1、纳米材料的应用前言纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10 -9米)的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关。一般在宏观领域中，某种物质固体的理化特性与该固体的尺度大小无关。当物质颗粒小于100 nm 时，物质本
2、身的许多固有特性均发生质的变化。这种现象称为“纳米效应”。纳米材料有四个基本的效应，即小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，因而出现常规材料所没有的一些特别性能，如高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔点、奇特的磁性和极强的吸波性等，从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。不知不觉中纳米材料已进入到我们生活的各个领域中。本论文主要介绍纳米材料在机械领域的应用、在涂料中的应用、在医药方面的应用、在陶瓷领域的应用和在化学方面的应用。纳米材料在机械领域的应用机械是现在
3、社会的基础，是社会的一大支柱。机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。纳米材料在机械上具有广泛的应用，尤其是微型纳米轴承、微型机器人、纳米分子电动机、合成永磁体、合成储氢材料等方面的应用。微型纳米轴承传统的轴承的体积比较大，其摩擦力也仅仅能够靠润滑来进行减少，但是，仍然不能够将摩擦力进行避免。美国的科学家对其进行了研究，并且研制出来一种没有摩擦的微型纳米轴承，微型纳米轴承主要包括以下两个特点：1、微型。微型纳米轴承的直径仅仅为一根头发直径
4、的万分之一，其应用到机电系统微型的轴承非常非常的小，为微型机械千分之一的大小。2、摩擦力极小。如果轴承的体积很小，那么，套在一起管子之间摩擦力就会将微型轴承弱点暴露出来，在其产生的摩擦力很大的时候，会导致微型轴承无法使用。通常制造的微型机械轴承与这种纳米轴承相比较，摩擦力仅仅是其最小值的千分之一。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与面。美国迈特公刮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
5、，该机器人采用了5节闭式连杆机构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25mm，水平方向100mm的拾取动作，所需时间缩短到0.28s。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100倍的位置重复精度(5nm)。可适应于精密微细操作。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分百分之一的硅原子构成的“悬臂”。他们装配的这种小“悬臂”一端固定。另一端则可以上下弯曲，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
6、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。合 成 永 磁 体永磁材料是机械化学法最有前途的应用之一，许多稀土永磁合金可由元素粉合成。德国西门子公司用机械化学法制备出Nd15 fe77 B8永磁体 随后以金属为原材料利用机械化学法制备出SmCo5 Nd2 fe14Ca3C2 Sm2Co17等稀土永磁材料。大多数的工作是从Sm2 O3 SmCl 3
7、或Smf 3前驱体与Co Ca 进行机械化学合成 SmCo5 获得的组成是非晶的SmCo 相和副产品CaO 经热处理晶化成SmCo5 这是集精炼合金化和粉末制造为一体的低温制造过程是一种低成本制造稀土永磁的技术。合成储氢材料储氢材料作为一种新型的功能材料， 它能够储存氢，并在需要的时候将氢释放出来。迄今为止，研究人员已开发出了稀土系、 Ti系、r 系和Mg 系等多个系列的储氢合金机械化学法在制备金属纳米晶粒。储氢材料方面有以下主要优点： 从原理上讲，可以任意调配材料组成合成许多难以用常规的熔炼或其他方法制备的新型纳米晶粒储氢合金材料 机械化学球磨过程能在氢气氛下完成，直接获得储氢态合金材料能有
8、效降低其后续吸、放氢反应的活化能，工艺过程简单。制备的储氢材料一般为超细粉末，使用时不需再粉碎，且在充放氢过程中的抗粉化能力好。因此，关于机械合金化纳米晶储氢材料的研究近几年来相当活跃。由于机械化学对Mg 基储氢合金动力学性能的改善，各国的许多研究人员继续致力于用机械化学法提高储氢合金特别是Mg 基储氢合金的性能，其中一个重要的方面是关于将Mg 基储氢合金用于Ni MH 电池，如能获得成功，Ni MH 电池的水平将会大大提高。近几年来，哈尔滨工业大学在机械化学合成纳米晶Mg 基储氢材料方面也做了较多工作，先后制备和研究了纳米晶Mg2 Ni Cu Mg 氧化物 Mg 氯化物等系列的新型储氢材料取
9、得了较大研究进展。 2在精细化工方面的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的各个方面。纳米材料的功能性无疑也会给精细化工带来革命，并显示它的独特魅力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加人纳米 Si02，可以提高橡胶的抗紫外线辐射和红外反射能力。纳米 A1203和 Si02加人到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米 Si02作为添加剂加人到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大
10、为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加人经过表面修饰处理的 Si02，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的;而加人 A1203，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。纳米 TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细 TiO2：还可应用到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的 TiO2及高档汽车面漆用的珠光纳米钦白(TiO 2)，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高、无二次污染、适用性
11、广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。在涂料中应用国外将无机纳米材料用于涂料中的一个最成功例子莫过于军事隐身涂料，用纳米级的碳基铁粉、镍粉、铁氧体粉末改性的有机涂料涂到飞机、导弹、军舰等武器上，使该装备具有隐身性能，因为纳米超细粉末具有很大的比表面积，能吸收电磁波，同时纳米粒子尺寸远小于红外及雷达波波长，对波的透过率很大，因此不仅能吸收雷达波，也能吸收可见光和红外线，由它制成的涂层在很宽的频带范围内可以逃避
12、雷达的侦察，同时也有红外隐身作用。现在，隐身涂料作为隐身技术的关键技术之一，己不仅仅用于飞航导弹等飞行器上，最新的发展是几个主要工业化国家和军事强国已开始将隐身涂料技术应用于海军舰艇、隐身装甲车、隐身水雷、隐身火炮、隐身坦克、隐身车辆、隐身雷达、隐身通讯系统、隐身工程、隐身工事、隐身机器人、隐身作战服和红外隐身照明弹等技术装备上。国内有关纳米材料研究已有一些报道，如，复旦材料系华中一教授研究发现纳米 TiO2 有一种以纳米晶粒、纳米尺寸的骨架结构和纳米空洞均匀分布而成的结构。张池明在讨论纳米 TiO2 的光催化活性时，认为纳米 TiO2 的激发态电子到达表面的时间比普通 TiO2 要短得多，并
13、且生成的电子、空穴在到达表面之前一般不会重新结合。于网林和孙康等人分别采用溶胶-凝胶法制备了纳米级TiO2。林元华等人采用化学沉淀法制备了粒径约 20-6Onm 的金红石型钛白粉体，据称该法设备简单，操作易控制，并解决了 Ti(OH)4 过滤、洗涤困难等问题。丁兆星等在研究纳米级 TiO2 的结晶动力学过程中，发现纳米尺寸效应使得 TiO2 中锐钛-金红石的结构相变温度降低很多，纳米粉末的结构相变在一较宽的温度范围内完成。总之，国内从事有关无机纳米粒子的制备和性能研究的单位不少，估计有一二十家，但有关无机纳米材料与高分子树脂复合制备高性能无机-有机树脂复合材料的研究报道不多，而有关纳米材料在涂
14、料中的应用的研究则更少。 1 在医药方面的应用控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，是健康医学的要求。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为检测和诊断疾病的手断。科研人员已经成功利用纳米 SiO2微粒进行了细胞分离；用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。在陶瓷领域的应用纳米添加使常规陶瓷的综合性能得到改善，纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能，抗弯强度、断裂韧性均有显著提高。把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合已获得高韧性的陶瓷材料，烧结温度可降低 100。我国已成功地制备了纳米陶瓷粉体材料，其中氧化锆、碳化硅、氧化铝、氧化铁等制备工艺稳定，生产量大，已为规模生产
15、提供了良好的条件。在化学方面的应用纳米微粒与树脂结合可用于紫外吸收。大气中的紫外线主要是在 300400 nm 波段，防晒油、化妆品中加入纳米 TiO2、纳米 ZnO、纳米 SiO2、纳米 Al2O3 可吸收大气中的紫外线。塑料制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂上含有纳米微粒的透明涂层，这种涂层对300400 nm 范围有较强的紫外吸收性能，这样就可以防止塑料老化。汽车、舰船的面漆中，加入能强烈吸收紫外线的纳米微粒就可起到保护底漆，防止油漆脱落的作用。结语本论文是本人在查阅了许多相关资料以及网络（百度）之后所写的。在写本论文的过程中使我对纳米材料的应用有了进一步的了解，并且也深深意识到学习的重要性和严谨性。在这里我非常感谢我的授课老师孙老师给我这次学习的机会。在以后的学习、工作和生活中，我将会对身边的事物多加观察，注意生活中纳米材料的应用。因本人水平有限，论文中难免有不当之处，敬请各位指正。参考文献1 武利民， 纳米材料在涂料中的应用 ，复旦大学材料系，上海 2004332 陈家祥.钢铁冶金学【M】.北京冶金工业出版社， 19990.30
