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1、纳米材料与纳米涂层简介纳米材料与纳米涂层简介 编写 一、什么是纳米材料一、什么是纳米材料 纳米（nanometer）是一个度量单位，1 纳米（nm）等于 10-9米，即百万分之一毫米、十亿分之一米。1nm相当于头发丝直径的 10 万分之一。纳米材料（nano material），简单地说，就是指用微粒尺寸为纳米级（大小为 1100 nm）的微小颗粒制成的各种材料。这些微粒被称为纳米粒子（nano particle），也叫超微颗粒。它们是处在原子、分子和宏观物体之间的过渡区域。过去人们只注意到微观的原子、分子和宏观世界，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界（第一个真正认识到它的
2、性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在 20 世纪 70 年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约 2030 纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高 1000 倍。80 年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料）。二、纳米粒子的特性二、纳米粒子的特性 从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统，亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。（1）表面效应）表面效应 材料科学已经指出，处于固体材料表面上的
3、原子状态与处于内部的原子有明显不同，表面原子的键合状态是不完整的，它们处于较高的能量状态，因此具有较大的化学活性、较高的与异类原子化学结合的能力，较强的吸附能力。表面原子的特性对材料的扩总体性能会有一定的作用，只不过对大块材料而言，其表面原子数相对总原子数太少，这种作用可以忽略，但当颗粒尺寸小到纳米尺度时表面原子相对数量已相当大，表面原子的作用再也不能忽略了。（2）小尺寸效应）小尺寸效应 当超微颗粒的尺寸小到纳米尺度，并与某些物理特征尺寸，如德布罗意波长、电子自由程、磁畴、超导态相干波长等相接近时，由于晶体的周期性边界条件被破坏，使原大块材料所具有的某些电学、磁学、光学、声学、热学性能发生重大
4、改变，或者说某些物理性能随尺寸减小可能发生突变，这种效应称小尺寸效应。（3）量子尺寸效应）量子尺寸效应 当颗粒尺寸小到纳米尺度时，固体原子中费米能级附近的电子所处的能级由准连续态变为分裂的能级状态，即久保（kubo）效应。久保得出，纳米材料与纳米涂层简介纳米材料与纳米涂层简介 编写 式中，为分裂能级的能量间隔大小；Ef 为费米能级的大小；N 为固体颗粒中的总电子数。当颗粒尺寸大时，N 很大，很小并接近于零，因此可看成是准连续状态；当颗粒尺寸进入纳米尺度，特别是几个纳米时，N 值大大减少，此时值增大，并可能超过热能、磁能、静磁能、静电能、超导态凝聚态能、光子等的量子能量，这时将导致一系列物理性能
5、的重大变化，甚至发生本质上的变化，这种变化称之为量子尺寸效应。上述表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应都与颗粒尺寸有关，都在 1100nm 尺度范围中显示出来，可统称为纳米效应，这些效应强烈反应的尺寸范围有所不同，对不同的性能影响的尺度范围也有所不同。三、纳米材料的特殊的结构与性能三、纳米材料的特殊的结构与性能 由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得纳米材料在磁、光学、电学、力学及化学等方面呈现常规材料不具备的特性（如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料）。纳米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的气体状固体
6、结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的第三态晶体材料。正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。当金属或非金属被制备成小于 100 纳米的粉末时，其物理性质就发生了根本的变化，具有高强度、高韧性、高比热、高导电率、高扩散率、磁化率及对电磁波具有强吸收性等，据此可制造出具有特定功能的产品。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高 12 倍，气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；
7、纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高 10 倍，纳米颗粒材料与生物细胞结合力很强，为人造骨质的应用拓宽了途径等等。又如纳米陶瓷（增强增韧）。1986 年德国科学家首先在实验室中发现在真空室中原位压制而成的纳米TiO2陶瓷材料具有常温下的韧性和塑性，曾引起了陶瓷界的轰动，科学家们预言，纳米技术可能是解决陶瓷脆性的最有希望的途径，同时掀起了世界范围内纳米增强增韧陶瓷的研究热潮，各种纳米陶瓷材料的制备方法、纳米陶瓷超微粉的成型技术、包括微波加热在内的快速烧结方法等工艺技术迅速发展，但是到目前为止，尽管可以做出晶粒比 100nm还细的纳米结构陶瓷或纳米复相陶瓷试样，但其强度和韧性的提高与人们
8、的期盼仍相距甚远，原因是纳米陶瓷原料的流动性差，很难消除烧结过程中产生的微小缺陷，这些缺陷的尺寸在m尺度范围，因此限制了强度和韧性的提高水平，这是一个十分难以解决的矛盾。综上所述，纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传纳米材料与纳米涂层简介纳米材料与纳米涂层简介 编写 感、陶瓷增韧等方面有广阔的应用前景。四、纳米材料的分类四、纳米材料的分类（1）按化学组份，可分为：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纳米材料；（2）按其形态，大致可分三类：粉末、薄膜、块材。五、纳米薄膜（纳米涂层）五、纳米薄膜（纳米涂层）我们所说的纳米涂层，就是纳米薄膜
9、。纳米薄膜材料，有超晶格薄膜、LB 薄膜和巨磁阻颗粒膜材料等。纳米薄膜具有纳米材料的特殊结构，即晶粒和晶界都属于纳米尺寸量级。典型的纳米薄膜应该是以纳米粒子或原子团簇为基质的薄膜体，或者薄膜的厚度为纳米尺寸数量级，从而表现出显著的量子尺寸效应。目前对纳米薄膜的研究多数集中在纳米复合薄膜，这是一类具有广泛应用前景的纳米材料，纳米复合薄膜有两大功能与用途：通过纳米薄膜提高基体的机械、力学方面的性能；利用纳米粒子所具有的光、电、磁、热等方面的独特功能，通过纳米薄膜与基体的结合，赋予基体所不具备的功能。由于纳米粒子的组成、性能、生产工艺条件等参量的变化都对复合薄膜的特性有显著影响。因此对于纳米复合薄膜
10、的特性，有较多的人为影响因素。六、我们的纳米涂层与涂层技术六、我们的纳米涂层与涂层技术 本公司采用的美国进口设备，主要是利用美国超晶科技上世纪 90 年代在美国哥伦比亚大学核能实验室开发出的专利技术（SPARK技术）来制备纳米涂层的。我们的涂层属于超晶格薄膜，完全具有纳米材料的特殊结构，即晶粒和晶界都属于纳米尺寸量级。（1）主要的特性）主要的特性 我们的纳米薄膜既有硬度高、摩擦小等陶瓷特性陶瓷特性，又有韧性好等金属特性金属特性。具体表现在以下几个方面：硬度高：硬度高：涂层具有极高的硬度，是刀具、模具钢材硬度的 3 倍以上；摩擦系数低：摩擦系数低：涂层象陶瓷一样，与金属、塑胶等材料之间的摩擦系数
11、都很低，故作用过程中的摩擦阻力减小；韧性好：韧性好：涂层有良好的韧性，耐冲击。能承受大力撞击而不破裂、不脱落，很好的保护了刀具、模具、零件等不受损伤；纳米材料与纳米涂层简介纳米材料与纳米涂层简介 编写 耐热性好：耐热性好：在很高的温度下仍能正常发挥作用，部分涂层甚至可耐 1000C 以上；抗粘黏性：抗粘黏性：由于涂层为陶瓷薄膜，故与金属、塑胶等均不易粘黏，很好的改善了刀模具黏料问题；细腻：细腻：薄膜的粒径仅 10nm 左右，故涂层很细腻光滑，用于光学模具光学模具不影响其光亮度；用于塑胶蚀纹模具塑胶蚀纹模具不影响其蚀纹效果；涂层的厚度很薄，仅为 3 微米（m），即 0.003mm，故即使是很精密
12、的模具，涂层对它的尺寸影响一般也可忽略不计；涂层无毒无害、环保，可以用于医疗器械、人工关节、食品加工的刀工具（果汁机刀片）等；在应用上表现出的好处主要有：（a）刀具、模具的耐磨性大大增强，使用寿命提高至少 510 倍，甚至更高；（b）客户的制造成本下降；（c）提高加工参数，减少换刀、修模时间使得客户生产效率提升；（d）客户的产品品质提高。（2）其它特性）其它特性 涂层外观颜色有多种不同的颜色，氮化钛（TiN）呈金黄色，碳氮化钛（TiCN）呈灰色，氮化铝钛（TiALN）呈紫黑色，氮化铬（CrN）呈银白色等；可以导电；导热性与基体不同，根据不同需求，可选择隔热薄膜或导热性比基体更好的薄膜；（3）环保：）环保：生产过程中实在真空状态，不产出废气，更没有污染环境和大气的气体或液体排放出来。（4）适用范围）适用范围 我们的涂层的优越性能使它在刀具（铣刀、丝攻、钻头、刀片、滚刀、锯片，甚至木工刀具等）、模具（五金冲压、拉伸、冲裁，压铸，塑胶成型等）、汽车工业（发动机活塞环等）、电子产业（端子刀片、SMT 吸嘴等）、医疗器械、人工关节等各行各业都能得到广泛的应用。