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1、第26卷第2期武漢理工大學(xué)學(xué)報Vol.26No.22004年2月JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFeb.2004納米材料應(yīng)用謝濟仁,邵剛勤,易忠來,段興龍(武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點實驗室,武漢430070)摘要:納米材料和技術(shù)是21世紀“最有前途的材料”和“決定性的技術(shù)”。文章綜述了納米材料在力學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)和生物醫(yī)藥等方面的應(yīng)用和在世界各主要國家的應(yīng)用現(xiàn)狀,并對納米材料的應(yīng)用前景進行了展望。關(guān)鍵詞:納米材料;納米技術(shù);應(yīng)用中圖分類號:TB383文獻標識碼:A文章編號:167124431(2004)0220017204有科學(xué)
2、家預(yù)言,在21世紀納米材料將是“最有前途的材料”,納米技術(shù)甚至會超過計算機和基因?qū)W,成為“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納米材料應(yīng)用特性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散途徑,導(dǎo)致了高擴散率
3、,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、燒結(jié)溫度降低、化學(xué)活性增大、耐腐蝕性增強(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,納米材料具有高強度?硬度、高擴散性、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)[1]域。1.1力學(xué)性能高韌、高硬、高強是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的永恒主題。納米結(jié)構(gòu)材料的硬
4、度(或強度)與粒徑成反比(符合Hall2Petch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Frank2Reed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,此即納米晶強化效應(yīng)。碳化鎢2鈷(WC2Co)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,而當運用納米復(fù)合技術(shù)制成超細甚至納米晶粒材料時,它的高硬度、高強度、高韌性等優(yōu)越性能使之在制作集成電路板
5、微型鉆頭、點陣打印機打印針頭、精密工模具、難加[2～5]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-7晶A2Al2O3纖維,抗彎強度高達2.4GPa,彈性模量達380GPa,高溫蠕變率(1100℃?70MPa)為1×10?s。將這種纖維與200nm針狀莫來石復(fù)合(45∶55,質(zhì)量分數(shù))制成的材料在1200℃還保持其85%的拉伸強收稿日期:2003209228.基金項目:國家863高技術(shù)研究發(fā)展計劃(2002AA302504)和武漢理工大學(xué)科研基金(XJJ2002066,2003XJJ200)1作者簡介:謝濟仁(19532),男,
6、講師1E2mail:gqshao@mail.whut.edu.cn18武漢理工大學(xué)學(xué)報2004年2月度。該公司開發(fā)的另一種多晶纖維Nextel720,由85%的多晶A2Al2O3纖維和15%的SiO2組成,其高溫蠕變-10性大大改善,高溫蠕變率(1100℃?70MPa)達1×10?s。這些材料可用于在制造苛刻條件下使用的燃氣[6,7]輪機、新型汽車、航天飛機的零部件。1.2磁學(xué)性能2新一代計算機硬盤系統(tǒng)中磁記錄密度超過1155Gb?cm,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50%,可用于
7、信息存儲的磁電阻讀出磁頭,具有相當高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭2可將磁盤的記錄密度提高到1171Gb?cm。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)[8,9]系,可用作新型的磁傳感器材料。C2Fe2O3?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
