摘 要:介绍了纳米科技的基本概念,概述了纳米材料的基本特性和国内外纳米材料研究领域的新进展和发展趋势。对高力学性能纳米涂层、复合纳米材料、纳米碳管、纳米塑料与纳米陶瓷、环保纳米材料、纳米润滑材料、磁性纳米液体等新材料在电力工业中的应用前景进行了综述。
关键词:纳米科技;纳米材料;电力工业;应用
纳米是一个微观尺度的度量, 1纳米等于10亿分之一米。最早把这个术语用到技术上是日本学者久保(1974年底),但是以“纳米”来命名材料是在20世纪80年代。纳米科技(Nano-ST)是20世纪80年代诞生并正在崛起的新科技,是继因特网、基因技术后人类关注的又一热点。所谓纳米科技,是指在1～100纳米范围内,研究电子、原子和分子内在规律和特征,并用于制造各种物质的一门崭新的综合性科学技术。当物质被“粉碎”到纳米级细小并制成的“纳米材料”,不仅光、电、热、磁性发生变化,而且具有辐射、吸收、吸附等许多新特性。纳米科技旨在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用,并对这些特性加以利用,最终目标是直接以原子分子在纳米尺度及物质在纳米尺度上表现出的特性,制造具有特定功能的产品[1,2]。
著名物理学家、诺贝尔物理奖获得者查理德—费曼在1959年曾预言:如果有一天可以按照人们的意志安排一个个原子,将会产生怎样的奇迹?今天这个美好的梦想已经成为现实。纳米科技诞生才几年,美国商用机器公司(IBM)科学家利用扫描隧道显微镜直接操纵原子,成功地在镍板上,按自己的意志安排原子组合成IBM字样[1]。
在纳米材料发展初期,纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在广义地讲,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或由它们作为基本单元构成的材料。如果按维数,纳米材料的基本单元可以分为3类:¹零维,指在空间三维尺度均在纳米尺度,如纳米尺度颗粒、原子团簇等;º一维,指在空间有两维处于纳米尺度。如纳米丝、纳米棒、纳米管等;»二维,指在三维空间中有一维在纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格等。
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。据预测,到2010年,纳米技术将成为仅次于芯片制造业的世界第二大产业。目前,纳米技术广泛应用于化工、光学、医药、半导体、信息通讯,一年的营业额已经达到500亿美元。
1 纳米材料研究的发展趋势[1-5]
当今,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长足的进展。
根据纳米材料发展趋势以及它在对高技术发展所占有的重要地位,世界发达国家的政府都在部署未来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会(NSF)1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标;美国DARPA(国家先进技术研究部)的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象;日本近几年来制定了各种计划用于纳米科技的研究,例如Ogala计划、ERATO计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划,1997年,纳米科技投资1.28亿美元;德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划;英国政府出巨资资助纳米科技的研究; 1997年西欧投资1.2亿美元。
发达国家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年在国际中的竞争地位,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科技的战略是:¹以未来的经济振兴和国家实力的需求为目标,牵引纳米材料的基础研究、应用开发研究;º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;»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。
我国纳米材料研究始于20世纪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、教育部分别组织了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“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。
目前,我国已在纳米材料的制备,特别是纳米粉体材料的制备技术上取得了重大进展,熔体快速凝固、气体蒸发、磁控溅射、激光诱导CVD、等离子加热气相合成等制备纳米材料的装置已得到应用,发展了化学共沉淀、溶胶-凝胶、非水溶剂合成和超临界液相合成制备包括金属、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的方法,研制了性能优良的多种纳米复合材料。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。
“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2 400多篇,在国际上排名第五位。
我国在“十五”期间纳米材料的研究重点主要有[20]:
1.1 纳米材料科学和技术
开展纳米材料特殊性能、结构稳定性及其基本科学问题的研究,研究纳米材料在外场(热、力、电磁场等)及介质中的结构稳定性特征,探索提高纳米材料稳定性的途径。开展轻质高强纳米材料、高耐磨耐蚀表面纳米材料、纳米涂层材料、超高磁性纳米材料、特种功能材料、纳米复合材料、纳米催化材料、纳米生物医用材料的制备和应用研究。
1.2 纳米器件
纳米器件的构筑和集成技术是纳米科技发展的主流趋势。研究单元纳米器件结构、特性、运行机理,开发超高密度集成原理和技术。
1.3 纳米加工技术
研究纳米尺度对于材料、器件的物理、化学性质的影响及纳米尺度下分子、原子、电子在声、光、热、电磁场等影响下的行为特性,研究不同材料进行纳米尺度加工、处理、组装所涉及的物理、化学的基本问题,如化学反应、扩散、传热、摩擦等,研究纳米尺度加工中的仿真、优化、控制技术和稳定性、可靠性等问题。
1.4 纳米技术在医药卫生中的应用
纳米技术在重大疾病早期诊断和治疗中的应用、纳米医用材料的研制、高效缓释、靶向性纳米化药物的研制、纳米化药物的药理性研究等。
2 纳米材料的基本特性
2.1 纳米材料的基本特性[1,2]
纳米材料可分为3大类:一是一维纳米粒子;二是二维纳米固体(包括薄膜和涂层、管、线);三是三维纳米体材(包括介孔材料)。纳米材料具有极佳的力学性能,如高强、高硬和良好的塑性。例如纳米Co-WC硬质合金的硬度比粗晶Co-WC合金提高—倍以上,且韧性和耐磨性均显著改善。纳米材料的颗粒尺寸越小,电子平均自由程越短,偏离理想周期场越严重,使得其导电性特殊。当晶粒尺寸达到纳米量级时,金属会显示非金属特征。纳米材料与常规材料的在磁结构方面的巨大差异,必然在磁学性能上表现出来。当晶粒尺寸减小到临界尺寸时,常规的铁磁性材料会转变为顺磁性,甚至处于超顺磁状态。纳米材料的比表面积/体积很大,因此它具有相当高的化学活性,在催化、敏感和响应等性能方面显得尤为突出。
纳米材料的优异特性吸引着人们在众多领域开发应用。虽然纳米材料的价格一再降低,但生产成本仍居高不下。而利用纳米材料的优异特性对传统材料进行改性,是一条经济实用的可行方法,有利于使纳米材料得到较大规模的应用。纳米氧化铝添加到氧化铝陶瓷中,显著地起到增强和增韧作用。可见,纳米材料对于解决陶瓷材料的脆性问题行之有效,从而为提高陶瓷材料的可靠性、扩大陶瓷材料的应用开辟了一条新的途径。根据纳米材料的光学特征,可以进行光学设计、制备各种光学功能材料,用于制造红外探测装置、非线性光学器件以及抗紫外照射的设备。纳米材料达到单畴临界尺寸,产生很大的矫顽力,可用于制成各种磁卡,用于信息存储系统;制成磁性液体,广泛地应用于阻尼器件、旋转密封等;作为新型制冷材料,提高制冷效率。
2.2 金属纳米材料的力学性能[5～16]
晶粒大小是影响传统金属多晶材料(晶粒尺寸在微米以上的量级)力学性能的重要因素。随晶粒减小,材料的强度和硬度显著增加。过去,对于微米级晶粒尺寸的材料,其强度R与晶粒平均直径d满足Hall-Petch关系,即R=R0+Kd-1/2(R0、d为常数)。直到20世纪80年代初,德国H.Gleiter教授提出了纳米晶体材料的概念并首次获得人工制备的纳米晶体以来,才有人开始研究纳米晶体是否满足Hall-Petch关系[4,5]。已有的研究表明,金属纳米材料具有非常独特的力学性能。例如,纳米铜或钯的块体材料其硬度比常规材料提高50倍,屈服强度提高12倍;纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍。纳米铁多晶体的断裂强度比常规铁高12倍。含C量1.8%纳米Fe的断裂强度达6 000MPa,而对应的常规粗晶材料仅为500MPa。
通过纳米微粒合成的块体,使原来具有良好韧性和延展性的金属可以大大提高强度,对具有高强度高硬度的常规陶瓷,通过合成大大增加了韧性,这正是纳米固体材料具有的无比优越性。
3 纳米材料在电力工业中的应用前景
3.1 纳米材料与表面涂层技术相结合的应用[6,9,10,18]
纳米材料具有优良的力学性能。纳米材料的特殊结构及大的体积百分数的界面使它的塑性、冲击韧性与常规材料相比有很大改善。纳米材料的优越性已充分表现在显著提高材料的强度、高低温疲劳寿命、抗氧化性及耐腐蚀性等方面,因此它在电力工业中有着十分广阔的应用前景。
完全的纳米材料离商业化尚有一段距离,目前只在军事上有所应用。但借助于传统的涂层技术,添加纳米材料可使传统涂层的功能得到大大提高。随着现代电力工业的发展,对设备部件表面性能的要求越来越高,特别是在高温、高压、高速、腐蚀介质等条件下,部件材料的破坏常常自表面开始,表面的局部损坏又往往造成部件的整体失效。表面工程技术就是利用各种表面涂镀层及改性技术,以少量的膜层材料获得基材不具备而又期望具有的性能与功能。它可显著提高材料的强度、高低温疲劳寿命、材料表面的耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐磨性能。
根据纳米涂层的组成将其分为3类:完全为一种纳米材料的体系、两种(或以上)纳米材料构成的复合体系;添加纳米材料的复合体系。纳米涂层的实施对象既可以是传统基体,也可以是粉末颗粒或纤维,用于表面修饰、包覆、改性或增添新的特性[20]。将纳米材料与表面涂层技术相结合,有利于纳米材料的扩大应用,同时给涂层技术进一步提高创造了条件。近年来,纳米涂层材料发展的趋势是由单一纳米涂层向纳米复合涂层材料发展。芬兰技术研究中心利用磁控溅射法成功地在碳钢上涂上纳米复合涂层(MoSi2/SiC),涂层的维氏硬度高达20.8GPa,比碳钢提高了几十倍,且具有良好的抗氧化、耐高温性能,同时克服了单层纳米MoSi2,容易开裂的缺点,充分显示了纳米复合涂层的优越胜。美国北加里福尼亚州立大学将TiN和金刚石的复合涂层涂在普通钢表面上,这种涂层不仅具有极高的硬度、耐热耐冲击能力,而且与钢基体有极高的结合强度。
改进传统表面涂层技术后,可用来制备纳米材料涂层或纳米复合涂层。例如,在硬度高的耐磨涂层中添加纳米相,可进一步提高涂层的硬度和耐磨性能,并保持较高的韧性。将纳米颗粒加入到表面涂层中,可以减少摩擦系数,形成自润滑材料,甚至获得超润滑功能。在一些涂层中复合C60、巴基管等,可制备出超级润滑新材料。涂层中引入纳米材料,可显著提高材料的耐高温、抗氧化性。如在Ni表面沉积纳米Ni-La203涂层,由于纳米颗粒的作用,阻止了镍离子的短路扩散,改善了氧化层的生长机制和力学性质。
火电机组的许多重要部件长期在高温环境下工作,由于高温及热疲劳、蠕变及水蚀等因素使其工作寿命大大缩短,采用纳米涂层技术可以显著延长这些部件的寿命,国外已有对整个航空发动机叶片、汽轮机叶片等构件作表面纳米涂层处理的报道。传统热处理工艺生产出的国产末级叶片的平均寿命约4～8年,而国外利用纳米表面覆层技术处理的叶片的使用寿命可达20年左右。开发纳米材料延寿新技术对于显著提高构件的可靠性和使用寿命、局部损伤构件的修复等具有十分重要的意义。例如,纳米结构WC/Co粉硬度是传统WC/Co粉的2倍,而且在耐破裂、耐磨耗性方面也远优于传统的WC/Co;此外,纳米结构WC/Co粉不仅硬而且更有韧性。纳米结构WC/Co的第二个优点是用它烧结成的切削工具,其纳米级的晶粒尺寸可使工件的加工表面具有纳米级的表面光洁度。用上述工艺制成的WC/Co的第三个优点是WC和Co混合均匀。
耐磨、耐蚀纳米涂层在电力行业具有极大的应用价值和广阔的市场,可使部件的寿命延长数倍。如在以下设备、部件中应用该技术,将会产生巨大的经济效益:¹汽轮机末级叶片的表面抗水蚀涂层;º水轮机叶片的抗汽蚀、抗泥沙磨损涂层;»火、核电厂高温管道的表面耐蚀涂层;¼磨煤机易磨损部件的涂层;½长寿命的继电器触点;¾长寿命的高压开关触头;¿水冷壁表面抗蚀涂层;À汽轮机转子、叶片等各种部件的局部修复。
3.2 高强度纳米复合材料[20,21]
高强度纳米复合材料也是最近的研究热点,日本仙台东北大学用非晶晶化法制备出高强、高延展性的纳米复合合金材料,如纳米Al-过渡族金属-镧化合物合金、纳米Al-Ce-过渡族金属合金复合材料,这类材料具有比同类材料高得多的延展性和强度(高达1 340-1 560MPa)。在导电材料的研究方面,国外已用高能球磨方法得到了Cu-纳米MgO和Cu-纳米CaO复合材料,这些氧化物纳米微粒均匀分散在Cu基体中。这类新型复合材料导电率与铜相当,但强度比铜大大提高。这类新型的导电材料在电力工业中具有极大的潜在市场。
3.3 纳米碳管[11,20]
纳米材料在热传导和传热控制方面应用潜力很大。据美国宾夕法尼亚大学研究人员最近发现,纳米碳管不仅具有良好的导电性能,具有比钢还要强100倍的材料强度,同时还是目前世界上最好的导热材料。纳米碳管依靠超声波传递热能,其传递速度可达到每秒1万米。他们发现,即使将纳米管捆在一起,热量也不会从一根纳米管传到另一纳米管,这说明纳米碳管只能在一维方向传递热能。纳米碳管优异的导热性能将使它成为今后计算机芯片的导热板,也可用作为各种高温部件的防护材料[1]。预计不久的将来,这类性能独特的导热、隔热材料在电力工业中能得到应用(如热传导材料、隔热材料、控制元件等)。
3.4 纳米塑料与纳米陶瓷[1,20,21]
纳米塑料是指用层状硅酸盐作为分散相,利用插层聚合、熔融插层等特殊工艺制备的聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料。纳米塑料具有优异的物理、力学性能。例如,纳米塑料中用作纳米无机相材料的蒙脱土(MMT),是我国丰产的一类天然粘土矿物。只要在塑料中添加3～5wt.%,就可使其刚性、强度、耐热性等性能与常规的玻纤或矿物填充增强复合材料(填充量一般大于30wt.%)。纳米塑料还具有高的气体(包括水蒸气)阻隔性和自熄灭性。这些具有优异特性纳米塑料如应用于电力设备的制造业中,将对延长设备寿命、提高电厂的安全性具有重大意义。
纳米陶瓷可以克服陶瓷材料的脆牲,使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题,则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。纳米材料添加改性的电力陶瓷,强度和韧性均提高了70%,抗冲击韧性也提高了一倍,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性能都有大幅度提高。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下降,抗电冲击的性能也大幅度提高,用纳米技术改性的开关、非线性电阻材料也开始进入产业化阶段。
3.5 能源纳米材料[20]
煤、石油、天然气是我国在今后较长时间使用的主要能源,燃煤火电厂的装机容量在我国发电厂中占2/3之多。提高燃烧效率,减少有害气体的排放及对粉煤灰的综合利用一直是各国花费巨资想解决的问题。近年来,国外在开发煤和油燃烧的纳米净化剂、助燃剂等方面取得突破性进展。
3.5.1 纳米粒子助燃剂
燃烧催化是纳米超微粒子应用的重要领域之一。利用纳米超微粒子高比表面积与高活性可以显著地增进催化效率。国际上已作为第四代催化剂进行研究和开发。它在燃烧化学中起着十分重要的作用。超微粒子用作液体燃料的助燃剂,既可提高燃烧效率,又可降低排污。例如,超细的Fe2O3粒子可在低温(270～300℃)下将CO2分解为C和H2O。这些技术既可以提高电厂的热效率,还可以显著降低火电厂CO2的排放量。
3.5.2 太阳能电池[1,20]
太阳能的利用是新世纪能源开发的重点,因为太阳能是理想的清洁能源。研制高效太阳能转化电池是太阳能利用的一个重要方面。近年来,国外用纳米材料制作太阳能电池,光电转化效率大致在10%-15%范围。该项技术不需高成本的导电玻璃和导电薄膜,不仅设计简单、而且成本低,是很有竞争力的新型太阳能电池优选材料。
3.5.3 热电转化纳米材料[1,21]
热电转化材料是能源产业重要的材料,在热电厂和仪器仪表有着重要应用,长期以来人们致力于寻找热电转化效率高的材料。纳米材料和纳米结构的问世为寻找高效热电转化提供了机遇。美国1998年报道了Ge/Si超点阵纳米薄膜结构,热电功率系数比常现的SiGe薄膜和体材料SiGe合金高许多倍,是很有应用前途的热电转化材料。美国Allied Signal公司和U-tah大学物理系联合开发了一种新型热电结构纳米材料,热电转化系数高达1014/cm3,这是目前国际上最高值的热电转化材料。
3.6 环保纳米材料[20]
纳米技术在环保领域的应用前景同样诱人。如应用纳米二氧化钛处理工业废气将改善周围空气质量,降解有机磷,完全催化降解工业废水。电力工业生产使用的燃煤会产生二氧化硫气体,加入纳米级助烧催化剂不仅使煤充分燃烧,而且使硫转化成固体硫化物,不产生有害气体。工业生产及车用油燃料是二氧化硫最大污染源,纳米钛酸钴将作为新一代高活性石油脱硫催化剂,用于石油提炼工业中的脱硫工艺以降低各类油品硫含量。最新研究成果表明,复合稀土化合物的纳米级粉体可以彻底消除燃油燃烧后的一氧化碳和氮氧化物,而更新一代的纳米催化剂将使汽油在燃烧时就不产生有害废气。
3.7 纳米固体润滑剂[23,24]
磨损是电力行业设备部件报废的3种主要原因之一,旋转机件通常由于早期轻度磨损发展成为严重磨损,从而导致设备失效或严重事故。通过使用纳米固体润滑剂对磨损部位进行原位快速修复,可以显著延长部件的使用寿命,并通过影响和改进传统的润滑方式而节省润滑剂和燃料用量。纳米固体润滑剂在火电厂、水电厂均具有极好的应用前景。
3.8 纳米磁性液体[21,24]
旋转轴的动态密封,通常采用橡胶、塑料或金属环作为密封元件。旋转条件下的动态密封一直是较难解决的问题,尽管人们设计了威尔逊密封法等,但无法在高速、高真空条件下进行动态密封。在我国,汽轮机转子的热弯曲重大事故时有发生,主要是由汽封与大轴的动静摩擦所至。采用纳米磁性密封就可解决这一传统的技术难题。利用磁性液体可以被磁控的特性,使环状永磁体在旋转密封部位产生一环状的磁场分布,可将磁性液体约束在磁场之中而形成磁性液体的O形环,从而可将磁性液体约束在磁场之中而形成O形环,且没有磨损,可以做到长寿命动态密封。尽管磁性液体密封目前仅在小型电机(如计算机用电机)得到应用,但随着技术水平的不断提高和成本的降低,该项技术将会在电力行业各种旋转机械中得到广泛应用,如作为汽轮机及辅机、水轮机等高速旋转设备的动静密封等。
4 结束语
纳米材料科学与技术在未来若干年将有一个巨大的发展,对人类社会的文明进步和促进社会的发展将起举足轻重的作用,纳米科技被认为是我国在新世纪赶超和占领国际一席之地的首选高科技领域。纳米科技也必将推动电力工业的跨越式发展。我们应当密切关注并积极参与这一高新技术的研究和发展。
参考文献略
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