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1、第26卷第2期武汉理工大学学报Vol.26No.22004年2月JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFeb.2004纳米材料应用谢济仁,邵刚勤,易忠来,段兴龙(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉430070)摘要:纳米材料和技术是21世纪“最有前途的材料”和“决定性的技术”。文章综述了纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生物医药等方面的应用和在世界各主要国家的应用现状,并对纳米材料的应用前景进行了展望。关键词:纳米材料;纳米技术;应用中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:167124431(2004)0220017204有科学
2、家预言,在21世纪纳米材料将是“最有前途的材料”,纳米技术甚至会超过计算机和基因学,成为“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992年开始召开(两年一届),并且目前已有数种与纳米材料密切相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010年纳米技术市场为14400亿美元,美国政府自2000年克林顿总统启动国家纳米计划以来,已经为纳米技术投资了大约20亿美元。同时,欧盟在2002～2006年期间将向纳米技术投资10多亿美元。日本2002年的纳米技术开支已经从1997年的1.20亿美元提高到7.50亿美元。1纳米材料应用特性纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径,导致了高扩散率
3、,其对蠕变、超塑性有显著影响,并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强(受均匀腐蚀而不同于粗晶材料的晶界腐蚀)。因此,纳米材料表现出的力、热、声、光、电、磁性等,往往不同于该物质在粗晶状态时表现的性质。与传统粗晶材料相比,纳米材料具有高强度ö硬度、高扩散性、高塑性ö韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率及强软磁性能。可应用于高力学性能环境、光热吸收、非线性光学、磁性记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领[1]域。1.1力学性能高韧、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题。纳米结构材料的硬
4、度(或强度)与粒径成反比(符合Hall2Petch关系式)。在纳米材料中位错密度非常低,位错滑移和增殖采取Frank2Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般也比晶粒大,所以在纳米材料中位错的滑移和增殖不会发生,此即纳米晶强化效应。碳化钨2钴(WC2Co)硬质合金(金属陶瓷)作为刀具材料已有50多年的历史,其力学性能一直没有大的提高。美国Rutgers大学、中国武汉理工大学(原武汉工业大学)的研究者经研究发现,混合烧结和晶粒粗大是其主要原因,而当运用纳米复合技术制成超细甚至纳米晶粒材料时,它的高硬度、高强度、高韧性等优越性能使之在制作集成电路板
5、微型钻头、点阵打印机打印针头、精密工模具、难加[2～5]工材料刀具等领域占据了无以替代的地位。美国3M公司开发的Nextel610“超级陶瓷”中使用了纳米多-7晶A2Al2O3纤维,抗弯强度高达2.4GPa,弹性模量达380GPa,高温蠕变率(1100℃ö70MPa)为1×10ös。将这种纤维与200nm针状莫来石复合(45∶55,质量分数)制成的材料在1200℃还保持其85%的拉伸强收稿日期:2003209228.基金项目:国家863高技术研究发展计划(2002AA302504)和武汉理工大学科研基金(XJJ2002066,2003XJJ200)1作者简介:谢济仁(19532),男,
6、讲师1E2mail:gqshao@mail.whut.edu.cn18武汉理工大学学报2004年2月度。该公司开发的另一种多晶纤维Nextel720,由85%的多晶A2Al2O3纤维和15%的SiO2组成,其高温蠕变-10性大大改善,高温蠕变率(1100℃ö70MPa)达1×10ös。这些材料可用于在制造苛刻条件下使用的燃气[6,7]轮机、新型汽车、航天飞机的零部件。1.2磁学性能2新一代计算机硬盘系统中磁记录密度超过1155Gböcm,在这种密度下,传统的感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头(后者的磁致电阻效应为3%)已不能满足需求,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%,可用于
7、信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头2可将磁盘的记录密度提高到1171Gböcm。同时,纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似的线形关[8,9]系,可用作新型的磁传感器材料。C2Fe2O3ö高分子纳米复合材料对可见光具有良好的透射率,对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多,对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级,磁性比FeBO3和FeF3等透明磁体(磁性<3Aö(Wb·g))至少高1个
