纳米综述文章

173火电厂磨损部件延寿新技术刘宗德华北电力大学（北京）动力系微纳米表面技术研究所，北京，102206摘要：介绍了纳米科技的基本概念，概述了纳米材料的基本特性和国内外纳米材料研究领域的新进展和发展趋势。对高力学性能纳米涂层、复合纳米材料、纳米碳管、纳米塑料与纳米陶瓷、环保纳米材料、纳米润滑材料、磁性纳米液体等新材料在电力工业中的应用前景进行了综述。重点介绍了微纳米表面技术在火电厂磨损部件中的应用前景。一、纳米技术简介纳米是一个尺度的度量，1纳米等于十亿分之一米。最早把这个术语用到技术上是日本学者久保(1974年底)，但是以“纳米”来命名材料是在20世纪80年代。纳米科技（Nano-ST）是20世纪80年代诞生并正在崛起的新科技，是继因特网、基因技术后人类关注的又一热点。所谓纳米科技，是指在1－100纳米范围内，研究电子、原子和分子内在规律和特征，并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术。当物质被“粉碎”到纳米级细小并制成的“纳米材料”，不仅光、电、热、磁性发生变化，而且具有辐射、吸收、吸附等许多新特性。纳米科技旨在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用，并对这些特性加以利用，最终目标是直接以原子分子在纳米尺度及物质在纳米尺度上表现出的特性，制造具有特定功能的产品]2][1[。著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者查理德-费曼在1959年曾预言：如果有一天可以按照人们的意志安排一个个原子，将会产生怎样的奇迹？今天这个美好的梦想已经成为现实。纳米科技诞生才几年，美国商用机器公司(IBM)科学家利用扫描隧道显微镜直接操纵原子，成功地在镍板上，按自己的意志安排原子组合成IBM字样]1[。纳米科学研究的领域是人类过去未曾经涉及的非宏观、非晶观的中间领域，从而开辟人类认识世界的新层次，也使人们改造自然的能力直接延伸到分子、原子水平，这标志着人类的科学技术进入了一个新时代，即纳米科技的时代。纳米科技将对２１世纪的科技、国民经济乃至人们的生活方式产生重要影响,以纳米新科技为中心的科技革命将成为21世纪的主导。人工制备纳米材料的历史至少可以追溯到1000多年前。中国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨的原料以及用于着色的染料，这就是最早的纳米材料；中国古代铜镜表面的防锈层经检验，证实为纳米氧化锡颗粒构成的一层薄膜]1[。纳米材料具有许多奇异174的特性。例如，铜的晶粒尺寸在某一纳米级范围内就成为绝缘体而不导电，而绝缘的二氧化硅，在粒子尺寸达20纳米时开始导电。高分子塑料加入纳米粒子后，就会比金刚石刀具还坚硬。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可以分为三类：（1）、零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等；（2）、一维，指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；（3）、二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小,航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术、新产品的创新是未来对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。据预测，到2010年，纳米技术将成为仅次于芯片制造业的世界第二大产业。目前，纳米技术广泛应用于化工、光学、医药、半导体、信息通讯，一年的营业额已经达到５００亿美元。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100nrn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。在21世纪，纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合、纳米尺度基元的表面修饰改性等是当今纳米材料的研究热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。高韧性纳米陶瓷、高性能纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。二、纳米材料研究的发展趋势175当今，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了长足的进展。根据纳米材料发展趋势以及它在对高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署未来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（NSF）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国DARPA（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近几年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如Ogala计划、ERATO计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资1．28亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资1．2亿美元。1999年7月8日《自然》（400卷）发布了题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴起”的文章，这篇文章报道了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从2．5亿美元增加到5亿美元。《美国商业周刊》8月19日报道，美国政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，在掌握21世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。美国之所以对纳米材料和技术如此重视，其原因之一是：德国科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国力图在这样一个巨大的市场中占有相当大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术未来的应用远远超过计算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在《自然》的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100nm芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，美国商家已组织技术人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使176人瞩目。发达国家从战略的高度部署纳米材料和纳米科技的研究，目的是提高在未来10年乃至20年在国际中的竞争地位。从各国对纳米材料和纳米科技的部署来看，发展纳米材料和纳米科技的战略是：（1）以未来的经济振兴和国家实力的需求为目标，牵引纳米材料的基础研究、应用开发研究；（2）组织多学科的科技人员交叉创新，做到基础研究、应用研究并举，纳米科学、纳米技术并举，重视基础研究和应用研究的衔接，重视技术集成；（3）重视发展纳米材料和技术改造传统产品，提高高技术含量，同时部署纳米材料和纳米技术在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式的发展。我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、教育部分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。目前，我国已在纳米材料的制备，特别是纳米粉体材料的制备技术上取得了重大进展，熔体快速凝固、气体蒸发、磁控溅射、激光诱导CVD、等离子加热气相合成等制备纳米材料的装置已得到应用，发展了化学共沉淀、溶胶一凝胶、非水溶剂合成和超临界液相合成制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料的方法，研制了性能优良的多种纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、MCM－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位。我国在“十五”期间纳米材料的研究重点主要有]20[：（1）纳米材料科学和技术开展纳米材料特殊性能、结构稳定性及其基本科学问题的研究，研究纳米材料在外场（热、力、电磁场等）及介质中的结构稳定性特征，探索提高纳米材料稳定性的途径。开展轻质高强纳米材料、高耐磨耐蚀表面纳米材料、纳177米涂层材料、超高磁性纳米材料、特种功能材料、纳米复合材料、纳米催化材料、纳米生物医用材料的制备和应用研究。（2）纳米器件纳米器件的构筑和集成技术是纳米科技发展的主流趋势。研究单元纳米器件结构、特性、运行机理，开发超高密度集成原理和技术。（3）纳米加工技术研究纳米尺度对于材料、器件的物理、化学性质的影响及纳米尺度下分子、原子、电子在声、光、热、电磁场等影响下的行为特性，研究不同材料进行纳米尺度加工、处理、组装所涉及的物理、化学的基本问题，如化学反应、扩散、传热、摩擦等，研究纳米尺度加工中的仿真、优化、控制技术和稳定性、可靠性等问题。（4）纳米技术在医药卫生中的应用纳米技术在重大疾病早期诊断和治疗中的应用、纳米医用材料的研制、高效缓释、靶向性纳米化药物的研制、纳米化药物的药理性研究等。三、纳米材料的基本特性3.1纳米材料的基本特性]21][1[纳米材料可分为三大类：一是一维纳米粒子；二是二维纳米固体（包括薄膜和涂层、管、线）；三是三维纳米体材（包括介孔材料）。纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。例如纳米Co-WC硬质合金的硬度比粗晶Co-WC合金提高一倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。纳米材料的颗粒尺寸越小，电子平均自由程越短，偏离理想周期场越严重，使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级时，金属会显示非金属特征。纳米材料与常规材料的在磁结构方面的巨大差异，必然在磁学性能上表现出来。当晶粒尺寸减小到临界尺寸时，常规的铁磁性材料会转变为顺磁性，甚至处于超顺磁状态。纳米材料的比表面积/体积很大，因此它具有相当高的化学活性，在催化、敏感和响应等性能方面显得尤为突出。纳米材料的优异特性吸引着人们在众多领域开发应用。虽然纳米材料的价格一再降低，但生产成本仍居高不下。而利用纳米材料的优异特性对传统材料进行改性，是一条经济实用的可行方法，有利于