纳米是一个人类肉眼无法分辨出来的长度单位
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纳米材料及其在汽车上的应用
纳米是一个人类肉眼无法分辨出来的长度单位。
达到100nm以下尺寸并具有超常特性的物质颗粒称为纳米材料。
它通常包括纳米微粒和纳米固体。
而对在100nm 以下的微小物质进行研究和处理的技术则称纳米技术。
由于纳米材料具有超常特性，因此纳米技术产品开始在高科技和军事领域等方面大显神通，并开始涉及汽车行业。
1 纳米材料的基本特性
121 表面与界面效应
纳米微粒尺寸小，表面积大，表面原子占相当大的比例。
随着粒子直径的减小，表面原子所占的比例迅速增加。
纳米微粒的比表面积比常规材料大3~4个数量级，并会出现一些奇特的现象，如金属纳米粒子在空气中会燃烧、无机纳米粒子会吸附气体等。
123 小尺寸效应
当纳米微粒尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态相干长度等特征尺寸相当或者更小时，它的周期性边界被破坏，从而使其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出“新奇”的现象。
例如，铜颗粒达到纳米尺寸时就变得不能导电；绝缘的sio2颗粒在20nm时却开始导电。
124 量子尺寸效应
当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由准连续态分裂成分立能级。
当能级间距大于热能、磁能、静电能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能与宏观材料显著不同，如纳米金属微粒在低温条件下会呈现出电绝缘性和吸光性。
125 宏观量子隧道效应
由于量子力学作用，在纳米微粒中会出现与微观粒子的量子隧道效应相似的宏观量子隧道效应，因而产生一些特殊的物理现象。
宏观量子隧道效应的研究及应用有着十分重要的意义，例如通过扫描隧道用显微镜可直接观察到物质表面的原子结构。
纳米材料神奇的特性，不仅为制造纳米装置或仪器奠定了基础，同时也为发展高性能新材料及对现有材料的性能进行改善提供了一个极其有效的途径。
根据纳米材料的结构特点，把异质、异相、不同有序度的材料在纳米尺度下进行合成、组合，可以形成千姿百态的纳米复合材料。
2 纳米材料在汽车上的应用
21 在汽车润滑剂中的应用
在汽车润滑油中加入减摩剂可提高其抗摩性能、减少摩擦阻力和延长机件的使用寿命，但常规的减摩剂一般都存在着不易解决的问题。
将金属纳米微粒以适当的方式分散于各种润滑油中，则可以形成一种稳定的悬浮液，与固体表面相结合形成一个超光滑的保护层，同时填塞微划痕，从而大幅度降低摩擦和磨损。
其机理如下：
1）金属纳米微粒为球形，可以起到一种类似“球轴承”的作用，从而提高润滑性能。
2）在载荷和高温条件下，两摩擦表面间的球形微粒被压平，形成一滑动系，降低了摩擦和磨损。
3）可以填充工作表面的微坑和损伤部位，起到一种修复作用。
正是由于以上3种机理的联合作用，使金属纳米微粒润滑剂成为新一代的固体润滑剂。
据报道，俄罗斯科学家将铜或铜合金纳米微粒加入润滑油中，可使润滑性能提高10 倍以上，显著降低机械间的磨损，并能提高燃料效率，改善动力性能，延长使用寿命。
美国密执安大学对这种新型固体润滑剂进行了各类发动机试验，其结果是凸轮轴及活塞环的磨损均减小、降低表面摩擦和机械磨损约25%、增加气缸压力0.12MPa、在高负荷和振动条件下仍有润滑膜存在、油耗降低、与低粘度油匹配、对所有汽柴油发动机安全。
金属纳米微粒也可分散在润滑脂中，使其可承受的负荷更大。
这时即使由于某种原因（如强挤压等）使油脂失去，残留的纳米微粒膜仍可在相当时间内起到润滑作用。
因此，将金属（或合金）纳米微粒加入各种润滑油（脂）中，可得到一种性能优异的新型固体润滑剂，它在一个很宽的使用范围内具有非常好的润滑效果，且能克服常规润滑减摩剂的缺点。
2.2 在汽车橡胶和塑料制品中的应用
在橡胶产品中加入纳米材料，可大幅度提高橡胶产品的耐磨性和介电常数，使用寿命和性能大为提高。
传统的橡胶产品生产通常用炭黑粉体作补强填充剂、促进剂、防老化剂等。
作为粉体状物质，当今一个重要的发展趋势是向纳米材料发展。
据报道，目前世界上许多著名的轮胎厂都已开始研究和开发应用纳米白炭黑代替炭黑补强制造绿色轮胎和节能轮胎，现已取代
5%-10%的炭黑。
在轮胎橡胶中使用纳米ZnO进行改性，可大大提高橡胶的高速耐磨性能、抗老化性能，其耐屈挠性能提高5倍，而且其用量比普通ZnO节约30%、50%。
另外，纳米AL2O3、纳米CaCO3、纳米TiO2
和纳米粘土等在橡胶工业中的应用也有所进展。
为了节能，汽车应用塑料的数量将越来越多。
但传统塑料由于其强度低、不耐热和易老化等缺点，影响了其推广使用。
纳米材料在塑料中的应用可以改变传统塑料的特性，扩大其应用范围。
这是因为纳米材料微粒尺寸小、透光性好，使塑料变得很致密，且呈现出优异的物理性能，如强度高、耐热性强、密度更小等。
此外，由于纳米微粒尺寸小于可见光的波长，纳米塑料可以显示出良好的透明度和较高的光泽度，同时对太阳中的紫外线有很强的吸收能力，从而明显地防止塑料老化变脆。
在塑料中加入0.3%的UV-TAN-P580 纳米TiO2，经过700h 热光照射后，
其抗张强度损失仅为10%，这样的纳米塑料在汽车上将有广泛的用途。
2.3 在其他方面的应用
纳米微粒膜材料在汽车车灯上的应用有着广阔的前景。
目前，汽车灯光能的LM!被转化为红外线，（表明有相当多的电能被转化为热能消耗掉），仅有少部分光能用来照明。
不仅如此，纳米微粒膜材料为解决灯管的发热问题提供了一个崭新的途径。
纳米界面材料技术即超双亲（亲水亲油）性二元协同界面材料技术和超双疏（疏水疏油）型界面材料技术可以在任何材质表面实现。
因此，国产橡胶材料应用上述技术，解决了困扰国产汽车的漏油、渗油等问题。
纳米材料应用在燃料电池上，可以节约大量成本。
因为纳米材料在室温条件下具有优异的储氢能力，可以不用昂贵的超低温液氢储存装置。
我国研制成功一种可以自动消除异味、杀菌消毒的“纳米自洁净玻璃”。
它是应用高科技纳米技术在玻璃的两面镀制一层纳米薄膜，薄膜在紫外线的作用下可分解沉淀在玻璃上的污物，氧化有害气体，杀灭空气中的各种细菌和病毒。
这种技术应用在汽车玻璃上可有效净化车内环境，保证司机及乘员的健康。
把氧化铝纳米微粒加入到普通玻璃中，可以明显改善玻璃的脆性。
此外，将纳米微粒分散到树脂中制成膜应用于汽车油漆表面，对紫外线具有很强的吸收能力，能起到保护汽车油漆以防止其老化变脆的作用。
汽车技术的发展有赖于材料的发展，而纳米材料的研究、开发和应用无疑为汽车材料的发展提高了高科技含量，为汽车技术的进步奠定了基础。
作者：徐元强等（单位：安徽省蚌埠汽车管理学院）。
