(zhuǎn)化為紅外線(xiàn)，僅有一少部分電能轉(zhuǎn)化為光能來(lái)照明。用納米SiO2和納米TiO2微粒制成多層 干涉膜，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強(qiáng)的紅外線(xiàn)反射能力；優(yōu)異的光吸收材料：納米Al2O3粉體對(duì)250 nm以下的紫外光有很強(qiáng)的吸收能力，可用 于提高日光燈管使用壽命。一般地，

31、185 nm的短波紫外光對(duì)燈管的壽命有影響，而且燈管的 紫外線(xiàn)泄漏對(duì)人體有害，這是一直困擾日光燈管工業(yè)的主要問(wèn)題。如果把幾個(gè)納米的Al2O3 粉摻合到稀土熒光粉中，利用納米紫外吸收的藍(lán)移現(xiàn)象有可能吸收掉這種有害的紫外光,而 且不降低熒光粉的發(fā)光效率。納米微粒與樹(shù)脂結(jié)合可用于紫外吸收。大氣中的紫外線(xiàn)主要是在300-400 nm波段，防 曬油、化妝品中加入納米TiO2、納米ZnO、納米SiO2.納米可吸收大氣中的紫外線(xiàn)。塑料 制品在紫外線(xiàn)照射下很容易老化變脆，如果在塑料表面涂上含有納米微粒的透明涂層，這種 涂層對(duì)300-400 nm范圍有較強(qiáng)的紫外吸收性能，這樣就可以防止塑料老化。汽車(chē)、艦船的 面

32、漆中，加入能強(qiáng)烈吸收紫外線(xiàn)的納米微粒就可起到保護(hù)底漆，防止油漆脫落的作用。4）在靜電屏蔽方面的應(yīng)用納米靜電屏蔽材料，是納米技術(shù)的另一重要應(yīng)用。具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在 室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到良好的靜電屏蔽作用。日本已研制成 功具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有Fe2O3, TiO2，Cr2O3, ZnO等。同時(shí)納 米微粒的顏色不同，TiO，SiO納米粒子為白色，CrO為綠色FeO為褐色，這樣還可以控222 32 3制靜電屏蔽涂料的顏色?？朔颂己陟o電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性?；w衣服和化纖 地毯由于靜電效應(yīng)，容易吸附灰塵，危害人體健康。在其中加

33、入少量金屬納米微粒，就會(huì)使 靜電效應(yīng)大大降低，同時(shí)還有除味殺菌的作用。5）在醫(yī)藥方面的應(yīng)用控制藥物釋放、減少副作用、提高藥效、發(fā)展藥物定向治療，是健康醫(yī)學(xué)的要求。將超 微粒子注入到血液中，輸送到人體的各個(gè)部位，作為檢測(cè)和診斷疾病的手?jǐn)唷？蒲腥藛T已經(jīng) 成功利用納米SiO微粒進(jìn)行了細(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。納米材料的應(yīng)用前景由于納米微粒具有特殊的物理效應(yīng)，使得它們?cè)诖?、光、電和?duì)周?chē)h(huán)境（溫、氣氛、光、 濕度等）敏感等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性。因此，納米材料在催化、傳感、電子材料、 光學(xué)材料、磁性材料、高致密度材料的燒結(jié)、陶瓷增韌以及仿生材料等方面有廣闊的應(yīng)用前

34、 景14-17。目前納米材料的應(yīng)用主要側(cè)重于如下方面:微電子和光電子領(lǐng)域，生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域，催化劑領(lǐng)域，磁學(xué)領(lǐng)域，陶瓷領(lǐng)域等?，F(xiàn)將納米材料在微電子、光電子領(lǐng)域以及陶瓷領(lǐng)域 中的應(yīng)用,作簡(jiǎn)要說(shuō)明。6.1微電子和光電子領(lǐng)域納米電子學(xué)立足于最新的物理學(xué)理論和最先進(jìn)的工藝手段按照全新的理念來(lái)構(gòu)造電子 系統(tǒng),并開(kāi)發(fā)物質(zhì)潛在的儲(chǔ)存和處理信息的能力，實(shí)現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納 米電子學(xué)將成為本世紀(jì)信息時(shí)代的核心。隨著納米技術(shù)的發(fā)展微電子和光電子的結(jié)合更加 緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運(yùn)算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納 米技術(shù)用于現(xiàn)有雷達(dá)信息處理上，可使其能力提高幾十倍至幾百倍

35、，甚至可以將超高分辨率 納米孔徑雷達(dá)放到衛(wèi)星上進(jìn)行高精度的對(duì)地偵察。有報(bào)導(dǎo)，可以運(yùn)轉(zhuǎn)的“分子馬達(dá)”已被制 備出來(lái)，這將在“分子”水平上的納米器件及信息處理上有潛在的應(yīng)用價(jià)值19。納米團(tuán)簇 在量子激光器、單電子晶體管等許多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用20。另外，量子元件還可以使元件 的體積大大縮小，使電路大為簡(jiǎn)化，因此，量子元件的興起將導(dǎo)致一場(chǎng)電子技術(shù)的革命。6.2陶瓷領(lǐng)域隨著納米技術(shù)的廣泛應(yīng)用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生。精細(xì)陶瓷是以人工合成的高純度納米粉 末為原料,經(jīng)過(guò)粉體處理、成形、燒結(jié)、加工及設(shè)計(jì)等高技術(shù)工藝制成的含微細(xì)結(jié)構(gòu)及卓越 性能的無(wú)機(jī)非金屬材料。它具有堅(jiān)硬、耐磨、耐高溫、耐腐蝕的性能有些陶瓷材料還具有

36、 能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞功能等。此外納米陶瓷的高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗 特別是光吸收效應(yīng)都將成為材料開(kāi)拓應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域并對(duì)高技術(shù)及新材料的發(fā)展產(chǎn)生 重要作用21。例如，現(xiàn)已證實(shí)，納米陶瓷CaF2和TiO2在常溫下具有很好的韌性和延展性能。 德國(guó)Saddr-land大學(xué)的研究發(fā)現(xiàn),CaF2和TiO2納米陶瓷材料在80180C內(nèi)可產(chǎn)生約100%的塑 性形變，而且燒結(jié)溫度降低，能在比大晶粒樣品低600 C的溫度下達(dá)到類(lèi)似于普通陶瓷的硬度 22。許多專(zhuān)家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過(guò)程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問(wèn)題則納米 陶瓷將具備高硬度、高韌性、低溫超塑性和易加工等優(yōu)點(diǎn)。結(jié)論與前景由于納

37、米技術(shù)對(duì)國(guó)家未來(lái)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展及國(guó)防安全具有重要意義，世界各國(guó)（地區(qū)） 紛紛將納米技術(shù)的研發(fā)作為21世紀(jì)技術(shù)創(chuàng)新的主要驅(qū)動(dòng)器，相繼制定了發(fā)展戰(zhàn)略和計(jì)劃，以 指導(dǎo)和推進(jìn)本國(guó)納米科技的發(fā)展。目前，世界上已有50多個(gè)國(guó)家制定了國(guó)家級(jí)的納米技術(shù)計(jì) 劃。一些國(guó)家雖然沒(méi)有專(zhuān)項(xiàng)的納米技術(shù)計(jì)劃，但其他計(jì)劃中也往往包含了納米技術(shù)相關(guān)的研 發(fā)。我國(guó)政府在2001年7月就發(fā)布了國(guó)家納米科技發(fā)展綱要，并在國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展 綱要中明確中國(guó)納米科技發(fā)展的路線(xiàn)圖。目前我國(guó)在納米材料及其應(yīng)用、掃描隧道顯微鏡分 析和單原子操縱等方面研究較多，主要以金屬和無(wú)機(jī)非金屬納米材料為主，約占80%，高分 子和化學(xué)合成材料也是一個(gè)重要方面，而在納米電子學(xué)、納米器件和納米生物醫(yī)學(xué)研究方面 與發(fā)達(dá)國(guó)家有