2l世纪，纳米材料将成为材料科学领域的一个大放异彩的“明星”，在新材料、信息、能源等各个技术领域发挥举足轻重的作用。神通广大的纳米材料，及其诱人的应用前景促使人们对这一崭新的材料努力探索，并扩大其应用，使它为人类带来更多的利益。
纳米材料的应用领域
性能用途
力学性能超硬、高强、高韧、超塑性材料，特别是陶瓷增韧和高韧高硬涂层
光学性能光学纤维、光反射材料、吸波隐身材料、光过滤材料、光存贮、光开关、光导电体发光材料、光学非线性元件、红外线传感器、光折变材料磁性
磁流体：磁记录、永磁材料、磁存储器、磁光元件、磁探测器、磁致冷材料、吸波材料、细胞分离、智能药物电学特性
导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏电阻、非线性电阻、静电屏蔽催化性能催化剂
热学性能耐热材料、热交换材料、低温烧结材料
敏感特性湿敏、温敏、气敏等传感器、热释电材料
续表
性能用途
其他
医学(细胞分离，细胞染色，医疗诊断，消毒杀菌，药物载体)、能源(电池材料，贮氢材料)、环保(污水处理，废物料处理，空气消毒)、助燃剂、阻燃剂、抛光液、印刷油墨、润滑剂
陶瓷增韧
由于大多数陶瓷是由离子键或共价键组成的，所以与金属材料和高分子材料相比，它有自己的特性：熔点高、硬度高、弹性模量高、高温强度高、耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化等。许多精细陶瓷(又叫特种陶瓷，以区别于传统陶)如Al2O3、ZrO2、Si3N4、SiC、TiC、TiB2等都是优异的高温结构材料。其中，有些陶瓷还具有优异的综合性能，例如ZrO，既是优良的结构材料，用于制造整形模、拉丝模、切削刀具、表带、连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞帽、坩埚、磨球等；又是具有氧离子导电性的功能材料，用于制造氧传感器，广泛应用于检测汽车尾气，锅炉烟气及钢液氧含量，还可制造高温燃料电池和电化学氧泵。又如，Si3N4既可作发动机零部件和刀具材料，又可作抗腐蚀和电磁方面应用的材料。SiC既是极有前途的高温结构材料，又是常用的发热体材料、非线性压敏电阻材料、耐火材料、磨料和原子能材料。
然而，特种陶瓷与传统陶瓷一样，它的最大缺点是塑性变形能力差、韧性低、不易成型加工。由于这些缺点，材料一经制成制品，其显微结构就难以像金属和合金那样可通过变形加工来求得改善，特别是其中的孔洞、微裂纹和有害杂质不可能通过变形加工来改变其形态或予以消除。并且，陶瓷的力学性能的结构敏感性也比金属和合金强得多，因此，陶瓷材料往往容易产生突发性的脆性断裂。由于这些缺点，使得结构陶瓷的广泛应用受到一定的限制。改善陶瓷材料的韧性并达到工程化应用水平一直是材料科学家孜孜以求的目标。近年来的研究表明，由于纳米陶瓷晶粒大大细化，晶界数量大幅度增加，可使陶瓷的强度、韧性和超塑性大为提高，并对材料的电、磁、光、热等性能产生重要的影响。
由于纳米粉末具有巨大的比表面积，使作为粉末性能驱动力的表面能剧增，扩散速率增大，扩散路径变短。烧结活化能降低，因而烧结致密化速率加快，烧结温度降低，烧结时间缩短。既可获得很高的致密化，又可获得纳米级尺度的显微结构组织，这样的纳米陶瓷将具有最佳的力学性能。还有利于减少能耗，降低成本。例如，纳米Al2O3的烧结温度比微米级Al2O3降低了300～400℃；纳米ZrO2的烧结温度比微米级ZrO2降低了400℃；纳米Si3N4烧结温度比微米级Si3N4降低了400～500℃。纳米Y-TZP陶瓷的超塑性应变速率比0。
31μ的亚微米Y-TZP高出34倍；纳米TiO2陶瓷的显微硬度是普通TiO2的65倍；纳米SiC陶瓷的断裂韧性比普通SiC提高100倍。
近年来纳米陶瓷的一个重要发展方向是纳米复合陶瓷。
纳米复合陶瓷一般分为三类：(a)晶内型，即晶粒内纳米复合型，纳米粒子主要弥散于微米或亚微米级基体晶粒内；(b)晶间型，即晶粒间纳米复合型，纳米粒子主要分布于微米或亚微米级基体晶粒问；(c)晶内／晶间纳米复合型，由纳米级粒子与纳米级基体晶粒组成。在陶瓷基体中引入纳米级分散相粒子进行复合，使陶瓷材料的强度、韧性及高温性能得到大大改善。日本的新原皓一总结了几种纳米复合陶瓷的性能改善，发现纳米复合技术使陶瓷基体材料的强度和韧性提高2～5倍，工作温度提高25％～133％。在氧化物陶瓷中加入适量纳米颗粒后，强度和耐高温性能明显提高，如SiC(nm)／MgO纳米复合陶瓷在1400℃仍然具有600MPa的强度。这表明在解决：1600℃以上应用的高温结构材料方面，纳米复合陶瓷是一个重要途径。
在纳米复合陶瓷方面，许多国家非常重视并进行了比较系统的研究，取得了一些具有商业价值的研究成果，西欧、美国和日本正在进行中间生产的转化工作。例如，把纳米Al2O3粉末加入到粗晶Al2O3粉末中，可提高Al2O3坩埚的致密度和耐冷热疲劳性能。英国科技人员把纳米Al2O3与纳米ZrO2进行混合，烧结温度可降低100℃，在实验室已获得高韧性的陶瓷材料。英国还制定了一个很大的纳米材料发展计划，重点发展纳米Al2O3／纳米ZrO2，纳米Al2O3／纳米SiO2、纳米Al2O3／纳米Si3N4，纳米Al2O3／纳米SiC等新型纳米复合陶瓷。日本用纳米Al2O3与亚微米SiO2合成莫来石，这是一种非常好的电子封装材料，研究目标是提高致密度、韧性和热导率。德国将20％的纳米SiC掺入到粗晶α-SiC粉末中，断裂韧性提高25％。
我国已经成功地用多种方法制备了纳米陶瓷粉末，其中ZrO2、SiC、Al2O3、TiO2、SiO2、Si3N4等纳米粉末都已经完成了实验室工作，制备工艺稳定、生产量大，为大规模生产提供了良好的条件，并引起了企业界的普遍关注。Al2O3基板材料是微电子工业重要的材料之一，长期以来我国的基板材料靠国外进口。最近采用流延法初步制备了添加纳米Al2O3的基板材料，光洁度大大提高，抗冷热疲劳性和断裂韧性提高近1倍，热导系数比常规Al2O3基板材料提高20％。将纳米Al2O3粉末添加到85瓷、95瓷中发现强度和韧性均提高50％以上。
在光学上的应用
纳米微粒由于小尺寸效应，使其具有常规大块材料不具备的光学特性，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输过程中的能量损耗等都与纳米微粒的尺寸有很强的依赖关系。利用纳米微粒特殊的光学特性制备出的各种光学材料将在日常生活和高技术领域得到广泛的应用。
光学纤维
光纤在现代通讯和光传输上占有极重要的地位，纳米微粒作为光纤材料已显示的优越性，如用经热处理后的纳米SiO2，光纤对波长大于600nm的光的传输损耗小于10dB／km，这个指标是很先进的。
红外反射材料
纳米微粒用于红外反射材料，主要是制成薄膜和多层膜来使用。主要的红外反射膜材料有：Au、Ag、Cu等金属薄膜，SnO2、In2O3、ITO(In2O3-10％SnO2)等透明导电薄膜，TiO2-SiO2、ZnS-MgF2等多层干涉薄膜及TiO2-Ag-TiO2等含金属的多层干涉薄膜。成膜方法主要有真空蒸镀法、溅射法、喷雾法、CVD法、浸渍法。纳米微粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯以及各种用于摄影的碘弧灯都要求强照明，但灯丝被加热后有69％的电能转化为红外线，这表明有相当高的电能转化为热能而被消耗掉，仅有少部分电能转化为光能来照明。同时，灯管过度发热也影响灯具寿命。
如何提高发光效率，增加照明度一直是亟待解决的关键问题，纳米微粒为解决此问题提供了一条新的途径。20世纪80年代以来，人们用纳米SiO2和纳米TiO2制成了多层干涉膜，总厚度为微米级，衬在灯泡罩的内壁，结果不但透光率好(波长500～800nm)，不影响照明，而且有很强的红外反射能力(波长1250～1800nm)，节约电能。估计这种灯泡亮度与传统的卤素灯相同时，可节电约15％。
红外吸收和紫外吸收材料
红外吸收材料在日常生活和国防上都有重要的应用前景。一些发达国家已经开始用具有红外吸收功能的纤维制成军服。这种纤维对人体释放出来的红外线(波长一般在4-16μm的中红外频段)有很好的屏蔽作用，从而可避免被敌方非常灵敏的红外探测器所发现，尤其是在夜间行军时。具有这种红外吸收功能的纳米粉末有纳米Al2O3、纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Fe2O3及其复合粉末。这种添加有上述纳米粉末的纤维，由于对人体红外线有强的吸收作用，可以起到保暖作用，减轻衣服重量可达30％。
此外，纳米微粒的量子尺寸效应使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象，对各种波长光的吸收带有宽化现象，紫外吸收材料就是利用这两个特性而研制成功的。具有紫外吸收功能的纳米粉末Al2O3、纳米TiO2、纳米SiO2、纳米ZnO、纳米云母等。其中，纳米Al2O3对波长250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，这一特性可用于提高日光灯管的使用寿命上。
我们知道，日光灯管是利用水银的紫外谱线来激发灯管壁的荧光粉导致高亮度照明。一般来说，185nm的短波紫外线对灯管寿命有影响，而且紫外线从灯管内往外泄漏对人体也有损害，这一关键问题一直是困扰日光灯管工业的主要问题。
如果把纳米Al2O3粉末掺入到稀土荧光粉中，可以利用纳米微粒的紫外吸收蓝移现象来吸收掉这种有害的紫外光，却不降低荧光粉的发光效率。30～40nm的纳米TiO2对波长400nm以下的紫外光有极强的吸收能力。我们知道，紫外线主要位于300～400nm波段，太阳光对人体有伤害的紫外线也在此波段。防晒油和化妆品中添加的纳米微粒，就是要选择对这个波段的紫外线有强吸收能力的纳米粉末。纳米粉末的粒度不能太小，否则将会堵塞汗孔，不利于身体健康，但粒度也不能太大，否则紫外线吸收又会偏离这个段，达不到应有的吸收效果。为此，一般先将纳米微粒表面包覆一层对人体无毒害的高聚物，然后再加入到防晒油和化妆品中。纳米Fe2O3对600nm以下的紫外光有良好的吸收能力，可用作半导体器件的紫外线过滤器。塑料、橡胶制品和涂料在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在它们表面涂上一层含有上述纳米微粒的透明涂层，或在其中掺入上述纳米微粒，就可以防止塑料和橡胶老化，防止油漆脱落。
隐身材料
隐身就是隐蔽的意思，把自己外表伪装起来，让别人看不见。近年来随着科学技术的发展，各种探测手段越来越先进，例如用雷达发射电磁波可以探测飞机，利用红外探测器可以发现放射红外线的物体。在现代化战争中，隐身技术发展迅速，隐身材料在其中占有重要地位。在1991年的海湾战争中，美国战斗机F117A型机身表面包覆了红外材料和微波隐身材料，它具有优异的宽频带微波吸收能力，可以逃避雷达的监视，而伊拉克的军事目标和坦克等武器没有防御红外线探测的隐身材料，很容易被美国战斗机上灵敏的红外线探测器所发现，并被美国的激光制导武器准确地击中。纳米Al2O3、纳米Fe2O3、纳米SiO2、纳米TiO2的复合粉末曾用于隐身材料，与高分子纤维结合对红外波段有很强的吸收性能，因此对这个波段的红外探测器有很好的屏蔽作用。纳米磁性微粒特别是类似铁氧体的纳米磁性材料，既有良好的吸收和耗散红外线的性能，又具有优良的吸波特性，还可以与驾驶舱内的信号控制装置相配合，改变雷达波的反射信号，使其波形发生畸变，从而有效地干扰、迷惑雷达操纵员，达到隐身目的。纳米级硼化物、碳化物，也将在隐身材料方面大有作为。
磁性材料
磁流体
磁流体是使强磁性纳米微粒外包覆一层长链的表面活性剂，并稳定地分散在基液中形成的胶体。它兼具固体的强磁性和液体的流动性(在磁场作用下)。目前大多数是以10nm纳米Fe3O4微粒为磁性粒子，并将纳米粒子分散在含有油酸的水中，使油酸吸附在粒子表面上，再经脱水后分散在基液中。磁流体目前主要应用于旋转轴的防尘动态密封，如计算机硬盘轴处的防尘密封，单晶炉转轴处的真空密封，x光机转靶部分的密封等。此外，磁流体还是一种新型的润滑剂，由于磁性粒子只有10nm左右大小，不会损伤轴承，基液也可采用普通润滑油，只要采用合适的磁场，就可以将磁性润滑剂约束在所需部位。日本将磁流体用于陶瓷轴承的抛光过程中，功效提高了近100倍。最近他们又在试验利用磁流体在几十度温差下的对流制成发电装置。磁流体还用于增加扬声器的输出功率。通常扬声器中音圈的散热是靠空气传热的，对一定的音圈而言只能承受一定的功率，否则过大的功率会烧坏音圈。如果在音圈与磁铁间隙处滴入磁流体，由于液体的导热系数比空气高5～6倍，从而使得在相同结构的情况下，扬声器的输出功率增加1倍。日本三洋电机公司已经推出了采用这种技术的大功率扬声器。磁流体还用作阻尼器件，消除步进电机在工作过程中的振荡现象。利用磁流体对不同比重的物体进行比重分离，在选矿和化学分离领域中有广阔的应用前景。只需控制合适的外加磁场强度，就可以使低于某密度值的物体上浮，使高于此密度值的物体下沉，从而达到分离目的。例如，利用磁流体使高密度的金与低密度的砂石分离，利用磁流体使城市废料中金属与非金属的分离。据报道，2000年日本的磁流体产值将达到17亿美元。北京钢铁研究总院也开发了纳米FeN等磁流体产品。
磁记录材料