纳米技术的用途范文

导语：如何才能写好一篇纳米技术的用途，这就需要搜集整理更多的资料和文献，欢迎阅读由公务员之家整理的十篇范文，供你借鉴。

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关键词 纳米印制工艺 超高频RFID标签 智慧图书馆

分类号 G250.78

0 引言

无线射频识别技术（Radio Frequency Identification，RFID）是一种非接触式的自动识别技术。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境[1-2]。RFID系统主要由三部分组成：具有唯一电子编码的标签、能读取和写入标签信息的阅读器、在标签和读取器间传递信号的天线。阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当标签进入发射天线工作区域时产生感应电流，标签获得能量并被激活。标签将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去，系统通过天线接收到从标签发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码后送到后台主系统进行相关处理[3-5]。

目前市场上出现的几种常用RFID标签为：低频段（LF），应用于门禁、考勤、货物跟踪等领域；高频段（HF），应用于公交、社保、校园一卡通、门禁门票、范围仓库管理等领域；超高频段（UHF），应用于检测物品、物流管理等；微波频段（MW），应用于火车监控、高速公路收费等[6]。超高频段的无源RFID标签虽在物流、图书馆等领域得到了一定的应用，但是由于其成本过高等原因而没能得到广泛的推广应用。本文针对降低超高频RFID标签成本的方法作了相应研究，发现目前已有的方法主要有三种：（1）利用直接印刷法制作标签天线；（2）通过采用有机材料或普通纸张为基底材料，降低标签价格；（3）通过印制编码技术代替RFID芯片。从上述三种降低成本的方法中可归纳为，将RFID标签采用纳米印制工艺进行加工生产，一方面可以大幅度降低产品成本，另一方面由于这种“加成法”的工艺原理，大大降低了生产过程对环境造成的压力，从而真正意义上实现了电子产品加工制造过程的绿色环保。因此本文提出采用纳米印制工艺制作低成本的超高频RFID标签方法，并将其应用于图书馆管理系统中。

1 基于纳米印制工艺的超高频RFID标签研究

1.1 纳米印制工艺

纳米印制电子是一种纳米材料与印刷技术相结合的新兴技术，主要通过丝网印刷、喷墨打印等方式，在陶瓷、塑料及纸张等基底上印刷电子线路及器件。通过印刷与各种导电聚合物及纳米金属墨水的结合，产生全新的电子器件的产业链。

因此，纳米印制电子与印制电路板和CMOS芯片技术一样，已成为电子信息的产业基础，可广泛应用在计算机、通信和消费电子和物联网领域。我国于2010年将印刷电子的研发提高到战略意义的高度，并在北京印刷学院成立了印刷电子研究中心；在苏州纳米所成立了印刷电子技术研究中心。纳米印制工艺技术方兴未艾，必将在以后的电子产业内发挥非常重要的作用。

1.2 超高频RFID标签的研究

采用纳米印制技术设计超高频RFID标签主要包括三个技术领域：纳米印制材料、纳米印制材料的印制工艺以及印制器件的集成封装技术。

为了克服RFID标签制造技术中成本高、制造精度低、标签尺寸大、标签底材单一、制造效率低、对环境污染大等缺点，目前主要采用的是导电油墨的印制制造技术。采用印制工艺后，可以使单个RFID标签的成本降低十倍以上，并易于实现快速印刷，从而应用于流水线大批量生产。

1.2.1 纳米印制材料技术

纳米印制材料包括基底和油墨。由于纳米印制材料表现出的不同特性，在进行纳米印制RFID标签设计时，就需要根据不同的应用环境选择合适的有机材料作为基底。酚醛树脂浸渍纸，无纺布或无纺布玻璃纤维布，聚酰亚胺薄膜或聚酯纤维都可以作为基底材料。

纳米印制油墨是一种形态特殊、性能优异的功能性材料，为了取得相关的标签阻抗性能，需要采用纳米材料的最新制作方法和配方。这些油墨根据采用的不同工艺，如印刷、喷墨打印及蒸发旋涂等，又可以分成很多种不同的种类。因此项目实施过程中，将对各种油墨进行评估，并尽可能研发自有的标签油墨产品。

制作RFID标签主要采用柔性电路技术中的厚膜电路工艺。具体采用丝网印刷的成膜技术，将具有不同性能并适用于丝网印刷的油墨通过网版漏印在柔性基底上形成具有特定物理、电学性能的图形，用于完成电连接、电隔离等功能。生产流程中采用多层套印的方式，通常包括导线层、绝缘层等，工艺流程中主要包括各种油墨的选取或配置、丝网印刷、套印对准、网版的清洗、印刷后干燥等问题，会涉及多种有机溶剂，加之不同油墨粘度、流变性能、干燥方式的不同，不同层的印刷厚度等要求不同，都会增加印制标签过程的复杂性。改变导电油墨中颗粒形态结构，增加导电油墨中导电组分的含量，在导电油墨中加入触变剂、流平剂、消泡剂等，这些方法都会因此相关油墨的配方研究将是未来项目中研发的重点及核心。

1.2.2 印制工艺技术

油墨材料需要通过精密的印制技术印制在基底上，主要通过丝网和喷墨两种技术。在采用丝网印刷进行功能层涂覆时，由于器件对材料结构特征等的不同要求，例如层厚度、黏度、材料颗粒尺寸、均匀性等，这时就需要通过对丝网印刷机以及浆料进行设置。参数设置的过程需要进行大量的测量实验，并需要注重相关经验的积累。

1.2.3 RFID标签的封装技术

RFID标签印制好后，需要进行封装，并可以同IC芯片以及MEMS类传感器芯片进行集成封装，从而作为物联网传输的一体化智能终端。这些封装后的智能终端就像标准元件一样，可以直接被应用在电子系统中。对于一些复杂的印制封装器件，由于其对可靠性、环境抵抗性等要求较高，通常需要采用特殊工艺。纳米RFID标签将主要采用上面提到的技术要点，制作在柔性薄膜基底上，从而达到成本低、灵活工艺、超薄器件等方面的优点。

1.2.4 低成本、超高频印制标签的设计

目前出现的低成本、超高频RFID标签大致是基于两种设计方法。（1）标签由微带天线构成，设置每个天线端口的特性不同，或者在端口加载微带结构的负载，使得天线发现散射信号的幅值或相位根据端口特性的不同而改变。（2）标签设计成一个简化的射频收发电路，有一个接收天线，谐振电路和一个发射天线组成。标签的接收天线接收阅读器发射的访问信号，经谐振电路后创建了频谱，再经发射天线将频谱信号反射回阅读器，不同的谐振电路创建不同的频谱，并作为该标签的唯一ID标识。

在无芯片RFID标签设计方面，通常采用的是多个微带天线的方法：标签由微带天线构成，每个天线端口具有不同的特性，从而使得天线反向散射信号的幅值或相位根据端口特性的不同而改变。微带天线工作原理如图1所示。

图1 超高频RFID标签微带天线工作原理

图1中三个微带天线单元的谐振频率分别为f1、f2、f3。当系统工作时，阅读器发射频率为f1、f2、f3的多频访问信号，低成本、超高频RFID标签中的三个微带天线单元受各自谐振频率波激励，反射回带有不同相位特性的反向散射信号。阅读器接收天线接收到该回波信号后，对三个频率的波分别进行处理，这样每一个标签就被设计成了一个唯一不可变的ID标签。

在实际设计实施中，往往采用相位编码、多阻带螺旋滤波器以及多谐振偶极子天线等低成本、超高频标签设计原理。这些原理都是通过标签内部设计的特殊导电体结构，对接收到的来自阅读器的多频信号进行过滤编码，从而达到唯一特性ID标识的目的。

采用相位编码方法的标签主要包含接收天线以及一个微带天线阵列。标签工作频率主要由这些天线的谐振频率决定，可以工作在2.1GHz～2.5GHz范围之间。

采用多阻带螺旋滤波器方法的标签包括一个接收天线，一个多谐振电路和一个发送天线。其中谐振电路主要是由螺旋谐振器构成。这一天线的工作频率在2.0～2.6GHz，带宽为500MHz。

采用多谐振偶极子天线的标签可以实现较小的体积，并且标签简化到只有两个天线的结构。采用双面印制的多谐振偶极子天线标签，可以容易地构建6bit以上的标签，且标签尺寸被大幅压缩。

1.3 优点

与传统的超高频RFID标签相比，印制射频标签及印制编码（低成本、超高频RFID标签）具有成本上无可比拟的优点。这主要体现在：

（1）印制射频标签采用“加成法”进行标签生产，这样就避免了以“减成法”为工艺基础的传统标签生产过程中的材料浪费；从数据上讲，可以减少成本20%以上。

（2）印制编码技术采用印制工艺直接将编码信息以特种结构的形式印刷在标签基底上，从而产生激励信号的特种型信号反馈。从而标定了标签的差异性ID标识。由于避免了硅基芯片的应用，从而使得射频标签减少50%以上的生产成本。

2 超高频RFID标签在智慧图书馆中的应用

随着信息技术的发展，图书馆作为重要的基础文化设施，面临信息量大、管理难度大、人工操作状态下难以及时到位的压力，图书馆的工作越来越繁重。智慧图书馆通过物联网和RFID技术的应用，不仅对其自动化管理模式有所创新，而且更好地实现了图书馆与读者互动的人性化、个性化服务，提高馆员的工作效率[7-8]，加强图书藏、借、阅一体化的功能，增强图书馆的安全性、准确性、可靠性和扩展性，这也是图书馆未来智慧化发展的大势所趋。

智慧图书馆建立在物联网基础上，以无线射频识别技术为关键核心技术。智慧图书馆的出现改变了现代图书馆信息资源的交互方式。以提高信息交互的明确性、灵活性和响应速度为目的，旨在为读者提供高附加值的个性化、智慧化文献信息服务。

在核心技术中，频率是决定RFID技术性能及其应用范围的关键因素。目前使用较多的两种频率为高频（High Frequency，HF）与超高频（Ultra High Frequency，UHF）RFID系统。高频RFID的典型频率为13.56MHZ，标签读取距离较短，约为lm。超高频 RFID频率为860～960MHZ，其在物流领域应用较为广泛，因其标签读取距离最远可达10m。目前在图书馆领域广泛应用的是高频产品，但其高昂的费用将一些经费较为有限的高校图书馆拒之门外。正因为如此，有些高校图书馆已经开始尝试使用超高频RFID标签。

2.1 基于超高频RFID的图书管理系统

基于超高频RFID的图书管理系统结构拓扑图如图2所示，其主要包括：自助借书系统、自助还书系统、智能查找系统、自动分拣系统、手持式盘点系统、安全门检测系统和管理员工作站等，各个子系统相互独立却又紧密相连。

图2 系统结构拓扑图

系统中的RFID标签，有图书RFID标签、光盘RFID标签、架标、层标、RFID读者卡等多种类型。图书、光盘RFID标签存储一本图书、一张光盘的基本流通信息，如条码号、流通类型等；架标用于存储一个书架的单面单联信息；层标用于存储一个书架的单面单联的一层信息；RFID读者卡存储一位读者的基本信息，如读者证号、读者卡的类型等[9-10]。

管理员工作站主要负责图书馆借书卡的账户管理、图书馆监控设备管理、日常设备维护和保养、设定节假日与特殊节日、编辑工作站广播信息等需要人工干预的行为操作。其中还包括对日常报告的提供、整理和分析，更好地为客户服务。

手持式盘点系统通过通道读写器和手持机读写器进行图书的盘点审核。分拣机分拣出来的书由工作人员推车进入借阅室，在经过装有通道式读写器道门时，车里面的标签信息被读取到，并上传至数据库服务中心。通过后期工作管理员用手持式读写器的盘点核查，为图书馆盘点管理带来了极大的方便，使得图书馆管理工作人员能更为高效、频繁地进行图书盘点工作。

安全门检测系统主要用于检测任何非法离开图书馆的书籍、光盘等。它能够检测安全位（EAS）激活的标签，并发出警报声，闪动警报灯，并记录读者数量与警报数量，还能可读取显示触发警报的书籍序号并更新至管理工作站。

2.2 系统优点

2.2.1 流程简化，提高了效率

目前的借还书流程普遍采用条码扫描系统，条码数据的采集是通过固定的或手持的条形码扫描器完成的，扫描操作需要人工翻开图书并找到条码位置才能扫描，操作流程较为繁琐，借还书效率低。引入RFID技术可以实现动态、快速、大数据量、智能化的图书借还流程，提高信息存储的安全性、信息读写的可靠性、借还书的高效快捷。

2.2.2 系统改进，提高了安全性

通过RFID智慧化图书管理系统优化现有的图书管理系统，将防盗系统与图书流通管理系统联系起来，记录每本图书的进出库历史记录，从而可以与借还书的历史记录进行匹配。可以有效提高防盗系统的准确性，确保图书安全。

2.2.3 标签成本低，数据保持力强，寿命长

条码存储数据有限，且易受潮、污染等局限因素，导致在很大程度上制约了图书馆的管理工作。而本文设计的基于纳米印制工艺的超高频RFID标签存储区间大，数据保持力可达100年以上，加上具有防水、防磁、耐高温的特性，RFID电子标签的寿命比条形码长得多。由于采用了非接触式的读取方式，每个电子标签最少能被读取十万次以上，可以长期使用。

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论文摘要：介绍了纳米磁性材料的用途,阐述了纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类纳米磁性材料的研究和应用现状。

1引言

磁性材料一直是国民经济、国防工业的重要支柱与基础，广泛地应用于电信、自动控制、通讯、家用电器等领域，在微机、大型计算机中的应用具有重要地位。信息化发展的总趋势是向小、轻、薄以及多功能方向进展，因而要求磁性材料向高性能、新功能方向发展。纳米磁性材料是指材料尺寸限度在纳米级，通常在1～100nm的准零维超细微粉，一维超薄膜或二维超细纤维（丝）或由它们组成的固态或液态磁性材料。当传统固体材料经过科技手段被细化到纳米级时，其表面和量子隧道等效应引发的结构和能态的变化，产生了许多独特的光、电、磁、力学等物理化学特能，有着极高的活性，潜在极大的原能能量，这就是“量变到质变”。纳米磁性材料的特殊磁性能主要有：量子尺寸效应、超顺磁性、宏观量子隧道效应、磁有序颗粒的小尺寸效应、特异的表观磁性等。

2纳米磁性材料的研究概况

纳米磁性材料根据其结构特征可以分为纳米颗粒型、纳米微晶型和磁微电子结构材料三大类。

2.1纳米颗粒型

磁存储介质材料：近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构，矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。

纳米磁记录介质：如合金磁粉的尺寸在80nm，钡铁氧体磁粉的尺寸在40nm，今后进一步提高密度向“量子磁盘”化发展，利用磁纳米线的存储特性，记录密度达400Gbit/in2，相当于每平方英寸可存储20万部红楼梦小说。

磁性液体：它是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成。利用磁性液体可以被磁场控制的特性，用环状永磁体在旋转轴密封部件产生一环状的磁场分布，从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的“O”形环，且没有磨损，可以做到长寿命的动态密封。这也是磁性液体较早、较广泛的应用之一。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体的防尘密封。磁性液体还有其他许多用途，如仪器仪表中的阻尼器、无声快速的磁印刷、磁性液体发电机、医疗中的造影剂等等。

纳米磁性药物：磁性治疗技术在国内外的研究领域在拓宽，如治疗癌症，用纳米的金属性磁粉液体注射进人体病变的部位，并用磁体固定在病灶的细胞附近，再用微波辐射金属加热法升到一定的温度，能有效地杀死癌细胞。另外，还可以用磁粉包裹药物，用磁体固定在病灶附近，这样能加强药物治疗作用。

电波吸收（隐身）材料：纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。

2.2纳米微晶型

纳米微晶稀土永磁材料：稀土钕铁硼磁体的发展突飞猛进，磁体磁性能也在不断提高，目前烧结钕铁硼磁体的磁能积达到50MGOe，接近理论值64MGOe，并已进入规模生产。为进一步改善磁性能，目前已经用速凝薄片合金的生产工艺，一般的快淬磁粉晶粒尺寸为20-50nm，如作为粘结钕铁硼永磁原材料的快淬磁粉。为克服钕铁硼磁体低的居里温度，易氧化和比铁氧体高的成本价格等缺点，目前正在探索新型的稀土永磁材料，如钐铁氮、钕铁氮等化合物。另一方面，开发研制复合稀土永磁材料，将软磁相与永磁相在纳米尺寸内进行复合，就可获得高饱和磁化强度和高矫顽力的新型永磁材料。转

纳米微晶稀土软磁材料：在1988年，首先发现在铁基非晶的基体中加入少量的铜和稀土，经适当温度晶化退火后，获得一种性能优异的具有超细晶粒（直径约10nm）软磁合金，后被称为纳米晶软磁合金。纳米晶磁性材料可开发成各种各样的磁性器，应用于电力电子技术领域，用作电流互感器、开关电源变压器、滤波器、漏电保护器、互感器及传感器等，可取得令人满意的经济效益。

2.3磁微电子结构材料

巨磁电阻材料：将纳米晶的金属软磁颗粒弥散镶嵌在高电阻非磁性材料中，构成两相组织的纳米颗粒薄膜，这种薄膜最大特点是电阻率高，称为巨磁电阻效应材料，在100MHz以上的超高频段显示出优良的软磁特性。由于巨磁电阻效应大，可便器件小型化、廉价，可作成各种传感器件，例如，测量位移、角度，数控机床、汽车测速，旋转编码器，微弱磁场探测器（SQUIDS）等

磁性薄膜变压器：个人电脑和手机的小型化，必须采用高频开关电源，并且工作频率越来越高，逐步提高到1～2MHz或更高。要想使高频开关电源进一步向轻薄小方向发展，立体的三维结构铁芯已经不能满足要求，只有向低维的平面结构发展，才能使高度更薄、长度更短、体积更小。对于10～25W小功率开关电源，将采用印刷铁芯和磁性薄膜铁芯。几个微米厚的磁性薄膜，基本上不成形三维立体结构，而是二维平面结构，其物理特性也与原来的立体结构不同，可以获得前所未有的高性能和综合性能。

磁光存储器：当前只读和一次刻录式的光盘已经广泛应用，但是可重复写、擦的光盘还没有产业化生产。最具有发展前途的是磁性材料介质的磁光存储器，其可以像磁盘一样反复多次地重复记录。目前大量使用的软磁盘，由于材料介质和记录磁头的局限性，其存储密度已经达到极限；另外其已经不能满足信息技术的发展要求，无法在一张盘上存储更多的图象和数据。采用磁光盘存储，就能在一张盘上记录数千兆字节到数十千兆字节的容量，并且能反复地擦写使用。

3展望

纳米技术是本世纪前20年的主导技术,纳米材料是纳米技术的核心,是21世纪最有前途的材料,也是纳米技术的应用基础之一。纳米科技的发展给传统磁性产业带来了跨越式发展的重大机遇和挑战,纳米级磁性材料的开发和研究是磁性材料发展的一个必然方向,但同时也应重视用纳米技术改造传统产业和对现有材料进行纳米改性方面的研究,以全面提高企业的技术水平和竞争能力,在世界民族之林树立中华民族的大旗。

参考文献

［1］王瑞金.磁流体技术的应用与发展［J］.新技术新工艺,2001,(10):15-18.

［2］许改霞，王平，李蓉等.纳米传感技术及其在生物医学中的应用［J］.国外医学生物工程分册，2002，25（2）：49-54.

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人工肌肉是由碳纳米管制成——一种与普通铅笔芯，也即石墨，相同类型的无缝空心圆柱体。尽管每根纳米管直径大约是人的头发的一万分之一，它的强度却是钢的100倍。

项目负责人美国德克萨斯大学的雷·鲍曼（Ray Baughman）博士说道，这种超级强韧并且超速的人工肌有广泛的潜在用途，但是——至少在短期——可能不适合取代人体的肌肉。这项技术是由一支来自澳大利亚、中国、韩国、加拿大和巴西的国际合作小组共同研发的。

“我们研发的人工肌肉能够提供超大超快的收缩，提起的重量大约是同等大小肌肉能够负荷的200倍。我们对它近期应用的可能性感到无比兴奋，但这些人工肌肉目前还不适合直接取代人体肌肉。”

“由于自身的简单性和优良性能，这些肌肉能够广泛用于各种领域，例如机器人、微创手术的导尿管、微型电动机、微流体的混合器、可调谐光学系统、微型阀、定位器甚至是玩具。”

这种肌肉收缩——也被称为刺激——速度非常快，大约为2.5万分之一秒。这种收缩同时还会产生4.2千万/千克的功率密度——大约是普通内燃机功率重量比的4倍。鲍曼博士说道，这种肌肉高度扭曲形成螺旋状，非常类似于驱动航空模型的橡皮筋的螺旋结构。

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纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

1.在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiO／SiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600℃降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。

2.在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

3.在其它精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。国外已将纳米SiO2，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻璃中加入经过表面修饰处理的SiO2，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的；而加入A12O3，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO2具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。超细TiO2的应用还可扩展到涂料、塑料、人造纤维等行业。最近又开发了用于食品包装的TiO2及高档汽车面漆用的珠光钛白。纳米TiO2，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。

4.在医药方面的应用

21世纪的健康科学，将以出入意料的速度向前发展，人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，已提到研究日程上来。纳米粒子将使药物在人体内的传输更为方便。用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体，可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织；使用纳米技术的新型诊断仪器，只需检测少量血液就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病，美国麻省理工学院已制备出以纳米磁性材料作为药物载体的靶定向药物，称之为“定向导弹”。该技术是在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物。纳米粒子的尺寸小，可以在血管中自由流动，因此可以用来

检查和治疗身体各部位的病变。对纳米微粒的临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究工作。据《人民日报》报道，我国将纳米技术应用于医学领域获得成功。南京希科集团利用纳米银技术研制生产出医用敷料——长效广谱抗菌棉。这种抗菌棉的生产原理是通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上。银具有预防溃烂和加速伤口愈合的作用，通过纳米技术处理后的银表面急剧增大，表面结构发生变化，杀菌能力提高200倍左右，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用。

微粒和纳粒作为给药系统，其制备材料的基本性质是无毒、稳定、有良好的生物性并且与药物不发生化学反应。纳米系统主要用于毒副作用大、生物半衰期短、易被生物酶降解的药物的给药。

纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程，从而根据生物学原理发展分子应用工程。在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质特别是酶，从而控制生化反应。这在生化技术、酶工程中大有用处。使纳米技术和生物学相结合，研究分子生物器件，利用纳米传感器，可以获取细胞内的生物信息，从而了解机体状态，深化人们对生理及病理的解释。

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论文摘要:充满生机的二十一世纪，以知识经济为主旋律和推动力正引发一场新的工业革命，节省资源、合理利用能源、净化生存环境是这场工业革命的核心，纳米技术在生产方式和工作方式的变革中正发挥重要作用，它对化工行业产生的影响是无法估量的。这里主要介绍纳米材料在化工领域中的几种应用。

纳米材料（又称超细微粒、超细粉末）是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应等，拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。

纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚兴趣。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学性质，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

一、纳米材料的特殊性质

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳迷材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。

（二）磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。

（三）电学性质

由于晶界面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——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。

（四）热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。

二、纳米材料在化工行业中的应用

（一）在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

（二）在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性，具有一般材料难以获得的优异性能，显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。在标牌上使用纳米材料涂层，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有氧化铁、二氧化钛和氧化锌等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子，在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装饰喷涂业中，将纳米TiO2添加在汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆旧貌换新颜。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料。在涂料中加入纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应用。

（三）在精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3，和SiO2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。

纳米科学是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学，主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等。21世纪将是纳米技术的时代，为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米材料的应用涉及到各个领域，在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。纳米科学技术的诞生，将对人类社会产生深远的影响，并有可能从根本上解决人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题。

参考文献

[1]张立德，牟季美，纳米材料和纳米结构，科学出版社，2001.

[2]严东生，冯端，材料新星?纳米材料科学，湖南科学技术出版社，1998年.

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关键词:纳米材料化工领域 应用

纳米材料的结构由表面(界面)结构组元构成,粒径介于原子团簇与常规粉体之间,一般不超过100nm,与电子的德布罗意波长相当。粒径越小的纳米材料,其界面组元的比值越高,低动量电子散射量越大。纳米材料的界面组元中含有相当量的不饱和配位键、端键及悬键。由于不同的纳米材料各具独特效应,如界面效应、小尺寸效应\量子尺寸效应以及宏观量子隧道效应等,进而导致在声、光、电、磁、热、化学作用及力场下,呈现各自不同的特异性能,从而作为吸波材料(隐型材料)、高性能磁记录材料、磁性液体、复合材料、超导材料、新型高效催化剂、发光材料、特种涂料及新型医用材料等逐步应用于国民经济诸多领域。

一、纳米材料在化工行业中的应用

1、在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用,它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低,而且其制备是凭经验进行,不仅造成生产原料的巨大浪费,使经济效益难以提高,而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多,为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂,可大大提高反应效率,控制反应速度,甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂,特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒,可近似地看成是一个短路的微型电池,用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时,半导体纳米粒子吸收光产生电子――空穴对。在电场作用下,电子与空穴分离,分别迁移到粒子表面的不同位置,与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。

2、在涂料方面的应用

纳米材料由于其表面和结构的特殊性,具有一般材料难以获得的优异性能,显示出强大的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇,使得材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术,添加纳米材料,可获得纳米复合体系涂层,实现功能的飞跃,使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性;功能涂层是赋予基体所不具备的性能,从而获得传统涂层没有的功能。

3、在精细化工方面的应用

精细化工是一个巨大的工业领域,产品数量繁多,用途广泛,并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音,并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域,纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加入纳米SiO2,可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米Al2O3,和SiO2,加入到普通橡胶中,可以提高橡胶的耐磨性和介电特性,而且弹性也明显优于用白炭黑作填料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料,可以提高塑料的强度和韧性,而且致密性和防水性也相应提高。

二、二维层状纳米材料的性能与特征

1、二维层状纳米材料的结构可控性

因纳米LDHS的特殊层状结构及组成、其在以下方面具有可调控性:

1)层板化学组成的可调控性

纳米LDHS的层板化学组成可根据应用需要进行调整。在一定范围内调变原料配比,层板化学组成则发生变化,进而导致层板化学性质、层板电荷密度等相应变化;

2)层间离子种类及数量的可调控性

根据应用需要,利用主体层板的分子识别能力,采用插层或离子交换的方式进行超分子组装,可改变其层间离子种类及数量,进而使纳米LDHS的整体性能发生较大幅度变化;

3)晶粒尺寸及其分布的可调控性

控制纳米LDHS的合成条件,可在20-60纳米范围内精准调整晶粒尺寸,同时使晶粒尺寸分布窄化,达到均匀分散。

2、层状纳米材料的结构与性能

充分利用以上各调控因素,可制备得到具有如下特征的层状结构纳米材料:

1)多功能性

不同客体插入纳米LDHS层间后,可组装得到具有不同应用性能的纳米层柱材料,如纳米选择性红外吸收剂、纳米选择性紫外阻隔剂、纳米杀菌防霉剂、纳米热稳定剂、环境友好纳米催化剂、安全型纳米阻燃剂、缓释型纳米除草剂、红外和雷达双功能纳米隐形材料等,可广泛应用于合成材料、建筑材料、石油化工、涂料、农药及军工等行业,产业关联度高,应用空间极为广阔。

2)低表面能

层状纳米材料因纳米LDHS层状结构的特殊性,表现出较低的表面能。这一特征使得制备时无需采用昂贵的辅助剂(如有机溶剂、偶联剂等)及高能耗的生产装备(如喷雾干燥等)便可得到具有纳米尺寸的层状材料LDHS,同时因其较低的表面能,在实际应用时易于均匀分散,不易聚集。

3)几何结构效应

LDHS层状材料主体二维层板结构及纳米尺寸,使其在应用时表现出独特的性能。因主体层板间的弱相互作用在外力条件下极易被打破,应用于涂料时表现出优异的触变性能;层状材料主体层板剥离后,可以纳米尺寸均匀分散至合成材料本体,这一特点在薄膜类产品中可得到充分体现,其结构是使复合膜的力学性能大幅度提高,同时具备对小分子迁移的阻隔能力(如PVC中的增塑剂、农膜中的防雾滴剂等);控制制备条件,可使层状材料具备规整的介孔结构(10-50nm),其在作为催化剂时,表现出对反应物、中间产物和产物的优异择形性能等等。

4)结构记忆效应

纳米LDHS旦有独特的“结构记忆效应”,即经一定途径改变其结构后,在一定条件下其又可逆地恢复至原有结构。利用这一特点,可在纳米LDHS层间插入满足设计要求的害体、进而组装得到所需的功能性层柱纳米材料;又可将组装得到的功能性层柱纳米材料置于某种有利于结构恢复的环境中,在外界条件的促进下,使其定时、定量释放出层间客体。如层柱型除草剂,便可在富含水、空气(主要利用其中的C02)的条件下,按作物生长要求缓慢释放除草剂,以避免除草剂流失所产生的污染及药害。

5)界面效应

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新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。

纳米材料技术的研究意义

纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。正像美国科学家估计的"这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命"。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。

研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们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、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。

纳米材料的应用

l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的Hitachi Special Metals，德国的Vacuumschmelze GmbH和法国的 Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的 Alps Electric Co．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为 EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为 100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。

4）Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如 Y、 Ce）和过渡族金属（如 Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。

结束语

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本文介绍了纳米技术在化学纤维中的应用方式，并阐述了纳米技术在功能性纤维和其他特种纤维中的应用情况，以及纳米材料在应用中存在的问题及解决方法，最后展望了纳米技术的应用前景。

关键词：纳米技术；纳米材料；功能性纤维；特种纤维

近年来，纳米技术与纳米材料正引起人们的极大关注。纳米材料凭借其内部所特有的表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等四大效应，从而拥有完全不同于常规材料的奇特的力学性能、光学性能、热力性能、磁学性能、催化性能和生物活性等性能。这些都为纳米材料在纺织工业的应用奠定了基础。

可以说，纳米材料是21 世纪最有前途的材料，在功能性纺织品和高分子科学领域有着广阔的应用前景。[1]

1 纳米技术在化学纤维中的应用方式

纳米粒子的奇特性质为纳米技术的广泛应用奠定了基础，应用纳米技术开发功能性化学纤维主要有两个途径[2]。

1.1 纤维超细化

使纤维达到纳米级，以满足特殊用途领域的需要。

1.2 共混纺丝法

共混纺丝法是指在化纤聚合、熔融阶段或纺丝阶段加入功能性纳米材料粉体，以使生产出的化学纤维具有某些特殊的性能。此法是生产功能性化纤的主要方法。由于纳米粉体的表面效应，其化学活性高，经过分散处理后，容易与高分子材料相结合，较普通微粉体更容易共熔混纺；而且纳米粉体粒径小，能较好地满足纺丝设备对添加物粒径的要求，在化纤生产过程中能较好地避免对设备的磨损、堵塞及纤维可纺性差、易断丝等问题；对化纤的染色、后整理加工及服用性能等也不会造成很大的影响。该法的优点在于纳米粉体均匀地分散在纤维内部，因而耐久性好，其赋予织物的功能具有稳定性。目前化纤产品中复合型纤维的比例不断扩大，如果在不同的原液中添加不同的纳米粉体，可开发出具有多种功能的纺织品。例如在芯鞘型复合纤维的皮、芯层原液中各自加入不同的粉体材料，生产出的纤维可具有两种或两种以上功能。

2 纳米技术在功能性纤维方面的应用

2.1 抗紫外线纤维

太阳光中能穿过大气层辐射到地面的紫外线占总能量的6%。紫外线具有灭菌消毒和促进体内维生素D 合成的作用，但同时也有加速人体皮肤老化及产生癌变的危险[3-5]。

2.1.1 抗紫外线纤维的紫外防护机理

紫外线属于电磁波，其波长范围在100nm～400nm 之间。研究表明，TiO2、ZnO、SiO2、Al2O3、Fe2O3、云母、高岭土等在300nm～400nm 波段都具有吸收紫外线的特征。若将这些材料制成纳米级超细粉体，由于微粒尺寸与光波波长相当或更小，这种小尺寸效应会导致对光的吸收显著增强。

另外，这类超细粉体的比表面积大，表面能高，在与高分子材料共混时，很容易与后者结合，加之化纤纺丝设备对共混材料粒度的要求，决定了纳米粒子是制造功能性化纤的优选添加材料。

2.1.2 抗紫外线纤维的应用

此类化纤包括的品种面很广，从国内外研制和生产的品种来看，涉及涤纶、维纶、腈纶、尼龙和丙纶等；加工方法有尼龙、聚氨酯混纺、尼龙、醋酸纤维混纺等。主要用来制作运动衫、罩衫、制服、套裤、职业服、游泳衣和童装等。在我国大多数地区，人们夏季穿着服装单薄，这就需要利用纳米粒子的抗紫外线功能来开发各种化纤产品，以满足妇女、老人、儿童、野外工作者和高温岗位工人的需要。

2.2 抗菌除臭纤维

通常所说的抗菌包括抑制、杀灭、消除细菌分泌的毒素以及预防等功能。抗菌化纤的除臭功能表现在：保健方面：防止皮肤感染，消除病菌分泌的毒素和将汗液等转化为臭味物质的细菌；美学方面：除去令人不愉快的臭味[6-8]。

2.2.1 抗菌除臭纤维的抗菌除臭机理

纳米级TiO2、ZnO等光催化型杀菌剂，表现出超过传统抗菌剂仅能杀灭细菌本身的性能。其杀菌机理为：纳米级TiO2、ZnO等抗菌剂能在水分和空气存在的情况下，自行分解出自由移动的电子（e-），同时留下带正电的空穴（h+），逐步产生反应，生成的羟基自由基和超氧化物阴离子自由基非常活泼，有极强的化学活性，能与多种有机物发生反应（包括细菌内的有机物及其分泌的毒素），从而将细菌、残骸和毒素杀灭、消除。

纳米级TiO2、ZnO的除臭机理主要有以下两种：①吸附臭味。超细ZnO的比表面积大、孔容大，可以吸附多种含硫臭体。②氧化分解。TiO2、ZnO等物质在H2O、O2体系中可发生光催化反应，产生的超氧化物阴离子自由基能与多种臭体反应，从而更彻底地消除臭味。

2.2.2 抗菌除臭纤维的应用

日本在抗菌防臭功能纤维上开发较多。最近，日本石玻璃公司开发了一种含活性玻璃粒子的抗菌防臭功能纤维。这是一种含有银粒子的溶解性玻璃微粉，粒径在50nm 以下。这种纤维在毒性、稳定性、持久性和抑制细菌抗药性等方面的表现较为优良。在使用过程中，一旦接触到水分，纤维内部的溶解性玻璃粒子就会缓慢释放出银离子，它能在几小时到几年的时间内以特定的速度释放，阻碍细菌繁殖，显示出优良的抗菌性。日本帝人公司生产的由纳米TiO2、ZnO 作为消臭剂的除臭纤维能吸收臭气净化空气，可用于制造消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘、厕所用纺织品以及环保用过滤织物等。

我国抗菌剂的研究相对滞后，但近年来发展较快。北京赛特瑞公司生产的银系抗菌剂，采用纳米层状银系无机抗菌材料制备的抗菌防霉织物，仅需添加0.5%～1%的无机抗菌剂，具有广谱抗菌功能，且抗菌效果显著、持久，对皮肤无刺激性。上海合成纤维研究所研制的一种新型抗菌纤维，是将纳米级TiO2、ZnO 等添加到天然或聚合物长丝中，纺制出各种永久性抗菌、防臭纤维，经试验证明，这种纤维对绿脓杆菌、大肠杆菌、金黄色葡萄球菌和沙门氏菌等具有很强的杀菌能力，目前该技术仅仅完成了实验室研究工作，还不能达到工业化生产规模。许德生等人采用纳米级TiO2、ZnO 和粘胶纤维共混制成的纤维，既具有普通粘胶纤维特性，又能防菌、抗菌、防紫外线和抗电磁辐射。北京服装学院科研人员的研究表明，用纳米级ZnO 对棉织物进行处理后，对金黄色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌和黑曲霉菌等均有显著抑制作用。另外，国家超细粉末工程中心利用纳米ZnO等粉体做核，在外包覆银以抗细菌，在外包覆CuO、ZnSiO3 以抗真菌，将这种抗菌粉体加1%到合成纤维中，就能制得抗菌性良好的功能性纤维。

2.3 远红外纤维

2.3.1 机理

人体释放的红外线大致在4μm～16μm的中红外波段，在战场上如果不对这一波段的红外线进行屏蔽，很容易被非常灵敏的中红外探测器所发现，尤其在夜间，人体安全将会受到威胁，因此很有必要研制对人体红外线具有屏蔽功能的衣服[9-10]。

远红外线反射功能纤维是一种具有远红外吸收及反射功能的化纤，通过吸收人体发射出的热量，并再向人体辐射一定波长范围的远红外线，可使人体皮下组织血流量增加，起到促进血液循环的作用；由于能反射人体辐射的红外线，也起到了屏蔽红外线，减少热量损失的作用，使此类纤维及织物的保温性能较常规织物有所提高。远红外超细添加剂是一种白色或浅白色粉体。这类抗红外线功能助剂是在远红外加热所使用的陶瓷粉体的基础上开发出来的，所以称之为“远红外陶瓷粉”。根据应用的化纤品种和性能要求的不同，通常包括纳米级ZnO、SiO、Al2O3 等，除了要求将它们的粒度用直接制备或二次粉碎的方法控制在100nm以下外，同时还要对其进行表面改性处理，以确保这类粉体的分散性、相容性和功能化纤的可纺性。

2.3.2 远红外纤维应用

日本对远红外聚酯的研究最多。1996年已确立了远红外纤维制品的保温性试验方法和对人体的温热特性系列评价方法，对远红外线与生物关系已有了系统的研究。日本三菱人造丝公司将PTA、EG和纳米陶瓷粉混合先制成母粒，再与普通聚酯在283℃下共混纺丝，制成中空度21.3%、蓬松度153mL/g 的远红外短纤维；日本可乐丽公司将聚酯和含氧化陶瓷的增塑剂共混纺丝制得远红外纤维；日本尤尼吉卡公司推出一种太阳远红外涤纶，其物理机械性能与普通涤纶相似，具有明显的升温效应，据报道，该织物水洗后在相同条件下比普通涤纶快干30min。

2.4 阻燃纤维

2.4.1 阻燃纤维的阻燃机理

阻燃的目的在于降低热分解过程中可燃气体的生成，抑制气相燃烧过程的反应。阻燃纤维多数通过用添加型阻燃剂和反应型阻燃剂对原材料进行处理制得。纳米SbO3阻燃剂在燃烧初期首先熔融，熔点为655℃，在材料表面形成保护膜隔绝空气，通过内部吸热反应，降低燃烧温度。在高温状态下SbO3 被汽化，稀释空气中的氧浓度，从而起到阻燃作用。

2.4.2 阻燃纤维应用

国外用共混法制得的阻燃改性纤维有阻燃粘胶纤维，如美国的Durvil、奥地利的Lenzing、日本的Tuflan；也有阻燃丙纶纤维，如瑞士的Sandoflam 5071[11]。

3 纳米材料在其他特种纤维中的应用

3.1 智能隐身纤维

将纳米金属粒子、纳米氧化物（如纳米级Fe2O3、Ni2O3等）、纳米复合材料以共混法加入成纤聚合物熔体或纺丝溶液中，经熔融纺丝或湿法纺丝制成隐身材料。制成的高性能毫米波形隐身材料、可见光-红外线型材料和结构式隐身材料，可避开雷达、红外线探测器的侦测。另外，可采用对电、热比较敏感的纳米金属粒子与纤维原料共混，制成具备防止热成像设备侦测的功能纤维。目前美国正在研究采用热敏、光敏或电化学染料做迷彩服，以使迷彩服的颜色和图案随环境变化而改变，具备动态防侦视功能。美国研制的 “超黑粉”纳米隐身材料，对雷达波的吸收率大于99%。法国研制出一种宽频微波吸收涂层，这种吸波涂层由粘合剂和纳米微粉填充材料组成。这种由多层薄膜叠合而成的结构具有很好的磁导率，在50MHz～50GHz 内具有很好的吸波性能。目前世界军事发达国家正在研究覆盖厘米波、毫米波、红外和可见光等波段的纳米复合材料。

3.2 变色纤维

变色纤维是一种具有特殊组成结构的纤维，当受到光、热、水分或辐射等外界激化条件作用后，具有可逆自动改变颜色的性能。纤维在一定波长的光的照射下会发生颜色变化，而在另一种波长的光的作用下又会发生可逆变化回到原来的颜色，这种纤维称为光敏变色纤维。具有光敏变色的物质通常是一种具有异构体的有机物，这些化学物质因光的作用产生异构，并生成两种化合物。这些化合物的分子式没有发生变化，但对应的键合方式或电子状态产生了变化，可逆地出现吸收光谱不同的两种状态，即可逆地显色、褪色或变色。美国Clemson 大学和Georgia 理工学院等研究机构近年来正在探索光纤中掺入纳米变色染料或改变光纤表面的涂层材料，使纤维的颜色能够实现自动控制。日本松井色素化学工业公司制成的光致变色纤维在无阳光下不变色，在阳光或UV 照射下显深绿色[11]。

4 纳米材料应用中存在的问题及解决方法

纳米材料在化学纤维应用过程中存在的问题，主要是它的分散性差、易凝聚。为解决这一问题，需对纳米粒子的表面进行处理以降低其表面能。表面处理的方法有很多，根据表面处理剂与颗粒之间有无化学反应，可分为表面化学改性和表面吸附包覆改性。化学改性是指在纳米微粒的表面进行化学吸附或反应；而包覆改性主要利用一些表面活性剂、聚合物以及聚合物单体等吸附在颗粒表面，增强纳米微粒与基材的亲和性[12-13]。

参考文献：

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篇9

【关键词】 纳米；检验医学；纳米技术；磁性纳米粒；纳米粒子

作者单位：256617 山东省滨州市结核病防治院（孙本海）； 滨州职业学院（金仲品）

纳米是一种长度计量单位，又称为毫微米（10-9 m）。纳米技术（Nanoscale technology，NT）是一门在0.1～100nm空间尺度内操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品、或对某物质进行研究、掌握其原子和分子的运动规律和特性的崭新高技术学科。NT领域不仅包括纳米材料学、纳米电子学、纳米制造学、纳米生物学和纳米显微学、纳米机械加工技术，而且是多学科交叉的横断学科［1］。NT产生的基础是现代化学、物理学和先进工程技术相结合的产物，是与高技术紧密结合的一门新型科学技术。生物医学工程是现代生命科学和医学、工程学相结合而发展起来的边缘学科，它与信息、材料、电子技术、计算机科学密切相关。Zhongguo［2］研究发现NT的发展正越来越成为世界各国科技界所关注的焦点，谁能在这一领域取得领先，谁就能占据 21 世纪科学的制高点。NT可以为生物医学工程中的诸多方面提供坚实的物质基础和强有力的技术保证。Song等［3］总结了快速发展的纳米微粒和生物分子轭合物的制备方法，已逐渐将生物连接制备的纳米粒子商品化，并对检验医学产生深远影响。

1 磁性纳米粒

Li等［4］认为磁性纳米粒（magnetic nanoparticle）已广泛用于生物分子固定化的载体和有机固相合成，其中磁性材料主要有铁、钴、镍等过渡金属及其氧化物和混合材料等。磁性纳米粒具有超顺磁性，在外磁场作用下，固液相的分离非常简单，不需离心、过滤等繁杂的操作，撤去磁场后没有剩磁残留，并在外磁场作用下可以定位。磁性纳米粒可通过共聚、表面改性赋予其表面多种反应基，可连接各种基团或DN段而用于不同的检测。

1.1 生物活性物质和异生质分析与检测 生物活性物质的检测方法虽然很多，但以抗体为基础的技术不多而且是最重要的。目前采用免疫分析加上磁性修饰已成功地用于检测各种生物活性物质和异生质（如药物、致癌物等）。在纳米磁球表面固定上特异性抗体或抗原，并以荧光染料、放射性同位素、酶或化学发光物质为基础所产生的检测，与传统微量滴定板技术相比，具有更简单、快速和灵敏的特点。Helden等［5］将抗体连接的纳米磁性微球与高效率、快速的化学发光免疫测定技术相结合的自动检测系统，已成功地用于血清中人免疫缺陷病毒1型和2型抗体的检测。还创建了用于人胰岛素检测的全自动夹心法免疫测定技术，其中亦用到抗体蛋白A纳米磁性微粒复合物和碱性磷酸酶标记二抗。

1.2 免疫磁性微球 检测生物活性物质或细胞的富集是在检验医学中一项重要内容，亲和配体技术在分选和回收方面提供了强有力的工具。Taubert等［7］采用白细胞分化抗原单抗标记的IMMS除去外周血中的白细胞，从而实现癌细胞的富集，随后用免疫细胞化学方法检测癌细胞。如果将寡核苷酸（dT）链交联到纳米磁性微粒上，即可用于真核细胞mRNA的分离纯化。Nagy等［8］已用胎儿红细胞抗原标记的免疫磁性微球很容易将母体外周血中的极少量胎儿细胞富集，该方法简便，并能通过进一步荧光PCR检测确定胎儿性别，进行非创伤性产前诊断。对癌症的早期诊断是医学界极为关注的难题。从理论推测，利用免疫磁性微球进行细胞分离技术可在早期癌症患者血液中检出癌细胞，实现对肿瘤的早期诊断。

2 纳米粒子

纳米粒子表面积大而直径很小，偶联容量高，悬浮稳定性较好，便于发生各种高效反应，常用于各种不同的生物分析系统。与传统的生物制剂相比较，纳米粒子作为一种试剂有很多优越性。

2.1 纳米粒子作定量标签用于生物分析 与传统的有机荧光染料或放射性元素的标记相比，纳米粒子作为生物分析不仅可以代替，而且克服了它们的缺点。纳米粒子的主要两个领域是：金属纳米粒子和量子点（quantum dot，QD）。

2.1.1 金属纳米粒子 金属纳米粒子可用于包括光学、电化学、显微学和质谱等多种检测途径。Rojas-Cha-pana等［9］将胶体金用于电子显微镜检测，如用扫描隧道显微镜通过检测DNA的表面密度而用于目标序列的检测，在此系统中先将胶体金标记的dT探针与被测DNA序列杂交，使目标序列带上胶体金标记链。Leary等［10］将纳米金属粒子标记到dT探针上，与样品中的目标DNA序列杂交，然后在金属纳米粒子上沉析出银，通过电势测定法检测目标序列。Huang等［11］则将电感耦合等离子体质谱测定法（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICPMS）和夹心免疫测定法相结合建立了一种新的免疫检测方法。在这个系统中，他们将胶体金标记的羊抗兔抗体作为ICPMS的分析物间接检测兔抗人IgG。这个系统还可通过在分析物上标记不同无机纳米粒，而达到同时检测不同物质的目的。

2.1.2 量子点 利用量子的限制作用，赋予纳米粒子独特的光学和电子的特性，也称为半导体纳米微晶体。这是一种最新的荧光材料，QD能够克服荧光分子重要的化学和光学局限性而具有多种特性，如根据QD的大小，可产生多种颜色，在同一激发波长下，不同长短直径的QD可发出不同颜色的激发光，利用这一特点，可同时检测多种指标的要求，这是传统染料分子根本无法实现的；QD的荧光时间较普通荧光分子延长数千倍，并便于长期追踪和保存结果。QD技术可用于检测活细胞里多种蛋白质活动［11］。Leary等［9］在QD上包被一层迪羟基硫辛酸（di hydroxy lipoic acid，DHLA）后，则易与亲和素连接，再针对不同的QD给予不同的蛋白质抗体，制备出具有蛋白质专一性的一批QD。

2.2 纳米粒子作信号的转导物 纳米粒子（Nanoparticles，NPs）在检验诊断中作为信号转导物，可免去标记生物样品的需要，就可显示出巨大的发展空间。由于免去样品制备的步骤，使检验技术变得更简便和价廉。在这个系统中，纳米粒子对生物复合物的干扰作用或纳米粒子之间相对位置的改变都可成为一种检测信号。Hirsch等［12］根据以上原理建立了一种其他金属纳米粒子信号转导的应用，包括金纳米粒子介导的荧光淬灭，凝集反应检测血液中的免疫球蛋白方法。2006年Li等［4］这个系统中开发了一种新型生物传感器，这种传感器的核为直径2.5nm的金微粒，外面包裹一层dT分子，该分子的一端为巯基，一端联有荧光分子，由于纳米金微粒是一种有效的能量受体，能够作为荧光的淬灭物，当这种传感器与样品中的目标分子杂交后，引起传感器构像的改变，导致淬灭的荧光分子复原。再则，由于此系统荧光背景极低，与传统的有机淬灭物相比，该类传感器具有独特的结构和光学特性。

3 小结

作为一门新兴学科的NT近年来被应用于医学领域刚刚开始，基本处于探索阶段，就已显示出将推动检验技术的进步与发展潜能。从含有纳米微粒的各种实验方法来看，纳米微粒在检验医学中的应用价值与现有技术相比，它的特异性、灵敏度和速度等性能都有了极大提高。随着NT的发展，在不久的将来一定会有更多的新纳米材料出现，并被应用于新的检验医学的检测方法中，检验医学将出现划时代的进展。

参考文献

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篇10

关键词：纳米材料,化工,应用

1前言

纳米材料（又称超细微粒、超细粉未）由表面（界面）结构组元构成，是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，粒径介于原子团簇与常规粉体之间，一般不超过100nm，而且界面组元中含有相当量的不饱和配位键、端键及悬键。其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。近年来，纳米材料在化工生产领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。

2纳米材料特性

2.1具有很强的表面活性

纳米超微颗粒很高的“比表面积”决定了其表面具有很高的活性。免费论文参考网。在空气中，纳米金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、贮气材料和低熔点材料。将纳米微粒用做催化剂，将使纳米材料大显身手。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药的有效催化剂；超细银粉可以成为乙烯氧化的催化剂；超细的镍粉、银粉的轻烧结效率，超细微颗粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器，作为吸咐氢气等气体的储藏材料，还可作为陶瓷的着色剂，用于工艺品的美术图案中。免费论文参考网。

2.2具有特殊的光学性质

所有的金属在超微颗粒状态时都呈现为黑色。尺寸越小，颜色越黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料，以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身材料等。

2.3具有特殊的热学性质

大尺寸的固态物质其熔点往往是固定的，超细微化的固态物质其熔点却显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为突出。例如，金的常规熔点为1064℃，当其颗粒的尺寸减小到10纳米时，熔点会降低27℃，而减小到2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，完全可采用塑料。采用超细银粉浆料，可使片基上的膜厚均匀，覆盖面积大，既省材料又提高质量。

2.4具有特殊的磁学性质

小尺寸磁性超微颗粒与大块磁性材料有显著不同，大块纯铁的磁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1000倍。若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已制成高储存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等;利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成了用途广泛的磁流体。

2.5具有特殊的力学性质

因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性和一定的延展性，这样就使纳米陶瓷材料具有了新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，就是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的，这也足以说明大自然是纳米材料的成功制造者。纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍。金属——陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。

2.6宏观量子隧道效应

由于电子既具有粒子性又具有波动性，因此它存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代电子器件。

3纳米材料在化工生中应用

由于纳米材料的特殊结构和特殊性能，使纳米材料在化工生产中得到了广泛的应用，主要应用在以下几方面。

3.1橡胶改性

炭黑纳米粒子加入到橡胶中后可显著提高橡胶的强度、耐磨性、抗老化性，这一技术早已在橡胶工业中运用。

纳米技术在制造彩色橡胶中也发挥了独特的作用，过去的橡胶制品一般为黑色（纳米级的炭黑较易得到）。若要制造彩色橡胶可选用白色纳米级的粒子（如白炭黑）作补强剂，使用纳米粒子级着色剂，此时橡胶制品的性能优异。

3.2塑料改性

3.2.1对塑料增韧作用

纳米粒子添加到塑料中，对增加塑料韧性有较大的作用。用纳米级SiC/Si3N4粒子经钛酸酯处理后填充LDPE，当添加量为5％时冲击强度最大，缺口冲击强度为55.7kj/m2，是纯LDPE的2倍多；断裂伸长率到625 ％时仍未断裂，为纯LDPE的5倍。用纳米级CaCO3，改性HDPE，当纳米级CaCO3含量为25％时，冲击强度达到最大值，最大冲击强度为纯HDPE的1.7倍，断裂伸长率在CaCO3含量为16％时最大，约为660％超过纯HDPE的值。

3.2.2塑料功能化

塑料在家用电器及日用品中的应用非常广泛，在塑料中添加具有抗菌性的纳米粒子，可使塑料具有抗菌性，且其抗菌性保持持久。现已应用此技术生产了抗菌冰箱，实际上就是在制造冰箱塑件时，使用的塑料原料中添加了某种纳米粒子，利用该纳米粒子的抗菌特性，使塑料具有抗菌杀菌的功能，国内某公司采用该项技术率先开发出无菌塑料餐具、无菌塑料扑克等产品，受到市场的欢迎。

3.2.3通用塑料的工程化

通用塑料具有产量大、应用广、价格低等特点，但其性能不如工程塑料，而工程塑料虽性能优越，但价格较高。在通用塑料中加入纳米粒子能使其达到工程塑料的性能，用纳米技术对通用聚丙烯进行改性，其性能达到了尼龙6的性能指标，而成本却降低1／3。

3.3化学纤维改性

近年来出现了各种新型的功能性化学纤维，其中不少是应用了纳米技术，如日本帝人公司将纳米ZnO和纳米SiO2混入化学纤维， 得到具有除臭及静化空气功能的化学纤维，这种化学纤维被广泛用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、睡衣等；日本仓螺公司将纳米ZnO加入到聚酯纤维中，制得了防紫外线纤维， 该纤维除了具有防紫外线功能外，还具有抗菌、消毒、除臭的功能。

3.4涂料改性

在各类涂料中添加纳米材料，如纳米TiO2，可以制造出杀菌、防污、除臭、自洁的抗菌防污涂料，广泛应用于医院和家庭内墙涂饰。可制造出防紫外线涂料，应用于需要紫外线屏蔽的场所，例如涂在阳伞的布料上，制成防紫外线阳伞。还可以制造出吸波隐身涂料，用于隐形飞机、隐形军舰等国防工业领域及其他需要电磁波屏蔽场所的涂敷。在涂料中添加纳米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光洁度及强度成倍提高，涂料的质量和档次大大升级，据称，纳米改性外墙涂料的耐洗刷性可由原来的1000多次提高到1万多次，老化时间延长2倍多。纳米ZnO 添加到汽车金属闪光面漆中，可制造出汽车专用变色漆。

3.5在催化方面的应用

催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒子作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍。

3.6在其它精细化工方面的应用

纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音，并显示它的独特畦力。如在橡胶中加入纳米SiO 2 ，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。免费论文参考网。国外已将纳米SiO 2 ，作为添加剂加入到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性都大为提高。在有机玻璃中加入Al 2 O 3 ，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。一定粒度的锐钛矿型TiO 2 具有优良的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提高。纳米SiO 2 能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高，无二次污染，适用性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。

4结束语