国外纳米技术的研究进展及其应用展望
国外纳米技术的研究进展及其应用展望
黄一清;沈海伟;陈旸
【摘 要】综述了美国空间实验室在纳米技术方面的研究进展,重点讨论了聚合物基纳米复合材料、原住沉积导电纤维、碳纳米管材料以及纳米结构涂料的制造方法和应用,并对纳米技术的应用作了初步展望.
【期刊名称】《造船技术》
【年(卷),期】南京大屠杀的时间2016(000)002
【总页数】6页(P7-12)
【关键词】纳米技术;复合材料;碳纳米管;制备技术;纳米结构涂料;研究进展
【作 者】黄一清;沈海伟;陈旸
【作者单位】沪东中华造船(集团)有限公司军代表室,上海 200129;沪东中华造船(集团)有限公司军代表室,上海 200129;沪东中华造船(集团)有限公司军代表室,上海 200129
【正文语种】中 文
【中图分类】U668
美国空军研究实验室(AFRL)在新的纳米技术研发方面投入了大量经费，以满足航空航天军事发展的需求。本文讨论了他们最近的纳米技术研究进展，并对纳米技术的应用作了初步展望。
纳米结构是指尺度在1～100 nm的材料或材料体系的单元，包括颗粒尺寸、粒子直径、纤维直径或层间厚度[1]。纳米结构的材料和设施可以提高材料许多方面新的性能，如力学性能、化学性能、耐热性以及光学和电磁性能。纳米结构制造的特点是分析小尺寸结构的能力，这将有助于提高我们对纳米结构与材料性能之间关系的认识水平。这些优点有助于人们更好地设计纳米材料的结构，以期获得高性能的纳米材料。
1.1　聚合物制备技术
聚合物基纳米结构体系主要有两种制备方法：一是控制纳米颗粒前驱体的分散性，二是通过原位化学反应形成纳米结构[2]。在功能材料的研究过程中，发现在其制备过程中对纳米
结构进行特殊控制是至关重要的，如电子和光学器件。研究者们已对静电自组装法[3]、介电电泳技术[4]在制备聚合物结构方面展开了相应的工作。目前，有关通过可控沉积法将银分散于聚合物模板中来制备导电纤维的制备方法也已在研究过程中。
研究者们对采用电活性聚合物材料制备光伏器件薄膜产生了极大兴趣，这在很大程度上是由于采用该类聚合物制备的柔性太阳能电池和光探测器具有轻质、低成本等优点。静电自组装技术已成功应用于制备这类器件。在这一过程中，水溶液中相反电荷的物质层被依次沉积到基材上，层与层之间通过静电吸引叠加在一起，这一现象如图1所示。该技术的优点在于可以在纳米尺度上控制薄膜厚度、结构以及组成。这反过来使得制备的光伏器件将具有较高的转换效率。这样的器件是以氧化铟锡(ITO)作基底，随后在其上方依次沉积聚苯乙炔/磺化聚苯乙烯(PPV/SPS)给电子层，聚丙烯胺盐酸盐/C60(PAH/C60)受电子层，最后在其上方以铝作为电极层制备而成。图2为制备器件测试的I-V特性曲线图。简单小制作
介电电泳技术(非均匀电场)可用于评估通过控制尺寸和组分制备的二维和三维结构。这一方法可以很容易应用于功能性器件的自动化制造，所制备的器件被广泛应用于光子、高密度数据记录和更复杂的元素构建系统。原型件开关如图3所示。制约介电电泳技术发展的主要问题是制造电极所需的高效纳米结构以及减轻电力作用。
1.2　原位沉积导电纤维
纳米结构导电纤维具有广泛的潜在应用前景，由于其质量轻，有望被作为信号纤维植入到感应器、电磁屏蔽系统以及芯片结构中。这些纤维将银纳米颗粒原位沉积到聚合物模板中，从而制备出平行于纤维轴的互穿网络结构。空间结构可以通过精确地控制纤维膨胀尺寸，以及银前驱体和还原剂的渗透性来实现。制备出的银复合聚苯并二噻唑(PBZT)纤维的导电率达到了104 s/cm。Ag/PBZT复合纤维使得聚合物具有更高的强度，测试结果显示复合物强度增加了近200倍，重量与目前使用的航空天线线芯相比减轻了50%，如图4所示。
表1为PBZT纤维、Ag/PBZT复合纤维和Ag纤维三种纤维的性能比较。
1.3　纳米填充聚合物及其复合材料
传统聚合物基复合材料采用增强材料的尺寸一般不小于1 μm，而聚合物纳米复合材料则是采用有机/无机杂化的增强方式使增强材料的尺寸控制在纳米范围内。因此，聚合物纳米复合材料所表现出的特性也与传统的复合材料有着本质区别。传统复合材料的主要缺点是某些聚合物良好的基本特性(如：可加工性和机械性能)在一定程度上会随着增强材料的添加
而减弱。就聚合物复合材料而言，无论在什么情况下基体树脂都会在最大程度上保持其固有特性，并使纳米尺寸的增强材料相对分散均一。此外，基体树脂的特性还可通过严格控制纳米颗粒的分散和排列得到改善，同时保持聚合物的可加工性及低成本的特性。神话电视剧演员
AFRL一直在研究层状聚合物硅酸盐纳米复合材料的发展、加工以及应用。这些刚性的颗粒增韧基体树脂明显地改进了先进纤维增强聚合物基复合材料的抗冲击性，有效控制了热膨胀系数及微裂纹的扩展，此外还增强了模量及渗透性。他们观察到当在体系中增量增加层状硅酸盐时，纳米复合材料与传统的复合材料相比载荷超出20%，表现出显著优势。同时，这些纳米复合材料还表现出优异的热稳定性、更好的耐烧蚀性能以及提高空间环境的阻隔性能。
AFRL正在着手研究具有自保护、自复原和耐烧蚀性能的聚合物纳米复合材料。当纳米聚合物复合材料处于某种烧蚀环境中，纳米层状硅酸盐在聚合物表面形成了一层陶瓷保护层，使聚合物基体免受损伤。这种耐烧蚀纳米聚合物复合材料在纳米填料添加量小于2%时能够承受超过2 000℃的高温[5]。这种材料还具有优异的阻隔性能，能承受苛刻的空间环境，包括原子态氧、紫外线和电子或质子辐射等。
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针对纳米填充聚合物及其复合材料目前正在开展相关的研究。这些材料将应用于诸多领域，如轻质储罐和管道、空间耐久型保护膜、电磁干扰屏蔽罩、智能织物、光学晶体、植入式天线、多功能材料和传感器保护装置等。
2.1　高度有序排列的碳纳米管阵列
碳纳米管已经成为纳米材料技术的代表性产品之一，主要是因为它具有优异的发光性能和其他显著的特性[4]。AFRL一直在积极探索碳纳米管广泛的潜在效益，包括其独特的电学，热学和机械性能。目前碳纳米管已被用来开发具有特殊性能的新材料和作为复合材料的增强材料。
POSS材料可以用于材料基体与其他材料的连接或材料基体本身，从而赋予体系非常独特的性能[6]。其中非常典型的一种结构就是固定在铝基底材料上的碳纳米管阵列，如图5所示。这项工作是为了研究碳纳米管阵列独特的物理性质，考察其带隙用于红外检测的潜在可能性。检测结果表明，碳纳米管阵列的光学带隙与其直径相关，如图6所示。这些研究结果证明，碳纳米管阵列适用于红外成像探测器，因为它们具有高分辨率且波长可调。由于该碳纳米管阵列重量轻且仅需要小型电源，因此具有现场发射显示的潜在用途。此外，由
于碳纳米管阵列高密度和低功率电容的特性，研究人员发现它们还可以用来制造数据储存设备。总之，碳纳米管阵可以用来制作超密集的纳米电子网络。
AFRL的另一项研究瞄准了常温超导的金属填充碳纳米管。这些金属填充碳纳米管利用本身的特性，如高电流、低重量和高强度，并且此时又多了更好的磁性能。金属填充碳纳米管常温下的电流随着电压的变化，其特性与低温金属超导体的特征相类似。图7表明电流随着电压的增加出现阶梯式的增加，因此，金属填充碳纳米管作为常温超导材料的研究还有待进一步深入。
2.2　碳纳米管增强材料
AFRL有一个正在进行的项目是通过使用碳纳米管作为增强材料(见图8)来改善聚合物基复合材料(PMCs)的结构、热性能和电性能。为实现这一目标，需要攻克的几项关键技术，包括纳米管的定位、表面改性方法、材料性能表征和复合材料制备工艺，从而实现提高材料的强度、模量、断裂韧性、导热性和导电性，以及多功能性等。
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该技术可用作体积小、效率高的耐热结构材料，包括反射镜、微卫星、太空帆增强材料和空间系绳等。
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3.1　纳米结构涂料
用新型材料制备的纳米结构涂层具有一般传统涂层所没有的独特性质。比如，纳米结构涂层可以将如硬度、韧性和低摩擦力等通常是相互排斥的特性结合在一起。具备特殊属性的纳米结构涂层示例如图9所示。质地坚硬而表面光滑的涂层是由固体润滑剂纳米粒子和晶硬纳米粒子嵌入在无规金属基质中，从而转化成一种摩擦力较高且较为坚硬的材料。这个成果运用在柔韧而质硬(耐磨)的涂层中可以提高其抗脆性。这些纳米结构涂层的另一个优点是在极端环境和其它因素产生变化时，自身特性可保持不变。
随着纳米技术的发展，纳米结构涂层可能对太空和卫星系统产生显著影响。例如，它们可以使力矩陀螺仪的使用时间增加三倍，减少机械零部件的能量消耗和扭矩噪音，使高速飞轮成为现实，而且还可以将表面化学残留物分解为油和添加剂。在对销、锁存器和齿轮上使用纳米结构涂层还可避免由存储和加载启动而引发的事故，且还可以根据使用数量的大小排序增加润滑剂的使用寿命。
3.2　纳米涂料在MEMS的应用
微机电系统(简称MEMS)在开发和应用领域持续取得成功，但是自身却仍存在着一些问题(MEMS设备见图10)。

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