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纳米技术(四)

(2018-07-25 06:29:06)
标签:

碳纳米管

隐身涂料

靶向定位

电子隧道

诺贝尔奖

分类: 前沿科技

发展纳米技术之对策

纳米技术是一种能在原子或分子水平上操纵物质的技术,或者说是在纳米(1纳米为10亿分之一米,比原子稍大)水平上对物质和材料进行研究处理的技术,作为材料技术,纳米技术能够为信息和生物科学技术进一步发展提供基础的材料,所以纳米技术的意义已远远超过了电子信息技术和生物科学技术钱学森对此指出,纳米科技将是一次革命,将是21世纪的一次产业革命我国要在这场革命中取得胜利,有必要很好地找出问题并予以解决

存在的主要问题

一是经费投入不足问题纳米技术属于高技术领域,这一领域的特点是高投入高风险,当然也会带来高回报但在技术研究开发的初期,经济效益不明显有时甚至没有效益,高风险的投入不可能通过技术本身产生的经济效益来弥补,因此技术研究开发所需大量资金的来源成为一大现实问题目前我国在纳米技术方面的资金投入主要有两块:作为国家科技开发的重点立项项目予以财政拨款和地方性或部门性科研机构从企业资助或其他途径获得的资金这两部门的资金总量不算少,例如作为科技开发的重大立项项目,我国为纳米技术的研究和开发一次投入就达2000多万元但就纳米技术未来的发展前景和对资金的实际需求来看,以及与世界科技强国的资金投入水平相比,我国在这方面的资金投入是远远不够的,这势必造成我国纳米技术的研究开发落后的局面

二是纳米产业规模不大发展速度不快的问题纳米技术的神奇特性使其对于未来的产业发展意义重大目前,纳米技术广泛应用于光学医药半导体信息通讯,一年的营业额已经达到500亿美元有预测说,到2010年,纳米技术的市场容量将达14400亿美元着纳米技术的进一步发展,必须带来传统产业结构调整和新产业群诞生等问题,纳米技术孕育着巨大的商机根据历史经验和最新的科技发展,决定一个国家在二十一世纪地位的产业是纳米产业面对未来,中国纳米产业的发展充满使命感和紧迫感对此国家重点基础研究纳米项目的首席科学家张立德研究员提出:“纳米材料的应用和开发,提供了一个千载难逢的大好时机,机不可失,时不再来,我们必须紧紧抓住这次机遇"

迄今为止,我国已经建立10多条纳米材料和技术的生产线,纳米复合塑料橡胶和纤维的改性纳米功能涂层材料的设计和应用纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起,以纳米材料和纳米技术注册的公司达到近100个但这些企业大多规模不大

二十世纪将是一个纳米世纪,为了我国高科技产业的未来发展,必须很好地解决目前所存在的问题

采取的对策

首先,要从战略的高度充分认识发展纳米技术的重大意义早在纳米技术刚刚兴起的时候,我国一些著名的科学家们在不同的场合大声疾呼:传统的亚微米器件,我国已经不容易赶上发达国家,这次纳米器件的机遇一定要抓住著名院士陈芳允临终前留下这样的遗言:"要用’两弹一星’精神,由国家组织抓纳米电子学及纳米电子器件"我们应该看到,世界范围纳米技术热潮的兴起决非空穴来风,纳米技术为二十一世纪带来的将是一场产业革命谁占领了纳米技术的制高点,谁就能掌握这场革命的主动权,谁掌握了革命的主动权,谁就赢得了二十一世纪

其次,加大投入力度,拓宽投资渠道针对我国纳米技术研究和开发资金严重不足的矛盾,由国家相应承担一些投资风险是必要的,这也是西方发达国家的一种通常的做法在对未来具有决定意义的高科技开发上,进行简单的经济效益分析,现在国家财政也不充裕,但提供充足的资金用于对未来产生决定性影响的纳米技术的研究,可以说是一本万利因此,国家要加大投资力度当然,仅靠国家的投资是远远不够的,要拓宽投资渠道可以选择一些有发展前途和市场潜力的纳米企业,进行股份制改造从民间吸纳资金,以此带动纳米产业的整体发展

要制定切实可行的产业发展政策纳米技术的产业化发展是纳米技术研究开发的原动力和主要目标但纳米技术产业化过程不是瞬间就可以完成的,在其发展过程中,需要国家制定相应的产业政策予以支持和扶植比如,在税收政策性贷款企业人才引进等方面予以政策优惠等等目前由于国内纳米企业的规模和影响还不大,国家虽然已经认识到纳米产业化发展的重要性,却还没有从产业政策上予以支持和鼓励,政策的滞后往往造成新产业发展目标的模糊对此我国在产业政策的制定上要有超前性,要充分估计到产业的未来发展方向,体现出国家的产业发展目标,为产业的发展指明道路

纳米科学技术的新进展

在20世纪的最后十年,一门崭新的学科——纳米科学技术以其新颖性独特的思路和首批研究成果的问世,在科学技术界和军界引起巨大反响,受到广泛关注美国IBM公司首席科学家Amotrong说:“正如70年代微电子技术引发了信息革命一样,纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心"

从幻想到现实

50年代末著名的物理学诺贝尔奖获得者R.Feynman曾指出,科学技术发展的途径有两条,一条是"自上而下"的过程另一条是"自下而上"的过程近几十年来,科学技术一直沿着"自下而上"的微型化过程发展纳米科学技术专家们相信"自下而上"的途径,即从原子分子开始组装具有特定功能的成品,例如在一定物理化学条件下,通过自组织效应,生长具有纳米结构特征的半导体薄膜;形成超强度材料;制备量子点结构器件等,都是"自下而上"方法的实例

原子世界奇观

扫描隧道显微镜(STM)是IBM公司苏黎世研究所的G.Binnig和H.Rohrer于1981年发明的,他们因此共同获得1986年诺贝尔物理学奖STM是一种基于量子隧道效应的新型高分辨率显微镜,它能以原子级空间分辨率来观测物质表面原子或分子的几何分布和态密度分布,确定物体局域光热和机械特性借助STM人们可以在真空大气或液体中对样品进行原子级分辨的无损观测

STM可以实时测量物体表面的实空间三维图像测量分辨率对平行和垂直于表面方向分别为0.1nm和0.01nm这将会实现人类长期追求的直接观察原子真面目的愿望STM还具有广泛的适用性,如刻划纳米级微细线条移动原子等实际操作因此SIM已成为纳米科学技术的主要工具STM还可在自然条件下对生物大分子进行原子级直接观察,因而在生命科学研究中具有极大的潜力IBM公司的科学家在1989年利用STM移动氙原子,最后把一个个原子排列成IBM商标后来,他们又进一步把一排铁原子拼成汉字"原子"

纳米物理学:开发物质潜在信息

50年代,R.Feynamn曾说:"如果有1天可以按人的意志安排1个个原子,那将会产生怎样的奇迹?"人们突破传统观念的限制,深入到物质的内部按人们的意志直接操纵单个原子,组装具有特定功能的产品,这必将深刻影响全人类的生产活动生活方式和人类自身

纳米物理学将深入揭示物质在纳米空间的物理过程和物性表征它以纳米固体为研究对象,对若干重要物理问题进行研究,如结构的奇异性鲜为人知的光学性质特殊的导电机理庄子尺度效应小尺寸界面效应量子隧道效应和库仓阻塞效应等这些问题的明朗化将对开发物质潜在信息和结构潜力,以及电子技术产生重大的影响总之,既有重要的理论意义,又有重要的应用前景纳米电子学:控制单个电子

美国IBM公司和日本日立制作所中央研究所都已经研制成功单电子晶体管传统的晶体管是控制成群电子的运动状态,形成开关振荡和放大等功能的单电子晶体管只是控制一个电子的运动状态开发单电子晶体管,只要控制单个电子的行为即可完成特定功能,可使功耗降低到原来的1/1000,从根本上解决日益严重的集成电路功耗问题

对电子在真空中和在固体中的行为进行控制,已产生举世瞩目的辉煌成果但是,作为电子器件,迄今为止只利用了电子波粒二象性的粒子性;其次,各种传统电子元器件都是通过控制电子数量来实现信号处理的,而量子器件不单纯通过控制电子数目的多少,主要是通过控制电子波动的相位来实现某种功能的因此,量子器件具有更高的响应速度和更低的功耗

现有的Si和GaAs器件无论怎样改进,其响应速度最高只能达到1012秒,功耗最低只能降至1μW然而量子器件在响应速度和功耗方面可以比这个数据优化100010000倍由于器件尺度为纳米级,集成度大幅度提高,同时还具有器件结构简单可靠性高本低等诸多优点,因此,纳米电子学的发展,可能会在电子学领域中引起新的电子技术革命,从而把电子工业技术推向一个更高的发展阶段

纳米材料科学:奇异性探索

实验表明,纳米材料具有许多鲜为人知的奇异性纳米铜的自扩散系数比晶格扩散系数增大1019倍,膨胀系数比普通铜成倍增大纳米硅的光吸收系数比普通单晶硅增大几十倍在通常情况下陶瓷是脆性材料,因而限制了其应用范围,纳米Ti02陶瓷却变成韧性材料,在室温下可以弯曲,塑性形变高达100%纳米金属颗粒以晶格形式淀积在硅表面,可以形成高效电子元件或高密度信息存贮材料超细颗粒铁表面覆盖一层5nm到20nm厚的聚合物,可以固定大量蛋白质或酶,在控制生物反应和酶工程中将起重要作用北京理工大学纳米技术实验室研制的纳米ZnO薄膜具有很好的C轴取向,有良好的压电效应;该实验室利用等离子体增强化学气相淀积技术,成功地生长出纳米硅薄膜,具有良好的压阻效应英刊报道,已经制备成功一种尺寸只有4nm的复杂分子,具有"开"和"关"的特性,可以由激光驱动,开关时间很快,这将为激光计算机的研制提供技术基础

常规材料中的基本颗粒的直径小到几微米大到几毫米,包含几十亿个原子而纳米相材料中的基本颗粒直径不到100nm,包含的原子不到几万个一个直径3nm的原子团包含大约900个原子,几乎是英文里一个句点的百万分之这个比例相当于一条30m长的帆船跟整个地球的比例由于它们微小的结构颗粒对光机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒,纳米相材料从宏观上显示出许多奇妙的特性,例如纳米相铜强度比普通铜高5倍;纳米相陶瓷是摔不碎的

只要控制结构颗粒的大小,就能制造出强度颜色和可塑性都能满足用户要求的纳米相材料这也许具有最大的商业价值科学家在了解这些无与伦比的材料及其有用的特性方面已经取得了很大的进展,已经用纳米相材料做出了各种产品一从陶瓷到电子产品它们肯定还会在无数其他领域找到更为广泛的应用

纳米生物学:纳米机器人

纳米生物学的近期设想,是在纳米尺度上应用生物学原理,发现新的现象,研制可编程的分子精细结构及其与功能的联系;(2)在纳米尺度上获得生命信息,例如利用扫描隧道显微镜获取细胞膜和细胞器表面的结构信息,利用纳米传感器获得各种生化反应的化学信息和电化学信息;(3)纳米机器人的研制

纳米机器人是纳米生物学中最具诱惑力的内容第一代纳米机器人是生物系统和机械系统的有机结合体,如酶和纳米齿轮的结合体这种纳米机器人可注入人体血管内,可以进行全身健康检查,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪淀积物,吞噬病毒,杀死癌细胞第二代纳米机器人是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置三代纳米机器人将包含有纳米计算机这是一种可以进行人机对话的装置这种纳米机器人一旦研制成功,有可能在1秒钟内完成数10亿次操作人类的劳动方式将产生彻底的变革

可能引导新的工业革命

纳米技术的科学家们坚信,"小"是未来科学技术发展的趋势日本已用极微小的部件组装成一辆只有米粒大小能够运转的汽车;工程师们制成了直径只有1nm到2nm的静电发动机;体积只有常规机器万分之一能够运转的车床以及直径仅5.5nm的"尺蠖”,有朝一日它也许会钻进核工厂的管道系统检查管道是否有裂缝德国工程师制成了一架只有黄蜂大小和能够升空的直升机肉眼几乎看不见的发动机以及供化学行业使用的火柴盒大小的器

更加引人注目的是,科学家已经开始在硅片上造出微机电系统这些装置把电路和在运转着的机器合装在一个硅片上,这些装置最终将像目前的硅芯片一样普遍几种基本的微机电系统已经在美国日本和德国使用,包括在上百万辆汽车里安装的一种细如发丝的传感一致动器,当它"感觉"到撞击时,就会立即打开保险气袋,防止撞伤

只有削尖了的铅笔尖大小每分钟转速高达10万转的1伏特发动机最终将推动电子显示器手表摄录机和激光扫描器的发展

奇妙的应用畅想

纳米材料具有独特的性质,因此可能存在奇妙的应用前景科学家和工程技术人员提出了异想天开的可能应用

太空升降机

巴基球是由60个碳原子聚集在一起形成的足球状结构,具有若干特殊的性质在巴基球的基础上,又研制成功碳纳米管碳纳米管的强度比钢高100倍,而重量只有钢的1/6单个碳纳米管的直径只有1.4nm,50000个碳纳米管并排在一起相当于一根头发丝的直径据专家说,它们可能成为未来理想的超级纤维对纤维强度起决定作用的参数是长度与直径的比值材料工程师希望得到长度与直径之比至少是20:1而即使在目前,纳米管的长度也是其直径的几千倍,所以具有高强度是不奇怪的

碳纳米管的最异想天开的用途,是用于太空升降机一根碳纳米管缆绳从地球同步轨道上垂到地球表面,与钢或其他任何物质不同的关键是它能支持住自身的重量这就提供了一种把人或物品提升到外层空间的可能方法,也许将成为人类移居外星球的理想方法

电子隧道众所周知,光导纤维是光子的隧道,光在隧道中可以迅速通过碳纳米管可以充当电子快速通过的隧道6原子环组成的碳纳米管能把一个由60个原子组成的巴基球正好装在中间把一个金属原子嵌入巴基球中,并且在纳米管中装满一串这种巴基球,这样,碳纳米管就成为一根直径只有一个原子大小的金属导线

据分析,碳纳米管可能成为最佳超微导线一根纳米管的直径只有计算机芯片上最细电路直径的1/100预计它将成为理想导体,导电性能大大超过铜纳米管最终可以用于纳米级电子线路

纳米隐身术近年来关于纳米材料具有高的电磁波吸收系数的报道,引起军界研究人员的极大兴趣,提出以纳米材料作为新一代隐身材料的设想和探索

纳米材料由于其结构特征尺寸进入纳米领域,物质的表面界面效应量子效应将十分显著地表现出来,对吸波性能产生重要影响纳米超微粒可以制成具有良好吸波性能的涂层金属金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超微粒,在细化过程中,使组成粒子的原子数大大减少,活性大大增加在微波场的辐射下,使原子电子运动加剧,促使磁化,使电磁能转化为热能纳米超微粒的磁损耗大,对电磁波兼具吸收和透过之功能其吸波性能和透波性能取决于超微粒的尺度纳米材料具有十分巨大的界面面积,这对提高雷达波的损耗是十分有利的

为了获得兼具宽频带多功能质量小和厚度薄等性质,正在研究的纳米复合隐身材料,可以期望出现对厘米波毫米波红外可见光等很宽波段的复合隐身材料,甚至可望研制成与结构材料复合与抗核加固技术兼容的隐身材料

纳米电子枪与纳米探头碳纳米管众多可能用途中,以下几种令人耳目一新:作为其他分子之间的"分子导线";用作能"感觉"物体表面单个原子结构的纳米探头(由于纳米管非常小,小到不会打扰运动中的细胞,可以用作生物系统的电子探头);用作纳米级电子枪来点亮新一代平面显示屏上的发光体

纳米卫星与微型飞船在小卫星系列中,可以分为小型卫星微型卫星和纳米卫星它们的重量分别在10kg到500kg,0.1kg到10kg和0.1kg以下以硅为衬底的专用集成微型仪器,可以应用于制导导航控制姿态控制推进能源和通信等航天器系统国科学家提出在非常小的航天器上建造性能优越的计算机最终设计出能够飞到其他星球上去从事生产的微型飞船可以发射几百万个这样的飞船进行大规模生产

原子精密度计算机美国国家航空航天局的科学家指出,21世纪初,将必须制造具有原子精密度的计算机并提出了分子探针的设计,这种探针可以区分紧密排列在金刚石表面的F原子和H原子如果把F原子的值定为1,把H原子的值定为0;同时设计一个能非常快速阅读它们的探针,这样就有可能得到一个原子型的二进制码,作为新一代计算机的基础

将纳米技术引入现代医药学

纳米技术已引入现代医药学即形成了载药纳米微粒,它是一种比人体组织细胞还小的超微小球形药物载体,为近年问世的药物控释和缓释的新剂型,具有能被组织或细胞吸收的特性,经特殊加工后还可对组织或器官定向给药

载药纳米微粒的种类与作用:

普通载药微粒:它通过药剂学的方法将一些药物与纳米技术高度结合,使原本因理化性质不稳定而易被降解破坏或因不良反应较大而影响其使用的药物经特殊的方法高度分散于药物载体中制成这种微粒,用液体载体的流动形式给药,从而避免了传统给药方法的诸多不足有人用纳米粒子做药物或抗体的载体,可以提高某些药物对天然或人造膜结构的透过率,并蓄积于小肠,这样使得其生物利用度与水溶剂相比有了显著的改善

控释载药微粒:与常规的控释剂不同,载药纳米微粒的控释过程具有特定的规律,囊壁的溶解及酶和微生物的作用均可使囊心物质向外扩散依不同的控释目的,选择合适的囊材及成囊工艺,使微粒在局部驻留并达到有效浓度,同时不引起全身毒性反应如目前问世的载有茶碱的聚异丁基氰丙烯酸酯(PICA)纳米粒子,注射后可维持高血药浓度达11小时,给药20小时后血药浓度仅降低43.5%实验表明,将茶碱吸附于PICA纳米粒子,可有效地控制大鼠体内的药物释放

靶向定位载药微粒:是依临床需要通过选用对机体各种组织或病变部位亲和力不同的载体制作载药微粒,或将单克隆抗体与载体结合,以使药物能输送到治疗期望达到的特定部位如有人将药物溶于脂肪油中,经乳化分散于水相后制成的脂质乳剂,是一种以脂质为软基质而被磷脂膜包封的微粒分散系,其在组织分布上与脂质体相似,可选择性地在肿瘤及炎症部位蓄积国内已成功试用聚乳酸一乙醇酸共聚物(PLGA)制备了包载抗细胞增生药物细胞松弛素B的生物降解性纳米微球,它可穿透结缔组织并被靶部位的血管吸收,以达到有效治疗心血管再狭窄及其他疾病的目的

载药磁性微粒:是在微囊的基础上发展起来的新型药物运载系统随着人们对治疗效果要求的日趋提高,靶向定位也因受基质选择性的限制而并非那么尽如人意,由此出现了载药磁性微粒通过其运载药物,以适当的方式引入人体,在外加磁场的作用下,研究其位点特异的靶向性攻击已研究出阿奇霉素免疫磁性毫微粒,在进行了免疫活性检测和体外抑瘤实验后,证实它有抗体导向功能,并有较高的磁响应性,为体内靶向治疗提供了依据

研究开发前景:1.用于解决口服易水解药物的给药途径;2用于延长药物的体内半衰期;3.可更精确地靶向定位给药,减少药物的不良反应;4.用于消除特殊生物屏障对药物作用的限制

纳米技术离我们是近还是远?

纳米技术给人们带来了无限的遐想,许多媒体的报道更是令人感到,也许明天我们就能享受到纳米技术带来的神奇,但就目前的技术水平而言还难以大规模地应用因此世界各国的研究者们,都把主要精力放在研究如何将纳米技术与现有技术有机地结合起来,使纳米技术更快地应用于实践由于纳米技术的一个主要特点,就是可以在纳米尺寸下对物质的分子原子进行加工,所得到的纳米材料,将具备人们用常规办法所得不到的特性现有技术和现有材料将作为纳米技术的载体而再次闪亮登场目前最有可能实现的重大突破主要是在以下几个方面:

隐身涂料技术

现有的隐身涂料,主要是靠吸收某一波段范围的雷达波,来实现对雷达的隐身对其他波段的雷达波及光学探测则毫无办法,这无疑降低了兵器的隐身效果而美国研制的利用纳米技术制造的隐身涂料超黑粉,不但对雷达波的吸收率达99%,而且还由于纳米磁性材料在一定条件下会产生光发散效应,具有凹透镜的作用,当光束通过时会改变传输方向,可以降低光的强度和改变光的空间分布,从而达到有效对抗光学探测的目的由此可以看出,纳米技术将为兵器隐身技术向全波段主被动兼容方向发展,提供一个广阔的空间

在军服面料方面的应用

军服是一种特殊的功能性服装,不但要具备结实耐穿阻燃防水抗菌隐身等性能,同时还要具备轻便易清洁舒适等特点然而传统的面料无法同时满足这些要求,这就给了纳米技术大显身手的机会研究人员发现,在某种条件下,具有不同甚至是相反的理化性质的纳米相区,可以实现相互间的协同作用也就是说,利用特殊的纳米技术对传统的材料进行处理,形成相互交错混杂的具有相反特性的二维纳米相区使原来无法兼容的特性,通过它们的相互协同作用表现出来,从而生产出功能强大的新型军服面料新型的军服由于大量地运用了纳米技术,因而具有抗紫外老化和热老化以及保暖隔热作用;由于纳米材料具有的小尺寸效应和宏观量子效应,将大幅度地提高材料的弹性强度耐磨性和稳定性;二元协同纳米材料技术的运用,使军服不但防油防水抗菌抗污,清洁起来极其简便,而且穿着柔软舒适,更加适应野战条件下的要求此类军服所需的面料,在理论上已经得到证实,现在正在加紧进行应用研究,在这一领域我国现处在世界先进水平行列

新型发射药

无论是火炮还是轻武器,都要求射程远初速大,而目前的技术手段则只有增加装药量,这势必又增加武器及弹药的质量,与当前武器设计的发展趋势相悖科学家们在试验中发现,将金属铜或铝制成纳米级颗粒时,一遇到空气就会发生猛烈的爆炸这一现象给了科学家们启发,如果将发射药制成纳米级的颗粒,将会提高单位体积所释放的能量,不但会使弹头的初速射程得以提高,而且还会使弹药的质量减轻,便于携带和运输

从迄今为止的研究成果看,根据分子纳米技术这一概念,在任意组合所有种类的分子,制造出各种的分子结构,使组合分子的机器实用化方面,尚未取得重大进展这也就是当前诸多媒体更多报道的超微型攻击机器人超微型导弹等概念性武器目前这种概念性的纳米武器进展缓慢,这主要是因为通过纳米精度的"加工"来人工形成纳米结构的技术,不但使传统的制造技术遇到挑战,也使半导体微型化即将达到极限这是因为,超微型武器都是基于以电力作为能源的,如果把电路的线幅变小,将使构成电路的绝缘膜的厚度变得极薄,这样将破坏绝缘效果据认为,在半导体世界,基于传统原理的元件到了50纳米就将达到极限此外,还有发热和晃动等问题为了解决这些问题,研究人员正煞费苦心,希望能找到一种新型的纳米技术目前的纳米研究仍处于材料科学的范畴,基本上是以纳米级加工技术为主主要军事用途是以纳米材料所具备的特性,来提升武器装备的作战性能全以纳米技术的研究成果为核心技术制造的武器,还都停留在设想阶段,还有大量艰苦的工作要做

高聚物/纳米复合材料技术进展及发展前景

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,因而其性质既不同于单个原子分子,又不同于普通的颗粒材料,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,不少学者认为纳米粒子将是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

高聚物/纳米复合材料的技术进展

对于高聚物/纳米复合材料的研究十分广泛,按纳米粒子种类的不同可把高聚物/纳米复合材料分为以下几类:

1聚物/粘土纳米复合材料

由于层状无机物如粘土云母V205Mo03层状金属盐等在一定驱动力作用下能碎裂成纳米尺寸的结构微区,其片层间距一般为纳米级,可容纳单体和聚合物分子;它不仅可让聚合物嵌入夹层,形成"嵌入纳米复合材料”,而且可使片层均匀分散于聚合物中形成"层离纳米复合材料"其中粘土易与有机阳离子发生离子交换反应,具有亲油性甚至可引入与聚合物发生反应的官能团来提高两相粘结,因而研究较多,应用也较广其制备的技术方式有插层法和剥离法,插层法是预先对粘土片层间进行插层处理后,制成"嵌入纳米复合材料”,而剥离法则是采用一些手段对粘土片层直接进行剥离,形成"层离纳米复合材料"由于插层法研究工作比较成熟,应用也较多,因而本文主要对该方法进行介绍

根据插层形式的不同又可以分为以下几种:

插层聚合

插层聚合即将单体先嵌入片层中,再在热光引发剂等作用下聚合此法可分为步法"和"二步法""二步法"为将粘土的插层膨胀处理与处理后粘土与聚合物单体的聚合分为两步进行这种方法的缺点是,粘土的膨胀化处理过程需增加设备,耗费大量的时间和能量用于干燥和破碎,导致生产成本上升,生产效率下降;另一个缺点是处理后的粘土与聚合物熔体的混合物缺少流动性,使得粘土不易均匀分散在聚合物单体中这就导致了熔体缩聚工序的困难和材料性能的下降因此,只有无机填料与聚合物基体有强相互作用,并达到纳米尺度的分散,才可能获得性能优异的有机/无机纳米复合材料为解决此问题,人们发明了步法"制备聚合物/粘土纳米复合材料,即将粘土阳离子交换反应聚合物单体插层后的粘

土与聚合物单体共聚合在反应器内1次完成使粘土通过库仑力与聚合物基体结合并以纳米尺度均匀分散在聚合物基体中,制备成高性能的聚合物/粘土纳米复合材料

溶液或乳液插层

溶液或乳液插层即通过溶液或乳液,将聚合物嵌入片层中该方法的关键是寻找合适的单体和相容的聚合物粘土矿溶剂体系对于一些高性能聚合物如聚苯硫醚,则很难找到溶剂,因此该法对这些聚合物有一定局限性

熔体插层

熔体插层即将插层剂插入到准二维硅酸盐粘土材料片层间使粘土片层撑开,进而依靠高分子链同插层剂有机基团间的相互作用及螺杆的剪切力将高分子链插入到粘土片层间并将片层解离,使粘土达到纳米尺度的均匀分散,形成高分子聚合物/粘土纳米复合材料与插层聚合法相比,该法不需溶剂耗时短操作简单效率高适合大多数聚合物易于工业化应用,且性能与原位插层聚合材料相当但在对聚醚酰亚胺/粘土等高性能聚合物/粘土纳米复合材料体系的研究过程中人们发现,为提高粘土与聚合物相容性而对粘土进行的有机化处理不能承受熔体插层的高温,因而该法对高熔点聚合物的应用还有待深入研究

插层法工艺简单原料来源丰富廉价片层无机物只是一维方向上处于纳米级,粒子不易团聚,分散也较容易作为结构材料,聚合物/粘土纳米复合材料的物理学性能与常规聚合物基复合材料相比具有很多优点,得到的复合材料往往具有十分优异的耐热性及阻隔性该法的关键是对片层插层前的处理,利用插层剂建立粘土与高分子聚合物的连接桥梁烷基铵盐是最常用的插层剂,也有用其它有机盐或中性分子类衍生物改性的不同的聚合物应选用不同的插层剂,不同的加工方法所选用的插层粘土也是有区别的应值得注意的是制备纳米级蒙脱土的膨润土,应是蒙脱石含量>95%自然界很难找到这样的原矿,需要提纯获得以往一些搞聚合物/粘土纳米材料的研究人员,由于选用的蒙脱石含量仅达85%90%,其中10%15%是粒子较粗的杂质,又没有进行有效的提纯处理,最终制作的纳米聚合物材料的性能实际上大打折扣因此,在研究及生产中对粘土的采选应加以重视截止到2003年,高聚物/粘土纳米复合材料已经获得了大批量的生产与应用我国中科院化学所工程塑料国家实验室采用天然蒙脱土作为分散相,将硅酸盐原有结构解离成厚度为1mn,长宽约为100nm的片层均匀分散在聚合物中,实现了使粘土片层在聚合物中的纳米级分散,成功地开发了PA6/粘土纳米复合材料及PET/粘土纳米复合材料,在汽车食品轻工等许多领域获得了应用同时,PA6/粘土纳米复合材料在聚酰胺技术开发中心基地——岳阳石化总厂研究院中试开车成功,产品性能指标均达到国外同类产品水平,表明我国高聚物/粘土纳米复合材料在生产和应用上取得了很大进展

2高聚物/刚性纳米粒子复合材料

用刚性纳米粒子对力学性能有一定脆性的聚合物增韧是改善其力学性能的另一种可行性方法随着无机粒子微细化技术和粒子表面处理技术的发展,特别是近年来纳米级无机粒子的出现,塑料的增韧改性彻底冲破了以往在塑料中加入橡胶类弹性体的做法,而弹性体韧性往往是以牺牲材料宝贵的刚性尺寸稳定性耐热性为代价的

从复合材料的观点出发,若粒子刚硬且与基体树脂结合良好,刚性无机粒子也能承受拉伸应力,起到增韧增强作用对于超微无机粒子增韧改性机理一般认为:

刚性无机粒子的存在产生应力集中效应,易引发周围树脂产生微开裂,吸收一定的变形功

刚性粒子的存在使基体树脂裂纹扩展受阻和化,最终终止裂纹不致发展为破坏性开裂

随着填料的微细化,粒子的比表面积增大,因而填料与基体接触面积增大,材料受冲击时,由于刚性纳米粒子与基体树脂的泊松比不同,会产生更多的微开裂,吸收更多的

冲击能并阻止材料的断裂但若填料用量过大,粒子过于接近,微裂纹易发展成宏观开裂,体系性能变差

采用纳米刚性粒子填充高聚物树脂,不仅会使材料韧性强度方面得到提高,而且其性能价格比也将是其它材料不能比拟的另外由于某些工程塑料价格较高,人们希望尽量利用加工及生产过程中的二次料,但热塑性树脂经二次加工后各种性能均会有不同程度的下降,利用刚性纳米粒子对废料进行一定的改性后可有效提高热塑性工程塑料的废料利用率和降低成本,从而可缓解资源短缺以及环境污染等问题CaC03Si02等为代表的高聚物/刚性纳米粒子复合材料已经获得了广泛的生产和应用截止到2003年,市场上很多纳米塑料产品都是以这类材料为基础的

3高聚物/碳纳米管复合材料

碳纳米管于1991年由S.Iijima发现,其直径比碳纤维小数千倍,其性能远优于现今普遍使用的玻璃纤维其主要用途之一是作为聚合物复合材料的增强材料

碳纳米管基本上可分为单壁型和多壁型两类虽然他们乍看起来非常相似,但其制作方法和性能不尽相同纳米管的结构决定它们是具有金属性还是具有半导体性质大约三分之二的单壁纳米管属于半导体型,三分之一属金属型至于多壁纳米管,由于各层壳的性能的叠加,难以做出明显区别,但大体上是金属型

碳纳米管的力学性能相当突出现已测出多壁纳米管的平均弹性模量为1.8TPa碳纳米管的强度比弹性模量实验值为3050GPa尽管碳纳米管的拉伸强度如此之高,但它们的脆性不象碳纤维那样高碳纤维在约1%变形时就会断裂,而碳纳米管要到约18%变形时才会断裂碳纳米管的层间剪切强度高达500MPa,比传统碳纤维增强环氧树脂复合材料高一个数量级

在电性能方面,碳纳米管用作聚合物的填料具有独特的优势加入少量碳纳米管即可大幅度提高材料的导电性与以往为提高导电性而向树脂中加入的碳黑相比,碳纳米管有高的长径比,因此其体积含量可比球状碳黑减少很多多壁碳纳米管的平均长径比约为1000;同时,由于纳米管的本身长度极短而且柔曲性好,它们填入聚合物基体时不会断裂,因而能保持其高长径比爱尔兰都柏林Trinity学院进行的研究表明,在塑料中含2%3%的多壁碳纳米管使电导率提高了14个数量级,从10-12s/m提高到了102s/m

碳纳米管已经在一些国家获得实际应用,例如美国RTP公司开发了一系列纳米管配混料,截止到2003年,可供的配混料类型有聚烯烃聚酰胺聚碳酸脂/ABS混合料聚苯乙聚碳酸脂聚酯聚苯硫醚聚醚酰亚胺和聚醚醚酮,其它聚合物共混料也在开发之中用于航天工业中的聚合物,在飞行时外部气流与一般材料(如玻璃纤维)增强的树脂之间产生的摩擦常引起静电而干扰无线通讯用碳纳米管增强工程塑料将可以在大幅度提高基体树脂力学性能的同时解决这一问题美国国家航空与宇宙航行局(NASA)和休斯敦的Rice大学已在准备碳纳米管在航天领域与聚合物复合的首批应用

4高聚物/金属(金属氧化物)纳米粉复合材料

金属或金属氧化物纳米粉往往具备常规材料没有的特性如果用这些纳米材料与高聚物复合将会得到具有一些特异功能的高分子复合材料,将其用于各种高技术产业将会有广阔的发展空间

金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军用高性能毫米波隐形材料可见光-红外线隐形材料和结构式隐形材料,以及手机辐射隐蔽材料另外,铁镍纳米粉有相当好的磁性能;铜纳米粉末的导电性优良;氧化锌纳米粉体具有优良的抗菌性能用它们与高聚物复合将可以给高聚物树脂带来许多新的功能,使其能更广泛地应用于军事航空航天电子等高尖产业及传统产业的技术进步和升级换代,服务于社会的进步与发展

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