納米在工程中應用范文

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有人曾經預測在21世紀納米技術將成為超過網絡技術和基因技術的“決定性技術”，由此納米材料將成為最有前途的材料。它所具有的獨特的物理和化學性質，使人們意識到它的發(fā)展可能給物理、化學、材料、生物、醫(yī)藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應用前景十分廣闊。近年來，它在化工生產領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。

一、納米材料在工程上的應用

納米材料的小尺寸效應使得通常在高溫下才能燒結的材料如SiC,BC等在納米尺度下在較低的溫度下即可燒結,另一方面,納米材料作為燒結過程中的活性添加劑使用也可降低燒結溫度,縮短燒結時間。由于納米粒子的尺寸效應和表面效應,使得納米復相材料的熔點和相轉變溫度下降,在較低的溫度下即可得到燒結性能良好的復相材料。由納米顆粒構成的納米陶瓷在低溫下出現(xiàn)良好的延展性。納米TiO2陶瓷在室溫下具有良好的韌性,在180°C下經受彎曲而不產生裂紋。納米復合陶瓷具有良好的室溫和高溫力學性能,在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等方面具有廣泛的應用,在許多超高溫、強腐蝕等許多苛刻的環(huán)境下起著其它材料無法取代的作用。隨著陶瓷多層結構在微電子器件的包封、電容器、傳感器等方面的應用,利用納米材料的優(yōu)異性能來制作高性能電子陶瓷材料也成為一大熱點。有人預計納米陶瓷很可能發(fā)展成為跨世紀新材料,使陶瓷材料的研究出現(xiàn)一個新的飛躍。納米顆粒添加到玻璃中,可以明顯改善玻璃的脆性。無機納米顆粒具有很好的流動性,可以用來制備在某些特殊場合下使用的固體潤滑劑。

二、納米材料在涂料方面的應用

納米材料由于其表面和結構的特殊性，具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能，顯示出強大的生命力。表面涂層技術也是當今世界關注的熱點。納米材料為表面涂層提供了良好的機遇，使得材料的功能化具有極大的可能。借助于傳統(tǒng)的涂層技術，添加納米材料，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，使得傳統(tǒng)涂層功能改性。涂層按其用途可分為結構涂層和功能涂層。結構涂層是指涂層提高基體的某些性質和改性；功能涂層是賦予基體所不具備的性能，從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能。結構涂層有超硬、耐磨涂層，抗氧化、耐熱、阻燃涂層，耐腐蝕、裝飾涂層等；功能涂層有消光、光反射、光選擇吸收的光學涂層，導電、絕緣、半導體特性的電學涂層，氧敏、濕敏、氣敏的敏感特性涂層等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射、耐大氣侵害和抗降解、變色等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保潔作用。在標牌上使用納米材料涂層，可利用其光學特性，達到儲存太陽能、節(jié)約能源的目的。在建材產品如玻璃、涂料中加入適宜的納米材料，可以達到減少光的透射和熱傳遞效果，產生隔熱、阻燃等效果。

日本松下公司已研制出具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應用的納米微粒有氧化鐵、二氧化鈦和氧化鋅等。這些具有半導體特性的納米氧化物粒子，在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，而且氧化物納米微粒的顏色不同，這樣還可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，克服炭黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。納米材料的顏色不僅隨粒徑而變，還具有隨角變色效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米TiO2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能使涂層產生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面漆舊貌換新顏。納米SiO2是一種抗紫外線輻射材料。在涂料中加入納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍地增加。納米涂層具有良好的應用前景，將為涂層技術帶來一場新的技術革命，也將推動復合材料的研究開發(fā)與應用。

三、納米材料在催化方面的應用

催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經驗進行，不僅造成生產原料的巨大浪費，使經濟效益難以提高，而且對環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒于作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。

光催化反應涉及到許多反應類型，如醇與烴的氧化，無機離子氧化還原，有機物催化脫氫和加氫、氨基酸合成，固氮反應，水凈化處理，水煤氣變換等，其中有些是多相催化難以實現(xiàn)的。半導體多相光催化劑能有效地降解水中的有機污染物。例如納米TiO2，既有較高的光催化活性，又能耐酸堿，對光穩(wěn)定，無毒，便宜易得，是制備負載型光催化劑的最佳選擇。已有文章報道，選用硅膠為基質，制得了催化活性較高的TiO／SiO2負載型光催化劑。Ni或Cu一Zn化合物的納米顆粒，對某些有機化合物的氫化反應是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈕催化劑。納米鉑黑催化劑可使乙烯的氧化反應溫度從600℃降至室溫。用納米微粒作催化劑提高反應效率、優(yōu)化反應路徑、提高反應速度方面的研究，是未來催化科學不可忽視的重要研究課題，很可能給催化在工業(yè)上的應用帶來革命性的變革。

四、納米陶瓷材料增韌改性

陶瓷材料作為材料的三大支柱之一,在日常生活及工業(yè)生產中起著舉足輕重的作用。但是,由于傳統(tǒng)陶瓷材料質地較脆,韌性、強度較差,因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用,納米陶瓷隨之產生,希望以此來克服陶瓷材料的脆性,使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國著名材料專家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。所謂納米陶瓷,是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料,也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制備納米陶瓷,這就需要解決:粉體尺寸、形貌和分布的控制,團聚體的控制和分散,塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。Gleiter指出,如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成,則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?能夠發(fā)生100%的塑性形變。并且發(fā)現(xiàn),納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性,在180℃經受彎曲而不產生裂紋。

許多專家認為,如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題,從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷,則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。上海硅酸鹽研究所研究發(fā)現(xiàn),納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經室溫循環(huán)拉伸試驗后,其樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變,形變量高達380%,并從斷口側面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線。Tatsuki等人對制得的Al2O3-SiC納米復相陶瓷進行拉伸蠕變實驗,結果發(fā)現(xiàn)伴隨晶界的滑移,Al2O3晶界處的納米SiC粒子發(fā)生旋轉并嵌入Al2O3晶粒之中,從而增強了晶界滑動的阻力,也即提高了Al2O3-SiC納米復相陶瓷的蠕變能力。