美國(guó)納米技術(shù)應(yīng)用與未來(lái)

2005年12月，美國(guó)納米技術(shù)應(yīng)用研討會(huì)在倫敦舉行。許多實(shí)體企業(yè),如波音、福特、通用、洛克希德、蒂姆肯等公司高管出席會(huì)議和發(fā)言。會(huì)議的特點(diǎn)是著重于納米產(chǎn)品,并強(qiáng)調(diào)公司間的合作研發(fā)。AdvancedMaterials&Processes雜志2005年12月對(duì)會(huì)議發(fā)言作了全面報(bào)道,筆者將其重點(diǎn)摘錄如下,期望對(duì)我國(guó)材料學(xué)者和工程技術(shù)人員有參考價(jià)值。美國(guó)通用汽車(chē)公司物理和環(huán)境科學(xué)部的JohnM.Ginder為納米技術(shù)下的定義是:在原子、分子和多個(gè)分子層面上,約1~100nm尺度范圍的加工制造過(guò)程,使材料、器械和系統(tǒng)由于其具有的微細(xì)結(jié)構(gòu)而形成十分新異的性質(zhì)和功能。美國(guó)航天局總部火箭系統(tǒng)探索局Minno.N.Dastoor博士為納米技術(shù)也下了定義:在原子、分子和超分子(supramolecular)層次的1~100nm尺度范圍的知識(shí)和創(chuàng)新,以及利用由于微細(xì)結(jié)構(gòu)而具有的絕對(duì)新的性質(zhì)和功能的材料、器械和系統(tǒng)。納米技術(shù)激發(fā)出過(guò)去從未有過(guò)的新貢獻(xiàn)。在納米尺度上出現(xiàn)了一系列在納米范疇以上不可估量的新概念、新性質(zhì)和新功能。納米技術(shù)可用來(lái)測(cè)量-控制和操縱納米尺度物質(zhì),以改變其性質(zhì)和功能,并逐步擴(kuò)大其應(yīng)用的寬帶和廣度。在舊原子世界的積木塊中包含109個(gè)元素,其組合規(guī)律取決于周期表中的族群,離子鍵,共價(jià)鍵和金屬鍵。在新的納米世界中,其積木塊包含一種有效的微粒族群,大分子、絲、管和薄膜的無(wú)限變化。納米世界的組合規(guī)律包括原子鍵合、范德華力、庫(kù)侖力、磁力、分子識(shí)別和位阻(sterichindrance)現(xiàn)象。當(dāng)前納米技術(shù)和材料已在航天、汽車(chē)、消費(fèi)日用品、高儲(chǔ)能快充電池、涂層、聚合物納米粘土涂料等領(lǐng)域獲得應(yīng)用,產(chǎn)生了意想不到的優(yōu)異效果,美國(guó)金屬學(xué)會(huì)曾進(jìn)行過(guò)大量系統(tǒng)的報(bào)道。1各領(lǐng)域構(gòu)成的戰(zhàn)略計(jì)劃美國(guó)在納米技術(shù)的研發(fā)投資約占全世界投資的25%,約為日本和歐盟國(guó)家投資的總和。在此領(lǐng)域發(fā)表的科學(xué)論文與投資相當(dāng),約占全世界論文總和的1/4~1/3。以美國(guó)國(guó)防部(DOD)海軍、航空航天方面的研發(fā)和應(yīng)用最為突出。美國(guó)的納米技術(shù)主創(chuàng)計(jì)劃(NationalNanotechnologyInitiative.簡(jiǎn)稱(chēng)NNI)提出一個(gè)由七個(gè)領(lǐng)域構(gòu)成的戰(zhàn)略計(jì)劃(ProgramComponentAreas,簡(jiǎn)稱(chēng)PCAs)。其內(nèi)容包括主創(chuàng)項(xiàng)目的設(shè)想和建立戰(zhàn)略和計(jì)劃構(gòu)架,涉及計(jì)劃的領(lǐng)域(PCAs)和實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的投資有密切關(guān)系。PCAs的領(lǐng)域?yàn)?●基本納米尺度現(xiàn)象和過(guò)程;●納米材料、納米尺度設(shè)施和系統(tǒng);●計(jì)器的研發(fā),納米技術(shù)計(jì)量和標(biāo)準(zhǔn);●納米制造技術(shù)、主要研究設(shè)備和獲得納米原料的設(shè)施;●社會(huì)公益事項(xiàng)。2006合計(jì)年度預(yù)算對(duì)基本納米尺度現(xiàn)象和過(guò)程(包括單一納米結(jié)構(gòu)的制造和性質(zhì))的聯(lián)邦投資為2.3億美元;納米材料(包括復(fù)合材料和壓制塊材料的制造和性質(zhì))投資為2.25億美元;設(shè)備和系統(tǒng)(實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)應(yīng)用的基本技術(shù))2.5億美元;計(jì)器和計(jì)量0.7億美元;納米制造(納米材料制造的有效成本)0.5億美元;基礎(chǔ)設(shè)施投資由能源部的5個(gè)納米中心作為設(shè)備用戶(hù)和NSF(NationalScienceFoundation,國(guó)家科學(xué)基金會(huì))投資的國(guó)家納米技術(shù)隸屬網(wǎng)站為1.5億美元;社會(huì)公益事業(yè)(倫理道德、法律、經(jīng)濟(jì)、教育、安全和環(huán)境)投資為0.8億美元(e-mail:james.murday@)。2納米技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用2.1納米聚合物涂層應(yīng)用于模擬器的主要部件航天器主軸采用新開(kāi)發(fā)的納米復(fù)合材料涂層,在4艘飛船的軸上施以這種涂料,運(yùn)行4年來(lái)未發(fā)現(xiàn)任何破損。2.2深冷壓實(shí)法納米結(jié)構(gòu)的鋁,經(jīng)過(guò)多次塑性變形形成超細(xì)化顯微結(jié)構(gòu)。由于位錯(cuò)密度的提高,形成大量晶界,用等通道斜壓(equalchannelangularpressing)法使晶粒尺寸達(dá)到<150nm。將粉末狀物質(zhì)在液氮碾壓機(jī)上進(jìn)一步碾碎,可使顆粒度達(dá)到~30nm程度,此方法被稱(chēng)為深冷碾壓。將氧化物和氮化物微粒分散在晶粒邊界上,可獲得彌散強(qiáng)化、高的熱穩(wěn)定性和阻礙晶粒長(zhǎng)大的效果。經(jīng)深碾壓的合金具有3倍以上的強(qiáng)度,但塑性很低,用納米晶和微米晶粒的組合可形成雙峰和多峰(bimodalormulti-modal)顯微組織能改善其塑性。2.3納米鍍層納米Co-P鍍專(zhuān)利技術(shù)是美國(guó)國(guó)防部資助開(kāi)發(fā)的技術(shù),納米Co-P鍍層可達(dá)到或超過(guò)鍍硬鉻的性能,與薄的致密鍍鉻層相仿。其表面形態(tài)呈團(tuán)塊狀,無(wú)坑、無(wú)孔隙、無(wú)微裂,最初用于起落架,現(xiàn)在又用于發(fā)動(dòng)機(jī)和液壓缸體。該技術(shù)的開(kāi)發(fā)商是lntegran公司,其Co-P納米鍍層的特點(diǎn)是:●納米晶Co-P0.05mm鍍層,經(jīng)1000h暴露試驗(yàn)證明優(yōu)于EHC和HVOF涂層;●nano-Co-P鍍層經(jīng)1000h暴露,按ASTMB537標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)率為8,而HVOFWC-Co和Triballoy400合金涂層為5,鍍硬鉻層小于2;●Integran納米金屬(Nanometal)鍍層的復(fù)合材料樣模可用來(lái)制造模具,顯著降低成本,節(jié)約制造周期,減少模具重量。2.4碳納米復(fù)合材料涂層LockheedMarttin公司和幾個(gè)大學(xué)以及小企業(yè)合作挖掘了納米/微粒技術(shù)在航天應(yīng)用的潛力和希望。納米材料為未來(lái)的航天器結(jié)構(gòu)和提高有效載荷提供了解決辦法。把納米技術(shù)用于碳納米復(fù)合材料涂層是其廣泛應(yīng)用的開(kāi)端。促使電子器械和設(shè)備的小型化可降低價(jià)格;提高效率,納米材料可使電子器械和設(shè)備價(jià)格降低一個(gè)數(shù)量級(jí),從而大大減少衛(wèi)星發(fā)射費(fèi)用。納米技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用有以下方面:●太空耐火聚合物,如可伸縮天線、太陽(yáng)帆、反光板、居室;●層化硅聚合物,如不滲透容器襯里、居室;●導(dǎo)電涂層、如EMI,ESD,光學(xué)器件;●太空繩索,用于太空升降機(jī);●薄膜有機(jī)太陽(yáng)能光電池;●新式納米復(fù)合材料,用于收集能量(共生/嗎啡結(jié)構(gòu));●綜合健康監(jiān)測(cè)的納米傳感器;工程納米復(fù)合材料在航天工業(yè)中的應(yīng)用列于表1。2.5小型產(chǎn)品系統(tǒng)即航天器和芯片●用于未來(lái)智能飛船的強(qiáng)力、小型、低能耗、具有射電硬度(radhard)的船載計(jì)算系統(tǒng)。●美觀、小型器械和傳感器,提供針對(duì)變化和未知背景分析、辨認(rèn)的最大敏感度,適應(yīng)嚴(yán)酷環(huán)境的超小型探頭,以使整體系統(tǒng)的最小化?！裎⑿秃教炱骱托l(wèi)星納米漫游器(nanorovers),帶有納米電子器械和納米傳感器的航天器,配備可施行原位試驗(yàn)和生命探測(cè)的“芯片實(shí)驗(yàn)室”(labonachip)。●納米結(jié)構(gòu)材料,用于航天火箭,大截面高強(qiáng)度航天器結(jié)構(gòu),光學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)及其他性能和功能材料,高效能源轉(zhuǎn)換材料,低溫冷卻器材料以及保證可靠性、安全性的預(yù)設(shè)傳感器和補(bǔ)償系統(tǒng)的材料(e-mail:suraj.p.rawal@)3太陽(yáng)能電池的高分子材料福特汽車(chē)公司的HarenGandhi博士由于發(fā)明汽車(chē)尾氣處理的納米催化劑于2003年獲得國(guó)家獎(jiǎng)?wù)?是美國(guó)汽車(chē)研究人員獲得的第一枚國(guó)家獎(jiǎng)?wù)?。汽?chē)工業(yè)已經(jīng)用碳和氮化硼納米管和復(fù)合金屬氫化物(Hydride)來(lái)制造儲(chǔ)氫罐,納米結(jié)構(gòu)磁鐵比普通磁鐵有二倍以上的磁飽和強(qiáng)度,太陽(yáng)能電池的含納米顆粒涂層,可獲得更多的電能,當(dāng)前正在利用化學(xué)濕選法(Wetchemicalroute)來(lái)建造廉價(jià)的太陽(yáng)能電池。控制金屬中的納米粒子尺寸和組分可開(kāi)發(fā)出性能優(yōu)異的新合金,例如用于各種納米尺度粒子來(lái)提高鋁合金的強(qiáng)度和塑性(e-mail:iginder@)。表2所列為幾家汽車(chē)制造企業(yè)的納米技術(shù)活動(dòng)。3.1納米復(fù)合涂層一種納米粒子均勻分散的涂層用在車(chē)窗玻璃被稱(chēng)作陽(yáng)光控制涂層(SolarCoating)。這些納米粒子分散體有銦錫氧化物,(IndiumTinOxide,簡(jiǎn)稱(chēng)ITO),銻錫氧化物(AntimongTinOxide,簡(jiǎn)稱(chēng)ATO),氧化鋅(ZnO),氧化鋁(Al2O3)和銀。如ITO可用作透明防靜電涂層、阻太陽(yáng)紅外輻射添加劑以及透明導(dǎo)電涂層,是車(chē)窗涂層的理想材料。納米粒子涂層技術(shù)的關(guān)鍵是粒子的在涂層中的均勻分散。AirProductsandChemicalsInc已將此技術(shù)投入市場(chǎng)(e-mail:depintjt@)。納米技術(shù)在抗摩涂層中也找到應(yīng)用,溶入非晶態(tài)碳?xì)浠衔?Mc/aC:H)基體的金屬碳化物納米晶復(fù)合涂層可提高汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)零件的耐磨、減摩性能。MC/aC:H納米復(fù)合涂層比鋼硬,彈性比鋼好。除動(dòng)力零件外,MC/aC:H涂層用于傳動(dòng)齒輪可提高比功率(powerdensity)。傳動(dòng)系統(tǒng)和軸承滾動(dòng)體用此涂層有助于降低寄生轉(zhuǎn)矩?fù)p耗,提高燃料利用率。何謂納米復(fù)合涂層ue792它們是:●至少包含兩相,至少一種相具有<10nm的特征顆粒度;●納米相通常是硬的,而基體是有彈性的;●納米相通常是晶體,而且是均勻分散的。如何利用好納米復(fù)合涂層ue792MC/aC:H涂層的沉積法有:●混合型物理——化學(xué)氣相沉積法;●金屬或金屬碳化物靶濺射沉積法;●CHx環(huán)境。納米復(fù)合涂層的優(yōu)越性:●使鋼件既硬又有彈性;●顯著降低潤(rùn)滑不良零件的摩擦系數(shù);●有很高的斷裂韌性;●使鋼件具有遠(yuǎn)超一般合金鋼的性能。納米復(fù)合涂層的未來(lái)方向:●用TimkenCompany技術(shù)能施行納米復(fù)合材料機(jī)械零件近凈成形;●將納米復(fù)合涂層推廣到齒輪和軸承等零件上;●在大型零件上覆蓋納米涂層以提高硬度,彈性和斷裂韌性;●把納米復(fù)合材料制成為一種“靈巧的”(smart)的潤(rùn)滑劑,其中含處于懸浮態(tài)的納米粒子。其粘度可以靠電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)控制(e-mail:gary.doll@)。3.2ppg涂層玻璃設(shè)備PPGmdustries公司是關(guān)于涂層、玻璃、化學(xué)品的120種生產(chǎn)設(shè)備和超過(guò)310000名雇員的國(guó)際領(lǐng)先制造商,2004年收入超過(guò)95億美元,其中超半數(shù)是涂層設(shè)備收入。PPG服務(wù)的市場(chǎng)包括汽車(chē)、外協(xié)加工(OEM)和精制涂層;建筑、工業(yè)包裝涂層,汽車(chē)備件、玻璃、平板玻璃、玻璃纖維、氯化堿(chlor-alkalai)及其衍生物、硅制品、精細(xì)化工制品,光學(xué)制品,航天器涂層,密封膠以及透明體。PPG具有40種以上的MSCD和CVD涂層玻璃設(shè)備的生產(chǎn)能力。所研發(fā)的汽車(chē)擋風(fēng)玻璃可減少其熱負(fù)荷。這是降低車(chē)內(nèi)溫度,減輕空調(diào)壓縮機(jī)負(fù)載的關(guān)鍵所在。真空濺射疊層薄膜對(duì)反射太陽(yáng)紅外輻射很有效果,另一成就是能在平板玻璃上先制膜,然后再成形和壓成層狀的擋風(fēng)玻璃,明顯縮短加工制造周期,降低制造成本。2002年,PPG在Daimler-chrysler轎車(chē)外殼上涂納米復(fù)合材料透明膜CeramiClear為此,研發(fā)出一種新型樹(shù)脂,能使表面大多數(shù)粒子成定向排列。保持適當(dāng)?shù)呐浔饶?shù),使交聯(lián)密度(crosslinkdensity)和延展性保持平衡。其結(jié)果是使透明涂層表現(xiàn)出出色的抗損壞能力(e-mail:drardon@)。3.3納米尺度qpf通用汽車(chē)公司利用納米尺度現(xiàn)象改善鋁的成形性。開(kāi)發(fā)了鋁的快速塑性成形(QuickPlasticForming,簡(jiǎn)稱(chēng)QPF)技術(shù),用來(lái)大批量生產(chǎn)汽車(chē)復(fù)雜形狀鋁罩,而用普通沖壓技術(shù)是不可能生產(chǎn)的。實(shí)現(xiàn)QPF的條件取決于兩種機(jī)制的貢獻(xiàn),一是納米尺度的晶界、滑移,另一是溶質(zhì)牽制的蠕變(solutedragcreep)。晶界滑移受控于相鄰晶粒納米尺度界面,滑移的可能性取決于晶粒內(nèi)相鄰原子的局部取向,局部化學(xué)成分(溶質(zhì)原子或納米分散體),以及通過(guò)擴(kuò)散和位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)適應(yīng)滑移的能力。溶質(zhì)牽制蠕變是鎂溶質(zhì)原子會(huì)隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散,從而避免連續(xù)滑移的爬行(jerkymotion)和釘扎(pinningevents)。其結(jié)果是位置失穩(wěn)(lesslocalization)和塑性的提高。納米尺度的QPF關(guān)鍵是控制晶界表面、提高晶界滑移的能力,在低鎂和其它元素溶質(zhì)條件下,表現(xiàn)出有溶質(zhì)牽制蠕變的材料。福特公司用QPF成功地制造出汽車(chē)外殼,并縮短了制造周期,降低了生產(chǎn)成本,改善了產(chǎn)品質(zhì)量(e-mail:mark.w.verbrugge@)。4納米技術(shù)在消耗和食品中的應(yīng)用4.1納米尺度器件的研制和生產(chǎn)P&G公司發(fā)展納米技術(shù)新產(chǎn)品戰(zhàn)略:●研究和創(chuàng)新結(jié)合,公司研發(fā)部主任Grimes博說(shuō):研究是把金錢(qián)變成知識(shí),創(chuàng)新是把知識(shí)化為金錢(qián)?！窆膭?lì)外企和本公司合作,實(shí)行“聯(lián)合開(kāi)發(fā)”(ConnectandDevelop)戰(zhàn)略?！?0%的研究屬于治療領(lǐng)域(therapeuticarea),40%的研發(fā)是屬于治療領(lǐng)域外的?！馪&G的目標(biāo)是10年內(nèi)使?fàn)I業(yè)額成倍增加,創(chuàng)造500億美元業(yè)績(jī),亦即每年50億美元?！窈{米ZnO粉的遮光屏,既透明又保護(hù)皮膚,含大粒子遮光屏散射光線的性能好,但不透明。●納米粒子對(duì)光線散射小,可用來(lái)制造看不見(jiàn)光線的廣譜遮光屏?！窭眉{米粒子的大表面積特性來(lái)制造一系列納米尺度元器件。●研發(fā)分子型傳感器。4.2納米納米科學(xué)技術(shù)公司在納米技術(shù)方面的成就4.3納米結(jié)構(gòu)凝膠納米氣凝膠是一種疏水性的新種多孔硅,其特性是極大的表面積和大的孔穴體積,使密度達(dá)到最小值,形成為隔熱性最好的固態(tài)物質(zhì)。制備氣凝膠時(shí)通常要造成一種超臨界干燥狀態(tài),因此在消費(fèi)品的生產(chǎn)和應(yīng)用商業(yè)化的成本是很高的。近來(lái),Cabot推出了一種納米膠,是利用納米結(jié)構(gòu)硅膠分子,工程建立的氣凝膠連續(xù)生產(chǎn)工藝造出的。納米結(jié)構(gòu)凝膠和被稱(chēng)作為silylation的化學(xué)反應(yīng)可防止納米結(jié)構(gòu)的破壞。此工藝適宜于大批量生產(chǎn)。故可降低成本。納米氣凝膠性能優(yōu)異,可滿(mǎn)足各種條件下的使用功能要求,呈半透明態(tài),具有優(yōu)異的隔熱性和消聲效果,是建筑和車(chē)輛主窗系統(tǒng)(fenestrationsystem)的優(yōu)質(zhì)材料。4.4nanostenpth聚合物復(fù)合材料ArkemaInc.是納尺聚丙烯塊狀共聚物化學(xué)品市場(chǎng)的頭號(hào)生產(chǎn)商。被稱(chēng)為DesignatedNanostrength的納米聚合物毛料可與多種聚合物混合,使用最多的是工業(yè)環(huán)氧樹(shù)脂。在Nanostrength問(wèn)世之前,已有復(fù)合材料都未能從納米技術(shù)中得益。Nanostrength共聚物毛料由數(shù)種不同的化學(xué)性質(zhì)各異的鏈段(segments)構(gòu)成。由于它們的天性,可以在分子尺度上自由裝配。在熱力學(xué)動(dòng)力推動(dòng)下,它們可在高度重復(fù)和高度準(zhǔn)確地使一些聚合物和共聚毛料中的一種相結(jié)合。其結(jié)果會(huì)提高其力學(xué)性能,不破壞支承母材的均勻性,并使其更易于加工。4.53多層光學(xué)膜法3MCorporation的納米材料用在多種消費(fèi)產(chǎn)品上獲得明顯效益:●可選擇波長(zhǎng),由數(shù)百層厚為100nm的多層光學(xué)膜?！癫挥媒饘?、用多層膜構(gòu)成的鏡子可反射98.5%~99.5%的光線,具有足夠的柔軟性,可制成大型圓柱體光管,使光傳輸多次反射,在長(zhǎng)距離上改變方向(redirection),無(wú)須熱即可發(fā)光。●無(wú)顏料成色,靠層狀膜的“調(diào)諧”(tuned)反射出特殊顏色。5鋰離子電池的安全性好幾年前人們就認(rèn)識(shí)到鋰離子電池相對(duì)于鉛酸電池的優(yōu)越性,而納米結(jié)構(gòu)電極鋰離子電池又將其性能提高到新的高度:●納米電極鋰離子電池一次充電有可能使電動(dòng)汽車(chē)行駛200英里(300公里),實(shí)質(zhì)性地消除了對(duì)油的大量依賴(lài)?！窦{米電極鋰離子電池可實(shí)現(xiàn)快速充電(1.5~3.0min)。此意味著充電時(shí)間不超過(guò)加油時(shí)間,只需在加油站設(shè)一組充電器就行了?！窦{米電極鋰離子壽命,達(dá)到12年以上,鉛酸電池壽命只有1.5~4年,而普通鋰離子(非納米電極)電池壽命也僅2~3年。●納米電極鋰離子電池的重量很小,Altairnanos手提供電設(shè)施的電池組僅重0.5~1.0kg,而傳統(tǒng)的手提電力設(shè)施很重,主要是由于電池組的尺寸過(guò)大?！窦{米結(jié)構(gòu)電極鋰離子電池可避免250℃以下的熱失控,而傳統(tǒng)的鋰電池在130℃以上就有失控爆炸危險(xiǎn),納米鋰電池安全性高?！癫婚g斷供電系統(tǒng)(uninterruptiblepowersuppliessystems)使用鉛酸電池作為備用電源以保證連續(xù)工作時(shí),還需備有機(jī)械飛輪,因?yàn)殂U酸電池易損,需要經(jīng)常維護(hù),一般用1.5~4年就要更換。機(jī)械飛輪僅可提供15~20s的備用能量,而發(fā)電機(jī)重新啟動(dòng)以得到備用電力需要8s。●混合燃料電動(dòng)車(chē)(HybridElectricVehicles,簡(jiǎn)稱(chēng)HEV)用傳統(tǒng)電池重量太大,其容電量小影響車(chē)的加速性能,而且5~6年必須更換,花費(fèi)達(dá)數(shù)千美元,傳統(tǒng)電池還有鉛酸、鎘或鎳等有害物的污染?！窦{米結(jié)構(gòu)電極鋰離子電池的優(yōu)異性能取決于電極活性材料粒子的微小和其表面積的巨大,避免了大粒子電極表面到心部的長(zhǎng)程和鋰離子行程上的阻塞。由于大粒子電極的粒子表面積總和和體積比太低,造成在高放電速率時(shí)大粒子表面的“交通擁堵”,嚴(yán)重降低充電放電速率。納米結(jié)構(gòu)電極材料的粒子表面積比普通材料的表面積大100倍,即從~1m2/g增加到~100m2/g?！皲囯x子電池的主要優(yōu)點(diǎn)是具有比鉛酸電池高得多的能量密度。電池在恒電流條件下,于室溫充電、放電速率規(guī)定用總電容量C除以小時(shí)的時(shí)間來(lái)表示。例如,1C表示電池在1h內(nèi)完全充、放電,0.2C表示電池在5h內(nèi)完全充、放電。鉛酸電池的充、放電時(shí)間在0.1~1C(10~1h)范圍,普通鋰離子電池在~1C(1h),而納米電極鋰離子電池在1~100C(1h~36s)范圍?！癞?dāng)前納米結(jié)構(gòu)電極材料有鈦酸鋰尖金石作為正極材料,氧化錳尖金石作為負(fù)極材料。尖晶石礦物質(zhì)是一種符合MgAl2O4晶體結(jié)構(gòu),具有XY2O4通用分子式的物質(zhì)。用于鋰離子電池的電極可提供高能密度電能和獲得長(zhǎng)壽命?！窦{米結(jié)構(gòu)電極鋰離子電池和普通鋰離子電池的比較列于表3?！馎ltairnano納米電極和納米涂層。AltairNanotechnologies公司生產(chǎn)的鈦酸鋰納米電極材料可使鋰離子電池的充電周期壽命由最初的1000次提高到2萬(wàn)次以上,還可期望減少重新充電時(shí)間。此類(lèi)電池用于電動(dòng)車(chē)輛可提高運(yùn)行效率和降低成本。該公司開(kāi)發(fā)出的TiO2納米粒子涂層強(qiáng)度高、延展性好、抗腐蝕能力強(qiáng)。納米TiO26納米草坪結(jié)構(gòu)和電池7聚合物復(fù)合材料印度孟買(mǎi)大學(xué)(UniversityofMumbai)的NileshV.Patil介紹了多種用納米粘土增強(qiáng)的聚合物復(fù)合材料。納米增強(qiáng)材料的最基本特性是材料尺寸和形狀,有零維、一維、二維和三維之分。納米粒子是零維,納米纖維和胡須是一維,基層表面的單層膜是二維,納米纖維相互穿插的網(wǎng)狀物是三維(e-mail:nil.pat@)7.1粘土片與聚合物納米復(fù)合材料的相互作用最常用的增強(qiáng)材料是剛性的,接近聚合物長(zhǎng)鏈的無(wú)機(jī)填充物,是含有各種硅酸鹽(云母、滑石、硅石和玻璃纖維),碳酸鈣和碳黑等粘土物質(zhì),這些礦物質(zhì)能顯著提高聚合物的力學(xué)、熱學(xué)性能,改善其防火性、煙排放、化學(xué)穩(wěn)定性、表面狀態(tài)(外觀)導(dǎo)電性和隔熱性。增強(qiáng)粘土最好能完整剝離成約1nm厚20~500nm直徑的單個(gè)薄片。此粘土片形狀通常用縱橫比(aspectratio),即直徑和厚度的比值來(lái)表徵。以上尺寸的粘土片的表面積很大,約可達(dá)700m2/g,粘土片在聚合物粘土納米復(fù)合材料中的層間距離如加入量為1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)為250nm,加入量為20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時(shí)為10nm。硅酸鹽可以減薄到1nm的厚度,其橫向尺寸在數(shù)微米范圍,故縱橫比特別大,大于1000.薄層間的間隙有堆積層(stacks)被稱(chēng)為夾層(interlayer)或巷道(gallery)。層內(nèi)同質(zhì)替代物(如用Mg2+代替Al3+)形成的負(fù)電荷被夾層中的堿或堿土金屬陽(yáng)離子中和。層中的無(wú)機(jī)陽(yáng)離子被其他陽(yáng)離子替代,用陽(yáng)離子表面活性劑進(jìn)行交換,如松散的烷基銨(bulkyalkylammonium)離子會(huì)增大層間距。降低填充物的表面性能。這些變質(zhì)填充物被稱(chēng)做有機(jī)粘土(organoclay),后者和聚合物更具相容性,形成聚合物和層狀硅酸鹽的納米復(fù)合材料。蒙脫石(montmorillonite),水輝石(hectorite)和滑石粉(saponite)是最普通的層狀硅酸鹽。7.2相分割復(fù)合材料層狀硅酸鹽分散在聚合物基體時(shí)可構(gòu)成三種主要類(lèi)型的納米復(fù)合材料,此取決于材料本質(zhì),如聚合物基體、層狀硅酸鹽和有機(jī)陽(yáng)離子。如果硅酸鹽薄片不能嵌入聚合物基體,其結(jié)果就形成微米復(fù)合材料,相分割(phase-separated)復(fù)合材料也同樣具有微米復(fù)合材料性質(zhì)。除聚合物和填充物復(fù)合材料,另二類(lèi)嵌入結(jié)構(gòu)的納米復(fù)合材料在單向延伸聚合物鏈于硅酸鹽層間嵌入形成。其結(jié)果形成聚合物和無(wú)機(jī)物層的有序多層結(jié)構(gòu)。當(dāng)硅酸鹽完全和均勻分散到連續(xù)聚合物基體,就形成剝離狀(exfoliated)或分層狀(delaminated)結(jié)構(gòu)。分層形態(tài)具有獨(dú)特意義,因?yàn)樗茏畲蟪潭鹊厥拐惩燎度刖酆衔?使每個(gè)層面都有利于嵌入聚合物中,導(dǎo)致力學(xué)和物理性能獲得最大程度改善。7.3納米粘土/塑性烯烴用于汽車(chē)裝飾和包裝的納米粘土材料具有透明、透氣率低和強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn),納米粘土粒子還可用于防腐劑、磨料和油漆中,還可用于耐劃傷、不破碎的展覽品(spectacles)以及車(chē)窗的鍍鉻和自潔涂層。1)汽車(chē)通用汽車(chē)公司近來(lái)聲明首次用烯烴納米復(fù)合材料(olefinicnanocomposite)制造汽車(chē)零件。推出了納米粘土/熱塑性烯烴(thermoplasticolefin,簡(jiǎn)稱(chēng)TPO)2002的貨車(chē),以顯著提高其剛性。在納米TPOs中加入少量填充物可獲得平整表面,顯著提高其抗劃傷能力。2)氣障氣障(阻礙氣體透過(guò))性納米薄膜能阻礙氣體分子向納米粘土聚合物體內(nèi)的擴(kuò)散、延長(zhǎng)其通過(guò)聚合物基體的行程,從而降低氣體和液體的穿透性,聚胺有機(jī)粘土(polyamide-organoclay)復(fù)合材料的氧透過(guò)率通常比未變質(zhì)聚合物小1/2加入粘土的量和嵌入片晶的縱橫比(aspectratio)都有助于提高其氣障性,縱橫比愈大,材料的氣障性愈好。3)燃料罐加入納米粘土可降低溶劑透過(guò)聚合物材料的能力。這些性能對(duì)車(chē)輛燃料罐和管線材料都極有利,減少燃料的穿透還有節(jié)約燃料效果。4)膜加入納米粘土能顯著提高聚胺基復(fù)合材料膜的透明度,降低其渾濁度。8特殊的納米涂層8.1抗堿涂層，納米涂層8.2印刷電路顯示碳納米管可代替銦錫氧化物(IndiumTinOxide,簡(jiǎn)稱(chēng)ITO)顯示和印制膜上的印刷電路。碳納米管電路柔軟性好、無(wú)需堅(jiān)固底層、使電路板更輕更薄,比ITO電路板制造成本低48%。8.3阻燃涂層膠凝日本HitachiTechnology(日立技術(shù))公司開(kāi)發(fā)出一種據(jù)說(shuō)是既有導(dǎo)熱性、又是優(yōu)良電絕緣體的環(huán)氧樹(shù)脂。該樹(shù)脂既有納米級(jí)又有宏觀級(jí)可控高序結(jié)構(gòu)(controlledhigher-orderstructures),也就是部分尖晶結(jié)構(gòu),使其既絕緣又導(dǎo)熱。8.4用于船舶石油的提取、防腐和納米涂層8.5可擴(kuò)展性導(dǎo)電材料NanosonicInc在導(dǎo)彈防御局(MissileDefenceAgency)支持下,研發(fā)出一種能像橡膠一樣伸長(zhǎng)的高導(dǎo)電材料,用在電子設(shè)備電路板上,能顯著延長(zhǎng)其壽命。新材料被稱(chēng)作金屬橡膠(MetalRubber),是含有百萬(wàn)分