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1、中原工学院纳米材料与技术课程论文题 目 纳米材料在工程材料中的应用 院 （系） 建筑工程学院 专业班级 土木 131班 学生姓名 李娴 学号 201363174501 2014年 12月 18日纳米材料在工程材料中的应用李娴摘 要：在二十一世纪中，纳米技术无疑是最具发展前景的技术，是对未来社会发展产生重大影响的一种前沿技术，而纳米材料也将成为二十一世纪新型工程材料的发展方向。本文将简要地概述纳米材料，纳米材料的性能，纳米材料在工程材料中的实际应用以及对纳米材料的未来前景的展望。关键词：纳米材料；工程材料；性能；应用；前景材料是人类社会进步不竭的动力。日新月异的科技发展，工程中对材料的要求也越来
2、越高，各种苛刻的要求，近乎完美的性能，使得一种崭新的材料呼之欲出纳米材料。1 纳米材料的含义纳米材料广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺度效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。欧盟委员会将纳米材料定义为一种由基本颗粒组成的粉状或团块状、天然或人工材料。这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在 1纳米至 100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占 50%以上。2 纳米材料的发展历史 1861年，
3、随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为 1纳米至 100纳米的粒子体系的研究工作。 1959年 12月 29日，理查德费曼在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲。虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。 20世纪 60年代，人们开始对分立的纳米粒子进行研究。 1963年，Uyeda 用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。 1974年，日本教授谷口纪男在一篇题为“论纳米技术的基本概念”的科技论文中给出了新的名词纳米。 1984年，德国萨尔兰大学的 Gleiter以及美国阿贡实验室的 Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米
4、细粉。Gleiter 在高真空的条件下将粒子直径为 6纳米的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。 1990年 7月，在美国召开的第一届国际纳米科技技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自 20世纪 70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理
5、和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物体性能一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。3 纳米材料的性能纳米材料具有大的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力随粒子直径的下降急剧增加，小尺度效应、表面效应、量子限域效应以及量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子，使其具有不同材料的优异性能，从而具有广阔的应用前
6、景。1) 力学性能由于纳米晶体材料有很大的比表面积，杂质在界面的浓度便大大降低，从而提高了材料的力学性能。由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在，使其杨氏模量减小了 30%以上。此外，由于晶粒减小到纳米量级，使纳米材料的强度和硬度比粗晶材料高 4-5倍。与传统材料相比，纳米结构材料的力学性能有显著变化。2) 光学性能纳米粒子的粒径（10-100nm)小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光泽面成强烈对比。由于量子限域效应，纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象，纳米材料
7、因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。此外，TiO 2超细或纳米粒子还可用于抗紫外线用品。3) 电学性能由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。电学性能发生奇异的变化，是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间纬度的约束从而呈现出量子限域效应。在纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，由于颗粒内的电子运动受到限制，电子动能或能量被量子化了。结果表现出当金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电，而电压不合适时，金属粒子不导电。这样一来，原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不
8、再成立了。金属银会失去了典型金属特征；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大，电阻温度系数下降甚至出现负数；原来绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降，变成了半导体或导电体。纳米材料的电学性能决定于其结构。如随着纳米碳管结构参数的不同，纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。4) 磁学性能纳米颗粒由于尺寸超细，一般为单畴颗粒，其技术磁化过程由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定。纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子有关，与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺度效应。5) 热学性能由于纳米材料界面
9、原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。如金属界面热膨胀系数是晶内热膨胀系数的 2.1倍；纳米铅的比热比多晶态铅增加 25%-50%；纳米铜的热膨胀系数比普通铜大好几倍；晶粒尺寸为 8nm的纳米铜的自扩散系数比普通铜大 1019倍。6) 烧结性能纳米材料不同于块状材料是由于其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面占在部分的结构空间，该结构代表具有高表面能的不安定原子。该类原子极易与外来原子吸附键结合，同时因粒径细小而提供大表面的活性原子。纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。高的扩散率对蠕变、超塑性等力学性
10、能有明显的影响，同时可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的金属形成新的合金相；纳米材料的高扩散率，可使其在较低的温度下被烧结，而成为良好的烧结促进材料。4 纳米材料在工程材料中的应用纳米材料以其优越的性能为工程材料的发展带来一次前所未有的革命，在越来越多的工程材料中都可看到它的应用，纳米材料成为工程材料中新的宠儿。1) 纳米材料在涂料中的应用涂料在人类的生活中是不可或缺的，除了装饰使外表漂亮的作用，它还可为人们提供其他的用途，或抗腐蚀、或抗辐射、或在军事中展现它不可思议的一面。将纳米粉体用于建筑涂料中，使得到的涂料具有耐老化、抗辐射、剥离强度高等特性，就可解决国内
11、传统的涂料普遍的存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。在汽车面漆中添加纳米 TiO2、SiO 2就可提高汽车涂料的耐老化性、耐磨性和耐刮伤性，特别是将金红石型超细 TiO2添加在汽车面漆中还可起到效应颜料作用，与其他片状效应颜料如铝粉颜料或珠光颜料并用时，会产生伴有乳光的随角异色性，常常应用于豪华轿车面漆中。将国内已经工业化生产的纳米杀菌涂料，涂覆于建材产品上，如卫生洁具、医院手术室、病房的地面墙面等，可起到杀菌、保洁作用。由于纳米超细粉末尺寸非常小，具有吸收电磁波的性能，它们对不同波长的雷达波和红外线具有很强的吸收作用。因此，被纳米颗粒改性后的涂料可具有吸收频带宽、重量轻
12、、厚度薄等优点，可成为军事上用的隐身涂料。国外用纳米级羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末已成功配制了军事隐身涂料，涂到飞机、军舰、导弹、潜艇等武器装备上，使其具有了隐身性能。纳米涂料可望在未来军事隐身化方面大展身手。2) 纳米材料在混凝土中的应用随着社会工业化的深入发展和我国基础建设的广泛开展，钢筋混凝土作为我国的主体建材，其产量和用量都在不断地增加，发展高性能混凝土已成为许多特殊领域的一致要求，如需要其具备吸声、防冻、高强度和高韧度等。纳米材料由于其优异的性能，因而能够在结构或功能上赋予其所添加体系许多不同于传统材料的性能。将纳米矿粉如纳米 SiO2、纳米 CaCO3和纳米硅粉添加入混凝土中，不但可
13、以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更加可以改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使得混凝土的强度、抗渗性和耐久性都得到提高。由于纳米材料的表面效应，增加了纳米材料的活性，使得纳米金属粉末具有特殊的性能：一强度、硬度高，并伴随着晶粒尺寸的减小，其强度、硬度不断增高，同时还表现出非常好的韧性；二具有非常好的吸波性能。将上述纳米金属粉末掺入混凝土中，便可制得具有电磁屏蔽功能的混凝土。锐钛型纳米 TiO2是一种优良的光催化剂，具有净化空气、杀菌、除臭、表面自洁等功能。将上述纳米金属氧化物掺入混凝土中可制备对机动车辆排放的二氧化硫、氮氧化物等对人体有害的污染气体进行分解去除的光催化混凝土。将无机纳米复
14、合材料应用于混凝土中，不仅可以提高混凝土的抗压、抗拉和弯曲强度，而且可以提高其耐久性。若在混凝土中掺入一定量的无机纳米复合材料，使之均匀分散在混凝土中，利用其导电性能测试电阻的变化，建立电阻与荷载之间的模型，从而可与预测混凝土结构的破环。5 对纳米材料未来前景的展望纳米材料和纳米技术一经问世，便以极快的速度渗透到各个研究领域。我国著名的科学家钱学森在 1991年曾预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是二十一世纪又一次产业革命”。今天纳米材料科学的进展正把这个预言化为现实。虽然纳米材料目前从整体上看仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从历史的角度看，
15、纳米材料在未来必将取得极大的发展，为改善人类的生活环境，提高生活质量作出不可估量的贡献。短短的十几周的学习，让我了解到了当今世界正在高速发展的一种材料-纳米材料。在课堂上经过老师 PPT的讲解和播放的视频，感受到了纳米材料的神奇魅力。不再觉得那是科幻中才会有的，今后，纳米材料与技术一定会更多的出现在我们的生活中，给予我们更加便捷的服务。参考文献1 陈乾旺. 纳米科技基础M. 北京：高等教育出版社 2008.12 丁秉钧. 纳米材料M. 北京：机械工业出版社 2004.63 段慧莉，李君文. 中国公共卫生J. 天津：军事医科学院卫生学环境医学研究所 2005（7）4 向春礼. 纳米科技及其发展前景J. 新材料产业 2001（4）5 百度文库 纳米材料
