纳米涂层材料的发展

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一．纳米材料的特性

  }! t3 n" T- ~& J5 Y/ j0 ]7 G: K　　纳米材料可划分为三大类：一是一维的纳米粒子；二是二维的纳米固体（包括薄膜和涂层、管、线）；三是三维的纳米体材（包括介孔材料）。
4 u0 P2 \% v9 `1 b* K　　纳米材料具有极佳的力学性能，如高强、高硬和良好的塑性。金属材料的屈服强度和硬度随着晶粒尺寸的减小而提高。同时，不牺牲塑性和韧性。
6 C  w8 }7 O- `5 [& T: _7 i; O　　纳米材料的表面效应和量子尺寸效应对纳米材料的光学特性有很大的影响。如，它的红外吸收谱频带展宽，吸收谱中的精细结构消失，中红外有很强的光吸收能力。
　　纳米材料的颗粒尺寸越小，电子平均自由程缩短，偏离理想周期场愈加严重，使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级，金属会显示非金属特征。
　　纳米材料与常规材料在磁结构方面的很大差异，必然在磁学性能表现出来。当晶粒尺寸减小到临界尺寸时，常规的铁磁性材料会转变为顺磁性，甚至处于超顺磁状态。
- D0 {0 u6 ]1 m3 e' \1 l+ a　　纳米材料的比表面积／体积很大，因此它具有相当高的化学活性，在催化等，敏感和响应等性能方面显得尤为突出。
7 _& Q# L! d, ?二、纳米材料迅速投入应用的方向
　　如上所述，纳米材料拥有优异的特性，吸引着人们在众多的领域开发应用。虽然纳米材料的价格一再降低，但生产成本仍不低。这就阻碍纳米材料进一步扩大应用。然而利用纳米材料的优异特性，对传统材料进行改性，是一条经济、实用的可行方法，有利于纳米材料的应用迅速扩大。
/ W' e) x. L" k7 m8 P& B( E( [4 F3 R　　纳米材料有望在以下方面率先有较大规模的应用。纳米Co－WC的硬度提高一倍以上，且韧性和耐磨性均显著改善。纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中，显著地起到增强和增韧作用。可见，纳米材料对于解决陶瓷材料的脆性问题行之有效，从而为提高陶瓷材料的可靠性，扩大陶瓷材料的应用开辟了一条新的途径。根据纳米材料的光学特征，可以进行光学设计、制备各种光学功能材料，用于制造红外探测装置、非线性光学器件以及抗紫外照射的设备。纳米材料达到单畴临界尺寸，产生很高的矫顽力，可用于制成各种磁卡，用于信息存储系统；制成磁性液体，广泛地应用于阻尼器件，旋转密封等；作为新型制冷材料，提高制冷效率。
1 b3 \. c" @9 b) P三、纳米材料涂层的发展
　　将纳米材料与表面涂层技术相结合，有利于纳米材料的扩大应用，同时给涂层技术进一步提高创造了条件。
　　1．纳米材料涂层的组成与体系
- ^( r0 [1 v/ ~4 [3 w5 @# o& k  X　　根据纳米涂层的组成将其分为三类：完全为一种纳米材料体系、两种（或以上）纳米材料构成的复合体系，称0－0复合；添加纳米材料的复合体系，称为0－2复合。
8 I) w! e# o; @' M4 |　　完全的纳米材料涂层离商业化尚有相当一段距离，只有在军事上有所应用。但借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可使传统涂层的功能得到飞跃提高，技术上勿需增加太大的成本。这种纳米添加的复合体系涂层很快就可走向市场展示出强劲的应用势头。
! g) m. ]9 O" X* y5 v% _# W* Z　　利用现有的涂层技术，针对涂层的性能，添加纳米材料，都可以获得纳米复合体系涂层。纳米涂层的实施对象既可以是传统材料基体，也可以是粉末颗粒或是纤维，用于表面修饰、包覆、改性或增添新的特性。
2．纳米材料涂层产生与功用
　　凡是传统表面涂层技术，都可以用来或者稍加改造，实现纳米材料复合涂层。
7 x( @' o) I3 C- L; U7 Z% x6 L& p5 M　　在硬度高的，耐磨涂层中添加纳米相，可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性。
+ {. u  s  P9 a3 r0 w7 r4 L　　将纳米颗粒加入到表面涂层中，可以达到减小摩擦系数的效果，形成自润滑材料，甚至获得润滑功能。在一些涂层中复合C60，巴基管等，制备出超级润滑新材料。涂层中引入纳米材料，可显著地提高材料的耐高温、抗氧化性。如，在Ni的表面沉积纳米Ni－La203涂层，由于纳米颗粒的作用，阻止了镍离子的短路扩散，改善了氧化层的生长机制和力学性质。
　　纳米材料涂层可以提高基体的腐蚀防护能力，达到表面修饰、装饰目的。在油漆或涂料中加入纳米颗粒，可进一步提高其防护能力，能够耐大气，紫外线侵害，从而实现防降解，防变色等功效；另外，还可以在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具等中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果。
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6 h$ ]8 E& k7 y, s　　纳米材料涂层具有广泛变化的光学性能。它的光学透射谱可从紫外波段一直延伸到远红外波段。纳米多层组合涂层经过处理后在可见光范围内出现荧光，用于多种光学应用需要，如传感器等器件。在各种标牌表面施以纳米材料涂层，成为发光、反光标牌；改变纳米涂层的组成和特性，得到光致变色，温致变色，电致变色等效应，产生特殊的防伪，识别手段。80nm的氧化钇可作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高。在诸如玻璃等产品表面上涂纳米材料涂层，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热作用；在涂料中加入纳米材料，能够起到阻燃，隔热，起到防火作用。
' g+ X6 O  a% X- b" g9 a) w( f　　经过纳米复合的涂层，具有优异的电磁性能．利用纳米粒子涂料形成的涂层具有良好的吸波能力，能用于隐身涂层。纳米氧化钛、氧化铬、氧化铁和氧化锌等具有半导体性质的粒子，加入到树脂中形成涂层，有很好的静电屏蔽性能；80nm的钛酸钡可作为高介电绝缘涂层，40nm的四氧化三铁能用于磁性涂层；纳米结构的多层膜系统产生巨磁阻效应，可望作为应用于存储系统中的读出磁头。

四、纳米材料涂层的发展展望
9 N  T; x" G5 j　　纳米材料涂层及其技术随着纳米材料的发展而发展。鉴于表面涂层所具备的特性和潜在的功能，都靠纳米材料去加以开创、提高，在纳米材料的制备合成技术不断取得进展和基础理论的日趋完善基础上，纳米功能涂层会有更快的发展，应用面将遍及多个领域。