纳米综述文章.doc

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。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。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。纳米材料具有许多奇异的特性。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当今,纳米材料研究的