08化本班 05号 黄榕 纳米材料在陶瓷领域的应用新进展

第一篇：08化本班 05号 黄榕 纳米材料在陶瓷领域的应用新进展

纳米材料在陶瓷领域的应用新进展

黄榕

（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）

摘要:纳米陶瓷是近几年来发展起来的先进材料,受纳米微粒基本物理效应的作用,在力、光、电、热、磁等方面具有许多优异性能,特别是室温超塑性、高韧性、低温易烧结等潜在性能将大大拓宽陶瓷材料的应用领域[1]。

关键词:纳米陶瓷;性能;应用

1.引言

先进陶瓷材料在高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，然而，脆性是陶瓷材料难以克服的弱点。英国材料学家Cahn曾评述，通过改进工艺和化学组分等方法来克服陶瓷脆性的尝试都不太理想，无论是固溶掺杂的氮化硅、相变增韧的氧化锆要在实际中作为陶瓷发动机材料还不能实现。纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径之一[2]。随着纳米技术的广泛应用,纳米陶瓷随之产生,希望以此来克服传统陶瓷的脆性,使其具有像金属一样的柔韧性和可加工性。与传统陶瓷相比，纳米陶瓷的原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出较好的韧性与一定的延展性，因而从根本上解决了陶瓷材料的脆性问题。2.纳米技术与纳米陶瓷

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料-纳米氧化锆（VK-R50）是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世纪80年代中期发展起来的新型陶瓷材料。由于纳米陶瓷晶粒的细化，晶界数量大幅度增加，可使材料的韧性和塑性大为提高并对材料的电学、热学、磁学、光学等性能产生重要的影响，从而呈现出与传统陶瓷不同的独特性能，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域[3]。

2.1 纳米陶瓷的性能

(1)纳米陶瓷材料具有极小的粒径、大的比表面积和高的化学性能，可以降低材料的烧结致密化程度、节约能源；

(2)使材料的组成结构致密化、均匀化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；(3)可以从纳米材料的结构层次(1～100 nm)上控制材料的成分和结构，有利于充分发挥陶瓷材料的潜在性能，而使纳米材料的组织结构和性能的定向设计成为可能。

另外，陶瓷是由陶瓷原料成型后烧结而成的，而且陶瓷粉料的颗粒大小决定了陶瓷材料的微观结构和宏观性能。如果粉料的颗粒堆积均匀、烧成收缩一致且晶粒均匀长大，则颗粒越小产生的缺陷就越小，所制备的材料的强度就相应越高，这就可能出现一些大颗粒材料所不具备的独特性能。纳米陶瓷最重要的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度、断裂韧度和低温延展性等，特别是在高温下使硬度、强度得以较大的提高[4]。

2.2 纳米陶瓷的研发

纳米陶瓷具有类似于金属的超塑性是纳米材料研究中令人注目的焦点。例如，纳米氟化钙和纳米氧化钛陶瓷在室温下即可发生塑性形变，180℃时，塑性形变可达100%。存在预制裂纹的试样在180℃下弯曲时，也不发生裂纹扩展。九十年代初，日本的新原皓一（Niihara）报道用纳米SiC颗粒复合氧化铝材料的强度可达到1GPa以上，而常规的氧化铝基陶瓷强度只有350-600MPa。Al2O3/SiC纳米复合材料在1300℃氩气中退火2小时后强度提高到1.5GPa，它的高力学性能是与纳米复相陶瓷的精细显微结构直接相关的。德国马普冶金材料研究所的科研人员将聚甲基硅氮烷在高温下裂解后，制得的-Si3N4微米晶与-SiC纳米晶复合陶瓷材料。它具有良好的高温抗氧化性能，可在1600℃的高温使用（氮化硅材料的最高使用温度一般为1200-1300℃）。他们最新进展是通过添加硼化物提高材料的热稳定性，利用生成BN的包覆作用稳定纳米氮化硅晶粒，将这种Si-B-C-N陶瓷的使用温度进一步提高到2000℃，这是迄今国际上使用温度最高的块体陶瓷材料[2]。3.纳米陶瓷的应用

3.1 纳米陶瓷在军事领域中的应用及趋势

虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、拉弯强度、断裂韧性使其在切削工具、轴承、发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。

3.1.1 防护材料

普通陶瓷在被用作防护材料时，由于其韧性差，受到弹丸撞击后容易在撞击区出现显微破坏、垮晶、界面破坏、裂纹扩展等一系列破坏过程，从而降低了陶瓷材料的抗弹性能。纳米陶瓷高活性和耐冲击的性能，可有效提高主战坦克复合装甲的抗弹能力；增强速射武器陶瓷衬管的抗烧蚀性和抗冲击性；由防弹陶瓷外层和碳纳米管复合材料作衬底，可制成坚硬如钢的防弹背心；在高射武器方面如火炮、鱼雷等，纳米陶瓷可提高其抗烧结冲击能力，延长使用寿命。目前，国外复合装甲已经采用高性能的高弹材料。在未来的战争中，若能把纳米陶瓷用于车辆装甲防护，会具有更好抗弹、抗爆震、抗击穿的能力，提供更为有力的保护。3.1.2 吸波材料

陶瓷材料除具有优良的力学性能和热物理性能外，高的机械强度、化学稳定性好，同时又具有吸波功能，能满足隐身要求，已被广泛用作吸收剂。据报道，F-117隐身飞机的尾喷管上用的就是陶瓷吸波材料，可以承受1093℃的高温，法国采用陶瓷复合纤维也制造出了无人驾驶的隐身飞机。随着技术的进步，吸波材料向“薄”、“轻”化发展；兼容吸收毫米波、厘米波和米波；追求宽频带吸收。而纳米材料在这方面具有得天独厚的条件：良好的吸波性能；宽频带、兼容性好、质量轻、厚度薄等特点，使得纳米陶瓷材料成为陶瓷吸波材料研究重要方向之一。目前研究较多的纳米碳化硅陶瓷吸波材料，不仅吸波性能好、能减弱发动机红外信号，而且具有密度小、强度高、韧性好、电阻率大等特点，是国内外发展很快的吸收剂之一[5]。3.2 纳米陶瓷粉体在日用功能制品领域中的应用

高性能的纳米陶瓷粉体材料具有其多种奇特和优良的功能特性，在国外最先应用于军事领域，或以军事为背景的电子、信息、航空和航天等领域，随后逐渐向民用领域发展，在军事、能源、化学化工、敏感材料、光电、环保食品和生物医药等国民经济的各个领域有着十分广阔的应用前景，在人们的日用生活制品领域可涉及衣、食、住、行的各个方面，可显著地改善人们的生活环境、身体健康和生活质量。目前在纺织纤维、塑料橡胶、日用化学、饮食容器、建筑涂料、家用电器和陶瓷制品中，已有许多相关纳米陶瓷功能产品问世并开始销售。这些产品大多由于采用纳米材料，其纳米效应（量子尺寸效应等）使得其制品具有奇异和优良的光电特性和化学活，如电饭煲、电压力锅的内锅需要采用纳米陶瓷涂料。该项目研制的涂料采用无机质的陶瓷经过纳米技术处理和机能性添加剂结合，加水分解和缩合过程后，最终形成精密的、高强度的纳米陶瓷涂料，以金属为基质的内锅表面经过超硬化处理后，在低温下（200摄氏度以下）固化成形，表面硬度高，无任何毒性和腐蚀性物质，无任何气味，具有节能、耐高温、不粘、安全等特点。采用纹路技术的电饭煲、电压力锅的风锅，其特征在于锅体内壁均布多边形或圆形或椭圆形凹槽，特点是内锅加热辐射面积增加，扩大内锅受热面积，节约热源。大米或烹饪的食物与锅体均布有间隙，水填充其中，加热时水汽传热更充分，底部受热均匀，不糊底[6]。

3.3 纳米陶瓷在汽车工业中的应用 纳米陶瓷不仅由于其烧成温度降低数百度而使能耗大幅度减少，成本降低，有利于推广应用，还因为纳米陶瓷有其独特的与传统陶瓷无与伦比的优良性能而将会被广泛应用。比如，纳米陶瓷由于具有高硬度、低温、超塑性、高韧性、耐磨性以及耐高温高压性、抗腐性、气敏性、易加工可切削性等性能而拓展了它在汽车工业中应用的领域。

(l)纳米陶瓷既可作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶等材料，又可作氧传感器材料以用于检测汽车尾气，还可制造用于燃料电池汽车中的高温燃料电池。如纳米ZrO陶瓷材料等。用纳米陶瓷作为气缸内衬材料时，因耐高温且高温高强，可促使燃料燃烧，使燃料的热效率提高。

(2)纳米陶瓷作为汽车发动机的零部件材料和抗腐蚀材料，如纳米Si3N;陶瓷等。(3)纳米陶瓷粒子涂覆于汽车玻璃表面可起到防污和防雾、隔热作用，还具有保洁杀菌功能。

(4)纳米陶瓷粒子掺入高分子塑料和橡胶中能显著提高拉伸强度、冲击韧性、弹性模量、静电屏蔽性和耐老化性、阻燃自熄灭性，不仅汽车内饰材料轻便化、抗菌自洁、抗静电、防变脆，降低材料破坏速率和摩擦磨损，还可以阻燃防火，使轮胎使用寿命延长;掺入油漆中，不仅能抗老化变脆、防脱落，极大地提高粘接性能、耐污染性能和汽车面漆的耐候性能，而且还具有吸波隐身功能和自修补功能。

(5)纳米陶瓷具有特殊的的磁学性能，可作为磁致冷的工作物质。

(6)纳米陶瓷粉体引起耐磨损、减摩擦等性质，可作抗磨减磨的润滑材料，且润滑效果很好[7]。

3.4 纳米陶瓷在轴承工业中的应用

轴承在机械工业中的应用极其广泛.传统的轴承材料多为金属，以油作为润滑介质.但上述材料和工况下的轴承有许多缺点，如成本高、结构复杂、污染环境等，已愈来愈不能满足实际工作的需要.陶瓷材料具有高硬度、耐高温、耐腐蚀、刚度高、热膨胀系数小、导热性好、比重小、耐磨等诸多优点，和传统轴承材料相比，它特别适用于高温、高速、强磁场及腐蚀性环境等特殊场合.目前，陶瓷材料己被成功地用来制造机床的滚动轴承、水泵的滑动轴承等.如水泵中的陶瓷滑动轴承，由于它能够在含有泥沙类固相颗粒的液体中运转，并且具有良好的耐腐蚀性，因而对于直接输送海水或江水的船用泵来说，具有特别重要的意义;加之良好的导热性能，使泵在一定的干运转期间，不会因过高的温升而发生烧毁.为使陶瓷材料在轴承工业中得到更广泛地应用，除了良好自润滑效果外，关键问题就是提高陶瓷材料的韧性.使用纳米陶瓷就是提高陶瓷材料韧性(同时提高强度等综合性能)的有效办法之一目前纳米陶瓷在轴承中的应用主要有以下几个方面: l)制成全陶瓷的纳米陶瓷，使制品与常规陶瓷材料相比，其综合性能，尤其是断裂韧性有大幅度的提高;2)将纳米陶瓷添加到橡胶等轴承材料中，改善原材料的强度和耐磨性;3)通过在原轴承材料表面涂覆纳米陶瓷涂层，提高原轴承材料的耐磨性和使用寿命[8]。

4.结语

纳米陶瓷作为一种新型高性能陶瓷，是近年发展起来的一门全新的、将成为新世纪重要的高新技术产品产业，越来越受到世界各国科学家的关注。纳米陶瓷的研究与发展必将引起陶器工业的发展与变革。目前，国外纳米陶瓷已开始产业化，但我国还处于陶瓷纳米粉体的研制阶段。纳米陶瓷要真正使产业化，还需社会各界共同努力，产学研共携手。加快科技成果的转化。纳米陶瓷以其巨大的潜在的优异性能，特别是超塑性，高韧性以及低温烧结性等，给陶瓷工业注入了新的活力。如纳米陶瓷在建筑行业、电子领域、生物领域、军事领域、精密设备领域、环保领域以及在某些领域中的抗菌方面都有广泛的应用。随着社会对高性能陶瓷的要求，纳米陶瓷将具有令人瞩目的前景，市场潜力巨大。

参考文献：

[1]王献忠.纳米陶瓷研究现状及技术发展[J].萍乡高等专科学校学报 2005，4 [2]翟华嶂,李建保,黄勇.纳米材料和纳米科技的进展、应用及产业化现状[J].清华大学新型陶瓷与精细化工国家重点实验室,2002.[3]Hayashi H, Kishida M, Wakabayashi K.Metal-support in-teraction and catalysis of the catalysts prepared using micro-emulsion.Catalysis Surveys Jap, 2002, 6(2): 9 [4]肖长江,邓相荣,栗正新.纳米陶瓷的特性和烧结.佛山陶瓷,2010 [5]江炎兰,王杰.纳米陶瓷材料的性能、制备及其在军事领域的应用前景[J].海军航空工程学院学报 2006,21(1)[6]康军军.纳米陶瓷的性能及其应用.材料物理,2008 [7]张先禹,浦鸿汀,王莹,杨妙粱.纳米陶瓷及其在汽车工业中的应用[J].上海汽车,2003,9:35-37 [8]吴光杰,王海宝.纳米陶瓷及其在轴承工业中的应用[J].西南民族大学学报,自然科学版 2003,3(29):341-343

第二篇：08化本班 黄榕 05号 浅谈我国表面工程技术发展现状及趋势[推荐]

浅谈我国表面工程技术发展现状及趋势

黄榕

（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）

摘要：表面工程技术的发展对工业生产和国民经济建设具有重大意义。本文简要介绍了表面工程技术的概念也特点以及我国表面工程技术发展现状及趋势。关键词：表面工程技术;发展现状

0 引言

表面工程是个涉及面极其广泛的综合性边缘学科，它的发展不仅在学术上丰富了材料科学、冶金学、机械学、电子学、物理学、化学、摩擦学等基础学科，开辟了新的研究领域，而且在实际应用上，为工业生产和国民经济建设做出了重要贡献。

现代工业的发展，对各种设备零部件表面性能的要求越来越高，材料的失效，如，疲劳、磨损、腐蚀、氧化、烧损以及辐射损伤等，一般都是从表面开始的，表面的局部损坏又很快造成整个零件失效，最终导致设备停产。由表面失效带来的破坏和损失是很惊人的。中国机械工业每年所用的钢材，约有1/2是消耗在备件的生产上，备件中的大部分是由于磨损寿命不高而失效的。因此，采用表面技术，根据需要，改善材料的表面性能，会有效地延长使用寿命，节约资源，提高生产力，减少环境污染。

另一方面，表面工程技术也逐步发展成为新型材料制备工艺，其中，既有作为体材料的制备工艺，如，电铸成型、气相沉积特种材料(热解石墨、六方氮化硼、碳化硅)、喷射成型等，又有薄膜和微细加工工艺。后一类技术正致力于向更低的特征尺寸扩展，使得先进的微小尺度特征表面工程技术正在逐步成为支撑IC产业发展的微/纳技术的重要组成部分。

表面工程具有学科的综合性、手段的多样性、广泛的功能性、潜在的创新性、环境 的保护性、很强的实用性和巨大的增效性，是当代材料科学技术、低温等离子体、真空科技等高技术的重要交叉领域和发展前沿。先进表面工程技术已成为现代制造业中一个重要的分支。

[1]1 表面工程

1.1 表面工程的概念与特点

表面工程，是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面工程技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需要表面性能的系统工程。表面工程是由多个学科交叉、综合而发展起来的新兴学科，它以“表面”为研究核心，在有关学科理论的基础上，根据零件表面的失效机制，以应用各种表面工程技术及其复合为特色，逐步形成了与其它学科密切相关的表面工程基础理论。表面工程的最大优势是能够以多种方法制备出优于本体材料性能的表面功能薄层，赋予零件耐高温、防腐蚀、耐磨损、抗疲劳、防辐射等性能，这层表面材料与制作部件的整体材料相比，厚度薄，面积小，但却承担着工作部件的主要功能。

国家的节能节材“九五”规划中曾将表面工程应用作为重大措施之一，并列为节能、节材示范项目。材料表面改性作为传统材料性能优化的基础研究也被列入国家自然科学基金“九五”、“十五”优先资助域。由于表面工程的显著作用和重要地位，许多先进的表面工程技术及其基础理论研究被列入了国家“973”项目、国家重大技术创新项目、国家重点科技攻关项目等。例如，全军装备维修表面工程研究中心研究开发的高速电弧喷涂技术已经被列入国家重大技术创新项目和国家“九五”重点科技攻关项目。表面工程适合当今国际社会技术和经济发展的要求，符合可持续发展战略，体现了科技尽快转化为生产力的要求。近年来，复合表面工程和纳米表面工程已成为表面工程领域新的研究发展方向。1.2 表面工程技术体系

20世纪60—70年代，电子束、激光束、离子束技术的实用化并进入材料表面界面加工技术领域，使表面技术发生了突破性的进展。表面工程技术在机械制造、冶金、电子、汽车与船舶制造、能源与动力航空航天工业等领域中均起到了举足轻重的作用。表面工程已成为世界上20世纪80年代10项关键技术之一及20世纪90年代加强研究的9项科技项目之一，并形成了跨多种学科的一门边缘科学，成为涵盖材料科学、物理、化学、冶金、机械、电子与生物等领域的新型的交叉科学。

表面工程技术的体系如下图：

[3][2]我国表面工程技术发展

表面工程技术的应用，至今已经历了数千年的历史。中国在战国时代已经开始对钢进行淬火，并利用大豆中分解出来的N，C元素富化烧红的铁剑表面，以增强其强度和韧性。但总体上看，表 面技术的发展是缓慢的，种技术也局限于具体的应用中而互不关联没有形成完整的学科系统。直至20世纪后半叶，随着世界经济与技术的迅速发展，新型的表面技术蓬勃发展，各种学科和技术相互交叉渗透，表面工程学应运而生。目前，表面技术在制造业中举足轻重，已成为当今世界的关键技术之一。[1]2.1 复合表面工程技术

表面工程技术的复合，能够形成新的涂层体系，并建立表面工程新领域。单一的表面工程技术由于其固有的局限性，往往不能满足日益苛刻工况条件的要求。随着科学技术的进步，又发展了综合运用两种或多种表面工程技术的复合表面工程技术，或称为第 2 代表面工程技术，这种复合表面工程技术，通过最佳协同效应，获得了“1+1>2”的效果，解决了一系列高新技术发展中特殊的工程技术难题。

目前，复合表面工程技术的研究和应用已取得了重大进展，如热喷涂与激光重熔的复合、热喷涂与刷镀的复合、化学热处理与电镀的复合、表面强化与喷丸强化的复合、表面强化与固体润滑的复合、多层簿膜技术的复合、金属材料基体与非金属材料涂层的复合等，复合技术使本体材料的表面簿层，具有了更加卓越的性能。采用金属―油漆涂层，可以在不需要维修的情况下使用25—40年，使油漆层获得最充分的应用年限；此外还有，对金属基体进行先期淬火渗碳处理，然后在渗碳层表面再进行钛沉积；采用加热和热化学的方法对表面淬火层进行抛光；综合应用渗氮处理和渗硼处理；采用PVD和CVD的方法进行真空沉积涂层，并同时进行离子注入；等离子加热与渗碳结合同时用于处理材料的表面等复合技术。

复合表面工程技术将在新世纪中不断得到发展，今后将根据产品的需要，进一步研究运用各种表面工程技术综合或复合，以达到最佳的优化效果。2.2 纳米表面工程技术

在理论研究与实践应用的基础上，“纳米表面工程”的新领域应运而生。纳米表面工程是以纳米材料和其它低维非平衡材料为基础，通过特定的加工技术或手段，对固体表面进行强化、改性、超精细加工或赋予表面新功能的系统工程。表面工程中纳米材料研究的基础问题：①纳米材料覆层与基体的表面、界面问题；②纳米材料在表面工程覆层制备动态过程中的冶金、化学、物理等过程；③表面覆层中纳米材料与其它材料之间的协同效应。

从1997年开始，全军装备维修表面工程研究中心在国内首先提出了“纳米表面工程” 的概念，并开展了纳米粉末表面工程的研究工作，主要包括：纳米粘接剂技术、纳米电刷镀技术、纳米添加剂技术、纳米固体润滑干膜技术、纳米热喷涂技术和纳米涂料技术等。2.2.1 纳米热喷涂技术

热喷涂技术在表面工程领域中应用十分广泛,如超音速火焰喷涂(HVOF)、高速电弧喷涂、气体爆燃式喷涂、电熔爆炸喷涂、超音速等离子喷涂和真空等离子喷涂等。纳米热喷涂技术就是以现有热喷涂技术为基础，通过喷涂纳米材料而得到纳米涂层。

热喷涂纳米涂层可分三类：单一纳米材料涂层体系；两种(或多种)纳米材料构成的复合涂层体系；添加纳米颗粒材料的复合体系，其中添加陶瓷或金属陶瓷颗粒的复合体系较容易实现。目前，完全的纳米材料涂层由于技术繁杂、难度大，离应用还有相当距离。大部分的研究开发工作集中在第三种，即在传统涂覆层技术基础上，添加复合纳米材料，可在较低成本下，使涂覆层功能得到显著提高。

纳米热喷涂技术为零件表面强化提供了最新技术手段，提升了装备再制造的技术水平，扩大了装备再制造的使用范围，使重要装备关键零部件的再制造成为可能，效果非常显著。

[5]

[4]2.2.2 纳米电刷镀技术

电刷镀技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度快和镀层种类多等优点，被广泛应用于机械零件表面修复与强化，尤其适用于现场及野外抢修。纳米电刷镀就是在镀液中添加了特种纳米颗粒的新型电刷镀技术。装备再制造技术国防科技重点实验室的研究表明，纳米电刷镀复合涂层可显著提高材料的摩擦学性能，尤其提高了耐高温磨损及抗接触疲劳性能。例如在快速镍镀层中添加经改性处理的纳米Al2O3、SiC和金刚石粉后，其显微硬度和抗微动磨损性能明显高于传统快速镍刷镀层。纳米电刷镀层的硬度是不含纳米颗粒电刷镀层的1.5—1.7倍，耐磨性是1.6—2.5倍，抗接触疲劳寿命由105周次提高到106周次，可服役温度由200℃提高到400℃。纳米电刷镀技术已在装备再制造中得到具体运用，解决了重载车辆、舰船和飞机发动机再制造中的一些关键技术难题。2.2.3 纳米固体润滑技术

固体润滑是指利用固体材料本身的润滑性来减轻接触表面之间磨损程度的润滑方式，它是对流体润滑的有力补充，一般用于高温、高负荷、超低温、超高真空、强氧化和强辐射等特殊工况。固体润滑不仅可用于无油润滑的千摩擦场合，也可以广泛用于有油润滑的情况，形成润滑效果更好的“流体+固体”的混合润滑。对黑色金属材料进行低温离子渗硫处理，可在材料表面得到厚度不超过10um，并具有纳米结构特征的FeS固体润滑涂层。纳米固体润滑技术已用于发动机缸套一活塞环、喷油嘴针阀及滚动轴承等精密偶件的减摩，寿命延长均在1倍以上。2.2.4 纳米粘接技术

纳米粘接技术是指将特殊功能纳米颗粒和常规填料(如石墨、二硫化钼、陶瓷粉末等)与高分子聚合物相混合并涂敷于零件表面实现特定用途(如耐磨、抗蚀等)的一种表面工程技术。例如，含纳米金刚石的胶粘剂具有优异的耐磨性和很高的胶接强度，耐磨性和胶接强度随着纳米金刚石粉在胶粘剂中加入量的增加而增加，当加入量为8％时，耐磨性是未添加的2.2倍，拉伸强度可达50 MPa，比未添加的提高27.5％。[7]

[6]3 表面工程技术发展趋势

3.1 不断将各种先进技术应用到表面工程领域

为了追赶世界科技发展速度，使我国的科技发展立于世界科技发展的前沿，我国不仅要把先进制造技术列入国家“十五”科技计划体系，实现制造强国和制造大国的目标，而且针对我国国情，更要进一步把“再制造工程”列入国家重要科技发展专项计划中，才能真正使这项利国、利民、功在当代、利在千秋的任务落实在实处。要促进表面工程的发展，就必须将相关领域的最新研究成果不断应用于表面工程技术领域。

随着计算机的广泛应用和推广，在表面工程领域中将不断应用该领域的研究成果。例如发展数值模拟的方法设计表面工程技术，并完善表面工程技术设计。

推广机械化、自动化的表面涂层制备方法，特别在加工复杂形状零件及危害操作者的身体健康时，推广将十分有益。

3.2 发展节能、节材、降耗、少污染的表面工程技术

20世纪全球经济高速发展，与此同时，对自然资源的任意开发和对环境的无偿利用，造成全球生态破坏、资源浪费和短缺、环境污染等重大问题。其中机电产品制造业是最大的资源使用者，也是最大的环境污染源之一。据统计，1996年全球有2 400万辆汽车报废 到，2000年全球将有2000万台计算机被淘汰。随着21世纪到来以优质、高效、节能、节材为目标的先进制造技术得到了快速发展，发展节能、节材、降耗、少污染的表面工程技术成为社会的重要课题。

低能耗的表面工程技术，例如通过大气或真空等方法代替盐浴池处理；采用高能量（但能耗低），光束方法及技术（如激光、电子、离子、等离子体），在表面工程技术中尽量减少涂层材料及基体材料的消耗。[4]4 总结

随着人们对低成本、高性能产品的追求，对产品外观的美、对环境协调美以及生态平衡美的追求，21世纪任何工程、任何产品的设计将会也必然会将表面设计纳入总体设计中，表面工程技术也将会充分发挥其独特的作用。同时，这种理念也将进一步反作用于表面工程学，使其自身得以更为迅猛的发展。[3]参考文献：

[1] 梁文萍,缪强,张平则,姚正军.先进表面工程技术的发展前沿[A].山西能源与节能 2010(4):72-86.[2] 徐滨士.表面工程和再制造工的现状及展望[A].材料工程 2003:1-6.[3] 孙宜华.材料的表面工程技术[A].中国资源综合利用 2002(11):42-44.[4] 俆滨士,张振学,马世宁,刘世参,朱胜,张伟.新世纪表面工程展望[J].中国表面工程2000(1):2-6.[5] 徐滨士,马世宁,梁秀兵,董世运.表面工程的进展[A].金属热处理 2002,27(7):1-3.[6] 徐滨士,刘世参,梁秀兵.纳米表面工程的进展与展望[J].机械工程学报 2003,39(10):21-26.[7] 海斗,庄大明,王昆林等．高速钢离子渗硫层的千摩擦学性能研究[J].摩擦学学报 2002(4)：250-253.

第三篇：08化本班 05号 黄榕 我国绿色化学学科发展

我国绿色化学学科发展现状

黄榕

（琼州学院理工学院 海南 五指山 572200）

摘要：绿色化学是知识经济时代化学工业发展的必然趋势，是我国化学研究的前沿领域。本文介绍了近年来我国绿色化学学科在可再生资源、原子经济反应、环境友好或可循环使用的新材料、环保新汽油等方面的发展。

关键字：绿色化学；研究；发展现状

1.引言

化学是中心科学,它联系自然科学的方方面面,包括数学、物理、生物与生命、能源和环境、地质和矿产等；一些重大的工业生产过程(如冶金、陶瓷、聚合物、化肥、医药、化妆品等),甚至是火箭和卫星的发射,都是基于化学反应的过程。全球化学工业每年有18410亿欧元的交易额，占全球贸易额的9%，创造着全球收入的4%～5%。化学为整个自然科学和社会科学的进步、全球经济发展、社会进步和人类生活水平的提高作出了重大贡献[1]。

目前,化学已经渗透到人类生产、生活和国民经济的各个领域。在化学科学和化学知识为人类带来无数便利和希望的同时,它也带给了人类浓浓的烟尘、形形色色的废弃物, 还有看不见的毒物。

人类正面临有史以来最严重的环境危机,环保问题成为影响经济与社会发展的重要问题之一。发达国家对环境的治理,已开始从治标,即从末端治理污染转向治本,即开发清洁工业技术,消减污染源头,生产环境友好产品。“绿色技术”已成为21世纪化工技术与化学研究的热点和重要科技前沿。2.绿色化学概念及意义

绿色化学设计研究没有或尽可能小的环境副作用，并在技术上、经济上可行的化学品和化学过程。它是实现污染预防的基本和重要的科学手段。绿色化学研究的内容显然要包括化学反应(化工生产)过程的三个基本要素: 一是研究、变换、设计、选择对人类健康和环境友好的原材料或起始物；二是研究最好的转换反应和催化剂；三是设计或重新设计对人类健康和环境更安全的目标化合物(产品)。目前绿色化学的研究重点是:(1)设计或重新设计对人类健康和环境更安全的化合物，这是绿色化学的关键部分；(2)探求新的、更安全的、对环境更友好的化学合成路线和生产工艺，这可从研究、变换基本原料和起始化合物以及引入新试剂入手；(3)改善化学反应条件, 降低对人类健康和环境的危害, 减少废弃物的产生和排放[2]。3.我国绿色化学的研究重点

近年来我国在绿色化学方面的活动也逐渐活跃。1995年，中国科学院化学部确定了《绿色化学与技术一推进化工生产可持续发展的途径》的院士咨询课题，并建议“国家科技部组织调研，将绿色化学与技术研究工作列入‘九五’基础研究规划”；1996年，召开了“工业生产中绿色化学与技术”研讨会，并出版“绿色化学与技术研讨会学术报告汇编”。1997年国家自然科学基金委员会与中国石油化工集团联合资助了“九五”重大基础研究项目“环境友好石油化工催化化学与化学反应工程”；中国科技大学绿色科技与开发中心在该校举行了主题讨论会，并出版了“当前绿色科技中的一些重大问题”论文集；香山科学会议以“可持续发展问题对科学的挑战--绿色化学”为主题召开了第72次学术讨论会。1998年，在合肥举办了首届国际绿色化学高级研讨会；《化学进展》杂志出版“绿色化学与技术”专集；四川联合大学也成立了绿色化学与技术研究中心，1999年，国家自然科学基金委设立了“用金属有机化学研究绿色化学中的基本问题”的重点项目。5月，在成都举办了第二届国际绿色化学高级研讨会，出版了《绿色化学与技术》专著。12月，在北京九华山庄举行了第16次九华科学论坛，会议从科学发展和国家长远需求的战略高度，对绿色化学的基本科学问题进行了充分的研讨和论证，初步提出了绿色化学近期研究工作重点，即：(1)绿色合成技术、方法学和过程的研究，主要包括反应方法学特别是原子经济反应和高选择性、高转化率反应；高效均相和多相的不对称催化反应；酶催化和仿生催化；环境友好介质和原料等；（2）可再生资源的利用和转化中的基本科学问题，包括生物质和酶分子“手性”和类似手性的空间构型选择性的化学物理本质；主要生物质和酶分子在酶催化转化过程中“构一效关系”；生物质各种成分的分级多层次转化机理、途径及其高效综合利用；天然高分子的化学与物理改性，制备与环境相容的可生物降解新材料等。（3）绿色化学在矿物资源高效利用中的关键科学问题。包括复杂矿物的相结构、性能及多组元间相互作用与自催化特性；多元素拟均相“原子经济”反应及高选择性分离；生物分离提取矿物的选择性催化与生物转化机制；介质和工业代谢产物的循环再生及零排放系统设计等[3]。4.我国绿色化学发展现状

绿色化学化工研究所追求的目标是: 淘汰有毒原材料，探求新的合成路线，采用无污染的反应途径和工艺，能最大限度地减少“三废”，并实行“原材料遴选——产品生成——产品使用——循环再利用”全过程控制。绿色化学技术的发展和应用不但能提高生产效率和优化产品, 而且能提高资源和能源的利用率, 减轻污染负荷, 从而大幅度提高生产的社会和经济效益。因此，绿色化学与技术的推广应用使环境—经济性(而不再仅是经济性)成为技术创新的主要推动力。近十多年来，绿色化学在生物质的利用、原子经济性工艺设计等诸多领域取得了一系列研究成果[4]。4.1 可再生资源——生物质的利用

地球上的植物通过光合作用每年生产2000亿吨的生物质，其中被人类利用的仅占3%～4%。生物质的利用对可持续发展和降低全球温室效应起着重要的作用。它的两个主要的开发领域是: ①生物质直接或间接地用作能源； ②生物质用作化学品、材料或产品的资源。对化学工业来说，目前集中在三个研究、开发领域: ①取代石化原料用作可再生的原料；②生物过程取代传统的化学过程制备有机物和其他化学品； ③开发新的生物产品。以生物质为原料、酶为催化剂，生产有机化合物，因其条件温和、设备简单、选择性好、无污染，已成为绿色化学研究的重点之一[5]。液体生物燃料，例如由菜油生产的生物柴油、由植物糖类生产的生物乙醇及其衍生物ETBE以及从木质纤维素生产的生物甲醇及其衍生物MTBE，是可再生的燃料，所占比重逐年增加。4.2 原子经济反应

我国石油化工科学院[6]采用空心结构的HTS型钛硅分子筛催化剂和“单釜连续淤浆床反应器——无机膜过滤”新工艺，由环己酮一步合成环己酮肟，实现了原子经济反应, 70ktpa的工业装置已经投产。山东鲁北化工厂堪称全国实施绿色化学、清洁生产的典范, 例如, 该厂由磷矿石与硫酸反应制成磷酸和硫酸钙, 磷酸与氨反应制成磷酸氢铵复合肥, 而硫酸钙经加热分解成二氧化硫和氧化钙，前者经催化氧化、水合制成硫酸, 后者与采用劣质煤的发电厂产生的炉渣混合制成水泥，现已形成30万t/a复合肥、40万t/a硫酸(厂内自用)、60万t/a水泥的产能, 原材料中的每种元素都得到合理利用, 除电厂排出的CO2 外, 再无废渣废气排放。4.3 环境友好或可循环使用的新材料

过去的10年里,由难降解塑料制品造成的“白色污染”已殃及土壤、水面和城市环境, 光降解塑料、生物降解塑料或光—生物降解塑料的推广应用已迫在眉睫。废旧塑料的回收、催化裂解、再利用, 既保护了环境,又合理利用了资源。应用广泛的洗涤剂也要逐渐向水质保护型发展。自四聚丙烯烷基苯磺酸钠被淘汰后,大量洗涤剂改用三聚磷酸钠作表面活性剂,结果造成我国水质磷污染,富营养化, 80%以上河段不能饮用,也不能养鱼。而中国的无磷洗衣粉进入市场不久,仅占洗衣粉总产量的3% ,实现绿色洗涤在中国还任重而道远。4.4 环保新汽油

为实现新汽油的限制要求,在炼油技术中要做以下工艺改进和更新:催化裂化由单一生产高辛烷值汽油,转向既生产高辛烷值汽油,又生产异丁烯、异戊烯等醚化原料。催化裂化汽油是我国催化裂化领域生产规模最大的燃料油品,在我国成品油市场占80%以上。催化裂化汽油烯烃含量一般在40%～50%之间,加工石蜡基油和掺炼渣油比例高的装置, 烯烃含量超过60% ,远远超过质量指标。为了提高我国汽油质量,一要降低汽油的烯烃含量,二是确保汽油原有的辛烷值不降低。为此较好的方法是将汽油中的直链烯烃转化为异构烷烃和部分芳烃,以弥补大量降低烯烃引起的辛烷值损失,增加汽油稳定性。降烯烃目前主要有两个发展方向,一是催化裂化生产中开发降烯烃技术,但由于受催化裂化反应本质的限制,虽然取得了一定效果,但不能从根本上解决问题；二是催化裂化汽油降烯烃改质技术。探索低烯烃催化裂化汽油生产技术与催化裂化汽油降烯烃改质技术成为炼油企业可持续发展的关键。大连理工大学王祥生[7]等用新合成方法合成的20～50nm的ZSM-5分子筛为活性组分,采用水热处理、负载金属活性组分改性的组合改性方法制备的催化汽油改质催化剂使催化汽油的烯烃降低到20%左右,除少量的烯烃裂解为C2、C3外, 大部分烯烃通过异构化、芳构化以及烷基化等反应途径转化为高辛烷值的汽油组分,催化剂同时具有降烯、除苯和部分脱硫的综合性能,有效地改善了催化汽油的品质。4.5 造纸工业中的绿色化学问题

造纸工业是我国污染最严重的产业之一,每年有害废水排放量高达50亿吨,约占全国废水的1/6,其中主要是制浆黑液和漂白废水。开发无污染的制浆技术是解决制浆黑液污染的关键, 其中包括生化法、催化氧化降解法和机械制浆法。生化法制浆是从众多的微生物中筛选出能高效、专一地分解纤维的菌种,经生物技术处理使之适应大规模生产,目前尚在实验阶段, 缺点是占地面积较大[1]。5.结语

绿色化学已成为当今化学发展的主要方向。在绿色化学研究中,应充分利用可再生资源——生物质,其中以生物质为原料、酶为催化剂,生产有机化合物,因其条件温和、设备简单、选择性好、无污染,已成为绿色化学研究的重点之一,有良好的开发前景。利用原子经济反应进行绿色设计,采用无毒、无害的原料和环境友好或可循环使用的新材料等研究, 以及对能源工业中汽油的催化降烯烃和造纸工业中的催化氧化降解法研究,均取得了可喜的进展,并对环境保护将产生有益的、深远的影响。

参考文献：

[1] 余红霞,李攀.绿色化学的研究进展[J].湖南理工学院学报（自然科学版）2009,22(4):77-81 [2] 尤珊妮.绿色化学新进展[J].大众科技 2009,(9):104-105 [3] 张琰图,秦振平,陈雪英,马润宝.绿色化学的兴起及在中国的发展概况

[4] 安立敦,张培青.绿色化学新进展[J].精细化工原料及中间体 2005，（8）：6-10 [5] 朱清时.朱清时院士文集[C].北京:北京出版社, 1999: 249-252, 299.[6] 闵恩泽.2003年石油化工绿色化学与化学工程的进展[J].化工学报.2004, 12:1-2 [7] Zhang P Q, Wang X Sh, Guo H Ch.Reducing olefins in FCC Gas-oline Byisomerization and Aromeritization Overmodified Nano-ZSM-5[J].Chin J of Catal, 2003, 3: 159-160

第四篇：纳米材料在航空航天领域的应用

纳米11

陈美龄

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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。

第五篇：纳米粘土矿物在环境治理领域的应用2

纳米粘土矿物在环境治理领域的应用

摘要：粘土矿物是颗粒直径小于0.1mm的含水层状结构的硅酸盐矿物。其结构使其有着催化性，离子交换性，分散性等特殊的性质而引起人们广泛的关注和研究的对象。本文重点介绍了粘土矿物及其特性，在治理空气污染、水污染、固体废物污染、噪声污染等方面的用途。并阐述了纳米粘土矿物未来的发展方向。

关键词：纳米材料，粘土矿物, 环境治理, 污染, 硅酸盐

Environmental Governance by Applications of Nano-clay mimeral material Abstract: Clay mineral is a kind of silicate mineral with moist layered structure whose diameter is less than 0.1mm.It has attracted many attentions and researches because of its specific characteristics such as better catalysis, ions exchange and better dispersion which are determined by its structure.This article mainly focus on the introduction of clay mineral and its features and the applications of governance of air pollution, water pollution, solid waste pollution, noise pollution, etc.The future development of the clay minerals is illustrated.Key words: nano material, clay mineral, environmental governance, pollution, silicate

随着工业的发展，环境污染日趋严重，甚至影响到人们的正常生活。环保问题正逐渐引起我们的重视。由于环境污染物的消除需要消耗大量的能源，这给日益枯竭的能源提出严峻的挑战。寻找一种较为廉价的环境净化材料，降低污染物的处理成本，提高净化效率，已成为环境保护中亟待解决的问题。纳米粘土矿物的储量丰富、价格低廉，因其独特的层状结构而具有良好的吸附性能和离子交换性能，在废水、废气及土壤修复等众多环境治理领域表现[1]出广阔的应用前景。

1.纳米材料

纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的材料的总称。由于纳米尺寸的物质具有与宏观物质所迥异的表面效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应和量子限域效应，因而纳米材料具有异于普通材料的光、电、磁、热、力学、机械等性能。纳米材料可应用于工程、催化、精细化工、涂料等方面[2]。

根据物理形态可将纳米材料大致分为纳米粉末（纳米颗粒）、纳米纤维（纳米管、纳米线）、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。

根据结构可划分为，零维纳米材料，即三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子、一维纳米材料（具有纤维结构）、二维纳米材料（具有层状结构）、三维纳米材料。

按化学组分可划分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子和纳米复合材料。

按应用可分为纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米储能材料等。

按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性光学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。

2.粘土矿物简介

粘土矿物是颗粒直径小于0.1mm的含水层状结构的硅酸盐矿物，硅、铝、氧是其中最主要的元素。其结构单元层是由[SiO4]四面体与[AlO6]八面体彼此以3个角顶相连，从而形成二维延展的网层即四面体片。铝氧八面体共用边角形成了八面体。这些硅氧四面体片和铝氧八面体片又共用氧原子，将不同的片结合在一起。形成层状结构。按其连接方式的不同把粘土矿物分为1:1和2:1两种结构类型，前者如高岭石，基本式为Si4Al4O10(OH)8，各单元层间距小，小分子或阳离子很少有机会进入层际空隙中，故层际通常不发生离子交换，而是在粘土的表面和边、角发生；后者如蒙脱石、伊利石、凹凸棒石及云母类等，其基本式为Si3Al4O20(OH)4•nH2O，由于同晶置换，这两种类型的粘土矿的离子交换除在层面的边、角上发生，更多是由于层际间的阳离子交换而形成。粘土矿物结构单元层内部因发生离子的类质同象置换，比如四面体中Si4+被Al3+置换，八面体重Al3+被Fe2+、Mg2+置换，从而使其单元层表面具有电性。此外，粘土矿物颗粒细小，比表面积大，因而，粘土矿物会表现吸附性、离子变换性、胶体性、分散性和催化性，这些特性在环境污染处理中具有十分重要意义。

粘土矿物的基本结构包括五个层次：

（1）Si-O构成的四面体或Al(Mg)-O(HO)构成的八面体；

（2）由第一个层次的四面体和八面体连接成四面和八面体结构片；（3）结构片按比例组成的结构单元层；

（4）结构单元层在c轴方向上按一定间隔垒砌构成不同的粘土矿物并形成层间域，层间域空间中有时是空的，有时填充水分子或同时被阳离子和水分子填充，不同粘土矿物的层间域厚度是不同的，如高岭石和绿泥石是固定的；蒙脱石的层间域厚度是可变的；

（5）一个结构单元层加一个相邻的层间域，构成粘土矿物的单位构造层，不同种类的粘土矿物，单元构造层的厚度不同。

3.粘土矿物的特性[3]

3.1分散性和胶体性

粘土颗粒因层间类质同象置换表面具有永久电负性，而其端面断键也会使粘土颗粒具有可变电性。粘土颗粒在水体系中的稳定性主要取决于这些电性所引起的双电层结构特征，而双电层结构会因电解质或pH值作用发生的变化。因此，粘土颗粒在水体系中的分散和絮凝可以通过添加电解质或调解pH值来加以控制。利用粘土矿物的这些性质，可以表面吸附、混凝、沉淀污水中的污染物，达到治理污染的目的。

3.2 催化性

粘土矿物因具有很大的表面积，适宜的孔径及表面酸性，从而表现出良好的催化性。粘土矿物经酸化处理后，能够大大改善其催化活性。因为，经酸化后，不仅可以引起粘土矿物组分和结构的变化，而且能够提高其比表面积、改善其孔径分布、增强其表面吸附性。3.3 离子交换性

粘土矿物层间具有永久电负性，为保持结构单元层电价平衡，在其结构层间会吸附一定量的阳离子，而这些层间阳离子具有可交换的特性。阳离子交换反应式可表示为：

M+-Clay + A+ ⇌ A+-Clay + M+

粘土矿物层间阳离子交换性质主要取决于离子电价、离子半径大小极离子浓度等。一般而言，离子势与离子选择性成正比，离子浓度与离子选择性也成正比关系。粘土矿物大都具有阳离子交换性，但交换容量有一定差异。蒙脱石、蛭石阳离子交换容量为80~150meq/100g，伊利石和海泡石为10~40meq/100g，高岭石为3~15 meq/100g。粘土矿物的阴离子交换性为20~30 meq/100g。这一作用主要发生在结构单元层的端面，特别是pH较低的情况下，端面因带一定正电荷而吸附许多无机或有机阴离子，如PO42-、AsO32-、SeO42-、S2-、CN-、CH3COO-等。

3.4 与有机物的复合性

粘土矿物具有与有机物符合的特殊性质，其复合的吸附力来自于离子交换作用、范德华力、氢键力以及离子偶极力作用。粘土矿物复合的有机物大致可划分为三种类型：中性分子有机物，例如NH3、SO2、醇、酮、胺、尿素等；有机阳离子，例如烷基、羟烷基、烷酰基等；高分子聚合物，例如酶、蛋白质、病毒、腐殖质等，其吸附力有离子交换、范德华力和氢键力。粘土矿物除可以直接复合有机物外，还可以通过人工有机复合制备吸附交换性更好的有机粘土，例如有机膨润土。

4.纳米粘土矿物在环境治理中的应用

粘土矿物具有环境修复（如大气、水污染治理等）、环境净化（如杀菌、消毒、分离等）和环境替代（如替代环境负荷大的材料）等功能[4]。在环境领域中的应用包括：污水处理方面、土壤净化、大气净化、核废料处理、清除放射性气体、阻止有机和无机有害物质迁移等[5]。

目前粘土主要作为粘结剂、吸水剂、吸附剂、催化剂、絮凝剂等广泛应用于冶金、机械、石油、化工、和环保的各个领域。为了提高其附加值, 使用前往往要对天然粘土进行改性。改性方法、机理、工艺及条件已成为人们关注的焦点[6]。

4.1空气污染[7]

4.1.1 室内空气污染

室内空气污染主要来自装饰材料中的人工合成高分子材料。物质主要包括甲醛(HCHO)、氨、苯、氡等，对人体危害严重，并会引发鼻腔癌、咽喉癌、肺癌和消化系统癌症。对于上述几种有害物质, 以沸石、坡缕石、海泡石、膨润土、累托石等粘土矿物为载体的载银无机抗菌剂可以起到良好的作用效果。目前开发的以多孔结构粘土矿物为载体的无机抗菌剂已成功应用于室内空气净化, 并对病菌及其分泌物毒素均有较强的杀灭和降解作用。

由于坡缕石、海泡石、沸石、膨润土、累托石等为典型的天然纳米粘土矿物材料, 基于其特有的孔道结构、晶体表面生长缺陷的发育和纳米级尺寸效应,经充分分散处理后具有大比表面积和超强吸附性。如以纤维状坡缕石、海泡石、沸石制作的环保型特种多功能纸不仅具有难燃、阻燃效果, 而且能有效地吸附室内空气中的氮氧化物(NOx)和有害极性气体, 应用于空气净化的超细滤膜纸, 由于海泡石、坡缕石的强防辐射屏蔽性, 其开发的壁纸材料可有效防止建筑墙体氡气的析出。

4.1.2城市空气污染

城市空气污染主要来源于汽车尾气的排放，其中包括NOx、金属排放物排放。无铅汽油的使用使得汽汽车排放的铅金属阳离子的危害大为减少，同时三元催化油的使用使得汽油燃烧的NOx排放量显著减少。

青石可以用来吸收汽车尾气，其结构为环状结构含铝硅酸盐，其四面体结构存在着[AlO4]对[SiO4]的置换以及配位多面体中金属阳离子的类质同象置换，活性强，同时具有极好的高温热稳定性。国外用粘土矿物制成汽车排气管、过滤器, 主要是充分利用粘土矿物的吸附性。用粘土矿物代替活性炭可降低卷烟中含有的焦油、自由基、尼古丁等对人体的危害。4.1.3 工业废气治理

工业废气是我国大气污染的主要来源，主要包括：CO2、SO2、粉尘等。由于有害气体多为酸酐, 大部分能溶于水, 因而可用呈碱性的粘土矿物与酸酐发生中和, 从而吸收酸酐, 达到清除废气的目的。对于不溶于水的酸酐,可先转化为溶于水的酸酐, 再用上述方法处理, 此外利用粘土矿物, 如沸石、海泡石、膨润土、坡缕石、高岭土、累托石以及其改型后的多孔状矿物作吸附剂也可排除有害气体, 净化环境。

4.1.4 大气净化

蒙脱石、海泡石、坡缕石及高岭石等因比表面积大、吸附性强，作为吸附过滤材料广泛应用于空气污染的净化。这些矿物经简单的处理之后，即可用于臭气、毒气及有害气体如NOx、SOx、H2S等的吸附过滤。现已成功地用其迅速、有效的去除与腐烂变质物臭气有关的1，4-丁二胺和1，5-戊二胺以及包含排泄物臭气中的吲哚、丁烷一类气体。实验证明，在含氨为100×106/m3气体中放置40个海泡石，可使氨的浓度降至18×106/m3。4.2水污染

粘土矿物主要用于生活和化工用水过滤、重金属离子从Cu2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+、Hg2+等的去除，印染废水（阳离子染色分子）和有机污染物的吸附以及阴离子PO43-、SO42-的去除。

目前, 用于污水处理的主要是膨润土、凹凸棒石、坡缕石、海泡石、硅藻土等几种[8]。膨润土对废水中有极性结构的非离子型表面活性剂有较强的吸附能力，每克膨润土可吸附200-300mgCODcr。对于无极性的非离子表面活性剂，用2%的投加量可使CODcr浓度为1000mg/L左右的废水达到排放标准。将无机钠盐与膨润土按照一定比例制成的HB絮凝剂加入到味精废水中，能吸附废水中的有机污染物，使废水中的COD大大降低。用明矾和膨润土作为吸附—徐宁剂处理再生纸废水中的COD和悬浮物，也可使排放出的废水由碱性变为中性[9]。将膨润土与CaCl2无机盐制成混合物，按5g/L的量加入印染废水中，可以除去九成的燃料和八至九成的表面活性剂。

蒙脱石可以用来吸附Pb2+、Cd2+及Cr(III)，即用蒙脱石—聚合氯化铝交联处理废水中的重金属，可进一步改善去除效果并提高固—液分离速度，是低浓度废水中Pb2+等的去除率达到93.1%。经研究发现：经酸化的蒙脱石出去废水中的重金属离子效果更佳。

凹凸棒石可以净化处理印染废水，投加量为10-12g/L，pH=6-10，反应时间为10min，COD去除率达74%，色度去除率大93%，净化效果与常用的聚合氯化铝、硫酸铝、硫酸亚铁等相比均有明显的提高。经活化的凹凸棒石粘土可以处理铀。采用动态法(交换柱)处理含铀废水，效果良好，铀的去除率在99.95%以上。膨润土等粘土矿物经过适当的有机改性，可用来处理含有机物废水。膨润土、硅石、凹凸棒石、海泡石等粘土矿物可直接利用或经过适当的活化改性处理，也可用来处理含重金属离子废水，获得了较好的效果。经预处理的海泡石、凹凸棒石等以吸附与离子交换法可以降氟除磷，同时有利于降低废水处理成本，减少污泥产生量，重复利用资源。

4.3固体废物污染

固体废物主要指工业废物、矿业废物和城市生活废物等。工业废弃物可通过二次加工烧成可制成新型建筑材料，如混凝土外加剂用超细矿粉、微晶玻璃等。城市生活固体废弃物主要是指在城市日常生活中或者为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废弃物，即城市生活垃圾，主要包括居民生活垃圾、医院垃圾、商业垃圾、建筑垃圾。矿业废物指开采和选洗矿石过程中产生的废石和尾矿。

对于固体废弃物中含有的放射性元素。可利用沸石、膨润土、累托石、坡缕石、海泡石等一些高吸附性材料来吸附、过滤放射性气体和空气中具有放射性的尘埃。粘土矿物也可作为一种固化剂，“矿物固相法”是放射性固体废弃物处理的十分重要和行之有效的方法，例如沸石加热发泡、融化、可固化核废料。坡缕石、海泡石也是屏蔽辐射的常规密封材料。4.4 噪声污染

随着对噪声危害认识的提高，噪声已与“三废”并列为环境“四害”之一。硅藻土、浮石、蛭石、珍珠岩等具有良好的消声隔音性能，尤其是膨胀蛭石吸引系数可达0.53-0.73，隔音能力为40-50dB，经常用作汽车减音器和隔音泥灰。

4.5 粘土矿物在其他方面的应用

粘土矿物可治理土地荒漠化：荒漠化的颗粒较粗，一般呈细砂、粉砂状，无粘性，深水性强，而粘土矿物的颗粒极细，有较强的膨胀性、粘性吸水性，两者混合均拌匀, 即可变成能保水的种植土。而且粘土矿物一般含有许多有利于动、植物生长的成分, 可以为动、植物提供多种营养,从而达到采用粘土矿物治理沙漠的目的[10]。

粘土矿物因其导热系数低，分散性高，以及特有的微孔结构等，适用于研制开发保温涂料等多种保温材料。保温材料的开发具有重要的“绿色意义”。20世纪80年代以来海泡石复合硅酸盐保温材料发展迅速。利用纤维状海泡石和粘土状海泡石为主要原料，研制的新型保温隔热涂料常温下导热系数为0.079W/(m·K)。以坡缕石为主要原料的SM复合硅酸盐保温涂料，常温下导热系数小于0.05W/(m·K)。

伊利石具有较好的化学惰性、电绝缘性、绝热性及随温度升高体积膨胀的特性，可作为一种新型的传压介质材料。其特性在某些方面由于叶腊石，其钛、铁杂质可成为合成金刚石的有益添加剂，同时所需和成功率下降，利于节能[9]。

过滤清除放射性气体及尘埃；坡缕石、海泡石、蒙脱石等用作阳离子交换剂净化被放射性污染的水体；也可用作危险废物的镇定剂，对放射性物质永久性吸附固化；以及机房中软X射线的吸收等方面。蒙脱石、海泡石、坡缕石等现已广泛用于油污废塑料、城市垃圾等处理，阻止无机或邮寄有害物迁移[9]。

粘土矿物对地质作用和地质环境的变化反应敏感，还可用于岩相古地理、古气候、古环境、地层对比和成岩成矿条件的研究和回复。另外，深海中的粘土矿物和深海软泥存在于非常独特的环境，有着独特的潜在应用价值。从环境角度考虑，深海中的粘土和碳酸盐的利用有可能要早于其他矿产资源。

由于粘土矿物有着独特的物理化学性能，作为较理想的载体材料已广泛受到人们的关注，发展相当迅速，特别是膨润土、凹凸棒石、海泡石、蛭石等。目前采用离子交换法已经成功地制备了载银膨润土、载银凹凸棒石、载银海泡石和铜型蛭石等无机抗菌剂，其抗菌效果良好，可制成抗菌制品。

还有一些粘土矿物有抗紫外线能力，比如伊利石，可作为化妆品。伊利石无毒无臭，质软滑腻，且呈丝绢光泽，分散性好，附着力强，其pH值一般为6~7，化学性能稳定，矿物组分简单，不含对人体有害的成分[9]。

5.纳米粘土矿物的未来及研究发展方向

由于粘土矿物的资源丰富，价格便宜并且有着优越的物理和化学性能，被越来越多的应用于环境保护中。除少数粘土矿物，如石棉外，大多说天然产出的矿物材料基于其不同的性能在不同领域起着环境保护和环境治理的作用，它们皆可认为是环境矿物材料。随着科学技术的进步，人们对环境条件要求的提高，粘土矿物材料的应用将越来越广，其作用也越来越重要，如在节能保温材料方面、在降噪隔声方面、在无形磁波污染控制方面、在自然灾害防治方面、在太阳能材料应用方面、在传动系统减震方面、在新型抗菌材料方面、在人体健康材料方面等都起着不可缺少、甚至不可替代的作用。

未来粘土矿物的研究方向：研究粘土矿物材料的成分、结构和性能之间的相互关系；研究粘土矿物材料在外界作用力下的成分、结构和物化性能变化及变化规律；研究粘土矿物材料的深加工、处理方法，包括提纯和改性；研究粘土矿物材料的自然形成条件及人工合成方法和技术参数；研究设计和制备新的矿物材料和功能复合材料；研究粘土矿物材料的应用技术和应用方法[7]。

参考文献：

[1] 郭楠, 王雪莲, 左勇.硅酸盐粘土矿物在环境污染物治理中的应用[J].绿色科技, 2011, 1: 85-87.[2] 郭英.纳米材料的应用分析[J].技术应用.2010, 9: 119.[3] 崔龙鹏.试论粘土矿物在淮河水污染治理中的应用前景[J].环境保护科学.1998, 24(5): 16-18.[4] 秦文淑.改性粘土的应用及其研究前景[J].广东轻工职业技术学院学报.2007, 6(4): 13-17.[5] 刘龙涛, 崔丹.粘土矿物在环境中的应用[EB/OL].中国科技论文在线.[2006-02-28] http://www.xiexiebang.com/index.php/ default/releasepaper/content/200602-277.[6] 李俊, 黄韵, 马晓燕.粘土及改性粘土的应用进展[J].矿业研究与开发.2003, 23(5): 36-37, 54.[7] 杨飞华, 王肇嘉.粘土矿物在环境治理中的应用[J].矿产保护与利用.2005, 5: 21-24.[8] 戴清清, 宋绵新.粘土矿物在水污染治理中的应用发展概述[J].矿业快报.2005, 2: 10-12.[9] 易发成, 王哲.粘土矿物在环境保护领域的应用现状和发展前景[J].中国非金属矿工业导刊.2005, 49: 98-103.[10] 杨秀敏, 李立欣, 张迎春.粘土矿物作为环境修复材料的研究进展[J].金属矿山.2010, 7: 153-156.