纳米材料的现状及在建筑材料中的应用

纳米材料的现状及在建筑材料中的应用
纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。

通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。

就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。

当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。

这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。

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。

研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。

由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的间领域。

在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。

世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。

纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。

利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。

根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。

在我国，有60多个研究小组，600多人从事纳米材料的基础和应用研究。

我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。

已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。

在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳应力集区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属Gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的红外波近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。

一是大面积定向碳管阵列合成；二是超长纳米碳管制备；三是氮化嫁纳米棒制备；四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用。

五是制备成功一维纳米丝和纳米电缆；六是用苯热法制备纳米氮化像微晶，发现了非水溶剂热合成技术；七是用催化热解法制成纳米金刚石。

而纳米材料在建筑材料中的应用主要是在以下几个方面：纳米涂料、纳米水泥、纳米玻璃、纳米技术陶瓷、纳米保温材料、纳米防护材料、纳米粘合剂和润滑剂等。

（一）纳米涂料纳米涂料具有下述优越的性能: (1) 具有很好的伸缩性，能够弥盖墙体细小裂缝，具有对微裂缝的自修复作用。

(2) 具有很好的防水性，
抗异物粘附、沾污性能,抗碱、耐冲刷性。

(3) 具有除臭、杀菌、防尘以及隔热保温性能。

(4) 纳米涂料的色泽鲜艳柔、手感柔和、漆膜平整，能有效的改善建筑的外观。

（二）纳米水泥普通水泥混凝土因其刚性较大而柔性较小，同时其自身也存在一些固有的缺陷，使其在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏。

为了解决这一问题就必须加速对具有特殊性能混凝土的研发，而纳米混凝土就能有效的解决这样问题。

纳米混凝土与普通混凝土相比，纳米混凝土的强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有显著提高，同时还具有防水、吸声、吸收电磁波等性能,因而可用于一些特殊的建筑设施中(如国防设施) 。

通常在普通混凝土中加入纳米矿粉(纳米级SiO2 、纳米级CaCO3) 或者纳米金属粉末已达到纳米混凝土的性能,而且通过改变纳米材料的掺量还能配置出防水砂浆等。

目前开发研制的纳米水泥材料包括纳米防水复合水泥，纳米敏感水泥、纳米环保复合水泥以及纳米隐身复合水泥。

纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM 水泥外加剂的纳米材料而制成的,该纳米外加剂掺入水泥后，可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应，改善水泥凝固的三维结构，同时提高水泥石的密实度，增强了防水性能。

纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料，从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。

根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。

纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能，从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。

通常是选用TiO2 作为纳米添加剂。

纳米隐身复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料(纳米金属粉居多) ，在电磁波照射时，纳米材料的表面效应使得原子与电子运动加剧，促使电子能转化为热能，加强对电磁波的吸收，从何使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查,这一材料常用于军事国防建筑等。

（三）纳米玻璃普通玻璃在使用过程中会吸附空气中的有机物，形成难以清洗的有机污垢。

同时，水在玻璃上易形成水雾，影响可见度和反光度。

而通过在平板玻璃的两面镀制一层TiO2纳米薄膜形成的纳米玻璃,则能有效的解决上述缺陷。

同时，TiO2 光催化剂在阳光作用下，可以分解甲醛、氨气等有害气体。

此外纳米玻璃具有非常好的透光性以及机构强度。

将这种玻璃用作屏幕玻璃、大厦玻璃、住宅玻璃等可免去麻烦的人工清洗过程。

（四）纳米技术陶瓷陶瓷因其具有较好的耐高温以及抗腐蚀性以及良好的外观性能而在工程界得到了广泛的应用(如铺贴墙面的瓷砖)，但是陶瓷易发生脆性破坏，因而在使用过程中也受到了一定的限制。

使用纳米材料开发研制的纳米陶瓷则具有良好的塑性性能，能够吸收一定量的外来能量。

在陶瓷基中加入纳米级的金属碳化物纤维可以大大提高陶瓷的强度，同时具有良好的抗烧蚀性，火箭喷气口的耐高温材料就选用纳米金属陶瓷作为耐高温材料。

用纳米SiC、Si3N、ZnO、SiO2 、TiO2 、A12O3 等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度、耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳等性能优点。

纳米陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料在更大的范围内改变材料的力学性质,具有非常广阔的应用前景。

（五）纳米保温材料随着我国推行节能减排的方针，工程界也越来越注重建筑的保温节能性能，我国目前使用的比较多的仍是聚氨酯、石棉等传统隔热保温材料，这些材料在使用过程中容易产生一些对人体有害的物质，如石棉与纤维制品含有致癌物质，聚氨酯泡沫燃烧后释放有毒气体，而通过使用纳米材料开发研制的保温材料则能避免这些弊端，如以无机硅酸盐为基料，经高温高压纳米功
能材料改性而成的保温材料不仅具有很好的保温效果，同时对人体也无损害，是一种绿色环保保温材料。

（六）纳米防护材料通常是在胶料中加入炭黑等以提高材料的防水性能，但这种材料的耐腐蚀性以及耐侯性较差，易老化。

研制具有高强、耐腐蚀、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在积极研究的问题，纳米防水材料能够很好满足上述要求，北京建筑科学研究院就成功的研制了具有较好耐老化性能的纳米防水卷材，该类防水卷材具有很好的强度、韧性、抗老化性以及光稳定性、热稳定性等。

纳米防水卷材具有叫广泛的应用前景，如建筑顶面、地下室、卫生间、水利堤坝以及防潜工程等。

（七）纳米粘合剂和润滑剂对于一些在深海中作业的结构以及其他特殊环境下工作的构件，它们对结构的密封性的要求非常高，已超过了普通粘合剂和密封剂所能满足的范围。

国外通过在普通粘合剂和密封胶中添加纳米SiO2 等添加剂，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性能都大大提高。

其工作机理是在纳米SiO2 的表面包覆一层有机材料，使之具有永久性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2 形成网络结构的胶体流动，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。

大型建材机械等主机工作时的噪声达到上百分贝，用纳米材料制成的润滑剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生根好的润滑作用，大大降低噪声，又能延长装备使用寿命，具有非常好的应用前景。

纳米技术作为一门新兴的学科，被誉为二十一世纪最具有发展前景的技术，是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术。

纳米技术在建筑材料方面的应用前景非常广阔，纳米技术不仅会推动建材新产品的开发，还将为改善人们的生活环境，提高生活质量做出不可估量的贡献。

纳米功能材料已成为国内外研究的热点，目前研究开发工作正处于刚刚起步阶段，还有很多问题还未很好的解决，需要将进一步加速对纳米材料的研究以及推广应用。

纳米材料将成为21世纪新型建筑材料的发展新方向。

相信在不久的将来，我们将跨入一个全新的材料时代—纳米材料时代。