21世紀(jì)的納米復(fù)合材料和技術(shù)

一些科學(xué)家預(yù)測，21世紀(jì)的納米材料是“最理想的材料”，納米技術(shù)已經(jīng)超過了計(jì)算機(jī)和基因?qū)W，成為一種“決定性技術(shù)”。國際納米結(jié)構(gòu)材料會議于1992年開始召開(兩年一屆),并且目前已有數(shù)種與納米材料密切相關(guān)的國際期刊。德國科學(xué)技術(shù)部預(yù)測到2010年納米技術(shù)市場為14400億美元,美國政府自2000年克林頓總統(tǒng)啟動國家納米計(jì)劃以來,已經(jīng)為納米技術(shù)投資了大約20億美元。同時,歐盟在2002~2006年期間將向納米技術(shù)投資10多億美元。日本2002年的納米技術(shù)開支已經(jīng)從1997年的1.20億美元提高到7.50億美元。1納米材料的性能納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑,導(dǎo)致了高擴(kuò)散率,其對蠕變、超塑性有顯著影響,并使有限固溶體的固溶性增強(qiáng)、燒結(jié)溫度降低、化學(xué)活性增大、耐腐蝕性增強(qiáng)(受均勻腐蝕而不同于粗晶材料的晶界腐蝕)。因此,納米材料表現(xiàn)出的力、熱、聲、光、電、磁性等,往往不同于該物質(zhì)在粗晶狀態(tài)時表現(xiàn)的性質(zhì)。與傳統(tǒng)粗晶材料相比,納米材料具有高強(qiáng)度/硬度、高擴(kuò)散性、高塑性/韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數(shù)、低熱導(dǎo)率及強(qiáng)軟磁性能?？蓱?yīng)用于高力學(xué)性能環(huán)境、光熱吸收、非線性光學(xué)、磁性記錄、特殊導(dǎo)體、分子篩、超微復(fù)合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結(jié)助劑、潤滑劑等領(lǐng)域。1.1碳化鎘基復(fù)合材料高韌、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的永恒主題。納米結(jié)構(gòu)材料的硬度(或強(qiáng)度)與粒徑成反比(符合Hall-Petch關(guān)系式)。在納米材料中位錯密度非常低,位錯滑移和增殖采取Frank-Reed模型,其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大,增殖后位錯塞積的平均間距一般也比晶粒大,所以在納米材料中位錯的滑移和增殖不會發(fā)生,此即納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。碳化鎢-鈷(WC-Co)硬質(zhì)合金(金屬陶瓷)作為刀具材料已有50多年的歷史,其力學(xué)性能一直沒有大的提高。美國Rutgers大學(xué)、中國武漢理工大學(xué)(原武漢工業(yè)大學(xué))的研究者經(jīng)研究發(fā)現(xiàn),混合燒結(jié)和晶粒粗大是其主要原因,而當(dāng)運(yùn)用納米復(fù)合技術(shù)制成超細(xì)甚至納米晶粒材料時,它的高硬度、高強(qiáng)度、高韌性等優(yōu)越性能使之在制作集成電路板微型鉆頭、點(diǎn)陣打印機(jī)打印針頭、精密工模具、難加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了無以替代的地位。美國3M公司開發(fā)的Nextel610“超級陶瓷”中使用了納米多晶α-Al2O3纖維,抗彎強(qiáng)度高達(dá)2.4GPa,彈性模量達(dá)380GPa,高溫蠕變率(1100℃/70MPa)為1×10-7/s。將這種纖維與200nm針狀莫來石復(fù)合(45∶55,質(zhì)量分?jǐn)?shù))制成的材料在1200℃還保持其85%的拉伸強(qiáng)度。該公司開發(fā)的另一種多晶纖維Nextel720,由85%的多晶α-Al2O3纖維和15%的SiO2組成,其高溫蠕變性大大改善,高溫蠕變率(1100℃/70MPa)達(dá)1×10-10/s。這些材料可用于在制造苛刻條件下使用的燃?xì)廨啓C(jī)、新型汽車、航天飛機(jī)的零部件。1.2巨磁電阻效應(yīng)新一代計(jì)算機(jī)硬盤系統(tǒng)中磁記錄密度超過1.55Gb/cm2,在這種密度下,傳統(tǒng)的感應(yīng)法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭(后者的磁致電阻效應(yīng)為3%)已不能滿足需求,而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%,可用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭,具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時,納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似的線形關(guān)系,可用作新型的磁傳感器材料。γ-Fe2O3/高分子納米復(fù)合材料對可見光具有良好的透射率,對可見光的吸收系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多,對紅外波段的吸收系數(shù)至少比傳統(tǒng)粗晶材料低3個數(shù)量級,磁性比FeBO3和FeF3等透明磁體(磁性<3A/(Wb·g))至少高1個數(shù)量級(雖然透光性略低一些),可在磁光系統(tǒng)、磁光材料中得到應(yīng)用。1.3隧道微量效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)由于晶界上原子體積分?jǐn)?shù)增大,納米材料的電阻高于同類粗晶材料,甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬→絕緣體轉(zhuǎn)變(SIMIT)。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制得的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特點(diǎn),可望全面取代常規(guī)半導(dǎo)體器件。德國和美國科學(xué)家在2001年初用碳納米管制備出了納米晶體管,顯示出很好的晶體三極管放大特性。荷蘭Delft大學(xué)在低溫下測量了碳納米管的三極管放大特性,并研制成功了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入,科學(xué)家研究出了碳納米管組成的邏輯電路。1.4機(jī)械耦合性能研究納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶和非晶材料的值,這是由于界面原子排列比較混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。預(yù)計(jì)在蓄熱材料、納米復(fù)合材料的機(jī)械耦合性能應(yīng)用方面有其用武之地。如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強(qiáng)烈的吸收作用,可以有效地將太陽光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?.5超細(xì)過濾控制納米粒子的粒徑遠(yuǎn)小于光波波長,與入射光有交互作用,光透性可通過控制粒徑和氣孔率而精確控制,在感應(yīng)和光過濾場合有廣泛應(yīng)用。由于量子尺寸效應(yīng),納米半導(dǎo)體微粒的吸收光譜普遍存在藍(lán)移現(xiàn)象,其光吸收率很大,因此可應(yīng)用于紅外線感測器材料。1.6清除血管內(nèi)的血管納米粒子比紅血球(6~9μm)小得多,可以在血液中自由運(yùn)動,利用納米粒子研制成機(jī)器人,注入人體血管內(nèi),可以對人體進(jìn)行全身健康檢查和治療,疏通腦血管中的血栓,清除心臟動脈脂肪沉積物等,還可吞噬病毒,殺死癌細(xì)胞。在醫(yī)藥方面,可在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品,納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便。2國內(nèi)納米材料開發(fā)現(xiàn)狀從1989年至今,國際上已有多家廠商相繼將納米粉末及納米元件產(chǎn)業(yè)化,其中以美、日居多,國內(nèi)在國際環(huán)境影響下也成立了一些納米材料開發(fā)公司,但影響力不大。1納米技術(shù)的發(fā)展2001年通過“國家納米技術(shù)啟動計(jì)劃”(NationalTechnologyInitiative),年度研究撥款由2億美元增至5億美元。美國科技戰(zhàn)略的重點(diǎn)已由過去的國家信息通信基礎(chǔ)構(gòu)想轉(zhuǎn)向國家納米技術(shù)計(jì)劃。布什總統(tǒng)上臺后,制定了新的發(fā)展納米技術(shù)的戰(zhàn)略目標(biāo):到2010年,在全國培養(yǎng)80萬名納米科技人才,納米科技創(chuàng)造的GDP要達(dá)到1萬億美元,提供200萬個就業(yè)機(jī)會。2003年3月,在政府的支持下,英特爾、惠普、IBM和康柏4家公司正式成立研究中心,在硅谷建立了世界上第一條納米芯生產(chǎn)線。道氏化學(xué)、杜邦、柯達(dá)休斯電子、摩托羅拉、施樂等都建立了納米研究團(tuán)體。許多大學(xué)也建立了一系列納米技術(shù)研究中心。在商業(yè)上,納米技術(shù)已被用于陶瓷、金屬和聚合物的納米粒子、納米結(jié)構(gòu)合金、著色劑和化妝品、電子元件等的制備。目前美國在納米合成、納米裝置精密加工、納米生物技術(shù)、納米基礎(chǔ)理論等方面處于領(lǐng)先地位。2新冠肺炎疫情對納米技術(shù)的影響在納米設(shè)備和強(qiáng)化納米結(jié)構(gòu)領(lǐng)域具有優(yōu)勢。日本政府把納米技術(shù)列入國家科技發(fā)展戰(zhàn)略4大重點(diǎn)領(lǐng)域,加大預(yù)算投入,制定了嚴(yán)密而宏偉的“納米技術(shù)發(fā)展計(jì)劃”:到2010年,將完成納米構(gòu)造有關(guān)的物性和機(jī)理的探明和解析,完成納米技術(shù)體系的整體構(gòu)建,培育開創(chuàng)出新的產(chǎn)業(yè),并且為其它領(lǐng)域和行業(yè)提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐。同時,日本各大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)界也紛紛以各種方式投入到納米技術(shù)的開發(fā)潮流中。3法國納米陶瓷和金屬粉體的制備技術(shù)在涂層和新儀器應(yīng)用方面處于世界領(lǐng)先地位。早在“尤里卡計(jì)劃”中已將納米材料技術(shù)研究列入,現(xiàn)在又將納米技術(shù)列入歐盟2002~2006年科研框架計(jì)劃。目前法國歐洲研究中心正全力開發(fā)納米材料及其氣敏元件;德國Plasmachem公司推行控制爆炸、真空電弧、高溫電漿噴射、低溫電漿合成等技術(shù)生產(chǎn)超微陶瓷和金屬粉體;Speicher-Technologie公司則進(jìn)行超微顆粒在石油蠟相變材料中的應(yīng)用研究。4國內(nèi)納米計(jì)算技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀20世紀(jì)80年代,“納米材料科學(xué)”列入國家“863”計(jì)劃、攀登計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目,已投資了上億元資助了有關(guān)納米材料和技術(shù)的研究,但目前我國納米技術(shù)水平與美、日、英、德等發(fā)達(dá)國家差距還較大,居世界第7(超微顆粒技術(shù)居世界第4),處于一種臨界態(tài),即可能一飛沖天、也可能長時間在僵局中徘徊。目前,中國共有50多家大學(xué),21家研究所和323家企業(yè)從事納米研究。迄今為止,我國已建立了10多條納米技術(shù)生產(chǎn)線,以納米技術(shù)注冊的公司近百個,生產(chǎn)SiO2、CaCO3、BaTiO3、In2O3、SnO2、TiO2、Al2O3、ZrO2、ZnO、Fe、Ni、生物化學(xué)納米粉末等。3納米設(shè)備和組成結(jié)構(gòu)的變化經(jīng)過世界眾多科學(xué)家對納米技術(shù)的探索,目前研究人員已經(jīng)能在實(shí)驗(yàn)室操縱原子,納米技術(shù)已經(jīng)得到了很大的發(fā)展。目前納米技術(shù)的應(yīng)用研究正在半導(dǎo)體芯片、癌癥診斷、光學(xué)新材料和生物分子追蹤等4大領(lǐng)域快速發(fā)展?？梢灶A(yù)見:隨著研究的深入,金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管、平面顯示器用發(fā)光納米粒子和納米復(fù)合物、光子晶體將應(yīng)運(yùn)而生;集成電路中單電子晶體管、記憶及邏輯器件、分子化學(xué)組裝計(jì)算機(jī)將投入應(yīng)用;原子、分子、簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機(jī)器人、電子鼻、集成生物化學(xué)傳感器、人體傳感器及調(diào)節(jié)器等將被制造出來。諾貝爾獎獲得者羅