纳米涂层的应用及进展0钢法兰

纳米涂层的应用及进展

纳米涂层的应用及进展 2011年12月09日 来源： 在新旧世纪交替之时 ，纳米技术在高科技领域里异军突起。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，科学家们认为，纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术。切削技术：1 应用研究的现状纳米材料和技术领域新产品的创新必须以市场为导向、需求为牵引，要十分重视纳米材料向各个领域的应用技术的创新，开拓纳米材料产品的市场，带动上游纳米粉体技术的创新，必须明确纳米粉体的应用目标，以市场为推动力，带动纳米技术的成熟。 表1 英国对纳米技术应用预测 预测纳米技术的中长应用 抗腐蚀涂层:需要5～15年 超强超硬切削工具:5～15年 可塑电子学-平板显示:需要5～10年 可维持长久的医学植入物:需要5～15年 具有100纳米以下可有商业用途的芯片:需要7年 用于电子元件的纳米结构材料:需要10～20年 高密度记忆能力超快速计算机处理器:需要10～20年 极微小机器在血液中循环从动脉中清除人体脂肪堆积:至少需要25年 切削技术：2 纳米材料迅速投入应用的方向如上所述，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，有利于纳米材料的应用迅速扩大。由于纳米材料特性，制造产品的材料也发生了质的变化，制造不再只是去除，而且可以生长，因此纳米技术有望在表面纳米技术方面率先有较大规模的应用，表面纳米技术是将一些材料制备成纳米级的粉末固定在物体的表面，从而使材料获得新的功能，表面纳米技术主要包括表面纳米薄膜和涂层的制备与应用。 纳米材料涂层性能 国外表面纳米技术研究状况 国内情况 纳米涂层需求 纳米材料涂层是在表面涂层中添加纳米材料，获得纳米复合体系涂层，纳米涂层的实施对象既可以是传统材料基体，也可以是粉末颗粒或是纤维。它是近1～2年来纳米材料科学国际上研究的热点之一，主要的研究聚集在功能涂层上，包括传统材料表面的涂层、纤维涂层和颗粒涂层。纳米涂层性能体现以下几点:①添加纳米相，可提高涂层的硬度和耐磨性能，并保持较高的韧性：②提高材料的耐高温、抗氧化性：③提高基体的腐蚀防护能力，达到表面修饰、装饰目的：④可以达到减小摩擦系数的效果，形成自润滑材料：⑤纳米材料涂层具有广泛变化的光学性能、优异的电磁性能。 在纳米涂层方面美国进展很快，80nm的二氧化锡及40nm的二氧化钛、20nm的三氧化二铬与树脂复合可以作为静电屏蔽的涂层，80nm的BaTiO3可以作为高介电绝缘涂层，40nm的Fe3O4可以作为磁性涂层，80nm的Y2O3可以作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高，用于红外窗口材料。近年来人们根据纳米颗粒的特性又设计了紫外反射涂层，各种屏蔽的红外吸收涂层、红外涂层及红外微波隐身涂层，在这个方面的研究逐有上升的趋势，目前除了设计所需要的涂层性能外，主要的研究集中在喷涂的方法，大部分研究尚停留在实验室阶段，日本和美国在静电屏蔽涂层、绝缘涂层工艺上有所突破，正在进入工业化生产的阶段。德国教育与研究部1998年底建立了6个纳米技术能力中心，其中有超薄功能薄膜中心，促进纳米涂层研究。 中国在纳米涂层有一定的研究，如在航天航空方面应用，中国科学院金属腐蚀与防护研究所与航天部合作:利用溅射离子镀技术在航空发动机IC6合金导向叶片表面制备NiCrAlY纳米晶涂层，利用纳米晶涂层表面形成致密，且与基体金属具有良好粘附性的Al2O3膜的特点，对叶片起很好的防护作用。用此方法制备的航空发动机IC6合金导向叶片NiCrAlY纳米晶涂层，通过了航空发动机的多项试飞考核。但进行产业化，步入市场这方面有待于发展。 表2 纳米涂层在美国的总需求量 纳米材料 1996年 2001年 年平均 增长率(%) 美元 (百万) 所占比例 (%) 美元 (百万) 所占比例 (%) 纳米粒子 41.3 97.6 148.6 96.1 29.2 纳米涂层 1.0 2.4 6.0 3.9 43.1 总计 42.3 100 154.6 100 29.6 纳米涂层可应用于许多方面，在油漆或涂料中加入纳米颗粒，可提高其防护能力：还可以在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具等中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果：利用纳米粒子涂料形成的涂层具有良好的吸波能力，能用于隐身涂层如隐形飞机：纳米结构的多层膜系统产生巨磁阻效应，可望作为应用于存储系统中的读出磁头：在诸如玻璃等产品表面上涂纳米材料涂层，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热作用：在涂料中加入纳米材料，能够起到阻燃，隔热，起到防火作用，还有其它方面，市场需求大。 从表2中可以看到，纳米涂层的需求增长速度较快。 切削技术：3 实现的设想 纳米技术对制造业最大的影响是从宏观向微观制造发展，原有制造方法、工艺与手段将发生改变，纳米涂层的制造设备有待于研究、探索。 纳米材料涂层的组成与体系 实现的方法 根据纳米涂层的组成将其分为三类::①0-0复合，即不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体，通常采用原位压块、相转变等方法实现，结构具有纳米非均匀性，也称为聚集型：②0-3复合，即纳米粒子分散在常规三维固体中。另外，介孔固体亦可作为复合母体通过物理或化学方法将纳米粒子填充在介孔中，形成介孔复合的纳米复合材料。③0-2复合，即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中，它又可分为均匀弥散和非均匀弥散两类，称为纳米复合薄膜材料。0-0复合、0-3复合完全的纳米材料涂层离商业化尚有相当一段距离，0-2复合借助于传统的涂层技术，添加纳米材料，可以获得纳米复合体系涂层，可使传统涂层的功能得到飞跃提高，技术上无需增加太大的成本。这种纳米添加的复合体系涂层很快就可走向市场，展示出强劲的应用势头。 射频磁控溅射法将纳米材料喷射到产品上，形成纳米薄膜，实现纳米涂层。( 纳米涂层的形成机理 溅射过程中形成NiAl的机理可以通过在集体的表面形成短程有序簇来解释，短程有序的Ni-Al簇的形成可能是由于等离子体可提供足够的能量，以克服形成NiAl的激活能障，这些Ni-Al簇随后就会形成热稳定状态的NiAl层。 材料的选取 由于NiAl是一种规则的技术间化合物，具有密度小、抗氧花性强、导电导热性能好等优点，因此选择NiAl化合物。它的涂层产品可用于耐高温涂层、大电流电路保护器、电镀和半导体仪器的接触电极。 工艺参数及靶材的选取 溅射，先抽真空至1.31×105Pa，沉淀过程中，真空度保持在0.13～0.20Pa左右，放电气体为高纯度的Ar，射频功率控制在100～150W之间，沉淀速度约为20nm/min。基体可以是工业纯铝、纯镍、不锈钢板等(溅射区20mm×20mm)。用溅射方法制造合金薄膜，薄膜成分通常与靶材(阴极)相同，但亦可在放电中利用多个等电位阴极，以单独的物质成分直接合成，这样通过对阴极区域的合理安排，可以得到几乎任意成分的薄膜。靶材设计为一直径为50mm的中心为Ni、外圈为Al的复合靶材，通过不断调整Dni/Dal的直径比，以控制涂层(即化合物相)的成分。试制仪器采用X射线衍射仪(Cu-Ka辐射)。 这是实现纳米涂层的一种方法，但真正用于大规模生产，还有许多问题需要解决，我们尝试利用传统表面涂层技术，用来或者稍加改造，实现纳米材料复合涂层，使纳米技术从实验室走进生活。目前美国对纳米结构涂层采用热喷工艺，列为了最受重视的研究课题。 切削技术：4 结论 纳米材料涂层及其技术随着纳米材料的发展而发展，围绕表面纳米技术的发展，将迅速形成相关的庞大产品群和企业群。不仅在高科技领域有不可替代的作用，也能为传统产业带来生机和活力。

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