第十章纳米材料的国内外研究现状.ppt

.,著名的诺贝尔奖获得者Feyneman在60年代就预言：如果对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，物体就能得到大量的异乎寻常的特性。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。纳米材料从根本上改变了材料的结构，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开辟了新途径。下面让我们来看看从20世纪90年代开始纳米科学技术的发展历程：,第十章 纳米材料的国内外研究现状,.,1990年，美国举行了第一届国际纳米科学技术会议，这标志着纳米科学技术趋于成熟。1998年，德国已建立了6个纳米研究中心：纳米结构、纳米应用开发、纳米技术、纳米化学、纳米加工和纳米分析中心。1999年，Al2O3、SiO2、Fe2O3等氧化物纳米粉市场已达500亿美元；2000年，美国宣布实施国家纳米技术计划（NNI）,包括七大类：材料制造、纳米电子学与计算机技术、医疗与卫生、航空与航天、环保与能源、生物技术与农药及国家安全。,.,美国科学技术委员会2000年3月向美国政府提出报告，把启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心。世纪之交，世界先进国家都从未来发展战略的高度，重新布局了纳米材料的研究。从1999年开始，美国政府决定把纳米技术研究列入21世纪前10年的前11个关键领域之一，美国商业周刊在掌握21 世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域(其它2个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源)。,.,美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其原因有两个方面：一是德国科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到1.44万亿美元，美国试图占有大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术未来的应用远远超过计算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为，纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。,.,在自然杂志的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系的高比表面纳米颗粒制备与合成方面世界领先，在纳米功能技术中的应用与欧盟并列世界第一，纳米尺度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矶分校与惠普公司合作研制成功100nm芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系(10-11bit/in2)，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。,.,1适应仓储作业过程的要求，有利于仓储业务的顺利进行。（1）单一的物流方向（2）应尽量减少储存物资在库内的搬运距离，避免任何迂回运输。（3）最少的装卸环节（4）最大程度地利用空间,.,2有利于提高仓库的经济效益(1)货区布局应充分考虑地形、地质条件，因地制宜(2)平面布置与竖向布置相适应(3)货区布局能充分和合理地利用我国目前普遍使用的门式、桥式起重机等固定设备3有利于保证安全生产和文明生产,.,1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年以巨磁电阻效应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方面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既具有颜料、又具有染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印像带来革命性变革。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令人瞩目，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。,.,纳米材料诞生十多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。它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。,.,由于纳米科学技术具有极其重要的战略意义，美、英、日、德等发达国家都非常重视这一技术的研究工作。美国国家基金会把纳米科学技术列为优先支持项目，拨巨款进行专题研究，并成立了专门的研究中心。美国航空航天局、美国斯坦福大学、哈佛大学等以及德国、英国的一些研究机构和大学也都纷纷设立了研究前沿阵地。日本也把纳米技术列为六大尖端技术探索项目之一，制定了庞大的国家级研究规划，并投资近 2亿美元制定了长达 10年的纳米技术研究计划。迄今为止，这些国家在纳米材料这一研究领域都已取得了令人瞩目的成果，下面是世界纳米技术研究计划的一个简介，主要介绍的是美日欧的纳米技术研究。,.,据估计，纳米技术目前的发展水平与50年代的计算机和信息技术类似。致力于这一领域的多数科学家预计，纳米科技的发展将对许多其它方面的技术产生广泛而重要的影响。以下是世界上大部分重要的纳米技术研究计划总览,10.1 世界纳米技术研究计划,.,美国美国各公共和私人资助机构，化学、计算机、制药及其它领域的大公司以及中小企业都对纳米技术的竞争前研究计划提供资助。得到资助的大部分计划由专业研究计划演变而来，只有几项被认为是主要研究纳米技术的。据估计1997年美国政府机构对该领域基础研究的资助约为1.16亿美元。国家科学基金会享有美国政府投资中的最大份额，每年约6500万美元，1997年的投入占其总体研究投资的2.4%左右。1998年它增加了对功能纳米结构研究的支持，资助额超过1300万美元。,.,国家科学基金会在纳米技术领域的活动包括由先进材料和工艺计划支持的研究；为更高速创造纳米粒子而进行新概念和基础研究的超微细粒子工程计划；国家纳米制造用户网；纳米科学和工程仪器开发，以改进分子、簇、纳米粒子和纳米结构材料的原子级测量。目前有一项活动是功能纳米结构的合成、加工及应用计划。,.,在美国，许多大型跨国公司、小企业和财团都在从事与纳米技术相关的研究开发活动。道氏化学、杜邦、柯达、惠普、休斯电子、朗讯科技、摩托罗拉、德州仪器、施乐等都在长期研究实验室建立了专门研究团体。据估计，它们的纳米技术研究总经费与美国政府资助额相当。计算机和电子公司将其长期研究资源的一半拨给纳米技术计划。小型商业企业都已在各个技术领域形成了一种竞争型的创新环境。市场小生境以及美国政府机构通过小企业创新研究计划给予的支持形成了高技术企业的核心。,.,1999财年国家科学基金会的大学对小公司技术转让计划致力于纳米技术。半导体生产与技术研究所和半导体研究公司这两个半导体加工财团都在进行用于无机表面功能纳米结构的重要研究活动。在过去几年里，美国的许多大学建立了一系列纳米技术跨学科研究中心，使这一领域的公共研究与教育基础设施不断扩大。,.,目前美国对纳米技术的兴趣甚广，并且一般散布到小团体中。最受重视的研究课题有：具有工程性能的金属与陶瓷纳米结构材料；聚合物大分子的分子操纵；软纳米结构的化学自组装技术；纳米结构涂料的热喷工艺和以化学为基础的技术；电子产品和传感器的纳米制作；用于与能量相关工艺的纳米结构材料，如催化剂、软磁体；纳米机加工；航天器系统的小型化。,.,另外，正在进行用于生化的神经通信与芯片技术研究；开发了计量学在纳米结构的热力学性能、磁性、微磁模拟以及热动力学方面的应用；原子级的模拟已被确立为一种计算工具；建造了纳米探针，用于以纳米级精度和皮秒时间分辨率研究材料结构和器件。尽管在受控条件下由原子和分子构建纳米结构是最有希望的方法，但是材料结构重组和尺寸缩减法仍将继续存在。探索性的研究包括量子操纵和原子控制手段，等级结构材料的计算机设计、人造结构分子，有机与无机纳米结构的结合、生物拟态、纳米级机器人学、生物结构对信息的编码与应用、DNA计算、相互作用的组织以及化学与生物试剂探测器。,.,在商业上可行的技术在美国已被应用于陶瓷、金属和聚合物的纳米粒子、纳米结构合金、着色剂和化妆品、电子元件等。从科学发现到技术应用的时间间隔长短悬殊。目前纳米技术在其它方面的应用有硬涂料、化学和生物探测器、通过纳米粒子进行的药物传送系统、电子工业中利用纳米粒子浆进行的化学-机械抛光以及先进的激光技术。有几种纳米粒子合成工艺几十年前就奠定了其科学基础，但大部分工艺的科学基础还正在研究。大部分纳米粒子研究的技术基础开发工作还处于初级阶段，单靠产业界不能支撑建立科技基础设施而需进行的研究工作。这是政府和私立机构支持基础研究所起的作用。,.,美国纳米技术研究的发展一直是在与各学科的其它研究课题公平竞争中进行的。这是美国纳米技术研究工作相对较为零散而且在各学科、相关领域及经费来源方面出现部分重叠的原因之一。这种情况在新兴的纳米技术领域建立竞争途径和促进创新性思想方面具有优势；它在开发系统应用方面也有一定劣势。有一个进行机构间协调的纳米技术团体，其目标在于在一定程度上改善目前这种状况。该团体成立于1997年，其成员来自12个政府资助和研究机构，旨在加强纳米科学研究专业人员间的联系与合作.,.,美军决定投资5000万美元在麻省理工学院建立军事纳米技术研究所，以便为其提供更先进的作战装备。这个研究所目前将集中精力研制可为士兵疗伤的装置、能几乎隐形的军装以及在士兵骨折时可以变成骨骼定位器的外衣等新装备。此外，这种军服不但可以抵挡子弹袭击，甚至还可用作进攻武器，而配有内部动力的鞋子则更能让士兵登高如履平地。,2002年，美投巨资建立军事纳米技术研究所,.,军事纳米技术研究所所长托马斯教授介绍，根据美军研究计划，这些新装备为士兵提供了有效的保护措施，美军因此在未来战场上有可能象机器人一样刀枪不入。这个研究所将配备150名科研人员，其中包括35名麻省理工学院教授、80名研究生和一些军方专家。有关方面估计，这些专门为美军士兵研究的新装备有望在10年后能问世。,.,日本,在日本，纳米技术一词经常被用于专门描述为未来电子和计算机技术所需的半导体或无机基底上的纳米结构构建以及描述纳米级测量仪器的开发。不过在与本报告定义的纳米技术有关的其它许多领域，日本也有研究计划。政府机构和大公司是日本纳米技术研究资金的主要来源，中小企业的作用很小。研究活动一般集中在较大的工业、政府和大学的实验室内。日本资助纳米技术的三个主要政府机构是通产省、科技厅和文部省。日本第一个关于超微细粒子的五年研究计划是在1981年由尖端技术探索研究计划启动的。,.,据估计，通产省工业技术院（AIST）在1996和1997年每年用于纳米技术的预算约为6000万美元（约占该院预算的2.2%）。国家跨学科研究促进会承担了三项AIST 计划：1.原子技术联合研究中心（JRCAT），19922001年10年间预算约为2.2亿美元（1996年为2500万美元）；2.簇科学研究计划，19921997年间经费约为1000万美元；3.仿生设计研究计划，19921997年间经费为1000万美元，约有一半用于纳米技术。,.,据估计，1996年科技厅在纳米技术研究领域的投资约为3500万美元，主要资助物理化学研究所、国家金属研究院、国家无机材料研究院、日本科技公司等五个组织。文部省支持大学和国立研究所的纳米技术计划，同时也通过日本科学促进会（JSPS）进行支持。最活跃的计划是东京大学、京都大学、东京技术研究所、东北大学和大阪大学的计划。分子科学研究所和新型人造材料与物质的探索性研究计划促进面向下一代工业的新的研究思路。JSPS资助的为了未来的研究计划在东北大学有一项有关纳米结构控制的服从于自旋的量子效应计划。文部省对纳米技术计划的投资约为2500万美元。,.,日本的大公司也推动纳米技术研究。重要的研究工作分布在6个研究所：日立公司（中心研发实验室，纳米技术约占其长期研究经费的25%）；日本电气公司（基础研究实验室，纳米技术约占其竞争前研究经费的50%）；日本电报电话公司（厚木实验室）；富士通公司（量子电子器件实验室）；索尼公司和富士公司。这些公司习惯上拨出其销售额的10%用于研究开发，其中约10%左右用于长期研究。日本的一些纳米结构产品已具有相当的市场影响。日本一公司每年生产的电子学、光学和艺术用的粒子的销售额超过400万美元。并且像美国一样，日本也有一些私人财团对纳米技术的研究开发做出了更大的贡献。,.,在过去几年里，加强纳米技术研究基础设施建设得到两方面的支持：一是政府对基础研究的总体投资增加；二是学术界和产业界有更多的研究人员选择纳米技术作为他们的主要研究领域。潜在的工业应用是强大的促进因素。大部分实验室项目都采用了系统方法，包括多种表征方法和加工工艺。日本一个特别的研究强项是仪器开发。在过去几年里，通产省奖励大学、旨在鼓励大学临时聘用产业界研究人员的新计划，促进了大学和产业界的交流。,.,欧共体,在欧洲，国家计划、欧洲合作网络和大公司共同为纳米技术研究提供资金。欧洲的多国计划如下：1.欧共体的ESPRIT 微电子学先进研究计划和BRITE/EURAM的材料科学计划中有一部分是纳米技术方面的研究；2.PHANTOMS（中尺度体系的物理学和技术）计划是一个创建于1992年的约有40个成员的网络，其目的在于促进纳米电子学、纳米组装、光电子学和电子开关方面的发展；,.,3.自1995年以来，欧洲科学基金会一直资助一个关于气相合成和纳米粒子材料加工的网络（NANO），其目的是增进从事纳米粒子研究的气溶胶学界和材料学界之间的联系。该网络包括18个研究中心，由杜伊斯堡大学和德尔夫特大学共同领导；4.1996年建立了欧洲纳米材料财团（ECNM），其协调中心设在瑞士洛桑。该集团的目标在于为解决纳米材料的技术难题进行基础研究，并增进研究人员和产业界之间的交流；,.,5.1992年以来电子学用有机材料的优秀网络（NEOME）一直有一些与纳米技术相关的计划；6.1997年成立了欧洲精密工程和纳米技术学会（EUSPEN），由6个欧共体国家的企业和大学参加；7.1996年建立了联合研究中心纳米结构材料网络，总部设在意大利的伊斯普拉。预计欧洲第五个框架计划将会推出纳米技术方面的新计划，特别是在下一个四年计划中将会增加纳米生物学方面的新内容。,.,德国联邦教研部为纳米技术提供强大的国家支持。夫朗和费学会、马普学会和几所大学已成为这一领域的优秀中心。据估计，1997年教研部用约5000万美元的年预算支持纳米技术计划。将要实行的两个最大的计划，其一是CESAR，该中心位于波恩，由州和联邦政府均摊5000万美元经费，其约三分之一的研究是针对纳米科学的；另一个是位于卡尔斯鲁厄附近的新建的研究碳增强材料的研究所。从1998年开始教研部将在德国兴建五个具竞争力的纳米技术中心，研究课题范围很广，涉及从分子结构到超精密生产各个方面。,德国,.,1988年英国发起一项网络计划（纳米技术联系计划），年度预算约200万美元。工程和物理学研究委员会一直资助与纳米技术相关的材料学计划，19941999年共投入资金700万美元左右，约100万美元专用于纳米粒子研究。为促进大学、产业界和政府实验室中的纳米技术发展，国家物理实验室建立了一个论坛，叫做国家纳米技术计划。,英国,.,法国国家科研中心（CNRS）在约40个物理实验室和20个化学实验室中开展了纳米粒子和纳米结构材料研究计划。合成方法包括分子束和分子簇沉积、蚀刻、电化学、软化学和生物合成等。各类研究团体的纳米技术活动都有增加，研究重点为分子电子学、大间隙半导体和纳米磁学、催化剂、纳米滤光器、治疗难题、农业化学，甚至包括可塑性混凝土用水泥。,法国,.,据估计，该中心将其预算的2%（约4000万美元）用于纳米科学和纳米技术计划，资助60个实验室的500名研究人员。合作研究和生产纳米材料的公司有汤普森、圣戈班、罗纳普朗公司、液气公司和北部电子微电子研究所。另外还有法国纳米技术俱乐部，其宗旨在于促进法国这一领域中的相互影响。,.,国内关于纳米材料和技术的研究也取得重要的进展。为了使我国在世纪之交乃至下一世纪在纳米材料和技术研究中在国际上占有一席之地，在国际市场上占有一定份额，从前瞻性、战略性、基础性来考虑，应该合理布局纳米材料基础研究和应用研究，要重视纳米技术的创新。纳米技术内涵广泛，从材料的角度，纳米技术包括纳米材料的制备技术、纳米颗粒表面的控制、改性和修饰技术，以及把纳米材料应用到各个领域和各种产品上的关键技术。,中国纳米科技的发展现状,.,在富有挑战的21世纪，世界各国都对富有战略意义的纳米科技领域予以足够的重视，特别是发达国家都从战略的高度部署纳米材料和纳米科技的研究，目的是提高在未来10年乃至20年在国际上的竞争地位。从各国对纳米材料和纳米科技的部署来看，发展纳米材料和纳米技术的战略是：,.,以未来的经济振兴和国家需求为目标，牵引纳米材料的基础研究、应用开发研究；(2)组织多学科的科技人员交叉创新，做到基础研究、应用研究并举，纳米科学、纳米技术并举，重视基础研究和应用研究的衔接，重视技术集成；(3)重视发展纳米材料和技术改造传统产品，提高高技术含量，同时部署纳米材料和纳米技术在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式的发展。,.,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。一是大面积定向碳管阵列合成：利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，直径基本一致，约20nm。长度约100m，纳米管阵列面积达到3mmx3mm，其定向排列程度高。这种大面积定向纳米碳管阵列100m，在平板显示和场发射阴极等方面有着重要应用前景。,.,这方面的文章发表在1996 年的美国科学杂志上。二是超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为2-3mm的超长定向碳纳米管阵列。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高1-2个数量级。三是氮化镓纳米棒制备：首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为3-40nm、长度达微米量级的发蓝光氮化镓一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为1998年度中国十大科技新闻之一。,.,四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在纳米器件方面的应用。五是准一维纳米丝和纳米电缆：应用溶胶-凝胶与碳热还原相结合的新方法，首次合成了碳化钽(TaC)纳米丝外包覆绝缘体SiO2和TaC纳米丝外包覆石墨的纳米电缆，以及以SiC纳米丝为芯的纳米电缆，当前在国际上仅少数研究小组合成这种材料。,.,该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。六是用苯热法制备纳米氮化镓微晶；发现了溶剂热合成技术，首次在300 左右制成粒度达30nm的氮化镓微晶。还用非水热合成法，制备了金刚石纳米粉。该成果发表在1998年的科学杂志上。美国化学与工程新闻杂志还发表题为“稻草变黄金从四氯化碳(CCl4)制成金刚石”一文，予以高度评价。,.,最近我国科学家又成功地合成了直径最小的碳纳米管；还发现了纳米金属铜的超延展性。在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地。无论从研究对象的前瞻性、基础性还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发展，为培养高水平的纳米材料研究人才作出了贡献。,.,在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化中也发挥了重要的作用。制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料和纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，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维纳米材料的物性，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。,.,6.2 中国纳米科技的产业状况,6.2.1 纳米粉体材料初步实现了产业化,我国纳米材料和技术的应用开发始于90 年代中期,是在纳米材料和技术研究的基础上发展起来的,从80年代末,我国政府重视纳米材料和技术的研究,国家科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、教育部和经济发达的省市通过攀登项目、863项目、重大基金项目以及攻关项目对纳米材料的基础研究和应用研究进行支持,总投资约为8000万元。,.,1995年之后,社会上的企业家对纳米材料和技术的开发倾注了浓厚的兴趣,一些有远见的企业家对纳米粉体材料的规模生产以及纳米技术向各个领域的渗透进行投资。19951997年,从事纳米材料生产开发的公司约有20 多家,19971999 年增加到70多家,到2000 年7 月,以纳米字样注册的纳米材料和技术公司有100 多个,社会资金投入超过7 亿元,截止到2001 年4 月,增加到330 家,注册资金为60多亿元,80%分布在北京、上海、山东、江苏、浙江、广东、天津和东北等省、市和地区。如果把高等学校、研究单位从事纳米材料研究开发的队伍统计在内,全国有约1万人从事纳米材料研究与开发。,.,目前,纳米材料粉体生产线吨级以上的有20多条,生产的品种有:纳米氧化物:纳米氧化锌、纳米氧化钛、纳米氧化硅、纳米氧化锆、纳米氧化镁、纳米氧化钴、纳米氧化镍、纳米氧化铬、纳米氧化锰、纳米氧化铁等。纳米金属和合金:银、钯、铜、铁、钴、镍、钛、铝、钽、银-铜合金、银-锡合金、铟-锡合金、铜-镍合金、镍-铝合金、镍-铁合金和镍-钴合金等。纳米碳化物:碳化钨、碳粉、碳化硅、碳化钛、碳化锆、碳化铌、碳化硼等。纳米氮化物:氮化硅、氮化铝、氮化钛、氮化硼等。,.,此外,纳米半导体、硅、纳米钛酸钡、钛酸铅、钛酸铋、钛酸锶、铁酸镧、铁酸锌等也相继研制成功,具备了小批量生产能力,单一粉体的应用已经在全国展开。当前纳米粉体规模生产中存在的主要技术问题有:大规模生产中颗粒的分散技术、表面修饰和改性技术、降低成本、提高粉体结构和性能的稳定性以及产品的可重复性还需要进一步的创新。根据应用一个生产线上通过适当工艺的控制,能生产出系列具有不同性能的产品是当前纳米粉体产业应重点解决的问题。,.,制备纳米结构的载体,通过组装技术,将不同的纳米颗粒组合到纳米结构载体上,通过协同耦合作用,最大限度地发挥这种纳米组合体系所产生的纳米效应,是当前我国纳米粉体产业发展新型纳米粉体材料的一个重要途径。总之,在纳米粉体制备科学和规模生产中的工艺技术尚存在着广阔的创新空间。,.,传统材料表面纳米化技术正处于实验阶段,在金属塑料表面的涂层技术已进入中式阶段,利用改进的等离子技术、表面浞火技术和激光表面热处理技术正用于结构材料表面纳米化,轴承、齿轮、丝杠、硬质合金刀具表面纳米化处理均有明显的效果,结合现有产品的开发正在进行当中。用于机械和汽车部件上的纳米润滑剂已开发成功,润滑的效果明显优越于常规润滑剂,能显著地降低高频噪音,抑制温升,减少材料的耗损,并有自修复的功能。,6.2.2 纳米涂层技术出现了产业化的趋势,.,纳米材料和技术在轻工产业和家电行业出现了应用的热潮,电冰箱所需的材料如:ABS、磁性PVC和具有红外反射功能的PMM 都采用纳米材料和技术,基本实现了性能的升级,新一代包含纳米技术含量的电冰箱已开发成功。纳米抗菌除臭技术也开始应用到电冰箱内部的涂料和洗衣机内胆外层的涂料上,具有抑制霉菌生长的功能。电视机显示屏用的纳米“三防”涂料(防静电、防辐射、防眩光)已研发成功。纳米自清洁和纳米防雾技术也开始应用于厨房用的电器设备和新型空调器的制造。,6.2.3 轻工电子,.,人造功能纤维是化纤和纺织行业发展的总趋势,日本、美国和欧洲发达国家,人们对具有特殊功能有益人体健康的纤维倍加青睐。我国已开始研制纳米改性的人造纤维,如抗紫外纤维、红外保温纤维、抗菌自洁纤维、防油防水纤维、防静电阻燃纤维都已在实验室开发成功,具备了产业化的条件。其中季节性的人造纤维(抗紫外线及夏季用的凉爽型纤维)、防水自洁纤维、红外保温纤维都开始采用纳米技术,出现了产业化的趋势,我国在纳米功能纤维产业化具有强劲的势头,潜力很大。北京、江苏、湖北、浙江、辽宁、山东等一些大的产业都开始利用纳米技术促进人造纤维产业升级,有的纳米人造功能纤维已开始进入市场。,6.2.4 化纤纺织,.,精细化工应用纳米技术的特点是:采用纳米技术全方位与现有化工技术交叉融合,改造传统化工产品,使其性能升级。纳米材料改性的油漆无沉淀、耐老化、成模性能好,在市场上已表现出很强的竞争能力,各种功能涂料(吸波、除味、储光、杀虫、防辐射)正在开发当中,下一代的智能涂料(气敏、温敏、光致变色等)也正在开发之中,预计35 年陆续进入市场。总体来说,我国在涂料、油漆产品中,利用纳米技术提高产品的性能进展较快,前景看好。,6.2.5 精细化工,.,电力工业应用的陶瓷和塑料制品,开始利用纳米材料和技术进行升级换代初见成效,纳米材料添加改性的电力陶瓷,强度和韧性都提高了70%,抗冲击韧性提高了1 倍,电力工业用的橡胶绝缘材料通过纳米材料改性,综合力学性能、电学性能和抗紫外老化的性能都有大幅度的提高,避雷器用的氧化锌阀片通过纳米材料改性,残压比和漏电流都大幅度的下降,抗电冲击的性能大幅度提高,用纳米技术改性的电力工业用开关、非线性电阻材料开始步入产业化。,6.2.6 电力工业,.,目前我国建筑材料产业应用纳米技术,主要集中在外墙涂料、内墙涂料和建筑玻璃产品上,水溶性自清洁涂料已开发成功,耐水冲刷能力、防退色和防尘能力都优越于传统的涂料,很快会进入市场;内装修用的具有杀虫、防放射性纳米材料改性的涂料也在实验室研制成功,应用前景看好。用纳米材料添加减轻建筑玻璃重量的研究也开始进行布署,一些企业家也参与了纳米建筑材料的开发工作。,6.2.7 建筑材料,.,纳米技术对空气中的20nm 和水中的200nm 污染物的清除能力,是其它技术不可代替的。自1997年以来,我国就开始把纳米材料和技术应用于污水治理及环境净化等领域。利用纳米光催化技术与其它传统技术相结合,研制成功新型空气净化器,对氮氧化物、一氧化碳、甲醛等有害气体有明显的降解作用,可使空气中的浓度大于10 10-9的有害气体降低到0.1 10-9,该设备已进入实用化生产阶段。,6.2.8 环境领域应用纳米技术出现新苗头,.,利用多孔小球组合光催化纳米材料,已成功用于污水中有机物的降解,对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物,有很好的降解效果。近年来,不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业,用于提高水的质量,初见成效。采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造也有效果的明显。淡水湖内藻类污染了水环境,一直是环保中急待解决的问题。利用纳米材料和技术治理淡水中藻类引起的污染,最近已在实验室初步研究成功,为解决这一问题,提供了一条新途径。,.,合理利用传统能源和开发新能源是一项重要的任务。我国是发展中的国家,煤、石油、天然气是我国目前甚至更长一些时间使用的主要能源,用煤作为主要燃料进行发电,在我国能源使用中占有很高的比例,提高燃烧效率,减少有害气体的排放以及对粉煤灰的综合利用一直是能源产业极待解决的问题。近年来,科技人员与能源领域的专业技术人员密切合作,正在开发用于煤和油料燃烧的纳米净化剂、助燃剂,于此同时,利用纳米技术,提取粉煤灰中的有用物质,已获得初步成果。,6.2.9 能源领域,.,太阳能电池和太阳能转化器件,镍氢电池、锂电池和燃料电池中的工作电极、离子交换器等都开始采用纳米技术,提高能量转化的效率。这种研发工作,许多方面正在公司和企业中进行。最近已研制成功纳米材料和技术改性的铅酸电池,不但提高了化学能转变成电能的效率,而且使用寿命提高一倍多。,.,6.2.10 纳米药物的开发有了新的开端,近年来,我国医药行业重视纳米技术的应用,在保健医药方面已取得重要进展。增加人体免疫和清除自由基功能的纳米硒和纳米钙等系列产品已开始进入市场。纳米氧化锌改性的消毒纱布、氧化锌杀菌软膏、各种消毒试剂和外敷药品都开始采用纳米技术进行改性,增强药力,杀菌的效率明显提高。纳米材料和技术在杀虫剂等方面的应用也正在研发之中。在药物行业应用纳米技术前景广阔,发展势头强劲。,.,纳米压敏电阻、非线性电阻、负电阻温度系数、微电极、微电容等器件已相继在实验室研制成功,高聚物薄膜电容采用纳米技术,使介电常数和透光率均有明显的提高;厚膜电路用的氧化铝基板材料采用纳米材料改性,提高了表面的光洁度,导热系数提高了15%,抗热震性能提高了1 倍,这些电子产品已陆续进入规模生产阶段。,6.2.11 电子原器件领域应用纳米技术已有重要的进展,.,我国是发展中国家,改革开放以后,国民经济保持了持续、快速发展,引起世界瞩目。但是,我们国家基础薄弱,主要依靠传统产业,高科技产业近年来虽然发展很快,但对我国GDP 的贡献比例还很小,与发达国家相比还有很大的差距。我国的国情决定了我国发展纳米技术的总体思路与美国、日本和欧洲不同,要有中国自己的特点,要走出符合我们自己情况的新路子。发展纳米科技,这就是以纳米技术为契机,解决当前国民经济发展和支撑产业中亟待解决的问题。,6.3 发展我国纳米产业的指导思想,.,纳米技术首先向传统产业切入,调整产品结构,注入高科技含量,为实现我国传统产业升级,促进GDP 的增长做出贡献。同时寻找机遇,向高科技产业渗透,特别重视在环境、能源、医药和国防领域应用纳米技术,培育新兴纳米产业,逐步形成产业链,使这些产业的起点就定位在21 世纪该领域的技术制高点上,为实现我国上述领域跨跃式发展奠定基础。信息、宇航、生物技术和新材料方面,目前应用纳米技术水平与发达国家有一定的差距,但也存在局部机遇,只要选取准切入点,在某些方面形成具有自主知识产权的新的产品平台,进而发展成纳米高科技产业是完全有可能的。,.,6.4 我国应重点发展的纳米产业,21 世纪前20 年,是国际发展纳米科技的关键时期,纳米技术将给各个领域的快速发展带来新的机遇。我国自80 年代以来国民经济进入了良性循环时期,经济持续高速的发展,使我国GDP 占全世界第七位,2000 年达到1 万亿美元,位于美国、日本、德国、法国、英国和意大利之后,外汇储备居世界第二位。但是我国的国民经济仍然是靠传统粗放性的产业支撑,要想实现跨越式的发展,在21 世纪步入先进国家的行列,必须抓住纳米科技发展我国国民经济的极好机遇,发展高新技术产业,实现对传统产业的升级。根据国际纳米科技发展的趋势,结合我国的实际情况,应重点发展以下纳米产业:,.,特种纳米材料应用前景广阔、市场前景巨大,是世界各国发展的重点。我国具有技术和资源的优势,迅速实现产业化,打破国际封锁和垄断,战略意义重大。1)纳米碳管:纳米碳管是国际公认的有广阔市场潜力的前沿材料。利用价格低廉的催化裂解技术代替激光电弧法生产纳米碳管,实现高质量、低成本、大批量纳米碳管的生产,使产品售价降低几百倍,每小时产量提高十几倍。目前我国的生产技术在国际上具有一定的优势,纳米碳管产品具有很强的竞争实力,迅速产业化将在我国高新技术产业的发展中起到示范带动作用。,6.4.1 特种纳米粉体材料产业,.,2)纳米稀土材料:我国稀土储量和出口量均居世界第一,现有稀土材料档次低,出口创汇能力差。利用湿法冶金、化学热分解和纳米分散一体化技术,实现纳米稀土产业化,满足下一代磁性元器件、电子陶瓷元器件、催化剂、精细抛光和新材料的需求,增强出口创汇能力,力争控制和垄断国际市场。3)高效含能纳米材料:高效含能纳米材料产品附加值高,是国防急需的关键新材料之一。打破发达国家的严密封锁,发展具有我国自主知识产权的高效含能纳米材料,任务紧迫。利用气相反应沉积与化学表面处理相结合的技术,解决含能纳米硼、铝等粉体的球形化、分散及表面处理问题,突破含能纳米粉体的低成本、规模化生产,建立年产吨级生产线,填补我国在高效含能纳米材料产业的空白。,.,4)羟基镍:千吨级纳米羟基镍生产技术和产品的开发是我国急需解决的问题。利用我国富产的镍资源和液态羟基化合物热分解与有色金属提炼相结合的技术,建立纳米镍粉、镍丸、镍铁合金等产品的生产线,打破国际垄断,满足国内市场需求,参与国际竞争。5)纳米硅及其化合物粉体:纳米硅粉和碳、氮化硅是高科技产品急需的重要材料,价格低廉、大规模生产是纳米硅及其化合物急待解决的关键问题。利用激光热解、化学气相沉积和苯热合成可以生产不同纯度、不同档次的廉价纳米硅粉、碳氮化硅粉体材料,形成年产几十吨的新型产业,抢占国际市场,增强出口创汇的能力。,.,利用我国廉价丰产的层状硅酸盐膨润土资源和具有自主知识产权的纳米插层复合技术,实现纳米聚烯烃、聚酰胺、聚酯等工程塑料和橡胶的产业化。推动传统聚合物产品的升级换代,保持我国在纳米聚合物领域的国际领先地位。,6.4.2膨润土自组织纳米结构的工程塑料和橡胶产业,.,利用纳米表面修饰技术,解决液相沉淀法规模化生产中粒子团聚的关键问题,实现纳米电子陶瓷粉体材料(如纳米氧化锌、氧化钴和氧化铋)的产业化,在重现性和稳定性上达到国际先进水平,替代进口,满足国内新一代电子陶瓷元器件的需求。,6.4.3纳米电子陶瓷基料和添加材料的产业,.,(1)高密度垂直磁记录存储纳米材料:传统超薄多层膜磁记录密度已接近极限,垂直磁记录大幅度提高存储密度已成为必然的发展趋势。将先进的纳米磁记录介质材料的制备技术与数字式的磁头记录技术和双层涂布技术相结合,迅速建立高密度垂直磁记录存储纳米材料的产业,改变我国现有磁记录产业落后的局面,使我国磁记录产品实现跨越式发展,满足国内需求,参与国际竞争。,6.4.5 下一代磁性材料产业,.,(2)超高磁能积纳米复合稀土永磁材料:超高磁能积纳米复合稀土永磁材料将成为新一代的磁性材料。利用我国丰富的稀土资源,重点突破超快淬火纳米化制备技术、高效磁体的取向、充磁技术和环境友好的磁体表面的处理技术,建立纳米永磁材料的工业化生产线,实现现有稀土永磁材料产品的升级换代,扩大我国稀土永磁产品的国际市场份额。,.,6.4.6 常规材料表面纳米化(1)纳米功能涂层:我国每年因磨损、腐蚀、氧化等引起部件失效造成的钢材、合金材料损失达数百亿元。重点突破纳米功能涂层材料的复合加工技术,实现纳米材料添加改性涂层或新涂层的工业化制造,提高表面强化效果,以延长部件的服役寿命,减少原材料浪费,提高工业制造技术水平。,.,(2)纳米建筑涂料:目前国内生产的有机建筑涂料存在严重的环保问题,产品档次低,缺乏竞争力。利用纳米粘土与稀土离子的交换技术、有机分子与无机材料的纳米复合技术,实现纳米材料改性水基功能建筑涂料的产业化,生产防腐、自洁、耐洗刷、抗老化、抗变色的高档涂料,替代进口,满足国内急需。通过示范带动,全面提升我国建筑涂料工业的整体水平。,.,(3)纳米固体润滑产品:磨损是材料与设备报废的3 种主要原因之一,机件通常由早期的轻度磨损发展成为严重磨损,从而导致严重的事故。通过使用纳米固体润滑剂对磨损部位进行原位快速修复,将极大地延长机件的使用寿命,并将通过影响和改进传统的润滑方式而节省润滑剂与燃料用量。纳米固体润滑剂将在短期内形成数十亿元的新产业。,.,(1)网络通讯中的纳米器件产业:光通讯在未来5 到10 年内将是发展最为迅速的产业,光通讯系统中大量采用分离器件,将成为产业发展的障碍。采用模板合成和自组装纳米技术制备纳米结构的器件,建立网络通讯中的纳米器件产业,生产谐振器、过滤器、截止器、超微开关、微电极等系列纳米器件,形成新一代网络通讯元器件的产品平台,使我国在这一领域直接进入国际前沿。,6.4.7信息产业中的纳米技术,.,(2)数字高清晰度显示器产业:平面显示器具有巨大的市场,场发射平面显示具有成本低、视角宽、分辨率高、图像清晰、功耗低、质量轻和薄等一系列优点,是下一代平面显示器的主导产品。利用高密度纳米碳管微阵列技术,与高清晰度荧光粉相结合,建立新一代纳米场发射平板显示器产业,在国际平面显示器件升级换代的竞争中占有重要的地位。