神奇的纳米材料 - 文章

神奇的纳米材料

作者：Doug Smock 来源：设计创新

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两大汽车电子设备原始制造商正在开发一种铝气缸体，其关键零部件上的纳米钢涂层小于5lb，使用该涂料是为降低设备导热率并提高耐磨性。为什么说纳米材料已成为工程设计师们的新武器？这便是一个典型的例子。

似乎人们对纳米材料设备的大肆宣传疯狂过头，这使得纳米的应用看起来似乎是继硅晶片之后的又一材料革新狂潮。大量风险投资基金被注入到纳米产品开发当中，同时市场调查公司做了几乎让人难以置信的数字预测。PR工厂日夜加班加点生产，像宾西法尼亚州和纽约州这些地区都在争先恐后支出经济开发种子资金。到2007年，联邦纳米技术启动项目投入到纳米材料开发中的资金将高达十三亿美金。

在标题背后是否隐藏着一个真实且意义非凡的未来呢？

首先，我们来看看纳米。从理论上来说，它是国际单位制中用来度量以10-9为基本数量级的长度单位，一纳米等于十亿分之一米。据称，Albert Einstein 曾经在他的博士论文中说一个糖分子的大小是1nm。当说到材料的时候，通常是由供应商对纳米下定义。纳米工业生产的领头企业之一PPG工业集团解释道：纳米微粒是指由小于100nm的至少一维的材料。

一些研究工程师认为纳米只是一个代名词而已。这个领域发展至少要追溯到20世纪50年代，那个时候叫做原子工程设计。

让人更加混淆不清的是，越来越多的人将一切微小体积的事物称作纳米。国际塑料工程师协会SPE中有一个特殊兴趣团队，称作纳米/微型塑模小组。他们的名称叫法很奇怪，因为他们进行的微型塑模是制造微小体积的设备，而如今的纳米塑模却通常指的是大体积设备零件的生产，只是其防护涂料中添加了纳米材料成分而已。另外一方面，人们将几乎每一个主要科学领域内的发展都叫纳米，有时也指在原子平台上制造的纳米材料，有时则是尺寸缩小的产品。

根据NanoSteel 测试，其中一种NanoSteel 涂料材料（SHS7170）的强
度是Ti-6AI-6V 材料的四倍。

当我们聚焦工程机械产品设计时，会发现它在实际应用里面更具意义。

增强型铝材

承担铝气缸体工作的NanoSteel公司是一个很好的例子。公司坐落在罗得岛州首府普洛维登斯，这个有五年历史的公司主要销售可应用于热喷涂技术、焊接技术和激光补焊的专利纳米结构材料。纳米材料的主要性能表现在抗磨、抗腐蚀、抗高温氧化和腐蚀上。

NanoSteel 公司的技术总监Daniel James Branagan博士说道：“我们设计我们自己的钢结非晶成型合金”。Branagan博士在1996年研究永磁材料的时候添入纳米成分，给材料赋予了特殊能力，让它们能够控制多成分复杂冶金体变形。研究最初是由美国爱德华州工程与环境实验室（INEEL）投资启动，后转由国防高级研究计划署（DARPA）投资。在2002年，军用工业技术公司（MILCOM）注册了这项研究并组建NanoSteel公司。

纳米金属材料的最新应用是生产用于保护铝制斜槽的涂料，而该斜槽是用来将搅拌车内的水泥向特殊现场递送的。Branagan.说道：“钢斜槽重达80lb，搬运这个斜槽需要耗费工人们很多体力”。而纳米涂层的铝制斜槽重量小于20lb. 他补充道：“NanoSteel公司制作的涂层给纳米材料的应用指明了一条新途径。”

经过研究在气缸上也使用相同的方案，在铝气缸体表面涂上一层重2-3lb的纳米钢涂料，这样，未来汽车的重量将会得到大大减轻。纳米钢的成本一般是每磅$30到$35。NanoSteel公司花费了大约六个月的时间完成了一项客户订单，将纳米涂料技术应用在石油勘探使用的钻井上。他们另一个目标是将喷涂纳米技术应用到塑料合成材料上。

从另外一个角度看纳米技术，在钢材工业领域中它也并非新面孔。

美国宾夕法尼亚州门罗维尔市的美国钢铁（U.S Steel）公司研究及技术中心涂料产品技术经理Michael Simko先生说：“虽然在一些产品和材料应用上，纳米结构它确实带来了惊人的变革，而且被人们奉为划时代突破，但特级纳米结构在很多年前就已经被用于制造钢材了。我们现在仍在使用这些方法和步骤来生产性能更好、更轻、更强和更节省成本的材料，以满足客户需要。我们现在正在考虑在使用合成控制和热机械工艺技术原位反应炼钢的时候，如何在液态钢中加入纳米材料并让其均匀分布。目前这项技术尚未投入商业运作，也不是我们正在使用的工艺方法。”

对塑料材料的冲击

大多数结构型材料都是塑料合成类的。新材料的应用固然引人注目，但它们在行业内的广泛应用将会是一个缓慢的过程，需要大量的资金投入和较长的开发时间。纳米材料于2000年首次在芝加哥举办的美国塑料博览会上亮相，当时有两家公司展示了这项技术。而直到去年的美国塑料博览会（NPE）上，仍然只有屈指可数的几家公司参与纳米材料展览。

其中有一家公司叫做Nycoa，是位于新罕布什尔州曼彻斯特的一家生产尼龙的公司。Nycoa公司用原位反应制造尼龙-6纳米复合材料，这些材料将被应用于踏草坪割草机的单层吹模燃料箱的生产。纳米黏土涂料分散在尼龙上，比没有涂层的聚乙烯结构抗燃气渗透性高98%。Nycoa公司还解释道，纳米尼龙比传统的超强韧尼龙绳坚韧55%。产品的检测工作由位于纽约州托纳万达镇的塑料性能评定中心进行，同时产品必须符合加尼福尼亚州大气资源局TP901燃气标准规范的要求。

美国中部威诺娜州的专业复合材料公司RTP宣称，他们去年也扩充了纳米生产能力，其中包括生产符合燃气标准的尼龙-6。RTP公司的产品开发工程师Sam Dahman先生说：“纳米涂料层级比率较大，减慢了燃气浸透的速度，因此该材料在燃料箱应用上充分发挥了它的优势。”

位于美国密歇根州特洛伊市的德尔福汽车系统公司高级技术人员Suresh Shah称，从工程设计学角度来看，纳米复合材料的优点之一在于减轻了产品重量，而且同玻璃填充材料相比其性能大大提高。

Shah说：“使用纳米复合材料，在保证硬度不变的同时减轻了（5%）负荷，你也无须为材料纤维变形而担忧。采用纳米复合技术的材料往往性能如一、不易变形，可让工程师获得更多的设计灵活度。”使用纳米材料一方面使产品更轻，并减少了循环周期。另外一方面，由于玻璃纤维在产品的表面有时可用肉眼看到，因此使用纳米复合材料能让外形更加美观。

未来：双刃剑

Shah也告诫人们，由于纳米材料价格昂贵，特别是底特律成本意识模式影响下，所以在必要的时候才会使用它。例如，双面侧模产品要求内层坚实、外层美观且具备耐候性，这种情况下就需要使用纳米聚丙烯合成材料。

通用汽车公司发布了一系列采用纳米技术的产品，例如塑料厢式车van的脚踏板，雪佛莱的侧饰条，以及悍马H2 内衬和仪表盘。在早期阶段，由于纳米颗粒分布不均匀，因此产生了油漆问题和表面瑕疵。据材料供应商透露，通用公司开发的纳米复合材料是以热可塑性聚合物为基础，这个新的表面处理方式和工艺技术解决了早期问题。通用汽车公司的早期材料供应商是位于马里兰州埃尔克顿的Basell Polyolefins公司。

通用汽车公司对纳米材料采取正面积极的应对态度。研发中心的工程师们正在加紧研究新材料，但由于成本太高而被公司管理层叫停。纳米黏土要花费大约三美元/lb，且占重量的3-4%；而与其竞争的材料滑石粉，只需要花费三十美分/lb，占重量的10-15%。另一个问题是：由于缩小比率不同，用纳米材料大范围地替代老材料需要大动干戈进行工具再造。纳米复合材料的另一个缺点是会降低冲击强度。Shah解释道：“我们还需要大量的研究工作来提高弹性体的抗冲击强度。”

目前美国主要有两家纳米复合材料用黏土的公司，一个是位于得克萨斯州Gonzalez的Southern Clay公司，另一家是位于Arlington Heights, IL的Nanocor公司。

涉及纳米材料的调查研究仍在底特律依照计划进行，其中一个被调查的公司是位于俄亥俄州克利夫兰的专业复合材料公司PolyOne。

在欧洲，主要的电缆制造商都开始使用纳米填充复合材料——聚乙烯，以提高阻燃性。原来欧洲条令禁止在电缆夹层使用重金属，取而代之的是如氢氧化铝（ATH）一类的物质，它们占总重量的60-65%，替换的结果往往造成机械性能被打折扣，同时也不易对复合材料进行加工。欧洲较大的纳米塑料合成黏土产品供应商SNd-Chemie公司的技术经理Stefan Richter先生说：“增加3-5%的纳米黏土复合材料的使用量可替代15-20%的氢氧化铝（ATH）。”

生产塑料合成物时，正确添加纳米材料的要诀之一是
让纳米颗粒分布均匀。FST（Five Star Technologies）
公司的这些照片显示了水力空化工艺流程前后的变化。

德国柏林的Fraunhofer研究所指出：“多数情况下，常规的阻燃剂和纳米颗粒结合会产生促进效应。”这家研究所从1997年就开始从事纳米复合材料的研究，“这样的结合同成分单独使用相比，阻燃效果大大增加。”

纳米碳管

与此同时，纳米碳管的开发会对未来几年塑料产品的设计产生影响。纳米碳管由圆柱形的碳分子组成，拥有独立的电子性能，也是热的良导体。它们属于富勒烯碳家族成员，成份包含网状球型巴克球分子。纳米碳管直径从不到1nm至50nm不等。长度范围则是直径的100到1000倍。它们在无拘束环境中存在，通过碳高技术工艺生产而成，例如催化法碳蒸汽沉淀技术。

研究纳米碳管的公司之一是于2002年在大学研究基础上建立的比利时Nanocyl公司。Nanocyl公司近期通过与Andrew Rich为首的波士顿Vantage Resin systems公司签署合作协议，共同参与美国的这项研究。他们来美国的最初目标，是开发具备电子传导能力或一定机械强度的热塑性产品。随后他们的研究还涉及高能长寿命电池和手机燃料电池的开发。

Rich 说，成本的确是一个应该考虑的问题。纳米碳管售价大约是$130/lb, 每年大概会收到1-5吨的订单。他又补充道：“受聚合体价格的影响，纳米碳管根据添加合成管内的物质来定价，带HDPE（高密度聚乙烯）的纳米碳管每磅原材料在$5/lb基础上上涨50美分。但是，那些更贵一些的工程聚合物开价在$25-$45/lb，由于占比重小，其价格涨幅低于10%。”

Nanocyl公司正在加速生产，希望在年内能够达到35
吨的生产能力。

喷发的液体

其他重要的开发项目都在进行中。例如，位于俄亥俄州克利夫兰的Five star Technologies公司正在使用专利水力空化工艺，来缩小金属和其他微粒的大小，这些材料是应用于电气包装工业的热固塑料及陶瓷系统。人们通过对纳米银进行高环氧处理，可将它制作成电导粘合剂。

体积缩小工艺不会破坏最终矩阵合成阶段有机预聚物的材料色散。业务发展部门副总裁Timothy E. Fahey先生说：“液体材料流动使蒸汽气泡产生。当气泡破裂的时候，能量像冲击波一样喷发出来，让内部颗粒相互碰撞。”这个过程对未来塑料合成产业来说意义重大。他继续说道：“当按照惯例加工碳纳米纤维，得到的产品可能是一团麻。”他接着又补充道：“如果在高压缩机器内制造，它们的结构比率会受到破坏，不能达到机械工程师们的要求。”据他所说，生产热固塑料专用的水利空化工艺可在不破坏材料结构比率的情况下对碳纤维进行分类处理。

但是同其他纳米项目一样，这需要大量的研发时间，成本问题也是一个需要考虑的因素。

纳米陶瓷推进涂料技术创新

人们也许会认为主要是那些新兴企业和风险投资公司在进行纳米开发，但事实并非如此。

匹兹堡的PPG公司就是当今纳米科技商业化的领袖，这家公司是从事涂料和玻璃工业多年的龙头企业。PPG公司高级技术经理Dan Rardon博士说：“纳米技术是一项前沿技术，让我们能够制造价值非凡的材料。”

PPG公司一项有价值的产品是CeramiClear纳米陶瓷清漆，它可以保护汽车表面，耐磨耐刮易清洁。这项技术已在2002年Mercedes高端联盟展会上展出，现在被应用于高端通用汽车的生产。Rardon先生说：“纳米微粒在重量上只占涂料的几个百分比，因它体积小，所以数量很多。”微粒是球形体，直径为10nm。

由于使用塑料合成物，如何防止涂料的凝结是很关键的问题。PPG公司使用了专利聚合物技术，保证陶瓷颗粒分布均匀、表层美观。纳米涂料的成本小于传统清漆涂料的两倍。

抗腐蚀

另外一个潜在的更具意义的纳米涂料突破性研究已出现。PPG公司希望在来年推出新的底层涂料，是比六价铬底层涂料更好的防腐漆。美国劳工部职业安全与卫生管理局颁布了限制六价铬涂料的规定并于去年生效，它因环保问题未在市场上销售。而最初代替它的产品在防腐功能上有欠缺。

Rardon说道：“市场上最先获益的应该是航空领域。”新涂料将被用来延长飞机的铝制零部件寿命。Rardon称，但在任何金属易腐蚀的地方，新涂料都会发挥重要作用，比如说洗衣机。

同时他们希望将纳米技术应用在涂漆上。他说：“我们成功研发了可变色技术。”例如由于纳米作用加上光的反射，物体在不同的角度看起来不一样。同时，涂层厚度也看起来不一样，如20－40微米厚的涂漆在纳米作用下看起来会显得更厚。

自动保洁玻璃

PPG 公司也将纳米技术用在窗户上，包括20世纪80年代出现的低辐射玻璃。专利真空蒸馏技术的纳米薄膜，过滤了太阳光中的红外线并将热量阻隔在外。另一项研发是应用于汽车挡风玻璃，上面的纳米涂层不易变形且耐摩。新纳米结构钛二氧化涂层分解了玻璃上附着的尘土，使清洗更为方便。

PPG 公司计划使用纳米技术提高玻璃纤维热固性能。他们也将在玻璃纤维塑料合成物，如玻璃、碳纤维或碳管的生产中使用该技术。聚合物基质中包含传统的热固材料，如环氧或双马来酰亚胺等，其目的是能大量投入生产风力涡轮刀片。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (3/9/2007)


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