纳米材料包括粉体、块体和薄膜,现以纳米金属粉体为例。纳米颗粒在宇航、原子能、电子、粉末冶金、化学等工业及医学、生物工程表面有着越来越广泛的应用:
1.电磁波吸收材料
可用以制造吸收效果最佳的吸收太阳能材料;用作红外线检测器和红外线传感器中的涂料,不仅吸收红外线的能力强而且其吸收率与热容量的比值大;用于制造军用的高性能毫米波隐身材料、可见光—红外线隐身材料和结构式隐身材料,可使作为目标的坦克、舰艇和飞机逃避雷达、红外探测器等的侦察。
2.高性能磁性材料
主要有:①高密度磁记录材料,以超细磁性合金颗粒制作磁记录材料的优点是记录密度和矫顽力高,信噪比和抗氧化热稳定性很高。可用以制造高速视频磁带复制装置用的原版磁带和电子计算机用的磁带,其寿命几乎是γ—Fe2O3的2倍。②磁性流体是将亚畴尺寸的铁磁性或亚铁磁性的超细金属颗粒(粒径5~11nm)悬浮于母液(碳氢化物)中构成的一类新型液体胶态磁性材料,其磁性能可比一般产品高3倍。主要用于扬声调节器、机械磁性密封、步进电机减震器、磁性墨水与磁性液体的光显示等。
3.微孔材料
主要有:①超细孔气体分离膜,用于气体同位素、混合气体、高分子有机物的浓缩和分离,不仅在核工业的铀同位素分离工程方面扮演主要角色,而且在稀有、有机气体等的回收及发酵、医用工业和生物科学方面发挥很大作用。②微孔过滤材料,用于微电子(半导体和集成电路)技术、精细化工和精密生物加工中的气体超净化过滤,其过滤精度为≥0.2μm。
这类在结构上不同于一般晶态或非晶态而与气体结构类似的“气态固体”物质。其晶粒(几个纳米大小)比微晶材料的小2个数量级,其晶界上原子数约占总原子数的50%。这种材料最吸引人之处有:①使陶瓷、难熔合金具有范性;②可用以制造大块的高TC(临界温度)超导材料;③可用以制作微电子器件。
5.超低温用热交换器的器壁材料
采用70nm的超细银颗粒作3He—He超低温用稀释冷冻机热交换器的器壁材料,可使该冷冻机到达的温度由过去(采用40μm的铜粉)的10mK降至2mK,甚至亚毫开氏温度左右。
6.催化剂和助燃剂(www.daowen.com)
在化学上作为高效催化剂的例子有:超细镍、铜、锌颗粒的混合催化剂活性比之氢化反应用的雷尼镍提高了100倍;超细镍颗粒可作为异丙醇/丙酮/氢系化学热泵研究用的催化剂;Fe、Ni、Co等超细颗粒可用来取代贵金属而作为汽车排气净化的催化剂等。
在火箭燃料中只要添加小于1%的超细铝或镍颗粒,可使其燃烧热提高2倍多。用超细金属颗粒作固体燃料,可使推进器的功率提高许多倍。
7.活化烧结材料
在微米级钨粉中加入0.1~0.5%的超细镍颗粒,不但使烧结温度从3000℃降至1200~1300℃,而且能加速烧结过程。这种活化烧结已用于大批量生产大功率半导体元件、可控硅整流元件的散热—热膨胀补偿基底。
8.敏感元件
将平均粒度为纳米(nm)的超细金属颗粒按特定方向排列并粘附在基板上所形成的膜可用作检测气体、温度和湿度等多功能传感器,也可作为对压力变化具有高灵敏度的敏感元件。
9.核工业用碳纤维的气相成核材料
以粒径为10~30nm的超细铁或铁—镍颗粒作为从碳氢化合物气相生成碳纤维的核心,在其上可高效率地形成高性能的碳纤维,它的抗拉强度比之现用聚丙烯腈碳化法生产的PAN碳纤维高9倍。
10.在医学、生物工作方面的应用
纳米金属颗粒分散于有机溶剂中所形成的溶胶是透明而有颜色的;利用金溶胶可使细胞内部染色,藉以观察细胞在动物器官中的活动情况。吸入Fe3O4超细颗粒进行肺磁场测定,可用以判定肺的净化机能指标。将磁性超细颗粒作为药剂的载体注射到血液中,藉靠磁场吸引进入人体患处,以研究肿瘤药物与致癌物质的作用机制。利用对超细颗粒的反应进行微生物分裂、发酵的控制及细胞分离等研究,可为探究肉眼不可见的自然界尘埃对人体的影响提供重要线索和适当对策。
除上述应用以外,纳米材料还可用来制作固体电容器、贮氢材料、印刷电路、导电胶、多种电极材料、薄膜集成电路的导电材料、金刚石的粘结剂、超细硬质合金、扩散连接(陶瓷与金属或陶瓷之间)的中间层材料、寒冷地区应用的保温服及各种带电作业用的衣着等。
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