納米技術(shù)的意義及應用

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫。缓娇蘸教臁⑿滦蛙娛卵b備及先進制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。

新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。

納米材料技術(shù)的研究意義

納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。近年來，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。正像美國科學家估計的\"這種人們?nèi)庋劭床灰姷臉O微小的物質(zhì)很可能給予各個領(lǐng)域帶來一場革命\"。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應用將對如何調(diào)整國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設計新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入高科技含量提供新的機遇。

研究納米材料和納米結(jié)構(gòu)的重要科學意義在于它開辟了人們認識自然的新層次，是知識創(chuàng)新的源泉。由于納米結(jié)構(gòu)單元的尺度（1～100urn）與物質(zhì)中的許多特征長度，如電子的德布洛意波長、超導相干長度、隧穿勢壘厚度、鐵磁性臨界尺寸相當，從而導致納米材料和納米結(jié)構(gòu)的物理、化學特性既不同于微觀的原子、分子，也不同于宏觀物體，從而把人們探索自然、創(chuàng)造知識的能力延伸到介于宏觀和微觀物體之間的中間領(lǐng)域。在納米領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，認識新規(guī)律，提出新概念，建立新理論，為構(gòu)筑納米材料科學體系新框架奠定基礎(chǔ)，也將極大豐富納米物理和納米化學等新領(lǐng)域的研究內(nèi)涵。世紀之交高韌性納米陶瓷、超強納米金屬等仍然是納米材料領(lǐng)域重要的研究課題；納米結(jié)構(gòu)設計，異質(zhì)、異相和不同性質(zhì)的納米基元（零維納米微粒、一維納米管、納米棒和納米絲）的組合。納米尺度基元的表面修飾改性等形成了當今納米材料研究新熱點，人們可以有更多的自由度按自己的的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法設計納米結(jié)構(gòu)原理性器件以及納米復合傳統(tǒng)材料改性正孕育著新的突破。

納米材料的應用

l）高硬度、耐磨WC-Co納米復合材料

納米結(jié)構(gòu)的WC-Co已經(jīng)用作保護涂層和切削工具。這是因為納米結(jié)構(gòu)的WC-Co在硬度、耐磨性和韌性等方面明顯優(yōu)于普通的粗晶材料。其中，力學性能提高約一個量級，還可能進一步提高。高能球磨或者化學合成WC-Co納米合金已經(jīng)工業(yè)化。化學合成包括三個主要步驟：起始溶液的制備與混和；噴霧干燥形成化學性均勻的原粉末；再經(jīng)流床熱化學轉(zhuǎn)化成為納米晶WC-Co粉末。噴霧干燥和流床轉(zhuǎn)化已經(jīng)用來批量生產(chǎn)金屬碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氫氣氛下液相燒結(jié)成塊體材料。VC或Cr3C2等碳化物相的摻雜，可以抑制燒結(jié)過程中的晶粒長大。

2)納米結(jié)構(gòu)軟磁材料

Finemet族合金已經(jīng)由日本的Hitachi Special Metals，德國的Vacuumschmelze GmbH和法國的 Imply等公司推向市場，已制造銷售許多用途特殊的小型鐵芯產(chǎn)品。日本的 Alps Electric Co．一直在開發(fā)Nanoperm族合金，該公司與用戶合作，不斷擴展納米晶Fe-Zr-B合金的應用領(lǐng)域。

3)電沉積納米晶Ni

電沉積薄膜具有典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，但可以用脈沖電流將其破碎。精心地控制溫度、pH值和鍍池的成份，電沉積的Ni晶粒尺寸可達10nm。電沉積涂層脈良好的控制晶粒尺寸分布，表現(xiàn)為Hall－Petch強化行為、純Ni的耐蝕性好。這些性能以及可直接涂履的工藝特點，使管材的內(nèi)涂覆，尤其是修復核蒸汽發(fā)電機非常方便。這種技術(shù)已經(jīng)作為 EectrosleeveTM工藝商業(yè)化。在這項應用中，微合金化的涂層晶粒尺寸約為 100nm，材料的拉伸強度約為鍛造Ni的兩倍，延伸率為15％。晶間開裂抗力大為改善。

4）Al基納米復合材料

Al基納米復合材料以其超高強度（可達到1.6GPa）為人們所關(guān)注。其結(jié)構(gòu)特點是在非晶基體上彌散分布著納米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如 Y、 Ce）和過渡族金屬（如 Fe、Ni）。通常必須用快速凝固技術(shù)（直接淬火或由初始非晶態(tài)通火）獲得納米復合結(jié)構(gòu)。但這只能得到條帶或霧化粉末。納米復合材料的力學行為與晶化后的非晶合金相類似，即室溫下超常的高屈服應力和加工軟化（導致拉神狀態(tài)下的塑性不穩(wěn)定性）。這類納米材料（或非晶）可以固結(jié)成塊材。典型的Al基體的晶粒尺寸為100～200nm，鑲嵌在基體上的金屬間化合物粒子直徑約50nm。強度為0.8～1GPa，拉伸韌性得到改善。另外，這種材料具有很好的強度與模量的結(jié)合以及疲勞強度。

結(jié)束語

1999年8月20日《美國商業(yè)周刊》在展望21世紀可能有突破性進展的領(lǐng)域時，對生命科學和生物技術(shù)、納米科學和納米技術(shù)及從外星球上索取能源進行了預測和評價，并指出這是人類跨入21世紀面臨的新的挑戰(zhàn)和機遇。諾貝爾獎獲得者羅雷爾也曾說過：70年代重視微米的國家如今都成為發(fā)達國家，現(xiàn)在重視納米技術(shù)的國家很可能成為下一世紀先進的國家。挑戰(zhàn)嚴峻，機遇難得，我們必須加倍重視納米科技的研究，注意納米技術(shù)與其它領(lǐng)域的交叉，加速知識創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新，為21世紀中國經(jīng)濟的騰飛奠定雄厚的基礎(chǔ)。

(作者單位:浙江理工大學)