纳米涂料

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纳米涂料范文第1篇

1.1纳米技术及纳米材料简介纳米材料通常是指粒径在1nm到100nm之间的材料，这种材料通常具备特殊的物理化学性质，而纳米材料加入其它物质中往往会改变其它物质的性质，这种纳米材料改变其它材料性质的技术称为纳米技术。纳米材料因其粒径过小而具有界面效应、小尺寸效应以及宏观量子隧道效应等，从而改变了材料的性能，并影响了其它物质的性能。从物理学角度解释是：纳米粒度过小，其表面就占有了很大的比例，当粒度小于10nm时，材料表面的原子占材料原子总数的三分之一以上，处于表面的原子与内部的原子所处的化学环境完全不同，就会表现出一些特殊的物理化学性质，叫做表面相。在大块材料中，由于处于表面的原子远小于体内原子，所以表面相很难表现，而纳米材料的表面相现象就十分明细，如：在催化过程中，粒度表面结构的变化、表面的吸附以及表面的扩散等。实践证明：当材料达到纳米尺度时，材料的表面相会影响到材料的性质。除此之外，纳米材料中的电子相关性很强、能级分裂和电子布局的改变，量子隧道和输运的不同以及材料中的激发态都会影响纳米材料的性能。

1.2纳米材料对涂料性能的影响分析目前在涂料生产领域使用的涂料有纳米二氧化硅、纳米二氧化钛、纳米氧化锌等半导体材料，这些材料具备一些其它材料不具备的性能，如光电催化特性、吸收特性、光电特性等，下面以纳米二氧化硅和纳米二氧化钛为例，研究纳米材料对涂料性能的改变。纳米材料对白色涂料的影响试验：将经过表面处理的纳米二氧化硅、纳米二氧化钛分别做成含纳米材料不同含量的白色涂料（0、0.5%、1%、1.5%、2%、2.5%），各制作出12块标准的人工老化试样板，然后各取其中6块含纳米二氧化硅或纳米二氧化钛不同的进行耐紫外老化试验，另外的6块作为对比样板，最后使用尼康分光光度计测其颜色变化情况。

试验的结果分析发现：在苯丙涂料中加入0.5%-2.0%的纳米二氧化硅或二氧化钛，涂膜的老化速度明显变慢，说明纳米二氧化硅或二氧化钛对紫外光有着很好的屏蔽作用；作为对比，含有乳化漆抗紫外防老化分散液涂料的老化速度与含有纳米材料的涂料类似，也说明了纳米二氧化硅和二氧化钛有着很好的吸收紫外线的作用。纳米涂料耐老化机理分析：耐老化性能是衡量涂料好坏的一种重要性能，紫外线是导致涂料老化的一种电磁波，波长200-400nm，紫外线的波长越短，能量越强，对涂料的损坏也越大。纳米二氧化钛能够引起紫外线的散射，从而实现屏蔽紫外线的作用，而粒径是影响其散射能力的主要因素，经过试样验证得知，二氧化钛在水中屏蔽紫外线的最佳粒径是77nm，即锐钛型纳米级二氧化钛，因此采用锐钛级二氧化钛是提高涂料耐紫外老化性能的最佳粒径。

1.3纳米材料在涂料中的应用纳米材料在涂料生产中应用非常广泛，按功能分通常分为结构涂层和功能涂层，结构涂层是通过提高基体的性质或改性，如超硬、抗氧化、耐热、耐腐蚀等，功能性涂层是指赋予基体所不具备的其它性能，如消光、导电、绝缘、光反射等，在涂料中加入纳米材料可以更好的提高涂层的防护能力，如防紫外线、抗降解、变色等。目前已经投入生产使用的涂料研究成果有很多，其中最为典型的是光催化涂料和特殊界面涂料。光催化涂料的工作原理是：某些纳米材料在光照条件下对有害物质的降解有着很好的催化作用，利用这种催化作用原理研制成纳米光催化涂料，如：利用特殊处理的纳米二氧化钛与纯丙树脂配制成的光催化涂料，这种涂料对氮氧化物、油脂、甲醛等有害物质有着很好的催化降解作用，其中对氮氧化物的降解效率超过了80%。

特殊界面涂料是指通过树脂与纳米材料的特殊复合后的涂料，会表现出一些特殊的物理化学性能，如疏水、疏油等，这些特殊性能是衡量涂料质量的重要指标之一，对提高涂料的耐污染性能至关重要，目前存在的有超双亲界面物性材料和超双疏性界面材料。研究证明，通过有效的光照改变纳米二氧化钛的表面，可以形成亲水性和亲油性两相共存的界面，称为二元协同纳米界面。这样处理后的具有超双亲性的二氧化钛表面，用作玻璃表面或建筑物表面，可以是建筑物表面和玻璃表面具有自动清洁和防止烟雾的效果。超双疏性界面物性材料则是利用特殊的外延生长纳米化学方法在特定表面构建纳米尺寸几何形状互补的界面结构，这种构造方法是自下而上，由原子到分子、分子到聚集体的方式构建的，最终形成的凹凸相间界面的低凹表面可以吸附气体分子稳定存在，而这种稳定存在在宏观上表现为界面表面有一层稳定的气体薄膜，从而使材料表现出对水和油的双疏性。采用这样的表面涂层修饰输油管道，可以达到石油和管壁的无接触运输，很好的保护输油管道的安全。纳米材料对涂料性能的影响还有很多，如可以提高涂料触变性、高附着力、储存稳定性等，还有研究人员发现，纳米材料与树脂结合时可以形成的大量共价键，当纳米材料的含量达到30%以上时，涂料膜会具有高强度、高弹性、高耐磨性等特性，但其研究成果还需要进一步验证。纳米技术还属于新型技术，其在涂料要的应用还需要进一步的研究和探索，随着纳米技术的改性特点被不断的开发，在不久的将来必然有更多的纳米技术与涂料结合的成果出现。

2结束语

纳米涂料范文第2篇

[论文摘要]科技的发展，使我们对物质的结构研究的越来越透彻。纳米技术便由此产生了，主要对纳米材料和纳米涂料的应用加以阐述。

一、纳米的发展历史

纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。

1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。

二、纳米技术在防腐中的应用

纳米涂料必须满足两个条件：一是有一相尺寸在1～100nm；二是因为纳米相的存在而使涂料的性能有明显提高或具有新功能。纳米涂料性能改善主要包括：第一、施工性能的改善。利用纳米粒子粒径对流变性的影响，如纳米SiO2用于建筑涂料，可防止涂料的流挂；第二、耐候性的改善。利用纳米粒子对紫外线的吸收性，如利用纳米TiO2、SiO2可制得耐候性建筑外墙涂料、汽车面漆等；第三、力学性能的改善。利用纳米粒子与树脂之间强大的界面结合力，可提高涂层的强度、硬度、耐磨性、耐刮伤性等。纳米功能性涂料主要有抗菌涂料、界面涂料、隐身涂料、静电屏蔽涂料、隔热涂料、大气净化涂料、电绝缘涂料、磁性涂料等。

纳米技术的应用为涂料工业的发展开辟了一条新途径，目前用于涂料的纳米材料最多的是SiO2、TiO2、CaCO3、ZnO、Fe2O3等。由于纳米粒子的比表面大、表面自由能高，粒子之间极易团聚，纳米粒子的这种特性决定了纳米涂料不可能象颜料、添料与基料通过简单的混配得到。同时纳米粒子种类很多，性能各异，不是每一种纳米粒子和每一粒径范围的纳米粒子制得的涂料都能达到所期望的性能和功能，需要经过大量的实验研究工作，才有可能得到真正的纳米涂料。

纳米涂料虽然无毒，但由于改性技术原因，性能并不理想，加上价格太贵，难以推广；而三聚磷酸铝也因价格原因未能大量应用。国外公司如美国的Halox、Sherwin－williams、Mineralpigments、德国的Hrubach、法国的SNCZ、英国的BritishPetroleum、日本的帝国化工公司均推出了一系列无毒纳米防锈颜料，性能不错，甚至已可与铬酸盐相以前我国防锈颜料的开发整体水平落后于西方发达国家，仍然以红丹、铬酸盐、铁系颜料、磷酸锌等传统防锈颜料为主。红丹因其污染严重，对人体的伤害很大，目前已被许多国家相继淘汰和禁止使用；磷酸锌防锈颜料虽比。我国防锈涂料业也蓬勃发展，也可以生产纳米漆。

我国自主生产的产品目前已通过国家涂料质量监督检测中心、铁道部产品质量监督检验中心车辆检验站、机械科学院武汉材料保护研究所等国内多家权威机构的分析和检测，同时还经过加拿大国家涂料信息中心等国外权威机构的技术分析，结果表明其具有目前国内外同类产品无可比拟的防锈性能和环保优势，是防锈涂料领域划时代产品，复合铁钛粉及其防锈漆通过国家权威机构的鉴定后已在多个工业领域得到应用。

三、纳米材料在涂料中应用展前景预测

据估算，全球纳米技术的年产值已达到500亿美元。目前，发达国家政府和大的企业纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心，2001年年初把纳米技术列为国家战略目标，在纳米科技基础研究方面的投资，从1997年的1亿多美元增加到2001年近5亿美元，准备像微电子技术那样在这一领域独占领先地位。日本也设立了纳米材料中心，把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点，将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域。德国也把纳米材料列入21世纪科研的战略领域，全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。在人类进入21世纪之际，纳米科学技术的发展，对社会的发展和生存环境改善及人体健康的保障都将做出更大的贡献。从某种意义上说，21世纪将是一个纳米世纪。

由于表面纳米技术运用面广、产业化周期短、附加值高，所形成的高新技术和高技术产品、以及对传统产业和产品的改造升级，产业化市场前景极好。

在纳米功能和结构材料方面，将充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、敏感特性、催化与化学特性等开发高技术新产品，以及对传统材料改性；将重点突破各类纳米功能和结构材料的产业化关键技术、检测技术和表征技术。多功能的纳米复合材料、高性能的纳米硬质合金等为化工、建材、轻工、冶金等行业的跨越式发展提供了广泛的机遇。各类纳米材料的产业化可能形成一批大型企业或企业集团，将对国民经济产生重要影响；纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领域，将产生新的经济增长点。

纳米技术在涂料行业的应用和发展，促使涂料更新换代，为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。

纳米涂料已被认定为北京奥运村建筑工程的专用产品，展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。它利用独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解，消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。经测试，对各种霉菌的杀抑率达99％以上，有长期的防霉防藻效果。纳米改性内墙涂料，实际上是高级的卫生型涂料，适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低的表面张力，具有高强的附着力，漆膜硬度高且有韧性，优良的自洁功能，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力，疏水性极佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。颗粒径细小，能深入墙体，与墙面的硅酸盐类物质配位反应，使其牢牢结合成一体，附着力强，不起皮，不剥落，抗老化。其纳米抗冻涂料，除具备纳米型涂料各种优良性之外，可在10℃到25℃之内正常施工。突破了建筑涂料要求墙体湿度在10％以下的规定，使建筑行业施工缩短了工期，提高了功效，又创造出高质量。

四、结语

由于目前应用纳米材料对涂料进行改性尚处在初级阶段，技术、工艺还不太成熟，需要探索和改进。但涂料的各种性能得到某些改进的试验结果足以证明，纳米改性涂料的市场前景是非常好的。

参考文献：

[1]桥本和仁等［J］.现代化工.1996(8):25～28.

纳米涂料范文第3篇

关键词：微纳米耐高温红外涂料 节能减排

1、引言

我国是世界上少数以煤为主要能源的国家，现已成为世界煤炭第一大消费国，煤烟型污染相当严重，工业锅炉房已成为城市污染大气的最大根源，所以，制止和减少烟尘及有害气体排放已成为了世界范围改善环境、保护环境的重大课题。随着全市供热事业突飞猛进的发展，以前供热站那种粗放型的经验管理模式已不适应现在形势的发展要求，所以我办一方面抓管理促节能降耗，一方面依靠科学技术提高各站节能减排水平。经过我办对多项节能技术及产品的考察和对比，我们认为控制并制止烟尘和有害气体排放最重要环节是发源点，而对我办来讲，除对锅炉炉膛进行完善设计和正确控制燃烧外，尽量少烧煤是减少烟尘和有害气体排放的先决条件。而采用微纳米耐高温红外节能涂料技术恰好可以达到节能减排的目的，是一项极具现实意义的措施。

2、采用依据

（1）为提高锅炉的节能效果，改善环境空气质量，力求获得其建设项目最大的经济效益、社会效益和环境效益；（2）本着需要和可能相结合的原则，充分利用现有设施，尽量少改动，节省投资；（3）积极稳妥地采用新技术、新工艺；（4）处理工艺力求技术先进、成熟、可靠，经济合理、高效节能，运行管理方便简单，成本低。

依据以上原则，我办领导亲自带领技术人员考察节能技术及产品，组织相关人员进行可行性研究，安排专人负责此项工作，按照充分利用新技术、新材料、新设备、新工艺，提升我办整体技术水准最终选择了微纳米耐高温红外节能涂料在我办部分在用供热锅炉上进行试刷，我有幸成为此项目的负责人，参与了此项目的全过程。

3、原理

对于应用微纳米耐高温红外节能涂料的各种锅炉，在红外辐射的情况下，利用世界稀有矿藏、经科学配比，采用纳米技术研制生产的新型涂料，通过先进的工艺技术处理，能有效提高受热体表面黑度，增强热辐射能量，使辐射率几近于炉体受热表面吸收率，同时促使受热表面灰垢分子加速振动，降低灰垢分子的吸附力、降低结焦的生成，减少灰垢层厚度从而达到节能的目的。其节能原理是：

（1）在辐射受热面上涂刷新型节能涂料，加大辐射受热表面吸收率，辐射红外波被涂层反复多次吸收并转化为其内能，根据启尔赫哥夫——克希霍夫定律，辐射率与吸收率相等，因此炉壁吸收炉气辐射的热量增加，烟气带走的热量也减少了，达到提高热效率的目的，从而提高了受热面吸收辐射热量的能力，使炉内吸收热量有效加大；

（2）减少传热面年平均灰垢厚度，使灰垢层热阻减少，炉内受热面传导热量增加，根据热传导公式：

上式中，Q——热量、t——灰垢表面与受热水管后壁温差、∑R——热阻、A——受热面面积。

公式中可以看出，A为常量，t不变时，有效减少∑R就可增加Q，由此达到节能目的。

4、工艺

其施工步骤为：涂刷微纳米耐高温红外节能涂料前，首先应清除干净应涂刷部位的浮灰和烟垢，然后将涂料的两组成份持续搅拌均匀，时间为1小时，最后用毛刷将搅拌好的节能涂料均匀的涂刷在要刷部位的传热面上，涂层厚度为0.2——0.3mm，自然干燥24小时后可正常使用。施工中应尽量避开湿度特别大的雨季，湿度大时应适当延长干燥时间，避免未完全干燥时使用。在使用一年后应对涂刷部位进行检查，发现破损应根据实际破损情况决定是否再次进行涂刷。

5、效果

2008年我办对我办丁字沽供热站1台29MW，瑞景供热中心1台64MW两台在用供热用热水锅炉锅炉上采用了微纳米耐高温红外节能涂料进行了涂刷实验。为保证此项目的顺利实施，我办抽调有关技术人员监督整个工程的全过程，以保证工程的质量和进度。供热期开始后我办又抽调技术人员专职对两台涂刷节能涂料的锅炉分别和同型号未涂刷节能涂料的锅炉进行了观察，对比效果和采集数据进行分析。经一个采暖季的观察，在同样工况的燃烧条件下，涂刷节能涂料的锅炉出水温度一般比未涂刷节能涂料的锅炉出水温度高2-3摄氏度。如控制同样的出水温度，涂刷节能涂料的锅炉出水温度比未涂刷节能涂料的锅炉可节煤6%以上。并且追温速度显著提高。为保证涂刷效果真实可靠，我们在2008年3月8日和2008年3月12日对我办瑞景供热中心1台64MW热水锅炉在分别在涂刷前后于聘请天津市节能监测七站进行了对比监测，实测结果对比锅炉热效率提高了4.8%，其他主要技术指标也有一定的提高。通过分析我们得出采用微纳米耐高温红外节能涂料技术的确可达到节约能源；缩短锅炉升温时间、提高产量；延长锅炉的使用寿命；提高锅炉的燃料适应能力，并减少烟尘的排放量和降低炉渣的可燃含量；提高炉膛温度和炉温的均匀性，降低炉膛出口烟温和排烟温度，提高热效率，经济和社会效益俱佳。

6、效益

6.1 经济效益

我办正常耗煤量预计23.1万吨，此项技术实施后，按保守估计节能6%计算，预计可节省原煤13800吨，折合为标煤为9900吨。按600元/吨原煤计算可节省资金828万元，扣除投入，当年可节省资金512.28万元，其他大的耗煤企业将会有更可观的效益。

6.2 环境效益

据测算，每节约1吨煤，可少向大气排放二氧化碳0.24kg，各种粉尘3.49kg。结果可少向大气排放二氧化碳2.376——3.312吨、烟尘34.551——48.162吨，由此可以看出处理后的烟气对我区大气环境污染负荷将大大降低，使其污染程度亦将得到显著降低，大气环境功能逐渐好转，并对我区周围空气环境起到了一定保护作用，具有重要现实意义。

6.3 社会经济效益

该项目如能推广实施，不仅为企业节省了运行费用，而且对改善周边空气质量，改变地区对外形象都将起到重要作用，有利于经济的发展，可以创造出间接的经济效益，有着极其重要的深远意义。

参考文献

[1]胡志鹏.节能涂料：一种发展趋势[J].精细化工原料及中间体，2007，（08）.

[2]薛福连.节能涂料[J].材料保护，2003，（08）.

[3]刘志强.锅炉炉墙喷涂节能涂料在云岗矿的应用[J].山西能源与节能，2002，（03）.

纳米涂料范文第4篇

关键词：纳米涂层；场发射；电子强关联；软凝聚态物质

2003年在国际和中国都发生了具有突发性的灾难事件，但中国的GDP仍以9.1％的高速度在增长，达到了人民币11.6万亿元，其中第二产业贡献4万多亿元。中国现今的第二产业主要领域是冶金、制造和信息，在世界的地位是大加工厂，也是大市场。在国际竞争中所以有优势是中国的劳动力廉价，这个优势我们能保持多久?我们还注意到与化工有关的产品中，我们的生产效率是国际发达国家的5％，能耗是3倍，环境的破坏是9倍。这就是我们所付出的代价。不论形势如何严峻，21世纪是中华民族振兴的机遇期，制造业绝对是一个极其重要的领域，是个急速发展变化的领域。2003年3月国际真空学会执委会在北京举行，会议上讨论了将原来的冶金专委会改名为“表面工程专委会”，当时也考虑了另一个名字“涂层专委会”，我想用涂层材料更合适，含有继承性和变革性。20世纪70年代曾经说成是塑料年代，此后塑料科技和工业迅速崛起，极大地改变了人类社会。继而是信息时代，通信网、计算机网、万维网、智能网，信息流，日新月异地改变着人类的生活和观念。我们这个时代是高速发展的时代，技术和观念都在与时俱进地改变着。

本世纪初兴起了纳米科技，促进其到来的是由于微电子小型化的发展趋势，推动科技发展进入纳米时代[1]，不仅电子学将进入纳电子学领域，物理学进入介观物理领域，各类科技，包括生物医学等都在探索纳米结构与特性。涂层和表面改性越来越多地增加了纳米科技的内容，这是一种低维材料的制造和加工科技，将是制造技术的主流，将迅速地改变传统制造技术的方法、理论和观念，作为现今国际上的制造大国，世界加工厂，我们更应该注意研究制造技术的发展和未来。

1突破传统制造技术的观念

纳米科技研究的内容主要是在原子、分子尺度上构造材料和器件，测量表征其结构和特性，探索、发现新现象、新规律和应用领域。与我们熟悉传统的相比，纳米材料和器件具有显著的维数效应和尺寸效应。近几年来，在纳米材料制造方面做了大量的研究工作，在纳米粒子粉材的制造，以及材料结构和特性测量、表征上取得了显著成果[2～7]。接下来深入到纳米线、纳米管和纳米带的研究[8～14]，出现了一些成功有效的制造方法，发现了一些惊人的结构和特性。在此基础上，发展了纳米复合材料的研究，展现了非常有希望的应用前景[15～17]。近来人们在纳米科技初期成果的基础上挑战某些产品的传统加工技术，比如Al组件的快速加工。

T.B.Sercombe等人报道了快速加工铝(Al)组件的新方法[18]，这个方法的主要特征是用快速成型技术先形成树脂键合件，然后在氮气氛中分解其键和第二次渗入铝合金。在热处理过程中，铝与氮反应形成氮化铝骨架，在渗透过程中得到刚体结构。与传统制造工艺相比，这个过程是简单的快速的，可以制造任何复杂组件，包括聚合物、陶瓷、金属。图1是过程示意和原型样品，(a)是尼龙巾镶嵌铝粒子的SEM像，中心有结构细节的是Mg粒子，白色是Al粒子，加入少量的Mg是为还原氧化铝，它将不是铸件中的成分。在尼龙被烧去时，这个结构基本保持不变。(b)是氮化物骨架，围绕Al粒子的一些环状结构的光学显微镜像，再渗入Al时将形成密实结构。(c)是烧结的氮化铝和渗铝组件，小柱的厚为0.5mm其密度和强度都达到了传统铸造技术的水平。他们还制作了公斤重量多种结构的样品。这是一种冶金技术的探索，开辟了一种新的冶金和制造技术途径。

2纳米材料的完美定律

描述材料结构的常用术语是原子结构和电子结构。原子结构的主要参量是晶格常数、键长、键角；电子结构的主要参量是能带、量子态、分布函数。对于我们熟悉的宏观体系，这些参量多是确定的常数，但对于纳米体系，多数参量随着原子数量的改变而变化。这是纳米材料和器件的典型特征，它决定了纳米材料的多样性。其中有个重要规律，我们称之为纳米材料的完美定律，用简单语言表述：“存在是完美的，完美的才能存在”。它包括了纳米晶粒的魔数规则，即含有13、55、147…等数量原子的原子团是稳定的，对于富勒烯碳60和碳70存在的几率最大，而对于碳59或碳71等结构体系根本不存在。这就是为什么斯莫利(Smmolley)他们当初能在大量的富勒烯中首先发现碳60和碳70，从而获得了诺贝尔奖。对于一维纳米结构，包括纳米管和纳米线，存在类似的规则。可以模型上认为是由壳层构成的，每个壳层中更精细的结构称为股，每一股是一条原子链，中心为1股包裹壳层为7股的表示为7-1结构，再外壳层为11股的，表示为11-7-1结构，等等，构成最稳定的结构，这是一维纳米结构的魔数规则。对二维纳米膜存在类似的缺陷熔化规则，即不容许存在很多缺陷，一旦超过临界值，缺陷自发产生，完全破坏二维晶态结构。上述这些低维结构特征是完美定律的具体表述，进步普遍表述理论是正在研究中的课题。

完美定律是我们讨论涂层材料的出发点，因为纳米材料有更多的人造品格，是大自然很少存在或者不存在的，需要人工大量制造。在制造过程中，方法简单、产额高、成本低是最有竞争力的。可以想象，制造成本很高的材料和器件能有市场，一定是不计成本的特殊需要，有政治背景或短期的社会需求。因此在我们探索纳米材料制造时，首先考虑的应是满足完美定律的技术，如用甲烷电弧法制备纳米金刚石粉技术[1]，电化学沉积法制备金属纳米线阵列技术[19]，以及电炉烧结法制造氧化物纳米带技术[20]等等。

3涂层纳米材料将给我们带来什么?

涂层纳米材料是纳米科技领域具有代表的材料，或是低维纳米材料的有序堆积结构，或者是低维纳米材料填充的复合结构。两者都比传统材料有惊人的结构和特性。如新型高效光电池[21]、各向异性结构材料[19]、新型面光源材料[22]等，这里举例介绍基于热电效应的新型纳米热电变换材料。

热电效应器件的代表是热电偶，即利用不同导体接触的温差电现象进行温度测量的器件。基于热电效应可以制成两类器件：热产生电和电产生温差。前者可以用于制造焦电器件，即用热直接发电，如将焦电材料涂于内燃机缸表面，利用缸体温度高于环境几百度的温差发电，将余热变作电能回收。后者可以做成电致冷器件。这类的直接热电变换器件具有无污染，没有活动部件，长寿命，高可靠性等优点，但块体材料制成器件的效率低，限制了它的应用。纳米科技兴起以后，人们探索利用纳米晶或纳米线结构能否解决热电效应的效率问题。认为用量子点超晶格材料有希望显著提高热电器件的效率，这是由于纳米材料显著的能级分裂，有利于载流子的共振输运和降低晶格热传导，从而提高了器件的效率。T.C.Harman等人[23]报告了量子点超晶格结构的热-电效应器件，他们制备了PbSeTe／PbTe量子点超晶格(QDSL)结构，用其制造了热电器件(Thermo-electrics，TE)，图2(a)是纳米超晶格TE致冷器件的结构和电路图，(b)电流-温度曲线。将TE超晶格材料，其宽11mm，长5mm，厚0.104mm，n-型的TE片，一端置于热槽，另一端置于冷槽，为了减小冷槽热传导而形成这同结接触，用一根细金属线与热槽连接。当如图2(a)所示加电流源时，将致冷降温。对于这种纳米线超晶格结构，由于量子限制效应，发生间隔很大的能级分裂，从而得到很高的热电转换效率。图2(b)是TE器件的电流-温度曲线，实验点标明为热与冷端温差(T)与电流(I)关系，电流坐标表示相应通过器件的电流。■为热端温度Th与电流I的关系，其温度对于流过器件的电流不敏感。为冷端温度Tc与电流I的关系，其温度对于电流是敏感的。图中A是测得的最大温差，43.7K，B是块体(Bi，Sb)2(Se，Te)3固溶合金TE材料最大温差，30.8K。从图中可以看出，在较大电流时，冷端温度趋于饱和。采用这种致冷器件由室温降至一般冰箱的冷冻温度是可能的。

电热效应的逆过程的应用就是焦电器件，即利用热源与环境的温差发电。对于内燃机、锅炉、致冷器高温热端等设备的热壁，涂上超晶格纳米结构涂层，利用剩余热能发电，将是人们利用纳米材料和组装技术研究的重要课题。

类似面致冷、取暖，面光源，面环境监测等涂层功能材料，将给家电产业带来革命性的影响，将会极大地改变人类的生活方式和观念。

4含铁碳纳米管薄膜场发射

碳纳米管阵列或含碳纳米管涂层场发射被广泛研究，以其为场发射阴极做成了平板显示器。研究结果表明碳管的前端有较强的场发射能力，因此碳管涂层膜中多数碳管是平放在基底上的，场电子发射能力很差。我们制备了含有铁(Fe)纳米粒子的碳纳米管，它的侧向有更大的场发射能力，有利于用涂层法制造平板场发射阴极。图3(a)是含铁粒子碳纳米的TEM像，碳管外形发生显著改变。(b)是碳管场发射I-V特性曲线，I是CVD生长的竖直排列碳纳米管的场发射曲线，II是含铁粒子碳纳米管竖直阵列的场发射曲线，III是含粒子碳纳米管躺在基底上的场发射曲线，有最强的场发射能力。根据此结果，将含铁的碳纳米管用作涂层场发射阴极，有利于研制平板显示器。

5电子强关联体系和软凝聚态物质

上面所讲到的涂层纳米功能材料和器件是当今国际上研究的热门课题，会很快取得重要成果，甚至有新产品进入市场。当我们在讨论这个纳米科技中的重要方向时，不能不考虑更深层的理论问题和更长远的发展前景。这就涉及到物理学的重要理论问题，即电子强关联体系(electronstrongcorrelationsystem)与软凝聚态物质(softcondensationmatter)。

在量子力学出现之前，金属材料电导的来源是个谜，20世纪初量子力学诞生后，解决了金属导电问题。基于Bloch假设：晶体中原子的外层电子，适应晶格周期调整它们的波长，在整个晶体中传播；电子-电子间没有相互作用。这是量子力学的简化模型，没有考虑电子间的相互作用，特别是在局域态电子的强相互作用。2003年又有人提出了金属导电问题，Phillips和他的同事以“难以琢磨的Bose金属”为题重新讨论了金属导电问题[24]。当计入电子间的相互作用时，可能产生的多体态，超导和巨磁阻就是这种状态。晶体中的缺陷破坏了完善导体，导致电子局域化。电子与核作用的等效结果表现为电子间的吸引作用，导致电荷载流子为Cooper对。但这个对的形成，不是超导的充分条件。当所有Cooper对都成为单量子态时，才能观察到超导性。这样，对于费米子由于包利(Paulii)不相容原则，不可能产生宏观上的单量子态。Cooper对的旋转半径小于通常两个电子相互作用的空间，成为Bose子。宏观上呈现单量子态，Bose子的相干防止了局域量子化。在局域化电子范围内，超导性可能认为是玻色-爱因斯坦凝聚，这个观点现今被很多人接受。从20世纪初至今，对于基本粒子的量子统计有两种，一是Fermi统计，遵从Paulii不相容原理，即每个能量量子态上只能容纳自旋不同的2个电子，而Bose子则不受这个限制。在凝聚态物质中有两个基态：即共有化Bose子呈现超导态，局域化Bose子呈现绝缘态。然而，在几个薄合金膜的实验中，观察到金属相，破坏了超导体和绝缘体之间直接转换。经分析认为这是玻色金属态，参与导电的是Bose子。推断这个金属相可能是涡流玻璃态，这个现象在铜氧化物超导体中得到了验证。

软凝聚态物质研究的对象是原子、分子间不仅存在短程作用力，而且存在长程作用力，表观上呈现的粘稠物质形态，称为软凝聚态。至今，人类对于晶体和原子存在强相互作用的固体已经知道得相当透彻了，但对软凝聚态的很多科学问题还没有深入研究，21世纪以来，引起了科学家的极大兴趣。软凝聚态物质包括流体、离子液体、复合流体、液晶、固体电解、离子导体、有机粘稠体、有机柔性材料、有机复合体，以及生物活体功能材料等。这其中的液晶由于在显示器件上的很大市场需求，是被研究得相当清楚的一种。其他软凝聚态结构和特性的科学问题和应用前景是目前被关注的研究课题。这其中主要有：微流体阀和泵、纳米模板、纳米阵列透镜、有机半导体、有机陶瓷、流体类导体、表面敏感材料、亲水疏水表面、有机晶体、生物材料(人造骨和牙齿)、柔性集成器件，以及他们的复合，统称为分子调控材料(materialsofmolecularmanipulation)。其主要特征是原子结构的多变性和柔性，研究材料的设计、制造、结构和特性的测量、表征，追求特殊功能；理论上探讨原子结构的稳定体系，光、电、热、机械特性，以及载流子及其输运。关于软凝聚态物质，有些早已为人类所用，电解液、液晶等，但对其理论研究处于初期阶段。科学的发展和应用的需求促进深入的理论研究，判断体系稳定存在的依据是自由能最小，体系自由能可表示为F=E-TS，其中S是熵。对于软凝聚态物质体系，S是重要参量。其中更多的缺陷，原子、分子运动的复杂行为，更多的电子强关联，不再是单粒子统计所能描述，需要研究粒子间存在相互作用的统计理论。多样性是这个体系的突出特征，因此其理论涉及广泛、复杂问题。

物理学是探索物态结构与特性的基础学科，是认识自然和发展科技的基础，其中以原子间有较强作用的稠密物质体系为主要研究对象的凝聚态物理近些年有了迅速进展，研究范围不断扩大，从固体结构、相变、光电磁特性扩展到液晶、复杂流体、聚合物和生物体结构等。几乎每一二十年就有新物质状态被发现，促进了人类对自然的认识和对其规律把握能力，推动了科学和技术的发展。21世纪仍有一些老的科学问题需要深入研究，一些新科学问题已提到人们的面前。特别是低维量子限域体系和极端条件下的基本物理问题。20世纪80年代出现的介观物理，后来发展成为纳米科技所涉及的学科领域。与宏观体系和原子体系相比，低维量子限域体系，还有很多物理问题有待解决，人们熟悉的宏观体系得到的规则和结论有些不再有效，适用于低维量子限域体系的处理方法和理论需要探索，特别是将涉及到多层次多系统问题的描述和表征，将会有更多的新现象、新效应、新规律被发现。在纳米尺度，研究原子、分子组装、测量、表征，涉及有机材料、无机／有机复合材料和生物材料，这将大大的扩展了物理学研究的范围和深度。涉及的重大科学前沿问题和重点发展方向有①强关联和软凝聚态物质，及其他新奇特性凝聚态物质；②低维量子限域体系的结构和量子特性，包括纳米尺度功能材料和器件结构和特性；③粒子物理，描述物质微观结构和基本相互作用的粒子物理标准模型和有关问题，以及复杂系统物理；④极端条件下的物理问题，探索高能过程、核结构、等离子体、新物理现象和核物质新形态等；⑤生命活动中的物理问题，物理学的基本规律、概念、技术引入生命科学中，研究生物大分子体系特征、DNA、蛋白质结构和功能等，其研究关键将在于定量化和系统性，必然是多学科的交叉发展，成为未来科学的重要领域。

6结论

本文讨论了纳米线涂层的结构和特性，重点是纳米线的复合涂层和其电学特性、光电特性。其中包括制造技术新观念，纳米材料的完美定律，纳米涂层的热-电效应，碳纳米管的侧向场发射，以及电子强关联体系和软凝聚态物质，展示了涂层科学与技术的发展前景。

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纳米涂料范文第5篇

关键词：纳米材料;岩土工程;地质工程;进展

中图分类号：F407.1文献标识码： A

纳米材料是当今材料科学研究的前沿，通过对纳米材料在地质与岩土工程应用研究现状总结，未来还需要对纳米材料的性能、机理、应用进行深入的研究，并将其用于岩土与地质工程领域建筑材料的改性，实现纳米材料的实际工程应用，这对于利用纳米材料研发高性能新型建筑材料具有重要的应用价值。

1纳米材料在岩土工程中的应用

1.1水泥土

水泥土作为一种经济的工程材料，被广泛应用在交通、建筑、海洋、矿物等领域.为了提高水泥土的工程性能，国内外已有学者和技术人员将纳米材料作为新材料用于水泥性。王立峰等(2002)将纳米硅基氧化物作为水泥土的外加剂，进行了三轴试验，探讨了纳来水泥土抗压强度的影响因素及其变化规律，提出纳米硅基氧化物可以显著提高复合纳米材料水泥土的抗压强度。朱向荣等(2003)选取纳米硅作为水泥土的外掺剂，认为纳米硅对水泥土强度及变形模量的增强作用明显，影响纳米硅水泥土强度大小的因素依次为:水泥掺量、纳米硅掺量和土的含水量。李刚(2003)等发现掺纳米材料A12O3能提高水泥土强度，掺纳米材料TiO2则降低水泥土强度;影响纳米铝水泥土强度大小的因素依次为:水泥掺量、土的含水量、纳米硅掺量和水灰比。王文军等(2004)对纳米矿粉水泥土固化机理及损伤特性进行了研究，试验结果表明，水泥土的固化机理为水泥水化物的胶结作用、粘土颗粒中的离子交换效应和“二次反应”、纳米硅粉的火山灰效应、纳米硅粉的填充效应及纳米硅粉的胶结作用。曾庆军等(2007)分析了纳米硅粉水泥土的抗腐蚀性能，提出硫酸盐腐蚀环境能加速纳米硅粉和水泥水化产物的二次水化反应，大幅提高水泥土的强度，适量纳米硅粉能显著提高水泥土的抗腐蚀性能。

1.2混凝土

随着2l世纪混凝土工程的大型化、工程环境的超复杂化以及应用领域的不断扩大，人们对混凝土材料提出了更高的要求，具有高强、高耐久性、高流动性和体积稳定性的高性能混凝土和高功能混凝土是今后混凝土材料科学发展的重点和方向。巴恒静等(2003)将纳米纤维材料及活性球形掺合料复合应用于高性能混凝土，发现纳米纤维材料改善了体系颗粒级配及二级界面显微结构，增加了密实度;天然纳米纤维材料可以提高其抗弯强度达50%，抗压强度21%，能够提高混凝土抗冻性、抗渗性。杜应吉等(2005)利用纳米微粉的高化学活性和微粒性，通过混凝土耐久性试验研究，研制出新型混凝性剂，当纳米微粉的掺量为1～3g/kg时，混凝土的抗渗等级提高30%，抗冻等级提高50%。仲晓林等(2006)研究了纳米粘土材料对混凝土的水化作用机理，在一定掺量时，在水化混凝土中掺纳米粘土材料可提高水化混凝土的流动度、抗压强度和抗渗、抗冻融性。

1.3土国内外有部分学者将纳米材料直接掺入土中，研究土体强度与变形。王文军等(2004)对纳米硅粉与黏性土的作用进行了分析，表明纳米硅粉对土体含水率的影响不明显，但能够提高土体的液限指数，认为纳米硅粉与土中水只发生物理变化，纳米硅粉能提高土体抗压强度，其加固机理为:(1)纳米硅粉对水分子的吸附作用;(2)纳米硅粉对土颗粒的胶结作用;(3)纳米硅粉对孔隙的坡充作用。宋杰等(2010)讨论了不同纳米材料对土无侧限抗压强度的影响，加入百分含量相同但类型不同的纳米材料时，各土样在达到最大轴向应变之前产生相同变形所需的压力从小到大依次为:原状土，纳米A12O3，纳米ZnO，纳米SiO2，加入1.5%的纳米SiO2时，土的无侧限抗压强度最大。

2纳米材料在地质工程中的应用

唐孝威等(1991)提出对纳米地质和纳米天文的研究，认为在大的构造运动中常常会产生巨大的应力，在滑动形成的断层带上，岩石被磨得非常细小，形成纳米粒级的微粒，这些超糜棱岩化的物质可以提供有关断裂带内部的信息。刘岫峰(1995)介绍了纳米物质和纳米科学技术概貌，指出了有待研究与开发的纳米地质领域，明确提出了纳米地质学的研究内容和研究方法，阐述了发展纳米地质学的战略意义和高层决策建议。孙岩等(2008)针对岩石中纳米粒子层的成因有着不同的观点，倾向于剪切摩擦的主导作用，纳米粒子层可称谓摩擦———粘性薄层带。王焰新等(2011)阐述了研究地质储存纳米尺度流体CO2的重要性，认为CO2流体－岩石相互作用是地质储存的核心科学问题，其直接影响CO2灌注效率、储存容量和效率、储存安全性和稳定性，寻找、制备天然微纳岩矿用于经济高效地捕获、储存和转化CO2，推动CO2减排理论和技术的发展。

由于地质因素引起岩溶土洞、地裂缝、地面塌陷等，对工程的安全使用有影响。不仅要查明不良地质现象的类型、范围、活动性、影响因素、发生机理及对工程的影响和评价，还应采取的预防和治理的措施。注浆加固除险是解决地质灾害的有效手段之一，纳米材料可以作为添加剂改性注浆材料。陈兰云等(2004)应用微硅粉水泥浆材处理基础的不均匀沉降。陈晓彦等(2010)分析了聚硅纳米材料的增注机理，室内测试了多批聚硅纳米材料的增注效果，发现聚硅纳米材料对提高岩心渗透率具有明显效果，能有效改变岩心的润湿性，使其从亲水变为亲油，从而降低水相流动阻力，起到降压增注作用。陈勇刚(2010)将XPM纳米灌注材料应用于井巷工程中，认为加入XPM纳米灌注材料的浆液胶凝时间比原双液浆注入后的胶凝时间提前3～5天，其强度也远远超出后者。

纳米材料特殊的吸附特性在地质领域被广泛应用于地质样品中痕量元素的分离和富集、资源综合利用研究和矿产资源开采利用过程中的污染控制，采用如纳米二氧化钛、纳米氧化铈、纳米氧化锆、碳纳米管等纳米材料。

3结语

纳米材料可显著改善岩土工程材料的颗粒微级配，减少堆积空隙，在水化初期作为结晶核，加快水化速度，提升早期强度，改变材料的微观孔结构和分布，降低硬化后孔隙率，改善骨料与浆体间的过渡区，提高强度、增强耐久性;同时，部分纳米材料性价比低，分散性不佳，对后期强度作用不强，相关增强作用机理研究不够明晰;而且纳米材料在天然土中的研究还处于起步阶段，纳米材料与土之间的作用机理等许多问题有待探究;这些都限制了纳米材料在岩土与地质工程中的应用。

参考文献:

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