纳米材料在医药方面的应用

第一篇：纳米材料在医药方面的应用

纳米材料在医药方面的应用

纳米材料在医药方面的应用

摘要：本文介绍了什么是纳米材料，纳米材料在生物医学领域的最新应用及研究状况,简要列举了纳米生物材料在医药学应用的最新实例，并对其前景进行了展望。关键词：纳米材料

生物医药

最新应用 展望

正文：纳米是一个微小的尺度单位，纳米是十亿分之一米（10），大约是单个原子直径的4倍，通过对在纳米尺度上新现象、新过程的观察，纳米技术为人们提供了许多性能独特的工具、材料、器件和系统。当前纳米技术的研究正快速地从观察和发现向设计和制造复杂的纳米尺度集合体转变纳米技术研究将是系统的、基于多学科的纳米技术具有巨大的潜能，可望取代现有大多数技术，创造新的工业，并在能源、环境、通信、计算、医药、空间探索、国家安全和基于材料的任何领域中改变基础的科学模型。

我们知道，细胞具有微米(106m)量级的空间尺度，生物大分子具有纳米量级的空间尺度。在它们之间的层次是亚细胞结构，具有几十到几百纳米量级的空间尺度。显然在纳米水平上研究生命现象的纳米生物学，它的研究对象就是亚细胞结构和生物大分子体系。由于纳米微粒的尺寸一般比生物体内的细胞、红细胞小得多，这就为生物学研究提供了一个新的研究途径即利用纳米微粒进行细胞分离、疾病诊断，利用纳米微粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。

1、纳米材料在医药、医学领域的应用

目前纳米材料在生物医学领域已经得到广泛的应用，在基础医学、药物学、临床医学和预防医学方面，纳米材料作用的发挥都已不容忽视。纳米材料在生物医学中检测、诊断。药物治疗以及健康预防等方面都取得了很好的发展。

1.1纳米材料在医学检验诊断技术方面的应用

生物医学起源于诊断，没有很好的诊断手段就没有很好的治疗和预防，目前随着科学技术的发展，诊断手段越来越高明、先进，得到了前所未有的发展。纳米材料在检验诊断中主要应用于三个方面：[1]利用纳米材料跟踪生物体内活动，对生物体内元素的积累和排除作出判断。[2]利用纳米颗粒极高的传感灵敏效应对疾病进行早期诊断[4][3][2][1]9。利用纳米材料的特性去化验检测试样从而辅助治疗。

在具体应用方面的典型有量子点的荧光效应、磁性纳米材料的磁效应、纳米材料的吸附作用等等。

1.2纳米材料在药物治疗方面的应用

纳米生物材料，具有生物兼容性、可生物降解、药物缓释和药物靶向传递等良好特性已在药物治疗方面取得了很大成功。

药物纳米载体具有高度靶向、药物控制释放、提高难溶药物的溶解率和吸收率优点，提高药物疗效和降低毒副作用。纳米颗粒作为基因载体具有一些显著的优点：纳米颗粒能包裹、浓缩、保护核苷酸，使其免遭核酸酶的降解；比表面积大，具有生物亲和性，易于在其表面耦联特异性的靶向分子，实现基因治疗的特异性；在循环系统中的循环时间较普通颗粒明显延长，在一定时间内不会象普通颗粒那样迅速地被吞噬细胞清除；让核苷酸缓慢释放，有效地延长作用时间，并维持有效的产物浓度，提高转染效率和转染产物的生物利用度；代谢产物少，副作用小，无免疫排斥反应等。

2、纳米材料在生物医学领域的具体应用

2.1纳米抗菌药及创伤敷料

Ag+可使细胞膜上蛋白失去活性从而杀死细菌，添加纳米银粒子制成的医用敷料对诸如黄色葡萄球菌、大肠杆菌、绿浓杆菌等临床常见的40余种外科感染细菌有较好抑制作用。

2.2纳米粒子用作药物载体

一般来说,血液中红血球的大小为6000~9000nm一般细菌的长度为2000 ~3000 nm引起人体发病的病毒尺寸为80 ~100 nm，而纳米包覆体尺寸约30 nm，细胞尺寸更大[6][5]。因而可利用纳米微粒制成特殊药物载体或新型抗体进行局部的定向治疗等。磁性纳米颗粒作为药物载体，在外磁场的引导下集中于病患部位，进行定位病变治疗，利于提高药效，减少副作用。如采用金纳米颗粒制成金溶液，接上抗原或抗体，就能进行免疫学的间接凝聚实验，用于快速诊断

[7]。生物降解性高分子纳米材料作为药物载体还可以植入到人体的某些特定组织部位，如子宫、阴道、口、上下呼吸道、肛门以及眼、耳等。这种给药方式避免了药物直接被消化系统和肝脏分解而代谢掉，并防止药物对全身的作用。

2.3 纳米人工线粒体

当细胞中的线粒体部分失去功能的时候，再来增加氧供给水平，并不一定能使组织有效地恢复，这时就需要直接释放三磷腺苷同时伴随着有选择地释放和吸收其他的一些代谢产物，后者是迅速恢复组织功能的有效手段。人工线粒体装置，如同前面的供氧装置一样，只不过在这里释放的是三磷腺苷而不是氧。

2.4智能—靶向药物

在超临界高压下细胞会“变软”，而纳米生化材料微小易渗透,使医药家能改变细胞基因，因而纳米生化材料最有前景的应用是基因药物的开发。德国柏林医疗中心将铁氧体纳米粒子用葡萄糖分子包裹在水中溶解后注入肿瘤部位使癌细胞部位完全被磁场封闭通电加热时温度达到47℃慢慢杀死癌细胞。这种方法已在老鼠身上进行的实验中获得了初步成功。

2.5纳米机器人

[9][8]在最近的十年中,随着纳米材料在癌症治疗、细胞显影和疾病检测方面的应用,由此诞生了一个新的领域———生物纳米技术。生物纳米技术是指在纳米尺度上认识生物分子的精细结构和功能之间的联系,并在此基础上按研究者的意愿组合、装配,创造出满足人们意愿并行使特定功能的生物纳米机器。

“纳米蜘蛛”机器人

有些科学家设想将蛋白质芯片或基因芯片组装成尺寸比人体红细胞还小的纳米机器人．使其具有某些酶的功能，它是纳米机械装置与生物系统的有机结合。在生物医学工程中可充当微型医生，解决传统医生难以解决的问题。将这些纳米机器人注入血管内．可按照预定程序．直接打通脑血栓。清洁心脏动脉脂肪沉积物等，达到预防和治疗心脑血管疾病的目的。除此以外。不同的组合方案还可组装出其他功能的纳米机器人．例如．有的可以吞噬病菌、杀死癌细胞：有的可以作为人体器官的修复工具．修复损伤的器官和组织等

[10]。以完成整容手术或其他器官修复手术；有的可以进行基因装配工作，除去基因中错误或有害的DNA片段．并将正常的DNA片段装配进染色体。使机体正常运作。

2.6利用纳米科技可将生物降解性和生物相容性的聚合物与药物一起制成纳米药物 作为靶向药物制剂，直接导入病灶部位的器官、组织甚至细胞，达到提高药物疗效，降低毒性的作用；将纳米材料作为药物载体，可增加某些药物的胃肠吸收，提高其生物利用度；将纳米材料作为载体，可用于基因的输送和治疗；纳米材料作为组织修复、人造器官等生物材料的应用也有很好的前景上也有广泛的用途。

3.纳米材料在生物医学中应用的展望

随着科学技术的发展，材料学和生物医学结合越来越紧密，纳米材料在生物应用

[11]；另外，纳米材料在疾病的诊断和监测上已取得了很大的成就，并展现出良好的发展势头和巨大的发展潜力。但是我们还应看到,很多方面发展还不完善，应用还不安全有待进一步研究

[12]。我认为在21 世纪纳米材料在生物医学方面发展应该加强和有巨大应用潜力，将成为今后一段时间研究热点的有:(1)生物医学检测诊断用材料: 不可否认，现在纳米材料在生物检测诊断上已发生相当大的发展和应用，各种纳米材料已经在实践中的应用取得了良好的效果。但在各种医学检测中对各种各样的功能性纳米材料的要求还比较高。比如生物医学工程和医疗设备器材两者之间相辅相成,生物医学工程是基础，它的课题研究的深人会催生新的医疗设备器材出现，同时对临床医疗设备器材的需求信息会产生新的研究方向，纳米功能材料在这个方面将大有前途。又如分析与检测技术的进一步优化，势必要求具有更先进性能纳米材料的出现。

(2)药物治疗上使用的材料: 药物控释纳米材料

[13]将继续成为纳米医用材料研究发展的重点。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙并被细胞吸收等特性，而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射及敷贴等多种给药途径等优点，因而在药物输送方面具有广阔的应用前景。

(3)功能性生物材料: 各种有着特定功能的材料将越来越多地应用到生物医学上去。未来几年生物材料中纳米陶瓷将在人造骨骼中发挥主导作用，有着各种特性的无机———有机复合纳米材料也必将在介入治疗、血液净化方面大展身手。

(4)生物安全性纳米材料: 目前在一些国家生物纳米材料的安全性研究已经被提上日程，但很多研究还不深入，取得效果也不明显。在全球瞩目安全问题的同时，纳米材料安全性研究必将成为下一热点。生物降解绿色材料将是未来药物的首选。关于生物技术的风险，目前确实还有很多问题没有搞清楚，有待于继续研究。

其发展趋势主要包括：（1）生体相容性好的钛合金等物质将逐步开发，并进入临床试验阶段；(2)纳米技术与分子生物学技术相结合，将有助于揭示生物大分子各级结构与功能的破译；(3)纳米生物技术将使药物的生产实现低成本、高效率、自动化、大规模，而药物的作用将实现器官靶向化；(4)纳米生物技术应用于分子之间的相互作用、分子复合物和分子组装的研究将在病毒结构、细胞器结构细节和自身装配机制上取得进展；(5)纳米生物技术将使生物活性分子诊断、检测技术向微型、微观、微量、微创或无创、快速、实时、遥距、动态、功能性和智能化的方向发展。[结束语] 纳米技术与生物医学的结合，为医学界提供了全新的思路，纳米材料在医学领域的应用取得了显著效果。但纳米材料应用还很有限，尤其是在生物医学上面，目前大多数研究还处于动物实验阶段，还需大量临床试验予以证实，纳米材料应用的生物安全性有待进一步提高。这就要求生物医学研究者与纳米材料的研究人员合作需进一步加强，制造出更先进的生物医用纳米材料。我们有理由相信，随着纳米材料在生物医学领域更广泛的应用，临床医疗将变得节奏更快、效率更高，诊断、检查更准确，治疗更有效，人们的生命安全将得到更大的保障。[参考资料] [1] The Interagency Working Group on Nanosciece ,Engineering and Technology.Nanotechnology Research Direction: IWGN Workshop Report Vision for Nanotechnology R&D in the Next Decade[R].Dordrecht:Kluwer Academic Publishers,2000,1~10.[2] 李霞，彭蜀晋，张云龙；纳米材料在生物医学领域的应用【J】；化学教育；2006年第11期。

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[10]刘玲编译.钛和贱金属合金金属陶瓷冠的适合性［J］.国外医学生物医学工程分册,2000，23(4)：252.[11]王锐，高峰，何晓雄；纳米技术在生物医学工程中的应用【J】；安徽建筑工业学院学报；第14卷第5期，2006年10月。

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[13]徐翔晖，王雪微；陈晓农纳米生物材料的应用【A】；纳米科技；第6 卷第1 期，2009 年2 月；

第二篇：纳米材料的应用

纳米材料的应用

纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。

在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。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。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；

近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。根据国际纳米材料研究的发展趋势，我国建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、mcm－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位，1998年 6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对中国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来中国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结中选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，中国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。

第三篇：纳米材料航天应用

纳米材料定义：

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。纳米材料特性

特性 :（1）表面与界面效应

这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。

（2）小尺寸效应

当纳米微粒尺寸与光波波长，传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能呈现出“新奇”的现象。例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的二氧化硅颗粒在20纳米时却开始导电。再譬如，高分子材料加纳米材料制成的刀具比金钢石制品还要坚硬。利用这些特性，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等。

（3）量子尺寸效应

当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。

（4）宏观量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。纳米材料发展：

纳米技术的灵感，来自于已故物理学家理查德·费曼1959年所作的一次题为《在底部还有很大空间》的演讲。这位当时在加州理工大学任教的教授向同事们提出了一个新的想法。从石器时代开始，人类从磨尖箭头到光刻芯片的所有技术，都与一次性地削去或者融合数以亿计的原子以便把物质做成有用的形态有关。范曼质问道，为什么我们不可以从另外一个角度出发，从单个的分子甚至原子开始进行组装，以达到我们的要求?他说：“至少依我看来，物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”

1990年，IBM公司阿尔马登研究中心的科学家成功地对单个的原子进行了重排，纳米技术取得一项关键突破。他们使用一种称为扫描探针的设备慢慢地把35个原子移动到各自的位置，组成了ibm三个字母。这证明范曼是正确的，二个字母加起来还没有3个纳米长。不久，科学家不仅能够操纵单个的原子，而且还能够“喷涂原子”。使用分子束外延长生长技术，科学家们学会了制造极薄的特殊晶体薄膜的方法，每次只造出一层分子。目前，制造计算机硬盘读写头使用的就是这项技术。

著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德· 费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造产品，这是关于纳米技术最早的梦想;

70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词描述精密机械加工;

1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用;

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生;

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等;

1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“ibm”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地;

1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机;

1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量;此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录;

到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元;

近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点;德国专门建立纳米技术研究网;美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。

2003年，纳米技术在基础研究和应用研究方面都取得了突破性进展。如：美国利用超高密度晶格和电路制作新方法，获得高密度的铂纳米线；日本用单层碳纳米管与有机熔盐制成高度导电的聚合物纳米管复合材料等。纳米材料缺点

生产出来的成本高，应用不广泛，同时生产出来的纳米产品的毒理学没有广泛的深入，在某种意义上讲一些东西处于探索阶段

前言纳米材料由于具有独特的小尺寸效应而表现出不同于传统材料的物理和化学性质。利用纳米材料这些独特的性质。可对传统材料进行改性，进而开发出更高性能的材料．开辟出新的材料生产途径．以满足传统材料所不能达到的要求．尤其是满足航天航空领域对材料性能的特殊要求。应用纳米材料可减小航天器电子元器件的体积和质量．并提高其可靠性。纳米材料的发展方向主要有功能纳米材料及结构纳米材料纳米材料在航天器结构材料上的应用 1．金属及金属基复合材料晶粒细化是提高金属材料强度最有效的方法之一。利用添加纳米陶瓷来增强金属合金基材料的方法，就是把纳米陶瓷粉体均匀分散于合金中．以提高合金的成核速率．同时抑制晶粒长大．从而起到晶粒细化的作用。抑制材料使用过程中微裂纹的扩展．提高产品的强度。例如，将纳米碳化硅、纳米氮化硅、纳米氮化钛、纳米硅粉添加到金属基体(铝、铜、银、钢、铁等合金)中。可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。

(1)纳米氮化钛应用于合金钢、铁纳米氮化钛具有硬度和热稳定性高、粒度小，以及分散性好的特点。在钢水冷却结晶过程中．纳米氮化钛成为晶核相．可大大增加成核数量，减小晶粒尺寸．达到细化合金晶粒的效果．使合金的综合性能大大改善。

(2)纳米碳化硅应用于银基复合材料通过向基体中加入均匀、细J．J＼，具有良好稳定性的颗粒．达到弥散强化合金的目的．是制备高强高导合金材料的重要途径之一。纳米碳化硅对于银合金来说是一种有效的增强相．当纳米碳化硅的质量百分含量为l％时．强化效果佳．材料的抗拉强度可达39IMPa．相对电导率为60．2％，强度和耐磨性均有所提高。(3)纳米碳化硅弥散强化铜基复合材料高强高导铜基复合材料在集成电路的引线框架 各类点焊、滚焊机的电极、触头材料，电枢、电动工具的换相器等电子设备中具有广泛的用途。但铜合金的高强度和高导电性一直是一对互相矛盾的特性．一般只能在牺牲电导率和热导率的前提下改善铜的力学性能，以获得高强度。采用纳米碳化硅稳定弥散强化铜基材料是解决 这一矛盾的较好方法 通过向基体中加入均匀、细小，具有良好稳定性的纳米碳化硅颗粒以达到弥散强化铜合金的目的．已成为制备高强高导铜基复合材料的研究热点。

(4)纳米碳化锆应用于硬质合金纳米碳化锆是一种重要的高熔点、高强度和耐腐蚀的高温结构材料 纳米碳化锆用于硬质合金材料中．可提高材料的强度和耐腐蚀性等性能。

2．聚合物基复合材料纳米粒子加入聚合物基体后．可提高其耐磨性、硬度、强度和耐热性等性能

(1)纳米氮化铝应用于环氧树脂在纳米氮化铝一环氧树脂体系中．纳米氮化铝的用量为1％～5％时．玻璃化转变温度提高．弹性模量达到极大值。将纳米氮化铝添)30~0环氧树脂中制得的复合材料．在结构上完全不同于添加粗晶的氮化铝一环氧树脂基复合材料：粗晶氮化铝一般作为补强剂加入．其主要分布在高分子材料的链间．而纳米氮化铝由于表面严重的配不足、庞大的比表面积使其表现出极强的活性．同时。尚有一部分纳米氮化铝颗粒分布在高分子链的空隙中。与粗晶氮化铝相比．纳米氮化铝具有很高的流动性．可使环氧树脂的强度、韧性及延展性均大幅提高。

(2)纳米碳化硅在橡胶轮胎中的应用在橡胶轮胎中添加一定量的纳米碳化硅．在不改变原橡胶配方的条件下进行改性处理．可在不降低其原有性能和质量的前提下．将耐磨性提高 15％～30％。另外。纳米碳化硅还可应用于橡胶胶辊、打印机定影膜等需耐磨、散热、耐温的橡胶产品中。

3．-r-程塑料及其它复合材料纳米材料与工程塑料复合既能提高工程塑料的固有性能．又可赋予其高导电性、高阻隔性及优良的光学性能等。因此。把纳米材料应用于工程

塑料的改性．可进一步拓宽工程塑料的应用范围。

(1)工程塑料，{I内米粒子复合材料采用纳米粒子对有一定脆性的工程塑料增韧是改善工程塑料韧性和强度等力学性能的一种行之有效的方法。只要纳米粒子与基体树脂结合良好． 2010 6军民两用技术与产品纳米粒子也可承受拉伸应力．增韧、增强作用明显少量纳米氮化钛粉体用于改性热塑性工程塑料时．可起到结晶成核剂的作用。将纳米氮化钛分散于乙二醇中．通过聚合使纳米氮化钛更好地分散于PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)工程塑料中．可加快PET工程塑料的结晶速率．使其成型简单．扩大其应用范围。而大量纳米氮化钛颗粒弥散 于PET中．可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗冲击性能。

(2)工程塑料／纳米磁性金属及其氮化物复合材料这种复合材料具有特殊的光电功

能(对电磁波有特殊的吸收作用)和优良的磁性能及导电性．可广泛应用于军事、航空航天、电子通讯等高技术领域 用偶联剂进行表面处理后的纳米碳化硅．在添加量为10％左右时． 可大大改善和提高PI(聚酰亚胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特种塑料的性能．全面提高材料的耐磨、导热、绝缘、抗拉伸、耐冲击、耐高温等性能。

4．陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是以陶瓷为基体．与各种纳米材料复合制得的材料。陶瓷基体包括氮化硅、碳化硅等。这些先进陶瓷具有耐高温、强度和硬度高、相对重量较轻、抗腐蚀等优异性能．而其致命的弱点是具有较强的脆性。在应力作用下．会产生裂纹。甚至断裂导致材料失效 而将纳米材料与陶瓷基体复合．是提高陶瓷韧性和可靠性的一种有效方法．可得到韧性优良的纳米增强陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料已实用化或即将实用化的领域有刀具、滑动构件、发动机制件、能源构件等。例如，纳米氮化硅掺杂制造的精密陶瓷结构器件可用于冶金、化工、机械、航空、航天及能源等行业中使用的滚动轴承的滚珠和滚子、滑动轴承、套、阀．以及有耐磨、耐高温、耐腐蚀要求的结构器件中 纳米材料在航天器功能

1．雷达及红夕 隐身材料纳米材料具有的小尺寸和量子尺寸效应等特性．使金属、金属氧化物和某些非金属材料在细化过程中．处于表面的原子越来越多．悬挂键增多、界面极化增强．为吸波材料应用提供了可能性。多重散射及量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级能隙变宽．能隙宽度处于微波范围(10％V 10-SeV)内。因而可能成为新的吸波通道。纳米陶瓷粉体是陶瓷类红外吸收剂的一种新类型．主要包括纳米碳化硅粉、纳米氮化硅粉等。纳米陶瓷类红外吸收剂具有吸收波段宽及吸收强度大等特性。纳米碳化硅和磁性纳米吸收剂(如磁性纳米金属粉等)复合后。吸波效果还能大幅度提高。纳米氮化物吸收剂主要有氮化硅和氮化铁．纳米氮化硅在IOOH一1MHz范围内有比较大的介电损耗．纳米氮化硅的这种强介电损耗是由于界面极化引起的纳米氮化铁具有很高的饱和磁感应强度和饱和磁流密度．有可能成为性能优良的纳米雷达波吸收剂。

2．导电、导热等功能材料纳米氮化钛具有优良的导电性能．在A1，O 基体中加入纳米氮化钛颗粒可有效降低其电阻率。随着纳米氮化钛加入量的增加．复合材料的电阻率逐渐降低．当加入的纳米氮化钛体积含量达~U20％以后．复合材料的电阻率趋于稳定。为5．5x10-3~．cm。添加超高导热纳米氮化铝的硅胶具有良好的导热性和电绝缘性、较宽的电绝缘使用温度 工作温度一6oX3200~2)、较低的稠度和良好的施工性能．可广泛应用于子器件的热传递介质中．能够提高工作效率．如CPU与散热器填隙、大功率三极管、可控 硅元件、二极管、与基材接触的细缝处的热传递介质等纳米氮化铝粉体可大幅提高塑料的导热率。将纳米氮化铝粉体以5％～10％的质量比例添加到塑料中．可使塑料的导热率从0．3w／(ni．k)提高到5W／(m．k)，导热率提高了l6倍多。与目前市场上的导热填料(氧化铝或氧化镁等)相比，其添加量低。对制品的机械性能有提高作用。目前，相关厂家已大规模采购纳米氮化铝粉体．新型纳米导热塑料将投放市场纳米氮化铝粉体与二氧化硅的匹

配性能好．在橡胶中容易分散．在不影响橡胶的机械性能的前提下(实验证明．对橡胶的机械性能还有提高作用)可大幅提升硅橡胶的导热率．在添加过程中不像氧化物等会使黏度下降慢．添加量很小，现已厂泛应用于军事、航空。以及信息工程领域。

3．涂层材料

纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化性。研究表明，用纳米碳化硅、碳化锆、碳化钛、氮化钛、碳化硼等粉体作为金属表面的复合涂层．可获得超强耐磨性和润滑性．其耐磨性比轴承钢高100倍．摩擦系数为0．06～0．1．同时还具有高温稳定性和耐腐蚀性。在液体火箭发动机关键零部件中应用纳米技术．可大大延长这些零部件的使用寿命 4．特种密封材料发动机出现故障最多的是各种密封面的失效．密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素．和用纳米材料改性密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末极大地改善其密 性能。目前。密封橡胶所用的增强剂多为纳米级炭黑．若改用纳米氮化硅使其拉伸强度提高1 4倍．并改善其耐磨性和密封性。5．固体火箭推进剂 将纳米金属粉添加到固体火箭推进剂中．可显著改善固体推进剂的燃烧性能。例如，在固体火箭推进剂中添加纳米级铝粉或镍粉．推进剂燃烧效率可得到较大提高、燃速显著增大。含有纳米金属铝粉的固体推进剂燃速比含有常规铝粉的固体推进剂的燃速高5 20倍.

第四篇：纳米材料在现实生活中的应用

纳米材料在现实生活中的应用

提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米技术，可能很多人并不一定清楚。著名的诺贝尔奖获得者 Feyneman在 20世纪 60年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。

纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，简写是nm，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。纳米技术，是指在0.1~100纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显著地表现出许多新的特性，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。

纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命。然而我们将就纳米技术在现实生活中的应用来看看纳米技术的应用前景。

关于纳米技术在显示生活中的应用主要就是纳米材料的应用，关于纳米材料有很多种，其在生活中的存在和应用也很普遍。纳米材料的莲花效应。莲花虽生长于池塘的淤泥中，但它露在水面上的莲花荷叶却出污泥而不染，美丽而洁净，它可说是运用自然的纳米科技来达成自我洁净的最佳实例。照理说荷叶的基本化学成分?多醣类的碳水化合物，有许多的羟基（-OH）、（-NH）等极性原子团，在自然环境中很容易吸附水分或污垢。但洒在荷叶叶面上的水却会自动聚集成水珠，且水珠的滚动把落在叶面上的尘埃污泥粘吸滚出叶面，使叶面始终保持干净。经过科学家的观察研究，在1990年代初终于揭开了荷叶叶面的奥妙。原来在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。经过电子显微镜的分析，莲花的叶面是由一层极细致的表面所组成，并非想象中的光滑。而此细致的表面的结构与粗糙度??微米至纳米尺寸的大小。叶面上布满细微的凸状物再加上表面所存在的蜡质，这使得在尺寸上远大于该结构的灰尘、雨水等降落在叶面上时，只能和叶面上凸状物形成点的接触。液滴在自身的表面张力作用下形成球状，藉由液滴在滚动中吸附灰尘，并滚出叶面，这样的能力胜过人类的任何清洁科技。这就是莲花纳米表面「自我洁净」的奥妙所在。利用了莲花效应，中国是在世界上第一个做出仿荷叶结构的防水纳米布的国家，是中科院化学所做出来的。用颗粒大小为20纳米左右的聚丙烯水分散液，浸轧，光照。使颗粒粘结在纤维表面上，形成凸凹不平的表面结构，成为双疏材料，即疏水又疏油。用油或水往这种布上倒，都不会浸湿，也不会玷污。我们用这种材料做成衣服，就会防水。如果用这种材料处理玻璃，做成表面凸凹不平的结构，看起来没有任何问题，但不会结雾，不会沾水。可以从荷叶超强的疏水性，我们可以制作类似荷叶上有纳米材料的雨伞，就像“荷叶面”雨伞，撑雨疏水，抖水即干，不必担心带到室内会滴水了。

常见纳米材料

1、纳米阻燃剂。纳米阻燃剂可分为无机纳米微粒阻燃剂和纳米复合物阻燃剂两种。无机阻燃剂是应用最早的阻燃剂,它具有无毒、低烟、不产生腐蚀性气体、无二次污染的优点。无机阻燃剂通常通过填充方式添加到高分子材料中,制备成高分子阻燃材料。传统的无机阻燃剂的粒径较大,而且不均匀,直接影响其阻燃性和其他性能,因此,为更好地发挥阻燃效果,无机阻燃剂的超细化将是今后的发展方向。采用纳米技术将无机阻燃剂微粒细化,使其粒径在纳米级范围,使微粒的大小和形态都更均匀,就能大大地减少阻燃剂的添加量,从而减轻对织物性能的影响,克服无机阻燃剂的最大缺点。超细化的氢氧化镁、二氧化二锑以及氢氧化铝、硼酸锌等无机阻燃剂,均已广泛应用于阻燃材料中。用其做窗帘，墙纸，遇上着火，既不会燃烧，也可以防患与未然。

2、纳米技术电池。所谓的纳米技术电池，就是在电池的制造过程中，采用纳米技术材料或者制造工艺，生产制造出具有特别高性能的电池产品。随着电子技术的高速发展，人们对电池的需求量愈来愈多，人们总是希望得到一种容量大、功率高、性能优、价格廉的电池。但是，由于客观实际的限制，在现实中的电池总是无法全面满足人们的要求。电池界的专家学者在孜孜不倦的追求着电池性能的提高，经历了一代又一代人的不懈努力。纳米级的物质被应用在电池的制造中，就会产生显著的特性。强大的比表面活性能量和良好的导电性能，在参与电化学反应的时候，纳米颗粒物质在极板内部形成新的活性物基核，改善和增强电极结构，极大地提高电极的电化学反应表面，降低了电化学反应的能垒。因此，纳米技术材料的应用可以显著的降低蓄电池的内阻，抑制蓄电池在充放电过程中，因为温度和电极极化等原因而导致的极板饨化，从而有效的提高电池的性能，使得蓄电池电化学反应的可逆性更好、充放电效率更高、功率更大、电池更加容易均衡一致、低温性能限制改善。因此，采用纳米技术材料的蓄电池，其容量比常规电池的容量高，寿命比常规电池寿命长，大电流工作能力比常规电池强，低温性能比常规电池优。纳米技术电池的显著优点更主要集中表现在电池使用的中后期。一般情况，纳米技术电池前期对容量及功率的改善效果只是常规电池的5%-15%，中期对容量及功率的改善效果比常规电池高出20%-30%，后期对容量及功率的改善效果比常规电池高出可以达到50%以上。新太纳米技术电池的种类有：纳米技术型免维护中低倍率镉镍蓄电池；纳米技术型免维护烧结式超高倍率镉镍蓄电池；纳米技术型免维护阀控式密封铅酸电池；纳米技术型锌镍动力电池。

3、纳米塑料。通用塑料指聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）和丙烯酸类塑料等大塑料品种。对于这类塑料的改性，过去多是采用加入填充料的方式，首先是为了降低成本，后来是为了增加和增韧以得到工程塑料，并进一步向塑料功能化发展，通过添加料的方法得到具有导电、抗静电、热塑磁性和压敏等功能的塑料。纳米材料的出现，为天加型塑料提供了广阔的空间。通用塑料首当其冲，纳米技术最早就是用于通用塑料的改性。例如：纳米碳酸钙对高密度聚乙烯的改性，在加入碳酸钙的质量分数为20%以下时，其耐冲击强度随加入碳酸钙的增加而增加，拉伸和弯曲强度也有所提高。在此，填料有一个最大加入百分比，即有一个加入最大值，而且，该值和碳酸钙的表修饰类型有关。未经地表面修饰处理的纳米碳酸钙填充体系的冲击强度随碳酸钙用量呈逐渐增加趋势，碳酸钙用量越多，材料冲吉加度越大。经表面处理后，材料的冲击强度随碳酸钙用量变化规律已完全改变。材料在低纳米碳酸钙含量（约4%~6%）时即实现增韧目的，冲击强度提高接近一倍，增韧效果显著；当碳酸钙用量进一步增加时，材料的冲击强度呈缓慢下降。几种表面处理剂对拉伸弯曲性能的影响基本相同；与处理体系相比，表面处理后材料的拉伸、弯曲性能并无明显改善。由处理和未经处理的两种试样冲击断面和断抽图SEM照片可知，经过处理体系的冲击断面上有较多牵伸结构，拉丝较多；基体上无明显可见裂纹，基体发生明显的塑性变形，吸收了大量能量。脆断面的电镜表明纳米粒子分布均匀，附聚团粒小。未经处理体系的冲击断面上出现有许多断裂裂纹，是导致冲击强度较低的原因；且未经处理的试样，粒子分布不均，附聚颗粒较大。

4、可以抗紫外线的纳米材料。研究和开发防紫外线的功能性织物，是目前国际化纤纺织业的重点。目前，传统的抗紫外线纺织品主要采用共混熔融纺丝法，该方法将抗紫外添加剂与成纤聚合物共混并一同进行熔融纺丝，抗紫外添加剂多为有机化合物，存在一定的毒性和刺激性，容易造成皮肤化学性过敏。近年来无机紫外线遮蔽剂的研究突飞猛进，纳米TiO2是其中优秀代表。上海交大“纳米氧化钛（TiO2）抗紫外纤维”通过了上海市科委组织的专家鉴定，纳米TiO2具有较高的化学稳定性、热稳定性、无味、无毒、无刺激性，使用安全，尤其是吸收紫外线能力强，对UVA区和UVB区紫外线都有屏蔽作用，可见光透过率大。采用该项目具有自主知识产权的纳米氧化钛与聚酯原位聚合方法，制备纳米TiO2/聚酯复合材料，真正实现了纳米颗粒在高聚物中的纳米级分散，不仅提高了纺丝效率，而且使材料的力学、热学性能得到了较大提高，织物的紫外线屏蔽指数大于50,在280~400纳米波段紫外线屏蔽率大于95%，紫外线透过率小于3%。据悉，该项目成果可广泛应用于生产帐篷、遮阳伞、夏季女装、野外工作服、训练服、运动服、窗帘织物、广告布等。采用本技术的抗紫外织物还具有防暑、隔热、触感凉爽的性能，特别适宜织造高档T恤衫、运动服、训练服等夏季凉爽面料。据统计，世界功能性纺织品的需求量超过500亿米，我国功能纺织品的需求量近50亿米。纳米TiO2抗紫外纤维技术市场前景将非常广阔。

纳米材料的应用

一、生物学中。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。如在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为5~20 nm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[8]。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。以纳米尺寸去认识生物大分子的精细结构及功能的联系,按人类的意愿进一步裁剪和嫁接,制造出具有特殊功能的生物大分子。生物基因工程由于纳米技术的运用而变得更加可控,人类可以自己控制所需要的生物产品,农、林、牧、副等行业以及人类的食品结构也会随之发生重要变革,用纳米生物工程、纳米化学工程合成的“食品”将极大丰富食品的数量和种类。

(2)医学中。研究人员发现,生物体内的RNA蛋白质复合体,其线度在15~20nm之间,并且生物体内的多种病毒也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小,因而可以在血管中自由流动。如果将超微粒子注入到血液中,输送到人体的各个部位,将可以作为监测和诊断疾病的手段。科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离,用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用等。另外,利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展,现在已用于临床动物实验,估计不久的将来即可服务于人类。

研究纳米技术在生命医学上的应用,可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系,获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人,在血液中循环,对身体各部位进行检测、诊断,并实施特殊治疗,疏通脑血管中的血栓,清除心脏动脉脂肪沉积物,甚至可以用其吞噬病毒,杀死癌细胞。这样在不久的,将来被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解,从而将使医学研究发生一次革命。

二、纳米材料在环保方面的应用

纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;减少水资深消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气污染。

(1)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等。传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,纳米技术的发展和应用可以彻底解 决这一问题。纳米材料在环保中的应用主要与纳米粒子的化学催化和光催化特性有关。除已经提到的光催化降解废水的纳米材料以外,另有许多纳米材料可以用来治理有害气体和废水,并已走出实验室而进入实用阶段。利用纳米TiO2表面具有超亲水性和超亲油性的特点,在玻璃表面涂覆纳米TiO2可以制成自清洁外墙玻璃,具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功能。

(2)在大气污染治理方面。大气污染一直是各国政府需要解决的难题。纳米技术及材料的应用将会为我们解决大气污染问题提供全新的途径。工业生产和汽车使用的汽油、柴油等,在燃烧时会产生二氧化硫气体,这是二氧化硫最大的污染源。复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原性能,是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可彻底解决汽车尾气的污染问题。新装修房间的空气中有机物浓度高于室外,甚至高于工业区,目前已从空气中鉴定出几百种有机物质,其中有些是致癌物。研究表明,纳米二氧化钛可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果几乎可达到100%。

(3)城市固体垃圾处理方面。将纳米技术及材料应用与城市固体垃圾处理,主要表现在两个方面：一方面可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末,除去其中的异物,成为再生原料回收;另一方面,可以应用纳米二氧化钛加速城市垃圾的降解,其降解速度是大颗粒二氧化钛的10倍以上,从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力。

五、纳米材料在其他方面的应用

利用先进的纳米技术,在不久的将来,可制成含有纳米电脑的可人-机对话并具有自我复制能力的纳米装臵,它能在几秒钟内完成数十亿个操作动作。在军事方面,利用昆虫作平台,把分子机器人植入昆虫的神经系统中控制昆虫飞向敌方收集情报,使目标丧失功能。

利用纳米技术还可制成各种分子传感器。和探测器利用纳米羟基磷酸钙为原料,可制作人的牙齿、关节等仿生纳米材料。将药物储存在碳纳米管中,并通过一定的机制来激发药剂的释放,则可控药剂有希望变为现实。另外,还可利用碳纳米管来制作储氢材料,用作燃料汽车的燃料“储备箱”。利用纳米颗粒膜的巨磁阻效应研制高灵敏度的磁传感器;利用具有强红外吸收能力的纳米复合体系来制备红外隐身材料,都是很具有应用前景的技术开发领域。

六、纳米材料的前景

纳米材料的研究,它使人类在改造自然方面进入了一个新的层次,即进入到原子、分子的纳米层次。纳米技术的核心是按人们的意志直接操纵单个原子、分子或原子团、分子团,制造具有特定功能的产品。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分,是有利的作用,还是不利的作用 更难以判断,这不但给某一现象的解释带来困难,同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响,这都是控制工程研究亟待解决的问题。在纳米材料的研究中,目前主要的工作有:一是用纳米材料替代传统材料改善产品品质与性能;另一方面是开发新材料。

纳米材料与纳米技术和我们的生活密切相关，纳米材料已成为当今世界各国研究者热衷的领域。随着研究的深入，纳米材料与纳米技术得到飞速的发展，可以想见，当我们可以自主的控制纳米材料时，我们的生活将发生极大的变化；激动人心的纳米时代已经到来，人们的生活即刻将发生巨大的变化，然而，我们也要清醒地看到，市场上真正成熟的纳米材料并不是很多中科院院士白春礼院士认为，“真正意义的纳米时代还没有到来，我们正在充满信心地迎接纳米时代的到来。” 白春礼说，“人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。”纳米科技发展到今天，距离纳米时代的到来还有多远呢，白春礼说，“纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。”

第五篇：纳米材料在航空航天领域的应用

纳米11

陈美龄

41136025

纳米材料在航空航天领域的应用

学 院：姓 名：学 号：班 级：

——《纳米材料科学与技术前沿》论文

材料科学与工程学院 陈美龄 41136025 纳米11班 2014.7.30 纳米11

陈美龄

41136025

一、摘要：

随着我国社会经济的快速发展，科技技术更新速度日益加快。纳米材料早已渗透到我们人类生活的方方面面，在我们的日常生活中发挥着不可替代的作用。

目前，纳米材料材料研究领域，已经由原来如何方便人类生活、如何开发新型材料，逐步向减少环境负担、材料可循环利用、低能高效的方向发展。同时，随着航天事业的发展，纳米材料材料同样发挥着不可替代的作用。在未来的研究方面，将会是向低碳环保和科技技术方面发展。

本文主要介绍在航天领域方面的热门两种纳米材料。

二、无机抗菌纳米材料

（1）简介

细菌、霉菌、酵竹苗、凛类等_仃害微牛物小仅对人类生活作业境造成污染，而且时人体健康和生命造成严币损害。即使在远离地球的找人航天E行器舱内环境中同样不能丰免。美国载人航无器E行史中，因细菌感染而导致乘员患感冒、尿路感染、皮炎、I I牌，溃疡的病例就打多起。如阿波罗7、8 q曾发生呼吸道感染，9、1I、12、14发生中耳炎，其他E行任务中也牲牛过皮疹等皮肤感染性疾病，P号宅川站乘员留轨期问也有因细菌感染患疵，从而不得不提返航的病例。纳米11

陈美龄

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（2）机抗菌纳米材料材料简介

无机抗菌纳米材料材料就是含有无机抗菌成分并具有抗菌抑菌功能的纳米材料材料。无机抗菌剂是一种新的、含有银、锌、铜等金属离子成分和无机载体的接触型抗菌制剂，其所含金属离子具有超强抗菌能力。

当细菌、霉菌等微生物接触到载体中游离态金属离子后，带正电荷的金属离子与带负电荷的微生物因库仑引力相互吸附，并在微生物表面聚积，在金属离子之正电荷达一定量时，就会有效击穿细菌细胞壁，接触细胞内部蛋白质和核酸，产生化学反应，使蛋白质变性，从而降低蛋白酶活性。蛋白质失活就会影响细胞的代谢和呼吸功能，使其无法进行分裂繁殖，直到死亡，从而达到灭菌、抑菌目的。

（3）分子材料航天应用现状

目前我国己试制和生产出硅、钙、钾三大系列七大类多种抗菌剂，而且还为各种制剂选配了合适载体，较好的解决了部分抗菌纳米材料制品的生产工艺技术难题。如抗菌尼龙丝、聚乙烯板，药品包装材料、食品包装膜、聚丙编织丝料、无纺布、ABS、PS、聚酯泡沫塑料、涂料、空气清新剂等多种抗菌制品，经过进一步严格筛试，均可应用于载人航天技术领域。

为给乘员创建安全可靠工作条件和舒适方便的生活环境，纳米材 纳米11

陈美龄

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料聚合材料越来越多的运用于载人航天舱内设备。航天服就用到多种经特殊处理的保温耐压纳米材料材料。又如头盔及其面窗材料，通信用麦克和耳机材料，飞行程序控制用计算机壳体、操作键盘，各种连接导线和电缆，多种非金属餐饮、复水器具，食品、饮料及药品包装材料，废物和大小便收集存贮装置，尿液及航天废水再生处理用过滤、透析膜材料,吸水材料，保温材料，各种通用工具及设备的操作把手，各种通风排气复合软管材料，减震保温用发泡材料，有时电热设备的绝缘隔热层也不得不用纳米材料材料制成。纳米材料材料为人类创建生活和工作便利的同时，同样也会遭受有害菌侵蚀，不仅损害材料外观，而且严重损害到材料质量，甚至通过交叉传播殃及人体健康。据调查，105 f-1电话中46％的机子上有大肠杆菌，仅在塑料听筒、话筒上就有480余种细菌和2400种病毒。有害微生物的繁衍速度很快，在适宜条件下，一个大肠杆菌经9个小时可达1亿个之多。

三、聚磷腈在航空航天中的应用

（1）简介

在现代材料科学与技术发展历程中，航空航天材料一直扮演着先导性角色，材料进步不仅推动了航空航天业本身的发展，也带动了地面交通工具进步，航空航天材料反映了材料发展的前沿，代表一个国家材料的最高水平。航空航天材料主要要求是抗疲劳、耐高温、耐腐蚀、长寿命等。纳米11

陈美龄

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（2）聚磷腈材料在航空航天领域中的应用

1、在织物阻燃中

航空航天领域织物包括降落伞和宇航服装，要求材料具有高的阻燃和耐热性能，以满足特殊条件下的使用。

刘霞等人通过热重分析(TGA)、差热分析(DTA)，红外光谱(IR)等详细研究了TAP对织物阻燃性能的影响。当添加质量分数为l7％ 时，成率(燃烧分解后剩余质量占原来质量的分数)为39％，氧指数为47。5，手感好，强度损失小，水平点燃有自熄性。国外有人对TAP(日本曹达公司产品)的水合物和盐酸盐进行研究。经TAP化合物阻燃整理的棉纤维性能见表1。

由表1可知，经TAP化合物整理后，棉缎具有高的耐洗性和耐久性，阻燃效果明显，基于增质量率和不同条件下的极限氧指数(iO0最高达到39。TAP化合物与防火整理剂(丙烷一派罗伐特克斯，cp)进一步经热分析对比，发现CP在受热过程中发生放热分解。TAP化合物在受热过程中，由于放出HCI和NH 而发生吸热，且TAP在纤维素中发生缩聚反应(如图3所示)，在酸催化作用下，脱除NH，而发生缩聚，生成不溶于水的聚合物，从而赋予纤维以持久的阻燃性。用TAP化合物进行阻燃整理有如下优点：赋予棉纤维以持久阻燃性；不会游离出甲醛；经整理的布手感柔软，强度保持率(经向)高达90％；不变色；由于不含卤素，燃烧时不会产生卤素气体和卤化氢气体。此 外，TAP对人造纤维、棉针织物、丝绸有防缩整理效果。纳米11

陈美龄

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2、在阻燃泡沫橡胶中

美联邦航空局的Richard等人对高效阻燃聚磷腈泡沫材料进行了测试。聚磷腈材料与其他材料相Ii试数据见表2.前者的热性能显示了非常大的优势，EYPEL—A热释放能力比航空用Pu橡胶降低了66．4％，膨胀石墨改性聚磷腈橡胶的 更是降低了80．7％。从反应材料阻燃性的成炭率可看出：EYPEL—A比航空用Pu橡胶的成炭率提高9倍，膨胀石墨改性聚磷腈橡胶更是提高了近20倍。另外聚磷腈材料的燃烧性能更为优越(表3)，与Pu相比，燃烧时聚磷腈材料最大热释放速率降低70％，平均有效燃烧热量降低37．5％，显著降低燃烧释放出的热量，减少燃烧造成的损失，石墨改性的聚磷腈性能则更优。6 纳米11

陈美龄

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3、在胶黏剂中

聚磷腈胶黏剂[1 具有突出的耐热性能，300度以上有较好的耐热性和黏结一IIii(对金属粘接剪切强度为200MPa以上)，并且其抗冲击韧性比无机盐胶黏剂好得多。聚磷腈胶黏剂主要用于高温作业下如火箭、导弹、飞机等有关耐高温部件的金属、陶瓷和玻璃钢等工件的粘接。典型的聚磷腈胶黏剂合成见图4。纳米11

陈美龄

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四、结语

纳米材料也叫做聚合物材料，通常是指由千万个小分子有化学键连接而成的大分子聚合物。我们生活中应用的纳米材料材料就是指合成材料、合成橡胶、合成纤维等合成纳米材料材料。然而20世纪60年代，纳米材料工业已基本完善，解决了人们的衣着、日用品、和工业材料等需求。因此，在未来的纳米材料航空航天应用领域，纳米材料材料功能化、纳米纳米材料材料复合技术以及可降解生物纳米材料材料研发将是三个重要的研究领域。

五、参考文献

（1）许胜国，魏民，赵成坚，谢琼-中国宇航学会首届学术年会论文集，无机抗菌纳米材料材料在载人航天技术中的应用前景。（2）李爱元，张慧波，陈亚东，王建-《胶体与聚合物》，聚磷腈纳米材料材料在航空航天领域中的应用。