21
我国纳米材料发展现状
管理学院 林怡 3213004780
摘要：近年来，随着先进科学技术的不断发展,纳米复合材料的种类也变得多种多样。纳米复合材料的综合应用性能很好,在我国各工业产业领域的应用范围非常广泛，如涂料、工程材料、光学材料、磁性材料等。本文主要介绍三种纳米复合材料的应用以及我国纳米复合材料的发展现状。
关键词：纳米复合材料 纳米科技 应用 发展现状
0引言
纳米材料是指材料显微结构中至少有一相的一维尺度在100nm以内的材料。纳米材料由于平均粒径微小、表面原子多、比表面积大、表面能高，因而其性质显示 出独特的小尺寸效应、表面效应等特性，具有许多常规材料不可能具有的性能。纳米材料由于其超凡的特性，引起了人们越来越广泛的关注,不少学者认为纳米材料 将是21世纪最有前途的材料之一，纳米技术将成为21世纪的主导技术。
1纳米材料概述
1.1纳米材料的定义
纳米材料是物质以纳米结构按一定方式组装成的体系。它是纳米科技发展的重要基础，也是纳米科技最为重要的研究对象。纳米技术被公认为21世纪最具有发展前途的科学之一，纳米材料也被人们誉为21世纪最有前途的材料。由于纳米材料本身所具有的特殊性能，使其能够广泛应用于化工、纺织、军事、医学等各个领域。
1.2纳米复合材料的定义及分类
纳米复合材料是以树脂、橡胶、陶瓷和金属等基体为连续相，以纳米尺寸的金属、半导体、刚性粒子和其他无机粒子、纤维、纳米碳管等改性剂为分散相，通过适当的制备方法将改性剂均匀性地分散于基体材料中，形成一相含有纳米尺寸材料的复合体系，这一体系材料称之为纳米复合材料。
根据材料中是否含有聚合物及聚合物的种类将纳米复合材料进行简单的分类， 主要分为非聚合物纳米复合材料与聚合物纳米复合材料。其中非聚合物纳米复合材料又分为金属一金属纳米复合材料、氧化物一氧化物纳米复合材料以及
金属一氧化物纳米复合材料。 而聚合物纳米复合材料又分为聚合物一聚合物纳米复合材料和聚合物一无机纳米复合材料。
纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，纳米复合材料则是其中最具吸引力的部分，近年来发展很快，世界发达国家新材料发展的战略都把纳米复合材料的发展放到重要的位置。该研究方向主要包括聚合物基纳米复合材料、纳米碳管功能复合材料、纳米钨铜复合材料。
2聚合物基纳米复合材料
2.1聚合物基纳米复合材料的定义与分类
聚合物纳米复合材料是由各种纳米单元与有机高分子材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料，纳米单元可以是金属、无机物和高分子等。聚合物材料如塑料、纤维、橡胶、树脂等本身由于强度较弱或功能单一限制了它的应用范围，但是经与纳米材料复合后，不但可以增强而且具有许多功能性特征，如光、电磁等。
聚合物基纳米复合材料通常可分为3类：有机/有机型纳米复合材料、有机/无机混杂物型纳米复合材料、有机/无机粒子型纳米复合材料。
2.2聚合物基纳米复合材料应用—— 聚乳酸／碳纳米管复合材料
碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管，多于一层的则称为多壁碳纳米管。单壁碳纳米管的直径一般在几到几十纳米之间，长约数微米至数毫米，是一种一维纳米材料。
聚乳酸/碳纳米管复合材料可用熔融或溶液共混法制备，原位聚合法尚未见报道。Moon直接用这两种方法制得了聚乳酸／多壁碳纳米管复合材料，但是仅能实现微米级均匀分散。为改善碳纳米管在聚乳酸基体中的分散性，Chen等将MWCNT表面的碳原子用王水氧化再经SOCl2酰化变为MWCNT—COCI，将其与聚乳酸进行溶液共混，得到聚乳酸接枝的碳纳米管(MWCNT-g-PLA)，接枝率达53.1％(wt)，接枝后碳管直径由30nm增长到80nm；且MWCNT-g-PLA在聚乳酸基体以及氯仿、DMF等溶剂中均分散良好。
聚乳酸与MWCNT复合后，MWCNT可起到晶核的作用，促进聚乳酸结晶，当MWCNT
的加入量为5％时，聚乳酸的杨氏模量达到最大值2.5GPa，比纯聚乳酸提高1.5倍，但断裂伸长率降低。MWCNT的加入还能提高聚乳酸对电磁波的屏蔽作用、提高电导率。但对其生物相容性看来有不利影响，细胞培养实验表明，MWCNT的存在使成纤细胞的生长速率降低。
3纳米碳管功能复合材料
3.1纳米碳管功能复合材料的定义
碳纳米管(CNTs)是在一定条件下由大量碳原子聚集在一起形成的同轴空心管状的纳米级材料，它的径向尺寸为纳米数量级，轴向尺寸为微米数量级，属于碳同位素异构体家族中的一个新成员，是理想的一维量子材料。
3.2纳米碳管功能复合材料应用
3.2.1导电复合材料
聚合物/碳纳米管导电复合材料是静电喷涂、静电消除、磁盘制造及洁净空间等领域的理想材料[1]。GE 公司用碳纳米管制备导电复合材料，碳纳米管质量分数为 10 %的各种工程塑料如聚碳酸酯、聚酰胺和聚苯醚等的导电率均比用炭黑和金属纤维作填料时高，这种导电复合材料既有抗冲击的韧性，又方便操作，在汽车车体上得 到广泛应用。LNP公司成功制备了静电消散材料，即在 PEEK 和 PEI中添加碳纳米管，用以生产晶片盒和磁盘驱动元件。它的离子污染比碳纤维材料要低65 %～90 %。日本三菱化学公司也成功地用直接分散法生产出了含少量碳纳米管的 PC 复合材料，其表面极光洁，物理性能优异，是理想的抗静电材料。另外，聚合物/碳纳米管导电复合材料的电阻可以随外力的变化而实现通-断动作，可用 于压力传感器以及触摸控制开关;利用该材料的电阻对各种化学气体的性质和浓度的敏感性，可制成各种气敏探测器，对各种气体及其混合物进行分类，或 定量化检测和监控;利用该材料的正温度效应，即当温度升至结晶聚合物熔点附近时，电阻迅速增大几个数量级，而当温度降回室温后，电阻值又回复至初 始值，可应用于电路中自动调节输出功率，实现温度自控开关。
3.2.2导热复合材料
许多研究工作证明，碳纳米管是迄今为止人们所知的最好的导热材料。科学工作者预测，单壁碳纳米管在室温下的导热系数可高达 6600 W/mK，而经分离后的多壁碳纳米管在室温下的导热系数是 3000～6600 W/mK。由此可以想象，碳纳
米管可显著提高复合材料的导热系数及在高温下的热稳定性。Wu 等制备了多壁碳纳米管/高密度聚乙烯(MWNTs/HDPE)复合材料，并对其热性能进行了深入的研究，实验结果表明：导热系数随着 MWNTs 含量的增加而升高。当MWNTs 的质量分数达到 38 h，混合材料的导热系数比纯HDPE 的高三倍多。徐化明等采用原位聚合法制备的阵列碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯纳米复合材料，在氮气和空气气氛下，复合材料的热分解温度比基体材料分 别提高了约 100 和60 ℃。在导热性能上，阵列碳纳米管的加人使得复合材料的导热系数达到 3.0 W/mK，比纯 PMMA 提高了将近 13 倍。
3.2.3 其它功能复合材料
在碳纳米管/聚合物功能复合材料方面最近有南昌大学纳米技术工程研究中心研制的一种多壁碳纳米管/环氧树脂吸波隐身复合材料。通过对多壁碳纳米管进行高温 NaOH 处理，使碳管在其表面产生较多的孔洞，提高碳纳米管的表面活性;制备的吸波隐身复合材料具有良好的雷达吸波效果和可控吸收频段，这种吸波复合材料的体积电 阻率在106~107cm 数量级，具有优良的抗静电能力，这对于调整雷达吸波材料的吸波频段和拓宽吸波频宽有着重要意义。美国克莱姆森大学Rajoriat用多壁碳纳米管对环氧树脂的阻尼性能进行了研究，发现碳纳米管树脂基复合材料比纯环氧树脂的阻尼比增加了大约 140 %。
4纳米钨铜复合材料
W-Cu合金有优良的热导和可设计的膨胀系数以及抗电弧烧蚀作用,常作为
触头等工业合金。近年来,电子电路大规模集成化和微型化地发展,也要求更好的热导材料作为其封装材料。在钨铜复合材料的制备过程中,钨粉、铜粉颗粒度的大小是影响其致密性的一个重要因素。纳米颗粒具有特殊性能及很大的活性,因而纳米钨铜粉在成形上具有许多优越性。与很多新型材料一样,钨铜合金因具有一些优异性能而受到了人们的重视。然而,在常规熔渗、烧结条件下,钨铜复合材料受两种金属间互不溶性及低浸润性的影响,其致密化程度、组织结构分布、成分及形状、尺寸控制都难以达到理想状态。随着现代科学技术的发展,各种新型制备技术的引入,尤其是纳米材料地发展,会使W-Cu复合材料具有更高的致密度及优异的综合性能,同时也让W-Cu复合材料进入更广阔的应用领域。
5我国纳米科技发展现状
[2]
5.1 2010年纳米科技发展的“三大目标”
中国科学技术部2003.8.26组织召开国家纳米科技工作会议，并具体提出2010年中国纳米科技发展的三大目标：
1 纳米科学前沿领域，要以纳米电子学、纳米尺度的加工及组装技术、纳米生物和医学、纳米材料学等前沿理论和方法为重点，建立、完善国际先进的国家纳米科技发展公用平台和重点实验室系统，加强纳米科技信息网络和科研开发网络建设，构筑国家纳米科技创新体系。
2 纳米技术开发及其应用方面，要在纳米材料的制备、纳米器件制造工艺及装备、微型计算机和信息系统、环境和能源、医疗与卫生、生物和农业、航天和航空以及国防建设领域，攻克一批重大关键技术，取得一批对未来产业有重大影响的知识产权，为纳米科技成果的应用与产业化奠定技术基础。
3 形成纳米科技骨干队伍方面，吸引多学科专家参与纳米科技的研究与开发，培养和引进懂科技、懂经营、懂管理的复合型人才，为纳米科技的产业化提供力量。
5.2纳米科技发展现状
5.2.1 政府重视
我国已经将发展纳米技术载入十五届五中全会的报告，列入十五规划，列入“863”、“973”计划。
5.2.2 科研投入
我国对纳米科技的资金投入虽呈逐年上升的趋势。但因基数太小，根本不能和美、日、欧盟等技术大国相比。
5.2.3 主要研发力量
我国纳米技术研发力量主要集中在高等院校和科研院所。企业介入纳米技术的研发领域占5%。80%的研发力量集中于金属和无机物非金属纳米材料，高分子和化学合成材料等方面。在较低层次的纳米材料领域集中了一半以上的研发力量，在纳米核心技术——纳米电子、纳米机械、纳米生物、医药、纳米检测等重要领域，力量薄弱。
5.2.4科研成果
尽管我国对纳米技术研究投入严重不足，但在过去10年中我国科学家还是取
得了非凡的成绩。在国内外学术刊物上共发表有关纳米材料和纳米结构的论文2400篇，其中多篇发表在《自然》和《科学》等世界顶级学术杂志上。
5.2.5技术人才
国内有50多所高等学校、科研院所、４５００名纳米科研人员。
5.2.6产业化状况
据调查，全国共有纳米企业323家，其中以“纳米”注册的企业共57家。但大多数企业尚处初创期，技术尚不成熟，处在微利或亏损的状态。
5.3存在问题
5.3.1空有计划 虚有组织
虽然有关部门制定了我国纳米技术发展的十年规划，并成立了国家纳米技术指导小组，但因种种原因使我国纳米技术发展几乎空有计划、虚有组织，发挥不了应有的强大作用。
5.3.2项目重复投资
由于我国传统的科研体制和社会分工的不合理，造成在科研经费严重不足的情况下，有相当一部分科研项目属于重复投资。例如纳米隐身涂料，需求的领域专业性很强，但全国就有40多家科研单位在搞。根本原因在于：传统科研体制的条块分割后计划经济的弊端，信息不对称。
5.3.3尚未形成跨学科、跨领域的联合研发体制
传统的科研体制和教育体制决定了科研工作往往表现为各自为战，单打独斗，不能形成科研领域的强强联合。而纳米技术的跨学科、跨领域等特点恰恰要求建立联合研发体制，这严重制约了纳米技术的进一步发展。
5.3.4没有纳米技术权威检测机构
造成市场上狂炒“纳米”热的主要原因，就是国家没有建立一个权威的纳米技术及材料的检测机构。不能对纳米技术及其产品进行检测、鉴别，客观真实 地评价纳米技术对新产品、新材料所带来的性能等方面根本性的提升和改变。
5.3.5缺乏专业人才
尽管我国有4500多人的纳米技术研究队伍，但以传统分门别类的教育体制培养的“专业人才”，不适合也远远不适应纳米技术发展需要；据初步测算，为推动我国纳米技术的发展，近期就至少需要1万名复合型的纳米科研人员，而目
前我国从事纳米技术研究的科研人员大都是从其它领域转到或延伸到纳米领域的，在知识结构和知识面上存在着一定缺陷，人才缺口非常明显，但每年还有大量的人才流失。
5.3.6原创性成果少
文章数量多，高档次少，专利少；已经转化的技术中，还有很多是不成熟的。这不仅造成了企业的损失，而且也给纳米技术的发展造成了严重的影响。 6结语
我国与世界各技术大国在纳米技术上的差距不仅仅在技术本身，更重要的是机制和体制上以及政府部门的支持力度上。因此，政府有必要支持建立一个强大的、跨学科的、开放的、流动的、市场化的、综合的研发平台，推动研发工作在联合中竞争，在竞争中联合，并以此作为研究机构与企业之间的纽带。
参考文献
[1] 张丽, 赫玉欣. 碳纳米管纳米复合材料的研究现状及问题[J]. 广东化工, 2011, 第5期:42-43.
[2]吴小刚, 栾道成, 杨林. 钨铜与纳米钨铜复合材料的发展现状[J]. 西华大学学报：自然科学版, 2006, 第1期:8-10.