納米復(fù)合材料發(fā)展趨勢研究

段家寶+李新明+李常勝

摘要：近年來，隨著先進科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，納米復(fù)合材料的種類也變得多種多樣。納米復(fù)合材料的綜合應(yīng)用性能很好，在我國各工業(yè)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍非常廣泛，如涂料、工程材料、光學(xué)材料、磁性材料等。

關(guān)鍵詞：納米復(fù)合材料；工程材料；光學(xué)材料；磁性材料

中圖分類號：TB33 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）06-0007-02進入21世紀(jì)，各領(lǐng)域?qū)Ω咝阅懿牧系囊蕾嚦潭仍絹碓礁?，納米材料是一種應(yīng)用性能很高的工程材料，其應(yīng)用范圍非常廣泛。2008年，美國舉辦了材料科學(xué)學(xué)會，會議指出：“納米材料工程將成為21世紀(jì)工程材料的重要組成部分?！奔{米復(fù)合材料是納米工程材料的重要分支，目前，很多企業(yè)已紛紛將技術(shù)研發(fā)目標(biāo)轉(zhuǎn)向納米復(fù)合材料，并逐漸加大研究力度，擴大技術(shù)應(yīng)用范圍。

1 納米復(fù)合材料理論概述

通過對納米復(fù)合材料進行系統(tǒng)分析可知，可以按照材料性質(zhì)將其劃分為三種類型。

1.1 單體復(fù)合材料

單體符合材料是不同種類、成分的納米粒子經(jīng)過工業(yè)處理復(fù)合而成的，這種納米固體的物理結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，且化學(xué)性質(zhì)也很可靠。因為組成成分少，所以單體復(fù)合材料納米粒子的復(fù)合最完全，其分子結(jié)構(gòu)之間的基團鏈不會隨溫度、壓力的變化而變化。

1.2 雙體復(fù)合材料

雙體復(fù)合材料可以通過工業(yè)處理將納米粒子均勻的分散到二維薄膜材料中，粒子在彌散過程中會產(chǎn)生均勻或不均勻兩種分布狀態(tài)，這兩種分布狀態(tài)的復(fù)合結(jié)構(gòu)都具有一定的穩(wěn)定性。均勻和非均勻彌散狀態(tài)的薄膜基體表現(xiàn)出的層狀結(jié)構(gòu)具有明顯的差異性，納米粒子分散混亂的材料的構(gòu)成層級種類很多，分散有序、均勻的材料層級種類較少。

1.3 多體復(fù)合材料

多體復(fù)合材料可以通過工業(yè)處理將納米粒子均勻的分散到三維固體中，納米粒子會通過外力作用，深入固體組織結(jié)構(gòu)，改變其分子集團的分布情況，進而影響三維固體的物理性能和化學(xué)性能。多體復(fù)合材料的應(yīng)用前景非常好，是當(dāng)今納米材料科研工作者研究的重點

問題。

2 納米復(fù)合材料發(fā)展趨勢分析

2.1 納米復(fù)合涂層材料

納米復(fù)合涂層材料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，并且柔韌性好、硬度高、耐腐蝕性強，在工程材料表面涂抹這種防護材料不僅可以防止工程材料的破損，還能增加工程材料的防護功能。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合涂層材料得到了顯著發(fā)展，單一納米結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬蛹{米結(jié)構(gòu)。美國著名納米工程材料研究專家普修斯于2012年成功研制出了復(fù)合涂層納米材料，這類納米材料的抗氧化性能非常好，可以在高溫條件下保持不褪色、不熱化。對其材料進行強度檢測可發(fā)現(xiàn)，該材料的涂層硬度高達20.SGpa，是碳鋼強度的35倍。具體工藝流程如下：首先，用激光蒸發(fā)法去除鋼表面的納米結(jié)構(gòu)，將金剛石納米粒子涂抹在鋼表面；之后，重復(fù)上述工藝步驟，在鋼表面上涂抹兩層金剛石納米粒子；最后，在高溫條件下對鋼表面材料進行擠壓復(fù)合。經(jīng)過多次擠壓，納米復(fù)合涂層材料就此形成，經(jīng)過加工，鋼材料的硬度提高了23.4倍。

2.2 高力學(xué)性能材料

高力學(xué)性能是突出材料的強度、硬度等物理性能，工程材料經(jīng)過力學(xué)改性之后，其物理性質(zhì)會發(fā)生翻天覆地的變化。對原始材料進行改性實驗雖然在一定程度可以提高材料的某些力學(xué)性能，但這種性能的提升具有很強的局限性，并不能真實的體現(xiàn)出材料的力學(xué)極限。經(jīng)過納米復(fù)合材料改性，高力學(xué)性能材料得到了非常顯著的研究成果。高力學(xué)性能材料發(fā)展趨勢，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）高強度合金。采用晶化法可以大大提升納米復(fù)合合金材料的力學(xué)性能，對金屬進行納米復(fù)合實驗，可以將材料轉(zhuǎn)變成復(fù)合型納米金屬，如將鋁進行納米復(fù)合實驗，鋁會轉(zhuǎn)化為過度族金屬，這種金屬結(jié)構(gòu)的延展性和強度非常高。

（2）陶瓷增韌。納米粒徑很小，所以納米粒子很容易就可滲透到細小分子結(jié)構(gòu)中，粘合關(guān)聯(lián)性并不緊密的各分子基團。在陶瓷增韌領(lǐng)域納米復(fù)合材料起到了很好的促進作用，在碳化硅粉末中加入粒徑為10μm的碳化硅粗粉，在高溫高壓條件下進行合成，合成之后碳化硅的物理性質(zhì)會發(fā)生很大的改變，煅燒后的陶瓷材料的柔韌性明顯增強了，斷裂韌性提高了34.23%。

2.3 高分子基納米復(fù)合材料

高分子材料近幾年在我國工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛，高分子材料的物理性能穩(wěn)定且可塑性好，所以在裝飾行業(yè)中的發(fā)展前景非常廣闊。采用納米復(fù)合方式結(jié)合高分子基是我國納米工程材料正在研究探討的重要課題，目前我國科研專家已初步完成了部分高分子基納米復(fù)合材料的研制工作。具體表現(xiàn)在：將鐵和銅粉末按照4：5的比例進行研磨，研磨均勻后用高粒子顯微儀器提取鐵銅合金粉體，通過顯微鏡觀察可知這種粉體的晶體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，晶粒間的距離很短。這種粉體和環(huán)氧樹脂基團進行復(fù)合實驗可以研制出高強度的金剛石材料，并且其材料還具有很強的靜電屏蔽性能。

2.4 磁性材料

磁性材料是我國工業(yè)材料中研究難度最大的課題之一，因為磁性材料的電磁環(huán)境不好判斷，所以在應(yīng)用時經(jīng)常會遇到復(fù)合材料因磁性過大導(dǎo)致使用性障礙。隨著納米復(fù)合材料的研發(fā)和投入使用，磁性材料將進入全新的發(fā)展階段。人們在顆粒膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，納米粒子在空間流動會被周圍磁場帶入順磁基體當(dāng)中，空間中的銅、鐵、鎳等磁性粒子都會附著在納米粒子上。經(jīng)過金屬粒子和納米粒子的復(fù)合，顆粒膜材料不僅會擁有強大的電磁感應(yīng)，還會具有較高的耐熱性能。

2.5 光學(xué)材料

傳統(tǒng)光學(xué)材料的綜合應(yīng)用能力很差，其材料的物理性能大多只能滿足導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，其硬度和穩(wěn)定性都很差。納米復(fù)合材料誕生之后，人們逐漸找到了納米粒子的發(fā)光原理。不發(fā)光的工程材料當(dāng)減小到納米粒子大小時，其粒子周圍會因光色折射產(chǎn)生一定的光。在可見光范圍內(nèi)這些粒子會不斷產(chǎn)生新的光，雖然這些材料的納米粒子發(fā)出的光并不明顯，且穩(wěn)定度也很差，但是科研專家可以從這方面入手，研究納米復(fù)合材料的發(fā)光性能。將具有代表性的工程材料作為可發(fā)光體，并對其分子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為納米粒子大小的發(fā)光體系，探討如何提高其發(fā)光強度、完善其結(jié)構(gòu)發(fā)光性能。由此可見，納米復(fù)合很可能為開拓新型發(fā)光材料提供了一個途徑。納米材料的光吸收和微波吸收的特性也是未來光吸收材料和微波吸收材料設(shè)計的一個重要依據(jù)。

3 結(jié)語

通過上文論述可知，利用納米粒子超強的附著能力，可以將納米工藝和傳統(tǒng)材料有機的結(jié)合在一起，這種復(fù)合型納米材料具有重要發(fā)展意義。當(dāng)今社會納米復(fù)合材料的研究價值最高，其不僅在材料研究領(lǐng)域占有重要地位，在企業(yè)的發(fā)展中也是不可或缺的重要組成。

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作者簡介：段家寶（1991—），男，湖北人，大連理工大學(xué)學(xué)生。