碳纳米材料改性TiAl基合金技术发展现状及展望

２８卷第１期中国材料进展ｖｏＬ２８Ｎ。．１２００９年１月ＭＡＴＥＲＩＡＬＳＣＨＩＮＡＪａｎ．２００９

ＴｉＡｌ基金属间化合物的发展

林均品，陈国良

（北京科技大学新金属材料国家重点实验室，北京１０００８３）

摘要：介绍了普通ＴｉＡｉ基金属间化合物的发展过程，特别是北京科技大学开发的高Ｎｂ—ＴｉＡｌ金属问化合物的成分一组织一性能一制备关系，Ｎｂ对ＴｉＡＩ合金相关系和抗氧化性的影响，Ｎｂ的强化机理和工程合金的制备和性能。最后简单总结了ＴｉＡＩ基金属问化合物的发展趋势。关键词：Ｔｍ金属问化合物；高Ｎｂ—ＴｉＡＩ金属间化合物；抗氧化性；强化机理中图法分类号：ＴＧｌ４６．４文献标识码：Ａ文章编号：１６７４—３９６２（２００９）０１—００３１—０７

ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＴｉＡＩＩｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃＢａｓｅｄＣｏｍｐｏｕｎｄ

ＬＩＮＪｕｎｐｉｎ，ＣＨＥＮＧｕｏｌｉａｎｇ（ＳｔａｔｅＫｅｙｈｂ．ｆｏｒＡｄｖａｎｃｅｄＭｅｔａｌｓａｎｄＭａｔｅｒｉａｌｓ，ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：’ｒｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｐｒｏｃｅｓｓｏｆｃｏｎｖｅｎｆｉｏｎＭＴｉ灿ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．ａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｂｅ．ｔｗｅｅｎｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｈｉｇｈＮｂｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＴｉＡｌａｌｌｏｙｄｅｖｅｌｏｐｅｄｂｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｅｉｊｉｎｇ，ｗｅｒｅｓｈｏｗｎｉｎｔｈｅｐａｐｅｒ．ＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆＮｂｔｈｅｐｈａｓｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｎｄｏｘｉｄａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｌｌｏｙｗｅｒｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｆｏｒＴｉＡＩａｌｌｏｙｓｗａｓｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｔｉ灿ｉｎｔｅｒｍｅｔａｌｌｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄ；ｈｉｇｈＮｂｃｏｎｔａｉｎｉｎｇＴｉＭｉｎｔｅｒｍｅｔａＵｉｃｃｏｍｐｏｕｎｄ；ａｎｔｉｏｘｉｄａｎｔ；ｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍ

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纳米材料的研究现状及未来趋势

1 纳米材料的研究现状

近年来,科学技术发生了飞速发展,各种新兴产业和新兴科学技术应运而生,为了满足各个领域的快速发展,纳米材料受到越来越多的关注和重视,各国科学家都在研究纳米技术的基础理论知识,同时相关纳米技术在许多行业中已经得到广泛应用和实施,比如：电子电子行业、医疗行业等等,并向产业化的方向逐渐迈进。在美国、日本等国家纳米材料已经得到批量的生产,但是纳米材料的未来发展还需要科学家们不懈的努力和研究,研发和发展的道路任重而道远,尤其是纳米医疗诊断材料和纳米生物材料还需要不断的创新和发展。相关机构曾这样预测过：不到十年的时间,全世界纳米新材料市场便会达到87 亿美元的规模,整个行业便会有24.6%的年增长率。

社会对纳米材料的需求不断增加的同时,世界各国纷纷投入到纳米材料的研发中, 政府和企业大量人力和物力的投入,使纳米材料的发展达到了一个新的高度,纳米材料的市场规模不断的扩大。

在美国,纳米材料被广泛应用在军事、国防、航空航天等多个领域,因而美国将纳米材料的研究和发展作为一种国家战略层面的科研项目。事实证明,纳米材料具有优良的性能,已经被社会各界认可,随着纳米材料的不断研发,农业、医疗、生物等领域正在逐渐实施纳米技术,创造巨大的经济效益。

在世界各国中,我国对于纳米技术的研究并不算晚,当前,我国共有一百多个研发机构在进行纳米材料基础和应用的相关研究。这些研发机构主要是我国的一些高校和研究所,其中高校中开展较早的主要有：清华大学、东北大学、吉林大学等经典大学,研究所中开展较早的有：长春感光化学研究所、应用化学研究所等。通过各界不谢的努力和研究,近几年来,我国纳米材料的发展有了新的突破和发展, 并取得了丰硕的研究成果。研发过程中,应用的方法主要有物理法、化学法及多种方法相结合的复合法,从而研发出一系列金属和合金的氮化物和氧化物的纳米颗粒; 同时我国向纳米材料研发先进的国家学习,不仅学习其完善的纳米技术,而且引进我国不能自主生产但对于纳米材料的生产和发展不可或缺的设备,对纳米材料的颗粒大小进行微细的调控, 将这些研发成果广泛应用到生产当中,2

碳基材料的研究与发展

在当今全球经济高速发展的背景下，我们面临着各种环境问题和能源危机。因此，人们开始探寻新的材料和技术来解决这些问题。碳基材料因其独特的性质和广泛的应用领域而备受关注。

碳基材料是指由碳原子构成的材料。它们具有许多优异的物理、化学和机械性能，如高硬度、高强度、高导电性、高热稳定性和耐高温性等。它们的特殊性质使它们在电子学、能源、光学、材料科学等领域有着广泛的应用。当前，碳基材料已成为研究热点和发展方向之一。

从全球来看，碳基材料的研究和发展主要分为两个方面：一是碳纳米管和二维材料的研究，另一个方面是碳的多孔材料的研究。具体来说，碳纳米管和二维材料具有纳米尺寸、高比表面积和出色的电学、热学、光学等性质，可作为未来电子器件的重要构建单元；而碳的多孔材料，如活性炭、碳分子筛等具有广泛的应用领域。

碳纳米管和二维材料的研究

碳纳米管是由碳原子组成的圆柱形结构，直径可以从纳米级别到亚微米级别，长度可以达到几百微米。碳纳米管具有结构化学、电经典、热力学、弹性学和光学等各个方面的重要性质。近年来，碳纳米管的研究已成为材料科学研究的热点。

碳纳米管的制备主要分为几种方法：化学气相沉积方法、电化学沉积方法、等离子体增强化学气相沉积方法、电弧气氛沉积法以及化学还原等方法。例如，采用浮动催化剂化学气相沉积（CVD）方法可以制备出高质量的多壳纳米管，这种方法可以大规模、低成本地生产碳纳米管。 Fourier Transform Infrared

Spectroscopy（FTIR）可以用来测量发生化学反应的组合州和基团，来研究制备碳纳米管的过程。

与碳纳米管类似的是二维材料。二维材料是指具有二维结构的材料，即其高和宽远大于厚。例如，石墨烯是一个由碳原子组成的二维材料。具有高的导电性和透明性，还具有高的热传导性。

两者的研究在未来电子器件的制备方面具有重要应用。团队通过利用石墨烯与半导体材料之间的能带匹配优势，制造了高性能硅石墨烯场效应晶体管。此类器件的制造与普通CMOS工艺兼容，并具有优异的电学特性。因此，石墨烯的应用前景非常广泛，而碳纳米管同样可与硅基电子器件相结合，也有着广泛的应用前景。

纳米材料的发展现状及展望

摘要：本文介绍了纳米材料的现状及其发发展趋势，重点说明了纳米材料研究的特点、阶段、内容以及在实际应用方面所取得的成就，并对未来的发展趋势进行了预测。

关键词：纳米材料 发展现状 未来预测

纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义是指纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1-100nm）限制的各种固体超细材料。1994年以前，纳米结构材料仅仅包括纳米微粒及其形成的纳米块体、纳米薄膜，现在纳米结构材料的含义还包括纳米组装体系，该体系除了包括纳米微粒实体的组元，还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体，也就是说纳米材料包括：纳米微粒、纳米块体、纳米薄膜和纳米组装体系。1纳米=10-9米，纳米是一种长度的量度单位，1nm的长度大约为4到5个原子排列起来的长度，或者说1nm相当于头发丝直径的十万分之一。

纳米材料的主要特点就是尺寸缩小、精度提高。纳米材料的重要意义最主要体现就是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质，或对原有性质有十分显著的改进和提高。导致纳米材料产生奇异性能的主要限域应有：比表面效应、小尺寸效应、界面效应和宏观量子效应等，这些效应使纳米体系的光、电、热、磁等的物理性质与常规材料不同，出现许多新奇特性。如光吸收显著增加，金属熔点降低，增强微波吸收等。

研究纳米材料已有多年历史了。自物理学家诺贝尔奖金获得者理查德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告后，就开始了纳米尺度领域的研究。费曼认为能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这小的机器又可制作更小机器，这样一步步达到分子线度，他的设想包括以下几点：①如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针部那么小的地方。②计算机微型化。③重新排列原子。

纳米材料研究的内容包括两个方面:①系统地研究纳米材料的性能、微观结构和波谱特性。通过和常规材料对比,找出纳米材料特殊的规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论,发展完善纳米材料科学体系。②发展新型纳米材料。纳米尺寸的合成为发展新材料提供了新途径,这就大大地丰富了纳米材料制备科学。从研究的内涵和特点大致可划分为三个阶段。第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同与常规材料的特殊性能。对纳米颗粒的纳米块体材料结构的研究在80年代末期一度形成热潮。研究对象一般局限在单一材料和单相材料。第二阶段（1994年前）人们关注的热点是如何利用纳米材料挖掘出来的奇异物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合（0-0复合），纳米微粒与常规块体复合（0-3复合）。这一阶段纳米复合材料的合成及物性的探索一度成为纳米复合材料的主要方向。第三阶段（1994年到现在）纳米组装体系，人工组装合成的纳米结构材料体系越来越受人们的关注，正在成为纳米材料研究的新热点。 目前，根据纳米材料的特性制造了一些复合型材料。如：纳米结构铜或银的块体材料的硬度比常规材料高50倍，屈服强度高12倍。对纳米陶瓷材料，提高断裂韧性，降低脆性，纳米结构碳化性硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，断裂韧性比常规材料提高4-5倍，原因是这类纳米陶瓷庞大体积百分数的界面提供了高扩散的通道，扩散蠕变大大改善了界面的脆性。又如：高居黑点、低电阻的PTC陶瓷材料添加少量纳米二氧化铣可以降低烧结温度，致密度快，减少Pb的发挥量，大大改善了PTC陶瓷的性能。再如：具有不同阀值电压的新型纳米氧化锌压敏电阻，三氧化二铝陶瓷基板材料加入3%-5%的27nm三氧化二铝，热稳定性提到了2-3倍，热导系数提高10%-15%。纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强,寿命提高。近年来人们根据纳米材料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。如：8nm的二氧化锡及40nm的二氧化钦，20nm的三氧化铬与树脂复合成静电屏蔽涂层，80nm的BaTiO3可以作为高介电绝缘涂层，40nm的Fe3O4可以作为磁性涂层等。纳米材料及技术的应用也越来越广泛，在专业电子信息产业，纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制和制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件和制备技术。具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于传统器件的全新功能，从而产生出新的经济增长点。这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。正如美国《新技术周刊》指出，纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机，其作用可使微电子学在21世纪后半叶对世界的影响相形见绌。纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等生命科学领域有重大应用。在纳米生物材料、微细加工、光学显示、生物信息和分子生物学等技术积累的基础上，发展生物芯片技术、形成新型生物分子识别的专家系统、临床疾病检测系统、药物筛选系统和生物工业活性监测系统等实用化技术，具有重要的社会与经济前景。