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第26卷第2期武汉理工大学学报Vol.26No.2
2004年2月JOURNALOFWUHANUNIVERSITYOFTECHNOLOGYFeb.2004

纳米材料应用

谢济仁,邵刚勤,易忠来,段兴龙
(武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉430070)

摘要:纳米材料和技术是21世纪“最有前途的材料”和“决定性的技术”。文章综述了纳米材料在力学、磁学、电学、热
学、光学和生物医药等方面的应用和在世界各主要国家的应用现状,并对纳米材料的应用前景进行了展望。
关键词:纳米材料;纳米技术;应用
中图分类号:TB383文献标识码:A文章编号:167124431(2004)0220017204

有科学家预言,在21世纪纳米材料将是“最有前途的材料”,纳米技术甚至会超过计算机和基因学,成为
“决定性技术”。国际纳米结构材料会议于1992年开始召开(两年一届),并且目前已有数种与纳米材料密切
相关的国际期刊。德国科学技术部预测到2010年纳米技术市场为14400亿美元,美国政府自2000年克林
顿总统启动国家纳米计划以来,已经为纳米技术投资了大约20亿美元。同时,欧盟在2002～2006年期间将
向纳米技术投资10多亿美元。日本2002年的纳米技术开支已经从1997年的1.20亿美元提高到7.50亿美
元。

1纳米材料应用特性

纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径,导致了高扩散率,其对蠕变、超塑性
有显著影响,并使有限固溶体的固溶性增强、烧结温度降低、化学活性增大、耐腐蚀性增强(受均匀腐蚀而不
同于粗晶材料的晶界腐蚀)。因此,纳米材料表现出的力、热、声、光、电、磁性等,往往不同于该物质在粗晶状
态时表现的性质。与传统粗晶材料相比,纳米材料具有高强度ö硬度、高扩散性、高塑性ö韧性、低密度、低弹性
模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数、低热导率及强软磁性能。可应用于高力学性能环境、光热吸收、非线性
光学、磁性记录、特殊导体、分子筛、超微复合材料、催化剂、热交换材料、敏感元件、烧结助剂、润滑剂等领
域[1]。
1.1力学性能
高韧、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题。纳米结构材料的硬度(或强度)与粒径成反比(符合Hall2
Petch关系式)。在纳米材料中位错密度非常低,位错滑移和增殖采取Frank2Reed模型,其临界位错圈的直径
比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般也比晶粒大,所以在纳米材料中位错的滑移和增殖
不会发生,此即纳米晶强化效应。碳化钨2钴(WC2Co)硬质合金(金属陶瓷)作为刀具材料已有50多年的历
史,其力学性能一直没有大的提高。美国Rutgers大学、中国武汉理工大学(原武汉工业大学)的研究者经研
究发现,混合烧结和晶粒粗大是其主要原因,而当运用纳米复合技术制成超细甚至纳米晶粒材料时,它的高
硬度、高强度、高韧性等优越性能使之在制作集成电路板微型钻头、点阵打印机打印针头、精密工模具、难加
工材料刀具等领域占据了无以替代的地位[2～5]。美国3M公司开发的Nextel610“超级陶瓷”中使用了纳米多
-7
晶A2Al2O3纤维,抗弯强度高达2.4GPa,弹性模量达380GPa,高温蠕变率(1100℃ö70MPa)为1×10ös。
将这种纤维与200nm针状莫来石复合(45∶55,质量分数)制成的材料在1200℃还保持其85%的拉伸强

收稿日期:2003209228.
基金项目:国家863高技术研究发展计划(2002AA302504)和武汉理工大学科研基金(XJJ2002066,2003XJJ200)1
作者简介:谢济仁(19532),男,讲师1E2mail:[e-mail]
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度。该公司开发的另一种多晶纤维Nextel720,由85%的多晶A2Al2O3纤维和15%的SiO2组成,其高温蠕变
性大大改善,高温蠕变率(1100℃ö70MPa)达1×10-10ös。这些材料可用于在制造苛刻条件下使用的燃气
轮机、新型汽车、航天飞机的零部件[6,7]。
1.2磁学性能
新一代计算机硬盘系统中磁记录密度超过1155Gböcm2,在这种密度下,传统的感应法读出磁头和普通
坡莫合金磁电阻磁头(后者的磁致电阻效应为3%)已不能满足需求,而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高
达50%,可用于信息存储的磁电阻读出磁头,具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头
可将磁盘的记录密度提高到1171Gböcm2。同时,纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似的线形关
[8,9]
系,可用作新型的磁传感器材料。C2Fe2O3ö高分子纳米复合材料对可见光具有良好的透射率,对可见光的

吸收系数比传统粗晶材料低得多,对红外波