國外納米技術的研究進展及其應用展望

黃一清， 沈海偉， 陳　旸

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍代表室， 上海 200129)

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國外納米技術的研究進展及其應用展望

黃一清， 沈海偉， 陳旸

(滬東中華造船(集團)有限公司 軍代表室， 上海 200129)

摘要綜述了美國空間實驗室在納米技術方面的研究進展，重點討論了聚合物基納米復合材料、原位沉積導電纖維、碳納米管材料以及納米結構涂料的制造方法和應用，并對納米技術的應用作了初步展望。

關鍵詞納米技術復合材料碳納米管制備技術納米結構涂料研究進展

0引言

美國空軍研究實驗室(AFRL)在新的納米技術研發方面投入了大量經費，以滿足航空航天軍事發展的需求。本文討論了他們最近的納米技術研究進展，并對納米技術的應用作了初步展望。

納米結構是指尺度在1～100 nm的材料或材料體系的單元，包括顆粒尺寸、粒子直徑、纖維直徑或層間厚度[1]。納米結構的材料和設施可以提高材料許多方面新的性能，如力學性能、化學性能、耐熱性以及光學和電磁性能。納米結構制造的特點是分析小尺寸結構的能力，這將有助于提高我們對納米結構與材料性能之間關系的認識水平。這些優點有助于人們更好地設計納米材料的結構，以期獲得高性能的納米材料。

1聚合物基納米材料及制備技術

1.1聚合物制備技術

聚合物基納米結構體系主要有兩種制備方法：一是控制納米顆粒前驅體的分散性，二是通過原位化學反應形成納米結構[2]。在功能材料的研究過程中，發現在其制備過程中對納米結構進行特殊控制是至關重要的，如電子和光學器件。研究者們已對靜電自組裝法[3]、介電電泳技術[4]在制備聚合物結構方面展開了相應的工作。目前，有關通過可控沉積法將銀分散于聚合物模板中來制備導電纖維的制備方法也已在研究過程中。

研究者們對采用電活性聚合物材料制備光伏器件薄膜產生了極大興趣，這在很大程度上是由于采用該類聚合物制備的柔性太陽能電池和光探測器具有輕質、低成本等優點。靜電自組裝技術已成功應用于制備這類器件。在這一過程中，水溶液中相反電荷的物質層被依次沉積到基材上，層與層之間通過靜電吸引疊加在一起，這一現象如圖1所示。該技術的優點在于可以在納米尺度上控制薄膜厚度、結構以及組成。這反過來使得制備的光伏器件將具有較高的轉換效率。這樣的器件是以氧化銦錫(ITO)作基底，隨后在其上方依次沉積聚苯乙炔/磺化聚苯乙烯(PPV/SPS)給電子層，聚丙烯胺鹽酸鹽/C60(PAH/C60)受電子層，最后在其上方以鋁作為電極層制備而成。圖2為制備器件測試的I-V特性曲線圖。

圖1　自組裝聚合物層間結構

圖2　自組裝法制備的太陽能電池電流電壓特性曲線

介電電泳技術(非均勻電場)可用于評估通過控制尺寸和組分制備的二維和三維結構。這一方法可以很容易應用于功能性器件的自動化制造，所制備的器件被廣泛應用于光子、高密度數據記錄和更復雜的元素構建系統。原型件開關如圖3所示。制約介電電泳技術發展的主要問題是制造電極所需的高效納米結構以及減輕電力作用。

圖3　原型光學開關的3D結構

1.2原位沉積導電纖維

納米結構導電纖維具有廣泛的潛在應用前景，由于其質量輕，有望被作為信號纖維植入到感應器、電磁屏蔽系統以及芯片結構中。這些纖維將銀納米顆粒原位沉積到聚合物模板中，從而制備出平行于纖維軸的互穿網絡結構。空間結構可以通過精確地控制纖維膨脹尺寸，以及銀前驅體和還原劑的滲透性來實現。制備出的銀復合聚苯并二噻唑(PBZT)纖維的導電率達到了104s/cm。Ag/PBZT復合纖維使得聚合物具有更高的強度，測試結果顯示復合物強度增加了近200倍，重量與目前使用的航空天線線芯相比減輕了50%，如圖4所示。

表1為PBZT纖維、Ag/PBZT復合纖維和Ag纖維三種纖維的性能比較。

圖4　Ag/PBZT導電纖維的結構

材料拉伸模量/GPa拉伸強度/MPa應變量/%導電率/(s/cm)PBZT纖維95.29001.9810-12～10-14Ag/PBZT復合纖維51.810503.292.5×104Ag纖維7655606.5×105

1.3納米填充聚合物及其復合材料

傳統聚合物基復合材料采用增強材料的尺寸一般不小于1 μm，而聚合物納米復合材料則是采用有機/無機雜化的增強方式使增強材料的尺寸控制在納米范圍內。因此，聚合物納米復合材料所表現出的特性也與傳統的復合材料有著本質區別。傳統復合材料的主要缺點是某些聚合物良好的基本特性(如：可加工性和機械性能)在一定程度上會隨著增強材料的添加而減弱。就聚合物復合材料而言，無論在什么情況下基體樹脂都會在最大程度上保持其固有特性，并使納米尺寸的增強材料相對分散均一。此外，基體樹脂的特性還可通過嚴格控制納米顆粒的分散和排列得到改善，同時保持聚合物的可加工性及低成本的特性。

AFRL一直在研究層狀聚合物硅酸鹽納米復合材料的發展、加工以及應用。這些剛性的顆粒增韌基體樹脂明顯地改進了先進纖維增強聚合物基復合材料的抗沖擊性，有效控制了熱膨脹系數及微裂紋的擴展，此外還增強了模量及滲透性。他們觀察到當在體系中增量增加層狀硅酸鹽時，納米復合材料與傳統的復合材料相比載荷超出20%，表現出顯著優勢。同時，這些納米復合材料還表現出優異的熱穩定性、更好的耐燒蝕性能以及提高空間環境的阻隔性能。

AFRL正在著手研究具有自保護、自復原和耐燒蝕性能的聚合物納米復合材料。當納米聚合物復合材料處于某種燒蝕環境中，納米層狀硅酸鹽在聚合物表面形成了一層陶瓷保護層，使聚合物基體免受損傷。這種耐燒蝕納米聚合物復合材料在納米填料添加量小于2%時能夠承受超過2 000℃的高溫[5]。這種材料還具有優異的阻隔性能，能承受苛刻的空間環境，包括原子態氧、紫外線和電子或質子輻射等。

針對納米填充聚合物及其復合材料目前正在開展相關的研究。這些材料將應用于諸多領域，如輕質儲罐和管道、空間耐久型保護膜、電磁干擾屏蔽罩、智能織物、光學晶體、植入式天線、多功能材料和傳感器保護裝置等。

2碳納米管材料及其應用

2.1高度有序排列的碳納米管陣列

碳納米管已經成為納米材料技術的代表性產品之一，主要是因為它具有優異的發光性能和其他顯著的特性[4]。AFRL一直在積極探索碳納米管廣泛的潛在效益，包括其獨特的電學，熱學和機械性能。目前碳納米管已被用來開發具有特殊性能的新材料和作為復合材料的增強材料。

POSS材料可以用于材料基體與其他材料的連接或材料基體本身，從而賦予體系非常獨特的性能[6]。其中非常典型的一種結構就是固定在鋁基底材料上的碳納米管陣列，如圖5所示。這項工作是為了研究碳納米管陣列獨特的物理性質，考察其帶隙用于紅外檢測的潛在可能性。檢測結果表明，碳納米管陣列的光學帶隙與其直徑相關，如圖6所示。這些研究結果證明，碳納米管陣列適用于紅外成像探測器，因為它們具有高分辨率且波長可調。由于該碳納米管陣列重量輕且僅需要小型電源，因此具有現場發射顯示的潛在用途。此外，由于碳納米管陣列高密度和低功率電容的特性，研究人員發現它們還可以用來制造數據儲存設備。總之，碳納米管陣可以用來制作超密集的納米電子網絡。

AFRL的另一項研究瞄準了常溫超導的金屬填充碳納米管。這些金屬填充碳納米管利用本身的特性，如高電流、低重量和高強度，并且此時又多了更好的磁性能。金屬填充碳納米管常溫下的電流隨著電壓的變化，其特性與低溫金屬超導體的特征相類似。圖7表明電流隨著電壓的增加出現階梯式的增加，因此，金屬填充碳納米管作為常溫超導材料的研究還有待進一步深入。

圖5　碳納米管在鋁基中的陣列

圖6　光學帶隙與碳納米管直徑的關系　　　　　　　　　　圖7　金屬填充碳納米管的I-V特征圖

2.2碳納米管增強材料

AFRL有一個正在進行的項目是通過使用碳納米管作為增強材料(見圖8)來改善聚合物基復合材料(PMCs)的結構、熱性能和電性能。為實現這一目標，需要攻克的幾項關鍵技術，包括納米管的定位、表面改性方法、材料性能表征和復合材料制備工藝，從而實現提高材料的強度、模量、斷裂韌性、導熱性和導電性，以及多功能性等。

該技術可用作體積小、效率高的耐熱結構材料，包括反射鏡、微衛星、太空帆增強材料和空間系繩等。

圖8　碳納米管束和一種碳納米管的開關

3納米結構涂料及其應用

3.1納米結構涂料

用新型材料制備的納米結構涂層具有一般傳統涂層所沒有的獨特性質。比如，納米結構涂層可以將如硬度、韌性和低摩擦力等通常是相互排斥的特性結合在一起。具備特殊屬性的納米結構涂層示例如圖9所示。質地堅硬而表面光滑的涂層是由固體潤滑劑納米粒子和晶硬納米粒子嵌入在無規金屬基質中，從而轉化成一種摩擦力較高且較為堅硬的材料。這個成果運用在柔韌而質硬(耐磨)的涂層中可以提高其抗脆性。這些納米結構涂層的另一個優點是在極端環境和其它因素產生變化時，自身特性可保持不變。

圖9　納米涂料的結構示意圖

隨著納米技術的發展，納米結構涂層可能對太空和衛星系統產生顯著影響。例如，它們可以使力矩陀螺儀的使用時間增加三倍，減少機械零部件的能量消耗和扭矩噪音，使高速飛輪成為現實，而且還可以將表面化學殘留物分解為油和添加劑。在對銷、鎖存器和齒輪上使用納米結構涂層還可避免由存儲和加載啟動而引發的事故，且還可以根據使用數量的大小排序增加潤滑劑的使用壽命。

3.2納米涂料在MEMS的應用

微機電系統(簡稱MEMS)在開發和應用領域持續取得成功，但是自身卻仍存在著一些問題(MEMS設備見圖10)。

圖10　MEMS 靜電側向輸出馬達

例如摩擦力、靜摩擦力和磨損已經妨礙了微機電系統設備按照預計模式運行，且限制其性能的發揮以及其他設備的設計。AFRL的研究人員正研究通過采用納米結構涂層作為這些問題的合適解決方案。因此，AFRL已經開發了同時具有固定相和移動相的單層潤滑劑。這些低摩擦、耐磨損的自組裝單層(簡稱SAMS)納米結構涂層因自身補充氣相而可以自動修復。由于新的納米結構涂層通過改善了表面張力和化學物質，從而減少或消除了表面摩擦力、靜摩擦力和磨損，使MEMS設備現在可以在極端環境中使用(例如空間、濕熱以及高溫環境中)。另外，新涂層還有一個優點，就是可以防止一般的電接觸減退。研究發現這種潤滑劑體系可以在高溫、真空和高濕度的環境中保持潤滑效果。這種采用納米結構涂層作為表面處理的方法還需要和其它微機電系統的處理方式相匹配。

總的來說，微機電系統是非常重要的，因為它們提升了衛星和其他太空設備集成化及傳感器和動力系統小型化的能力。這些納米結構涂層對微機電系統設備的發展和應用具有重大影響，它們不但可以使微機電系統設備在空間和其它極端環境運行，還可以延長這些設備的使用壽命，降低設備的重量，提高設備的可靠性。

4結束語

納米技術已經對航空航天系統的每一個零部件產生深刻的影響，人們對納米技術的制備方法、材料及功能設施的研究為未來航空航天技術的發展指明了方向。高強度金屬及聚合物基復合材料結構材料的應用將提高航行器及航天器的飛行性能。納米結構涂料能為飛行組件在空間苛刻的環境下提供更好的保護，并且提高其耐磨性能，延長其使用壽命。耐高溫耐燒蝕材料將提高引擎的性能和空速。納米結構聚合物能為電力系統的燃料電池提供一種高性能的薄膜。盡管納米技術目前還處于初級發展階段，但是人們已經開展了大量卓有成效的研究，這將大幅提高納米技術在各個領域的應用水平，并對航空航天以及船舶制造等領域產生積極的影響。

參考文獻

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[2]姜利祥，何世禹，陳平，等. 聚合物/納米復合材料的制備、性能及其應用展望[J]. 宇航材料工藝，2002，32(2)：1-7.

[3]張冬至.靜電誘導自組裝碳納米管薄膜的結構表征與電學性能[J]. 光學精密工程，2014，22(6)：1562-1570.

[4]占亮，鐘力生.介電電泳在電磁操作生物芯片技術中的應用[J]. 絕緣材料，2004(2)：52-55.

[5]Giannelis E P. Layered silicate-epoxy nanocomposites[J]. Advanced Materials， 1996(8)：29.

[6]杜建科，楊榮杰.籠形低聚硅倍半氧烷納米材料及其應用[J]. 宇航材料工藝，2005(3)：1-6.

Research Development and Application of Overseas Nanotechnology

HUANG Yi-qing, SHEN Hai-wei, CHEN Yang

Navy Representative Office Stationed at Shanghai Hudong Zhonghua(Group) Co., Ltd.,Shanghai 200129, China)

AbstractThis article contains an overview of nanotechnology research progress made by Air Force Research Laboratory. The fabrication methodologies and applications of polymeric-based nanostructured systems, in-situ deposition of conductive fibers, carbon nanotube reinforcement, nanostructured coatings are discussed emphatically and bring forth the primary prospect of application trends of nanotechnology.

KeywordsNanotechnologyCompositesCarbon nanotubeFabricationNanostructured coatingsResearch progress

中圖分類號U668

文獻標志碼A

作者簡介：黃一清(1988-)，女，助理工程師，主要從事艦船監造工作。