纳米复合材料发展趋势研究

2014-03-10段家宝李新明李常胜

中国高新技术企业 2014年4期

段家宝+李新明+李常胜

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。

关键词：纳米复合材料；工程材料；光学材料；磁性材料

中图分类号：TB33 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）06-0007-02进入21世纪，各领域对高性能材料的依赖程度越来越高，纳米材料是一种应用性能很高的工程材料，其应用范围非常广泛。2008年，美国举办了材料科学学会，会议指出：“纳米材料工程将成为21世纪工程材料的重要组成部分。”纳米复合材料是纳米工程材料的重要分支，目前，很多企业已纷纷将技术研发目标转向纳米复合材料，并逐渐加大研究力度，扩大技术应用范围。

1 纳米复合材料理论概述

通过对纳米复合材料进行系统分析可知，可以按照材料性质将其划分为三种类型。

1.1 单体复合材料

单体符合材料是不同种类、成分的纳米粒子经过工业处理复合而成的，这种纳米固体的物理结构非常稳定，且化学性质也很可靠。因为组成成分少，所以单体复合材料纳米粒子的复合最完全，其分子结构之间的基团链不会随温度、压力的变化而变化。

1.2 双体复合材料

双体复合材料可以通过工业处理将纳米粒子均匀的分散到二维薄膜材料中，粒子在弥散过程中会产生均匀或不均匀两种分布状态，这两种分布状态的复合结构都具有一定的稳定性。均匀和非均匀弥散状态的薄膜基体表现出的层状结构具有明显的差异性，纳米粒子分散混乱的材料的构成层级种类很多，分散有序、均匀的材料层级种类较少。

1.3 多体复合材料

多体复合材料可以通过工业处理将纳米粒子均匀的分散到三维固体中，纳米粒子会通过外力作用，深入固体组织结构，改变其分子集团的分布情况，进而影响三维固体的物理性能和化学性能。多体复合材料的应用前景非常好，是当今纳米材料科研工作者研究的重点

问题。

2 纳米复合材料发展趋势分析

2.1 纳米复合涂层材料

纳米复合涂层材料的化学性质稳定，并且柔韧性好、硬度高、耐腐蚀性强，在工程材料表面涂抹这种防护材料不仅可以防止工程材料的破损，还能增加工程材料的防护功能。随着现代工业技术的发展，复合涂层材料得到了显著发展，单一纳米结构逐渐转变为多层纳米结构。美国著名纳米工程材料研究专家普修斯于2012年成功研制出了复合涂层纳米材料，这类纳米材料的抗氧化性能非常好，可以在高温条件下保持不褪色、不热化。对其材料进行强度检测可发现，该材料的涂层硬度高达20.SGpa，是碳钢强度的35倍。具体工艺流程如下：首先，用激光蒸发法去除钢表面的纳米结构，将金刚石纳米粒子涂抹在钢表面；之后，重复上述工艺步骤，在钢表面上涂抹两层金刚石纳米粒子；最后，在高温条件下对钢表面材料进行挤压复合。经过多次挤压，纳米复合涂层材料就此形成，经过加工，钢材料的硬度提高了23.4倍。

2.2 高力学性能材料

高力学性能是突出材料的强度、硬度等物理性能，工程材料经过力学改性之后，其物理性质会发生翻天覆地的变化。对原始材料进行改性实验虽然在一定程度可以提高材料的某些力学性能，但这种性能的提升具有很强的局限性，并不能真实的体现出材料的力学极限。经过纳米复合材料改性，高力学性能材料得到了非常显著的研究成果。高力学性能材料发展趋势，主要表现在以下几个方面：

（1）高强度合金。采用晶化法可以大大提升纳米复合合金材料的力学性能，对金属进行纳米复合实验，可以将材料转变成复合型纳米金属，如将铝进行纳米复合实验，铝会转化为过度族金属，这种金属结构的延展性和强度非常高。

（2）陶瓷增韧。纳米粒径很小，所以纳米粒子很容易就可渗透到细小分子结构中，粘合关联性并不紧密的各分子基团。在陶瓷增韧领域纳米复合材料起到了很好的促进作用，在碳化硅粉末中加入粒径为10μm的碳化硅粗粉，在高温高压条件下进行合成，合成之后碳化硅的物理性质会发生很大的改变，煅烧后的陶瓷材料的柔韧性明显增强了，断裂韧性提高了34.23%。

2.3 高分子基纳米复合材料

高分子材料近几年在我国工业领域应用十分广泛，高分子材料的物理性能稳定且可塑性好，所以在装饰行业中的发展前景非常广阔。采用纳米复合方式结合高分子基是我国纳米工程材料正在研究探讨的重要课题，目前我国科研专家已初步完成了部分高分子基纳米复合材料的研制工作。具体表现在：将铁和铜粉末按照4：5的比例进行研磨，研磨均匀后用高粒子显微仪器提取铁铜合金粉体，通过显微镜观察可知这种粉体的晶体结构稳定，晶粒间的距离很短。这种粉体和环氧树脂基团进行复合实验可以研制出高强度的金刚石材料，并且其材料还具有很强的静电屏蔽性能。

2.4 磁性材料

磁性材料是我国工业材料中研究难度最大的课题之一，因为磁性材料的电磁环境不好判断，所以在应用时经常会遇到复合材料因磁性过大导致使用性障碍。随着纳米复合材料的研发和投入使用，磁性材料将进入全新的发展阶段。人们在颗粒膜中发现了巨磁阻效应，纳米粒子在空间流动会被周围磁场带入顺磁基体当中，空间中的铜、铁、镍等磁性粒子都会附着在纳米粒子上。经过金属粒子和纳米粒子的复合，颗粒膜材料不仅会拥有强大的电磁感应，还会具有较高的耐热性能。

2.5 光学材料

传统光学材料的综合应用能力很差，其材料的物理性能大多只能满足导电性和导热性，其硬度和稳定性都很差。纳米复合材料诞生之后，人们逐渐找到了纳米粒子的发光原理。不发光的工程材料当减小到纳米粒子大小时，其粒子周围会因光色折射产生一定的光。在可见光范围内这些粒子会不断产生新的光，虽然这些材料的纳米粒子发出的光并不明显，且稳定度也很差，但是科研专家可以从这方面入手，研究纳米复合材料的发光性能。将具有代表性的工程材料作为可发光体，并对其分子结构转化为纳米粒子大小的发光体系，探讨如何提高其发光强度、完善其结构发光性能。由此可见，纳米复合很可能为开拓新型发光材料提供了一个途径。纳米材料的光吸收和微波吸收的特性也是未来光吸收材料和微波吸收材料设计的一个重要依据。

3 结语

通过上文论述可知，利用纳米粒子超强的附着能力，可以将纳米工艺和传统材料有机的结合在一起，这种复合型纳米材料具有重要发展意义。当今社会纳米复合材料的研究价值最高，其不仅在材料研究领域占有重要地位，在企业的发展中也是不可或缺的重要组成。

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