纳米吸波复合材料的研究与
发展趋势
吸波复合材料主要是应用在飞机，坦克等表面
来降低其被探测和摧毁的概率，提高目标的生存能
力。吸波复合材料是一类功能复合材料，它能吸收投
射到它表面的电磁波能量，并通过材料的介质损耗
使电磁波能量转变成热能或其它形式的能量_1]。吸
波复合材料是由功能体(吸收剂)和基体组成。当吸
波复合材料中的功能体为纳米量级时，吸波复合材
料将产生不同于常规材料的吸波性能。在已公开报
道的纳米吸波复合材料中，性能比较突出的是美国
研制的“超黑粉”纳米吸波复合材料_2J，它实质上就
是以纳米石墨为功能体的石墨一热塑性复合材料和
石墨环氧树脂复合材料。
纳米吸波复合材料之所以具有不同寻常的吸波
性能是因为纳米材料的特殊结构引起的口]。一方面，
纳米微粒尺寸为1～100 nm，远小于雷达发射的电
磁波波长，对电磁波的透过率大大高于常规材料，这
就大大降低了电磁波的反射率；另一方面，纳米微粒
材料的比表面积比常规微粒大3～4个数量级，对电
磁波和红外光波的吸收率也比常规材料高得多。此
外，随着颗粒的细化，颗粒的表面效应和量子尺寸效
应变得突出，颗粒的界面极化和多重散射成为重要
的吸波机制，量子尺寸效应使纳米颗粒的电子能级
发生分裂，其间隔正处于微波能量范围(10 ～10
eV从而形成新的吸波通道_|J。
吸波复合材料按其应用形式可分为涂敷型吸波
复合材料和结构型吸波复合材料。
1 涂敷型吸波复合材料
纳米铁氧体吸波复合材料_5。o]
铁氧体吸波复合材料是既有一定介电常数和介
电损耗，又有一定磁导率和磁损耗的双复介质。它除
有电子共振损耗外，还具有铁氧体特有的畴壁共振
损耗、磁矩自然共振损耗和粒子共振损耗等特性。其
作用机理可概括为铁氧体对电磁波的磁损耗和介电
损耗。
23(5)：796—800．
[37] 李华，Bocaz—Beneventi G，Have J．计算机与应用化
学_J]，2002，1 9(3)：296—297．
[38] 熊少祥，李建军，程介克．分析测试学报EJ3，1996，15
(3)：69—73．
将铁氧体纳米颗粒与聚合物复合而成的纳米复
合吸波材料能有效吸收和衰减电磁波和声波，被认
为是一种极好的吸波材料。铁氧体纳米复合材料多
层膜在7～17 GHz的频率段内的峰值吸收为一4O
dB，小于一lO dB的频宽为2GHz_l 。王国强等人对
比了纳米铁氧体／导电聚合物复合吸波材料和非纳
米铁氧体／导电聚合物复合吸波材料的吸波性能。实
验结果表明，在8～12 GHz的频段内，纳米吸波复
合材料的吸收率均高于非纳米吸波复合材料_1引。
铁氧体吸波复合材料的研究重点在于如何通过
调整材料本身的化学组成、粒径及其分布、粒子形貌
及分散性等来提高复合材料损耗特性和降低其密
度。美国已研制出一系列薄层状铁氧体吸波复合涂
料，并成功应用于F一117A战斗机。
纳米金属粉吸波复合材料_l �6�8
从金属的电子能级跃迁、原子相对振动的光学
波、原子的转动能级和原子磁能级的分析可以看出，
具有磁性的金属超细颗粒与电磁波有强烈的相互作
用，具备大量吸收电磁波能量的条件_l 。
纳米金属粉吸波复合材料具有微波磁导率较
高、温度稳定性好(居里温度高达770 K)等突出优
点，己得到了广泛应用。纳米金属粉吸波复合材料主
要包括羰基纳米金属粉复合材料和纳米磁性金属粉
复合材料两类。其中羰基纳米金属粉主要包括羰基
Fe、羰基Ni和羰基Co等：纳米磁性金属粉主要包
括Co、Ni、CoNi和FeNi等。
陈利民等人[1副制备了高抗氧化能力的纳米金
属吸波复合材料y一(Fe，Ni)。实验结果表明，该材料
在厘米波和毫米波波段均有较好的吸波性能。法国
科学家最新研制成功了一种由CoNi纳米金属合金
粉与绝缘层构成的复合材料。将该材料与粘合剂复
合而成的吸波复合材料的电阻率高于5 Q�6�1cm，在
50 MHz～50 GHz的频率范围内具有良好吸波性
能 引。
纳米有机聚合物吸波复合材料
作为功能体的导电聚合物主要包括聚乙炔、聚
苯胺、聚吡咯、聚噻吩等。其主要的吸波机理是：利用
某些具有共轭主链的高分子聚合物，通过化学或电
化学方法与掺杂剂进行电荷转移作用来设计其导电
结构，实现阻抗匹配和电磁损耗，从而吸收雷达波。
将不同种类的无机纳米相与有机聚合物复合可
以制成强吸收的电阻损耗型、介电损耗型、磁损耗型
纳米吸波复合材料。比如，将碳纳米管与聚合物复合
能形成一种性能优良的电阻型宽带吸波复合材料。
因为碳纳米管具有良好的导电性，引入到聚合物中
不仅可形成导电网络，而且对复合材料有增强作用，
比常规的炭黑、石墨填充到聚合物中的吸波性能强
得多。
结构型纳米吸波复合材料n。 们
结构型吸波复合材料既能吸波，又能承载，具有
频率宽、效率高、不增加消极重量等优点。目前结构
型吸波复合材料主要有两大类：蜂窝夹层型吸波复
合材料和层压平板型吸波复合材料口 。。]。
下面主要研究作为功能体的结构型纳米复合材
料的特点与应用。
纳米SiC吸波复合材料lL2 。
SiC功能体具有密度小、耐高温性能好和吸收
频带宽等优点，但常规制备的SiC吸收效率较低，不
能直接作为吸波复合材料的功能体。因此，必须对
SiC进行一定的处理以提高其吸收效率。一般采取
以下两种处理方法：提高SiC的纯度和对其进行有
控制的掺杂。日本利用高纯度的原料，制得了纯度极
高的SiC粉体。前苏联曾用掺杂的方法提高了SiC
的吸波性能。
此外，还可以采用多层复合的结构形式进行改
进。日本用二氧化碳激光法制备出了具有优良吸波
性能的Si／C／N 和Si／C／N／O 吸波复合材料 。
最新的研究结果表明，Si／C／N和Si／C／N／O纳米吸
波复合材料在毫米波段和厘米波段均有优良的吸波
性能。
纳米SiC纤维吸波复合材料
SiC系列纤维具有强度高、模量高、热膨胀系数
低、电阻率可调节等特性和耐高温氧化直径小、易于
编织等特点，是高性能复合材料的理想增强剂。由于
常规SiC纤维的电阻率分布在10。～10 Q �6�1C1TI的
范围内，而其电阻率在10 ～10。Q�6�1C1TI范围内才具
备较好的吸波效果。因此，SiC纤维必须用适当的处
理来调节其电阻率。一般采用的方法为高温处理法
和掺杂异元素法。
王 军等人L2 制备出力学性能良好、电阻率连
续可调的纳米SiC／Ti复合纤维。将这种纤维与环氧
树脂复合后可得到具有良好的吸波性能的结构型吸
波复合材料。
前景展望
针对吸波材料“薄、轻、宽、强”等性能方面的更
高要求，需要首先研制出具有吸波性能的纳米粉体，
然后根据具体要求将不同种类的纳米粉体进行各种
形式的复合以获得最佳吸波性能。在先进复合材料
基础上发展起来的既能隐身又能承载的结构型吸波
复合材料，是当今吸波复合材料的主要发展方向。其
关键技术主要包括复合材料层板的研制、介电性能
的设计匹配、有“吸、透、散”等功能的夹芯材料的研
制与设计及诸因素的优化组合匹配等。
随着先进探测器的相继问世，吸波复合材料必
将发展成能兼容米波、厘米波、毫米波、红外和激光
等多波段的吸波复合材料。
纳米材料技术作为一门高新科学技术，纳米技术具有极大的价值和作用。下面我给大家分享一些纳米材料与技术3000字论文， 希望能对大家有所帮助！
纳米材料与技术3000字论文篇一：《试谈纳米复合材料技术发展及前景》
[摘要]纳米材料是指材料显微结构中至少有一相的一维尺度在100nm以内的材料。纳米材料由于平均粒径微小、表面原子多、比表面积大、表面能高，因而其性质显示出独特的小尺寸效应、表面效应等特性，具有许多常规材料不可能具有的性能。纳米材料由于其超凡的特性，引起了人们越来越广泛的关注,不少学者认为纳米材料将是21世纪最有前途的材料之一，纳米技术将成为21世纪的主导技术。
[关键词]高聚物纳米复合材料
一、 纳米材料的特性
当材料的尺寸进入纳米级，材料便会出现以下奇异的物理性能：
1、尺寸效应
当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或投射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体的边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面附近原子密度减小，导致声、光电、磁、热、力学等特性呈现出新的小尺寸效应。如当颗粒的粒径降到纳米级时，材料的磁性就会发生很大变化，如一般铁的矫顽力约为80A/m，而直径小于20nm的铁，其矫顽力却增加了1000倍。若将纳米粒子添加到聚合物中，不但可以改善聚合物的力学性能，甚至还可以赋予其新性能。
2、表面效应
一般随着微粒尺寸的减小，微粒中表面原子与原子总数之比将会增加，表面积也将会增大，从而引起材料性能的变化，这就是纳米粒子的表面效应。
纳米微粒尺寸d(nm) 包含总原子表面原子所占比例(%)103×1042044×1034022.5×1028013099从表1中可以看出，随着纳米粒子粒径的减小，表面原子所占比例急剧增加。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，很容易与 其它 原子结合。若将纳米粒子添加到高聚物中，这些具有不饱和性质的表面原子就很容易同高聚物分子链段发生物理化学作用。
3、量子隧道效应
微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。它的研究对基础研究及实际 应用，如导电、导磁高聚物、微波吸收高聚物等，都具有重要意义。
二、高聚物/纳米复合材料的技术进展
对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛，按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类：
1、高聚物/粘土纳米复合材料
由于层状无机物在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区，其片层间距一般为纳米级，它不仅可让聚合物嵌入夹层，形成“嵌入纳米复合材料”，还可使片层均匀分散于聚合物中形成“层离纳米复合材料”。其中粘土易与有机阳离子发生交换反应，具有的亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高其粘结。其制备的技术有插层法和剥离法，插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后，制成“嵌入纳米复合材料”，而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离，形成“层离纳米复合材料”。
2、高聚物/刚性纳米粒子复合材料
用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性 方法 。随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的 发展 ，特别是近年来纳米级无机粒子的出现，塑料的增韧彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法。采用纳米刚性粒子填充不仅会使韧性、强度得到提高，而且其性价比也将是不能比拟的。
3、高聚物/碳纳米管复合材料
碳纳米管于1991年由S.Iijima 发现，其直径比碳纤维小数千倍，其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料。
碳纳米管的力学性能相当突出。现已测出碳纳米管的强度实验值为30-50GPa。尽管碳纳米管的强度高，脆性却不象碳纤维那样高。碳纤维在约1%变形时就会断裂，而碳纳米管要到约18%变形时才断裂。碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa，比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级。
在电性能方面，碳纳米管作聚合物的填料具有独特的优势。加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性。与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比，碳纳米管有高的长径比，因此其体积含量可比球状碳黑减少很多。同时，由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好，填入聚合物基体时不会断裂，因而能保持其高长径比。爱尔兰都柏林Trinity学院进行的研究表明，在塑料中含2%-3%的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级，从10-12s/m提高到了102s/m。
三、前景与展望
在高聚物/纳米复合材料的研究中存在的主要问题是：高聚物与纳米材料的分散缺乏专业设备，用传统的设备往往不能使纳米粒子很好的分散，同时高聚物表面处理还不够理想。我国纳米材料研究起步虽晚但 发展 很快，对于有些方面的研究 工作与国外相比还处于较先进水平。如：漆宗能等对聚合物基粘土纳米复合材料的研究;黄锐等利用刚性粒子对聚合物改性的研究都在学术界很有影响;另外，四川大学高分子 科学 与工程国家重点实验室发明的磨盘法、超声波法制备聚合物基纳米复合材料也是一种很有前景的手段。尽管如此，在总体水平上我国与先进国家相比尚有一定差距。但无可否认，纳米材料由于独特的性能，使其在增强聚合物 应用中有着广泛的前景，纳米材料的应用对开发研究高性能聚合物复合材料有重大意义。特别是随着廉价纳米材料不断开发应用，粒子表面处理技术的不断进步，纳米材料增强、增韧聚合物机理的研究不断完善，纳米材料改性的聚合物将逐步向 工业 化方向发展，其应用前景会更加诱人。
参考 文献 ：
[1] 李见主编.新型材料导论.北京：冶金工业出版社，1987.
[2]都有为.第三期工程科技 论坛 ——‘纳米材料与技术’ 报告 会.
[3]rohlich J，Kautz H，Thomann R[J].Polymer，2004，45(7)：2155-2164.
纳米材料与技术3000字论文篇二：《试论纳米技术在新型包装材料中的应用》
【摘 要】作为一门高新科学技术，纳米技术具有极大的价值和作用。进入20世纪90年代，纳米科学得到迅速的发展，产生了纳米材料学、纳米化工学、纳米机械学及纳米生物学等，由此产生的纳米技术产品也层出不穷，并开始涉及汽车行业。
【关键词】纳米技术 包装材料
1 纳米技术促进了汽车材料技术的发展
纳米技术可应用在汽车的任何部位，包括发动机、底盘、车身、内饰、车胎、传动系统、排气系统等。例如，在汽车车身部分，利用纳米技术可强化钢板结构，提高车体的碰撞安全性。另外，利用纳米涂料烤漆，可使车身外观色泽更为鲜亮、更耐蚀、耐磨。内装部分，利用纳米材料良好的吸附能力、杀菌能力、除臭能力使室内空气更加清洁、安全。在排气系统方面，利用纳米金属做为触媒，具有较高的转换效果。
由于纳米技术具有奇特功效，它在汽车上得到了广泛的应用，提升汽车性能的同时延长使用寿命。
2 现代汽车上的纳米材料
(1)纳米面漆。汽车面漆是对汽车质量的直观评价，它不但决定着汽车的美观与否，而且直接影响着汽车的市场竞争力。所以汽车面漆除要求具有高装饰性外，还要求有优良的耐久性，包括抵抗紫外线、水分、化学物质及酸雨的侵蚀和抗划痕的性能。纳米涂料可以满足上述要求。纳米颗粒分散在有机聚合物骨架中，作承受负载的填料，与骨架材料相互作用，有助于提高材料的韧性和其它机械性能。研究表明，将10%的纳米级TiO2粒子完全分散于树脂中，可提高其机械性能，尤其可使抗划痕性能大大提高，而且外观好，利于制造汽车面漆涂料;将改性纳米CaCO3以质量分数15%加入聚氨酯清漆涂料中，可提高清漆涂料的光泽、流平性、柔韧性及涂层硬度等。
纳米TiO2是一种抗紫外线辐射材料，加之其极微小颗粒的比表面积大，能在涂料干燥时很快形成网络结构，可同时增强涂料的强度、光洁度和抗老化性;以纳米高岭土作填料，制得的聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料不仅透明，而且吸收紫外线，同时也可提高热稳定性，适合于制造汽车面漆涂料。
(2)纳米塑料。纳米塑料可以改变传统塑料的特性，呈现出优异的物理性能：强度高，耐热性强，比重更小。随着汽车应用塑料数量越来越多，纳米塑料会普遍应用在汽车上。主要有阻燃塑料、增强塑料、抗紫外线老化塑料、抗菌塑料等。阻燃塑料是燃烧时，超细的纳米材料颗粒能覆盖在被燃材料表面并生成一层均匀的碳化层，起到隔热、隔氧、抑烟和防熔滴的作用，从而起到阻燃作用。
目前汽车设计要求规定，凡通过乘客座舱的线路、管路和设备材料必须要符合阻燃标准，例如内饰和电气部分的面板、包裹导线的胶套，包裹线束的波纹管、胶管等，使用阻燃塑料比较容易达到要求。增强塑料是在塑料中填充经表面处理的纳米级无机材料蒙脱土、CaCO3、SiO2等，这些材料对聚丙烯的分子结晶有明显的聚敛作用，可以使聚丙烯等塑料的抗拉强度、抗冲击韧性和弹性模量上升，使塑料的物理性能得到明显改善。
抗紫外线老化塑料是将纳米级的TiO2、ZnO等无机抗紫外线粉体混炼填充到塑料基材中。这些填充粉体对紫外线具有极好的吸收能力和反射能力，因此这种塑料能够吸收和反射紫外线，比普通塑料的抗紫外线能力提高20倍以上。据报道这类材料经过连续700小时热光照射后，其扩张强度损失仅为10%，如果作为暴露在外的车身塑料构件材料，能有效延长其使用寿命。抗菌塑料是将无机的纳米级抗菌剂利用纳米技术充分地分散于塑料制品中，可将附着在塑料上的细菌杀死或抑制生长。这些纳米级抗菌剂是以银、锌、铜等金属离子包裹纳米TiO2、CaCO3等制成，可以破坏细菌生长环境。据介绍无机纳米抗菌塑料加工简单，广谱抗菌，24小时接触杀菌率达90%，无副作用。
(3)纳米润滑剂。纳米润滑剂是采用纳米技术改善润滑油分子结构的纯石油产品，它不会对润滑油添加剂、稳定剂、处理剂、发动机增润剂和减磨剂等产品产生不良作用，只是在零件金属表面自动形成纯烃类单个原子厚度的一层薄膜。由于这些微小烃类分子间的相互吸附作用，能够完全填充金属表面的微孔，最大可能地减小金属与金属间微孔的摩擦。与高级润滑油或固定添加剂相比，其极压可增加3倍-4倍，磨损面减小16倍。由于金属表面得到了保护，减小了磨损，使用寿命成倍增加。
另外，由于纳米粒子尺寸小，经过纳米技术处理的部分材料耐磨性是黄铜的27倍、钢铁的7倍。目前纳米陶瓷轴承已经应用在奔驰等高级轿车上，使机械转速加快、质量减小、稳定性增强，使用寿命延长。
(4)纳米汽油。纳米汽油最大优点是节约能源和减少污染，目前已经开始研制。该技术是一种利用现代最新纳米技术开发的汽油微乳化剂。它能对汽油品质进行改造，最大限度地促进汽油燃烧，使用时只要将微乳化剂以适当比例加入汽油便可。交通部汽车运输节能技术检测中心的专家经试验后认为，汽车在使用加入该微乳化剂的汽油后，可降低其油耗10%～20%，增加动力性能25%，并使尾气中的污染物(浮碳、碳氢化合物和氮氧化合物等)排放降低50%～80%。它还可以清除积碳，提高汽油的综合性能。更令人注意的是，纳米技术应用在燃料电池上，可以节省大量成本。因为纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力。根据实验结果，在室温常压下，约2/3的氢能可以从这些纳米材料中得以释放，故其能替代昂贵的超低温液氢储存装置。
(5)纳米橡胶。汽车中橡胶材料的应用以轮胎的用量最大。在轮胎橡胶的生产中，橡胶助剂大部分成粉体状，如炭黑、白炭黑等补强填充剂、促进剂、防老剂等。以粉体状物质而言，纳米化是现阶段橡胶的主要发展趋势。新一代纳米技术已成功运用其它纳米粒子作为助剂，而不再局限于使用炭黑或白炭黑，汽车中最大的改变即是，轮胎的颜色已不再仅限于黑色，而能有多样化的鲜艳色彩。另外无论在强度、耐磨性或抗老化等性能上，新的纳米轮胎均较传统轮胎都优异，例如轮胎侧面胶的抗裂痕性能将由10万次提高到50万次。
(6)纳米传感器。传感器是纳米技术应用的一个重要领域，随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。半导体纳米材料做成的各种传感器，可灵敏地检测温度、湿度和大气成分的变化，这在汽车尾气和大气环境保护上已得到应用。纳米材料来制作汽车尾气传感器，可以对汽车尾气中的污染气体进行吸附与过滤，并对超标的尾气排放情况进行监控与报警，从而更好地提高汽车尾气的净化程度，降低汽车尾气的排放。我国纳米压力传感器的研制已获得成功，产品整体性能超过国外的超微传感器，缩小了我国在这一技术领域与世界先进国家存在的差距。有专家认为，到2020年，纳米传感器将成为主流。
(7)纳米电池。早在1991年被人类发现的碳纳米管韧性很高，导电性极强，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍， 密度只有钢的1/6。我国科学家最近已经合成高质量的碳纳米材料，使我国新型储氢材料研究一举跃入世界先进行列。此种新材料能储存和凝聚大量的氢气，并可做成燃料电池驱动汽车，储氢材料的发展还会给未来的交通工具带来新型的清洁能源。
结语
随着材料技术的发展，纳米技术已成为当今研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革，未来汽车技术的发展，有极大部分与纳米技术密切相关，纳米材料和纳米技术将会给汽车新能源、新材料、新零部件带来深远的影响。对于汽车制造商而言，纳米技术的有效运用，有效地促进技术升级、提升附加价值。相信在不久的将来，纳米技术必将在汽车的制造领域得到更广泛的应用。
参考文献
[1]肖永清.纳米技术在汽车上的应用[J].轻型汽车技术，2004.12.
[2]潘钰娴，樊琳.纳米材料的研究和应用[J].苏州大学学报(工科版)，2002.
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纳米材料与技术3000字论文篇三：《试谈纳米技术及纳米材料的应用》
摘要：本文主要论述了纳米材料的兴起、纳米材料及其性质表现、纳米材料的应用示例、纳米材料的前景展望，以供与大家交流。
关键词：纳米材料;应用;前景展望
1.纳米技术引起纳米材料的兴起
1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。80年代初，德国科学家H.V.Gleiter成功地采用惰性气体凝聚原位加压法制得纯物质的块状纳米材料后，纳米材料的研究及其制备技术在近年来引起了世界各国的普遍重视。由于纳料材料具有独特的纳米晶粒及高浓度晶界特征以及由此而产生的小尺寸量子效应和晶界效应，使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、磁、光、电、声等性能，使得对纳米材料的制备、结构、性能及其应用研究成为90年代材料科学研究的 热点 。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。
2.纳米材料及其性质表现
2.1纳米材料
纳米(nm)是长度单位，1纳米是10-9米(十亿分之一米)，对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级;对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。
2.2纳米材料的特殊性质
纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著影响，并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强。因此纳米材料所表现的力、热、声、光、电磁等性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度——硬度、高扩散性、高塑性——韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率、强软磁性能。这些特殊性能使纳米材料可广泛地用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领域。
3.纳米材料的应用示例
目前纳米材料主要用于下列方面：
3.1高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料
纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。
3.2纳米结构软磁材料
Finemet族合金已经由日本的Hitachi Special Metals，德国的Vacuumschmelze GmbH和法国的 Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的 Alps Electric Co.一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。
3.3电沉积纳米晶Ni
电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为 EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。
3.4Al基纳米复合材料
Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如 Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为Gigas TM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500%。
4.纳米材料的前景趋向
经过我国材料技术人员多年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生;用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用;分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。
近年来还有一些引人注目的发展趋势新动向，如：(1)纳米组装体系蓝绿光的研究出现新的苗头;(2)巨电导的发现;(3)颗粒膜巨磁电阻尚有潜力;(4)纳米组装体系设计和制造有新进展。
碳纳米管
作者：张楚钰
碳纳米管：贵比黄金、细赛人发的"超级纤维"
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贵比黄金、细赛人发的“超级纤维”碳纳米管，实际上和金刚石、石墨同属于一个家族。作为近年来材料领域的研究热点，碳纳米管受到各国科学家的高度重视。
和厘米、微米一样，纳米是一种尺度单位，一纳米是一米的十亿分之一。1991年被人类发现的碳纳米管，是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。
作为石墨、金刚石等碳晶体家族的新成员，碳纳米管韧性很高，导电性极强，场发射性能优良，兼具金属性和半导体性，强度比钢高100倍，比重只有钢的1／6。因为性能奇特，被科学家称为未来的“超级纤维”。
虽然成分和石墨一样，但碳纳米管潜在用途十分诱人：可制成极好的微细探针和导线、性能颇佳的加强材料、理想的储氢材料。它使壁挂电视进一步成为可能，并在将来可能替代硅芯片的纳米芯片和纳米电子学中扮演极重要的角色，从而引发计算机行业革命。
碳纳米管也是“纳米世界”中的重要一员。在纳米材料中，包括碳纳米管、碳纳米纤维在内的碳纳米材料一直是近年来国际科学的前沿领域之一。从近期美国《科学索引》核心期刊发表的和碳纳米管有关论文数看，我国排在美、日之后位居世界前列。
碳纳米管的发展历程如下：1991年，日本科学家发现碳纳米管；1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。
近年来，我国科学家不仅在世界上合成出最长的碳纳米管，而且加紧了碳纳米管的应用研究，研制出具备良好储氢性能的碳纳米管和具备初步显示功能的碳纳米管显示器，并在利用其电子发射性能研制发光器件。
浅谈纳米技术及其在机械工业中的应用
摘要：主要介绍了纳米技术的内涵、主要内容及纳米技术在微机械和包装、食品机械工业中的应用，并研
究预测了纳米技术在未来机械工业中的发展前景。
关键词：纳米技术；微机械；机械工业；发展前景
1纳米技术的内涵
纳米是长度单位，原称“毫微米”，就是
10－9（10亿分之一）米。纳米科学与技术，有
时简称为纳米技术，是研究结构尺寸在1~
100纳米范围内材料的性质和应用。纳米
科技与众多学科密切相关，它是一门体现
多学科交叉性质的前沿领域。若以研究对
象或工作性质来区分，纳米科技包括三个
研究领域：纳米材料、纳米器件、纳米尺度
的检测与表征。其中纳米材料是纳米科技
的基础；纳米器件的研制水平和应用程度
是人类是否进入纳米科技时代的重要标
志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研
究必不可少的手段和理论与实验的重要基
础。纳米科技的最终目的是以原子、分子为
起点，去设计制造具有特殊功能的产品。
2纳米技术的主要内容
（1）纳米材料包括制备和表征。在纳米
尺度下，物质中电子的放性（量子力学学性
质）和原子的相互作用将受到尺度大小的
影响，如能得到纳米尺度的结构，就可能控
制材料的基本性质如熔点、磁性、电容甚至
颜色。而不改变物质的化学成份。
（2）纳米动力学主要是微机械和微电
机，或总称为微型电动机械系统（MEMS），
用于有传动机械的微型传感器和执行器、
光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断
仪器等。MEMS使用的是一种类似于集成
电器设计和制造的新工艺。特点是部件很
小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，
而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作
三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪
等。在研究方面还要相应地检测准原子尺
度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚
未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科
学价值和经济价值。
（3）纳米生物学和纳米药物学，如在云
母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA
的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做
生物分子间相互作用的试验，磷脂和脂肪
酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。
有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞
内放入零件或组件使构成新的材料。新的
药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半
数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微
粒子），则可溶于水。
（4）纳米电子学包括基于量子效应的
纳米电子器件、纳米结构的光／电性质、纳
米电子材料的表征，以及原子操纵和原子
组装等。当前电子技术的趋势要求器件和
系统更小、更快、更冷。“更快”是指响应速
度要快。“更冷”是指单个器件的功耗要小。
但是“更小”并非没有限度。
3纳米技术在机械工业中的应用
3．1纳米技术在微机械领域中的应用
随着纳米技术应用途径的不断拓宽，
微机械的开发在全世界方兴未艾。例如，进
入人体的医疗机械和管道自动检测装置所
需的微型齿轮、电机、传感器和控制电路
等。制造这些具有特定功能的纳米产品，其
技术路线可分为两种：一是通过微加工和
固态技术，不断将产品微型化；二是以原
子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行
设计和组装，从而构筑成具有特定功能的
产品。
3．1．1采用微加工技术制造纳米机械
（1）微细加工。日本发那科公司开发的
能进行车、铣、磨和电火花加工的多功能微
型精密加工车床（FANUCROBO nano Ui
型），可实现5轴控制，数控系统最小设定
单位是1nm（10－3μm）。该机床设有编码器
半闭环控制，还有激光全息式直线移动的
全闭环控制。编码器与电机直联，具有每周
6 400万个脉冲的分辨率，每个脉冲相当于
坐标轴移动0．2 nm，编码器反馈单位为1／
3 nm，故跟踪误差在±1／3 nm以内。直线分
辨率为1 nm，跟踪误差在±3 nm以内。CNC
装置采用FANUC－16i，实现AInano轮廓控
制。并用FANUCSERVOMOTORαi伺服电
机装上高分辨率检测装置及αi系列伺服
放大器，实现了微细加工。
（2）微型机器人。在工业制造领域，微
型机器人可以适应精密微细操作，尤其在
电子元器件的制造方面。美国迈特公司的
研究人员最近设计出一种用于组装纳米制
造系统的微型机器人，这种机器人的长度
约为5mm。研究人员称，假设能利用纳米
制造技术使这种机器人的体积不断缩小，
其最终的体积不会超过灰尘的微粒。日本
三菱公司也开发了一种微型工业机器人，
该机器人采用了5节闭式连杆机构，以实
现手臂的轻量化与高刚性，其动作速度及
精度完全可以赶上专用机器人。往复上下
方向25 mm，水平方向100 mm的拾取动
作，所需时间缩短到0．28 s。另外，通过采
用闭式连杆机构与高刚性减速机，实现了
比以往机器人高10％的位置重复精度
（±5 nm），可适用于精密微细操作。
我国在微型机器人的研制方面也取得
了可喜的成绩。据媒体报道，由哈尔滨工业
大学研制的机器人，其操作精度达到了纳
米级，可以应用于分子生物学基因操作，能
够对细胞和染色体进行“手术”，并能在微
电子、精密加工等精度要求较高的领域一
显身手。
（3）微型电机。美国俄亥俄州克利夫西
卡塞大学已建立了一所纳米级微型电机实
验室，专门研究纳米技术及其超微机电系统。美国加利福尼亚大学伯克利分校研制
的微型电动机，小到只能在显微镜下才能
看得见。德国汽车零件制造商博士公司正
在研制纳米技术传感器，这种传感器将为
人们提供关于汽车上每个零部件在三维空
间中运动的精确信息。当微型传感器探测
到速度骤减时，就会自动释放安全气囊。
3．1．2采用自组装技术制造纳米机械
（1）生物器件。以分子自组装为基础制
造的生物分子器件是一种完全抛弃以硅半
导体为基础的电子器件。将一种蛋白质选
作生物芯片，利用蛋白质可制成各种生物
分子器件，如开关器件、逻辑电路、存储器、
传感器以及蛋白质集成电路等。美国密歇
根韦思大学医学院生物分子信息小组，利
用细菌视紫红质（简称BR蛋白质）和发光
染料分子研制具有电子功能的蛋白质分子
集成膜，这是一种可使分子周围的势场得
到控制的新型逻辑元件。美国锡拉丘兹大
学也利用BR蛋白质研制模拟人脑联想能
力的中心网络和联想式存储装置。
（2）纳米分子电动机。美国IBM公司
瑞士苏黎士实验室与瑞士巴塞尔大学的研
究人员发现DNA能够被用来弯曲直径不
及头发丝的五十分之一的硅原子构成的
“悬臂”。上下弯曲，顶端则粘有单股DNA
链。DNA自然形成双螺旋结构，双链被分
开后，它们会力图重新组合。当研究人员将
带有单股DNA链的“悬臂”置于含有与之
对应的单股DNA链的溶液中，这两个链就
会自动配对结合在一起，小“悬臂”在这种
力的作用下开始弯曲。研究人员利用这种
生物力学技术制造带有纳米级阀门的微型
胶囊（纳米分子电动机）。通过控制这种驱
动力来控制阀门的开合，可以将精确剂量
的药物传送到身体的需要部位来达到治疗
的目的。
3．2纳米技术在包装机械领域中的应用
采用纳米材科技术对包装机关键零部
件（如轴承、齿轮、弹簧等）进行金属表面纳
米粉涂层处理，可以提高设备的耐磨性、硬
度和寿命。
碳纳米管还具有较高的机械强度和较
高的热导率。由于具有非常大的长度—直
径比，可以制造出任何复杂形状的零件，是
复合材料理想的增强纤维。目前，用价格低
廉的纳米塑料制成的齿轮、陶瓷轴承、纳米
陶瓷蚊辊、电雕辊等印刷包装机械零件已
走进企业，开始代替金属材料。现代胶印机
上应用着很多传感器．如控制飞达纸堆的
自动升降、气泵供气时间检测、合压时间检
测、空张检测、墨量控制等。
纳米陶瓷具有良好的耐磨性、较高的
强度及较强的韧性可用于制造刀具、包装
和食品机械的密封环、轴承等以提高其耐
磨性和耐蚀性，也可用于制作输送机械和
沸腾干燥床关健部件的表面涂层。
3．3纳米技术在食品机械领域中的应用
纳米SiC、Si
3
N4在较宽的波长范围内
对红外线有较强的吸收作用，可用作红外
吸波和透波材料，做成功能性薄膜或纤维。
纳米Si
3
N4非晶块具有从黄光到近红外光
的选择性吸收，也可用于特殊窗口材料，以
纳米SiO
2
做成的光纤对600 nm以上波长
光的传输损耗小于10 dB／km，以纳米SiO
2
和纳米TiO
2
制成的微米级厚的多层干涉
膜，透光性好而反射红外线能力强，与传统
的卤素灯相比，可节省15％的电能。
经研究证明，将30～40 nm的TiO
2
分
散到树脂中制成薄膜，成为对400 nm波长
以下的光有强烈吸收能力的紫外线吸收材
料，可作为食品杀菌袋和保鲜袋最佳原料。
纳米SiO
2
光催化降解有机物水处理
技术无二次污染，除净度高，其优点是：①
具有很大的比表面积，可将有机物最大限
度地吸附在其表面；②具有更强的紫外线
吸收能力，因而具有更强的光催化降解能
力，可快速将吸附在其表面的有机物分解
掉。这为污水处理量较大的食品企业提供
了有力的技术支持。
介孔固体和介孔复合体是近年来纳米
材料科学领域较引人注目的研究对象，由
于这种材料较高的孔隙率（孔洞尺寸为2～
50 nm）和较高的比表面，因而在吸附、过滤
和催化等方面有良好的应用前景。对纯净
水、软饮料等膜过滤和杀菌设备又提供了
一个广阔的发展空间。
橡胶和塑料是包装和食品机械应用较
多的原材料。但通常的橡胶是靠加入炭黑
来提高其强度、耐磨性和抗老化性，制品为
黑色，不适宜用在食品机械上。纳米材料的
问世使这一问题迎刃而解。新的纳米改性
橡胶各项指标均有大幅度提高，尤其抗老
化性能提高3倍，使用寿命长达30年以
上，且色彩艳丽，保色效果优异。普通塑料
产量大、应用广、价格低，但性能逊于工程
塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格高，
限制了它在包装和食品机械上的大范围应
用。用纳米材料对普通塑料聚丙烯进行改
性，达到工程塑料尼龙－6的性能指标，且
工艺性能好、成本低，可大量采用。
4纳米技术在机械行业中的发展
前景
（1）机械及汽车工业的滑配原件如：轴
承、滑轨上应用纳米陶瓷镀膜能产生超底
的磨擦界面，大大减低磨损并能提高负载。
（2）塑胶流道的低粘应用：例如T型
模、拉丝模、套筒和热胶道，可有效减少积
料碳化的产生几率。
（3）射出成型时发生的粘模、包封短
射、镜面雾化及拖痕均具有革命性的改善，
尤其是在滑块及顶针上所展现的干式润
滑，更是任何金属所无法表现的优异性。
（4）IC封装胶、橡胶及发泡塑料由于
具有极高的粘着性，因此必须借助大量脱
模剂来帮助脱模，纳米陶瓷的荷叶效应可
减少脱模剂的使用及模具清理时间。
（5）纳米陶瓷的低摩擦、低沾粘特性使
塑胶在模具内的流动性大幅提升，特别是
高精度模具例如薄光板、塑胶镜片、汽车聚
光灯罩等模具应用后对产品的不良率上均
有明显的改善。
5结语
综上所述，纳米技术是近十多年来逐
步发展起来的一门前沿性与综合性交叉的
新学科，是现代科学和现代技术相结合的
产物，它的迅猛发展将引发21世纪新的工
业革命。美国商业通讯公司研究报告称，未
来五年，用于橡胶产品和油墨生产的碳黑
填充料将继续高居纳米材料需求榜首。今
后几年，全球纳米材料的需求将以2．7％年
增长速度增长，到2010年将达到1 030万
t，所以纳米包装具有较大的市场发展潜
力。过去，我国机械包装工业的一些先进设
备、先进技术，大多是依靠进口。纳米技术
的出现，将对我国机械包装行业的技术创
新带来新的发展机遇。相信在不远的将来，
纳米技术将广泛应用于机械工业的各个领
域，它给机械工业带来的变化将是巨大的。
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