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用前景，被譽(yù)為跨世紀的新材料，引起了科學(xué)界和企業(yè)界的極大關(guān)注。一些國家政府高度重視納米材料，先后將其列入美國的“星球大戰”、歐洲的“尤里卡”及日本的“高技術(shù)探索研究”等高技術(shù)研究計劃，發(fā)展迅速。我國也及時(shí)地編制“863”計劃，對其進(jìn)行跟蹤和研究開(kāi)發(fā)，國家火炬計劃重點(diǎn)支持研究成果向生產(chǎn)力的轉化，使納米材料的研究開(kāi)發(fā)取得了可喜的進(jìn)展。
現代材料和物理學(xué)家所稱(chēng)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(chēng)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)現者是著(zhù)名的美國物理學(xué)家，兩次諾貝爾獎金獲得者RichardFeynmen。他在60年代曾經(jīng)預言：如果我們能控制物體微小規模上的排序，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(lèi)很多，可分為金屬、陶瓷、有機與無(wú)機、復合納米材料等。
納米材料的特殊性能由于納米材料的特殊結構——物質(zhì)的顆粒尺寸＜100nm的超微粉末，它的比表面積很大，晶界處的原子數比率高達15%—50%，使之產(chǎn)生四大效應，即小尺寸效應、量子效應(含宏觀(guān)量子隧道效應)、表面效應和界面效應，從而具有傳統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)，仍然是各國科學(xué)家研究的重點(diǎn)。目前，已經(jīng)報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、激光誘導法、真空成型法、惰性氣體凝聚法、機械合金熔合法、共沉淀法、水熱法、水解法、微孔液法、溶膠—凝膠法等等。
納米材料標志著(zhù)人們對材料性能的發(fā)掘達到了新的高度，這項技術(shù)大范圍地改造了傳統材料，又源源不斷地創(chuàng )造出新的材料，開(kāi)辟了廣闊的應用領(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、德國和日本科學(xué)家先后制成多種納米材料粉末及燒結塊體材料，開(kāi)始了納米材料及技術(shù)的研究時(shí)代。為了總結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年在美國召開(kāi)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，各國科學(xué)家積極參與了對納米材料物理和化學(xué)性能的研究，不斷地發(fā)現納米材料的特殊性能，引起各國科學(xué)家和政府的關(guān)注，特別是工業(yè)化國家給予專(zhuān)款支持，使納米材料的性能開(kāi)發(fā)、制備技術(shù)和實(shí)際應用得到了迅速發(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，粒子表面的原子數與其體內數目可比，例如5納米微粒，表面原子比例占百分之四十，比表面積達成180米2/克，導致納米材料出現不同于傳統固體材料的小尺寸，表面和量子隧道等效應引發(fā)的結構和能態(tài)的變化，產(chǎn)生了許多獨特的光、電、磁、力學(xué)等物理化學(xué)特能。例如納米ZrO2分可在1250℃燒結到理論密度百分之九十分以上(比微米級降低400℃)，具有400%超塑性變形；納米粒子的室溫可發(fā)射可見(jiàn)光；由量子效應可使絕緣體變成導體，具有共價(jià)鍵結構無(wú)極性相聯(lián)系的壓早效應和極高交流電導，常規磁性的鐵基粒子如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)作用才表現出磁性)，對人體細胞具有選擇性吸收性能，目前已利用作為細胞醫用炮彈載體和人體磁共振檢驗示蹤劑的組員。
納米ZnO2粒子具有優(yōu)良的屏蔽紫外線(xiàn)性能，人們已開(kāi)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)應用已成為國內外跨新世紀研究開(kāi)發(fā)熱點(diǎn)，并開(kāi)拓發(fā)展成為高技術(shù)產(chǎn)業(yè)，在電子、化工、機械、生物醫學(xué)等工業(yè)領(lǐng)域內，具有日益廣泛發(fā)展的應用前景。
美國、日本和德國在納米材料的研制與發(fā)展方面處于世界領(lǐng)先水平?，F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(kāi)發(fā)和軍事應用領(lǐng)域作出了突出貢獻。
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(lèi)：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(xiàn)）；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、高硬和良好的塑性。金屬材料的屈服強度和硬度隨著(zhù)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和量子尺寸效應對納米材料的光學(xué)特性有很大的影響。如，它的紅外吸收譜頻帶展寬，吸收譜中的精細結構消失，中紅外有很強的光吸收能力。
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)愈加嚴重，使得其導電性特殊。當晶粒尺寸達到納米量級，金屬會(huì )顯示非金屬特征。
納米材料與常規材料在磁結構方面的很大差異，必然在磁學(xué)性能表現出來(lái)。當晶粒尺寸減小到臨界尺寸時(shí)，常規的鐵磁性材料會(huì )轉變?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，因此它具有相當高的化學(xué)活性，在催化等，敏感和響應等性能方面顯得尤為突出。
二、納米材料迅速投入應用的方向
如上所述，納米材料擁有優(yōu)異的特性，吸引著(zhù)人們在眾多的領(lǐng)域開(kāi)發(fā)應用。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)一步擴大應用。然而利用納米材料的優(yōu)異特性，對傳統材料進(jìn)行改性，是一條經(jīng)濟、實(shí)用的可行方法，有利于納米材料的應用迅速擴大。
納米材料有望在以下方面率先有較大規模的應用。納米Co－WC的硬度提高一倍以上，且韌性和耐磨性均顯著(zhù)改善。納米氧化鋁添加到氧化鋁陶瓷中，顯著(zhù)地起到增強和增韌作用?？梢?jiàn)，納米材料對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，擴大陶瓷材料的應用開(kāi)辟了一條新的途徑。根據納米材料的光學(xué)特征，可以進(jìn)行光學(xué)設計、制備各種光學(xué)功能材料，用于制造紅外探測裝置、非線(xiàn)性光學(xué)器件以及抗紫外照射的設備。納米材料達到單疇臨界尺寸，產(chǎn)生很高的矯頑力，可用于制成各種磁卡，用于信息存儲系統；制成磁性液體，廣泛地應用于阻尼器件，旋轉密封等；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)相結合，有利于納米材料的擴大應用，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
根據納米涂層的組成將其分為三類(lèi)：完全為一種納米材料體系、兩種（或以上）納米材料構成的復合體系，稱(chēng)0－0復合；添加納米材料的復合體系，稱(chēng)為0－2復合。
完全的納米材料涂層離商業(yè)化尚有相當一段距離，只有在軍事上有所應用。但借助于傳統的涂層技術(shù)，添加納米材料，可使傳統涂層的功能得到飛躍提高，技術(shù)上勿需增加太大的成本。這種納米添加的復合體系涂層很快就可走向市場(chǎng)展示出強勁的應用勢頭。
利用現有的涂層技術(shù)，針對涂層的性能，添加納米材料，都可以獲得納米復合體系涂層。納米涂層的實(shí)施對象既可以是傳統材料基體，也可以是粉末顆?；蚴抢w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
凡是傳統表面涂層技術(shù)，都可以用來(lái)或者稍加改造，實(shí)現納米材料復合涂層。
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，可以達到減小摩擦系數的效果，形成自潤滑材料，甚至獲得超潤滑功能。在一些涂層中復合C60，巴基管等，制備出超級潤滑新材料。涂層中引入納米材料，可顯著(zhù)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散，改善了氧化層的生長(cháng)機制和力學(xué)性質(zhì)。
納米材料涂層可以提高基體的腐蝕防護能力，達到表面修飾、裝飾目的。在油漆或涂料中加入納米顆粒，可進(jìn)一步提高其防護能力，能夠耐大氣，紫外線(xiàn)侵害，從而實(shí)現防降解，防變色等功效；另外，還可以在建材產(chǎn)品，如衛生潔具、室內空間、用具等中運用納米材料涂層，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)光范圍內出現熒光，用于多種光學(xué)應用需要，如傳感器等器件。在各種標牌表面施以納米材料涂層，成為發(fā)光、反光標牌；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，產(chǎn)生特殊的防偽，識別手段。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體性質(zhì)的粒子，加入到樹(shù)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；納米結構的多層膜系統產(chǎn)生巨磁阻效應，可望作為應用于存儲系統中的讀出磁頭。
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(zhù)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(kāi)創(chuàng )、提高，在納米材料的制備合成技術(shù)不斷取得進(jìn)展和基礎理論的日趨完善基礎上，納米功能涂層會(huì )有更快的發(fā)展，應用面將遍及多個(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。這是因為納米材料具有與傳統材料明顯不同的一些特征。例如，納米鐵材料的斷裂應力比一般鐵材料高12倍；氣體通過(guò)納米材料的擴散速度比通過(guò)一般材料的擴散速度快幾千倍等；納米相的銅比普通的銅堅固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(chēng)為超塑性等。
效應顏料 這是納米材料最重要最有前途的用途之一，特別是在汽車(chē)的涂裝業(yè)中，因為納米材料具有隨角變統汽車(chē)面漆大增光輝，深受配受專(zhuān)家的喜愛(ài)。
防護材料 由于某些納米材料透明性好和具有優(yōu)異的紫外線(xiàn)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(xiàn)對這些產(chǎn)品和材料的損傷作用，使之更加具有耐久性和透明性。因而被廣泛用于護膚產(chǎn)品、所裝材料、外用面漆、木器保護、天然和人造纖維以及農用塑料薄膜等方面。
精細陶瓷材料 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。因為這些納米粒子非常小，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、還原及合成反應的催化劑，可大大提高反應效率。利用納米鎳粉作為火箭固體燃料反應催化劑，燃燒效率可提高100倍，如用硅載體鎳催化劑對丙醛的氧化反應表明，鎳粒徑在5nm以下，反應選擇性發(fā)生急劇變化，醛分解反應得到有效控制，生成酒精的轉化率急劇增大。
磁性材料 納米粒子屬單磁疇區結構的粒子，它的磁化過(guò)程完全由旋轉磁化進(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構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(chēng)之為超順磁性，這時(shí)磁相互作用弱。利用這種超強磁性可作磁流體，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(zhù)廣闊的應用前景。
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)和電子運輸的變化，利用其電阻的顯著(zhù)變化可做成傳感器，其特點(diǎn)是響應速度快、靈敏度高、選擇性?xún)?yōu)良。
材料的燒結 由于納米粒子的小尺寸效應及活性大，不論高熔點(diǎn)材料還是復合材料的燒結，都比較容易。具有燒結溫度低、燒結時(shí)間短，而且可得到燒結性能良好的燒結體。例如普通鎢粉耐在3000℃的高溫下燒結，而當摻入01%～05%的納米鎳粉時(shí)，燒結成形溫度可降低到1200℃到1311℃。
醫學(xué)與生物工程 納米粒子與生物體有著(zhù)密切的關(guān)系。如構成生命要素之一的核糖核酸蛋白質(zhì)復合體。其粒度在15～20nm之間，生物體內的多種病毒也是納米粒子。此外用納米Si02微?？蛇M(jìn)行細胞分離，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結構及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息，特別是細胞內的各種信息，中利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，對人體進(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、殺死癌細胞等。印刷油墨 根據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、體積適當的粒子材料來(lái)制得各種顏色的油墨。
能源與環(huán)保 德國科學(xué)家正在設計用納料材料制作一個(gè)高溫燃燒器，通過(guò)電化學(xué)反應過(guò)程，不經(jīng)燃燒就把天然氣轉化為電能。燃料的利用率要比一般電廠(chǎng)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(xiàn)，可以使芯片集成度提高，電子元件體積縮小，使半導體技術(shù)取得突破性進(jìn)展，大大提高了計算機的容量和進(jìn)行速度，對微器件制作起決定性的推動(dòng)作用。納米材料在使機器微型化及提高機器容量方面的應用前景被很多發(fā)達國家看好，有人認為它可能引發(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構與光學(xué)性能作為非線(xiàn)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)能電池在內的儲能及能量轉換材料等具有很高的應用價(jià)值。
增強材料 納米結構的合金具有很高的延展性等，在航空航天工業(yè)與汽車(chē)工業(yè)中是一類(lèi)很有應用前景的材料；納米硅作為水泥的添加劑可大大提高其強度；納米纖維作硫化橡膠的添加劑可增強橡膠并提高其回彈性，納米管在作纖維增強材料方面也有潛在的應用前景。
納米濾膜 采用納米材料發(fā)展出分離僅在分子結構上有微小差別的多組分混合物，實(shí)現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、顏料穩定劑及智能涂料、復合磁性材料等。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，廣泛應用于宇航、國防工業(yè)、磁記錄設備、計算機工程、環(huán)境保護、化工、醫藥、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，也為傳統產(chǎn)業(yè)帶來(lái)生機和活力?？梢灶A言，納米材料制備技術(shù)的不斷開(kāi)發(fā)及應用范圍的拓展，必將對傳統的化學(xué)工業(yè)和其它產(chǎn)業(yè)重大影響。
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