纳米材料的应用及展望
应用科技
纳米材料的应用及展望
何彦达
(天津工业大学，天津市300143)
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7+喃耍】纳米材料仅寸在1—100纳米范围内)又称超细微粒、超细粉末，是处在原予簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结』
0构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、?
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搠化等方面具】纳米材有非常重料；应用大的应用价；展望值。现如今，科学界普遍认为，纳米技术是21世纪经济增长的一台主要的发动机，它将成为超过网络技术和基因技术的。决定性技术”，并将成为最有前途的材料。它所具有的独特的物理和化学性质，可以节省
资源、合理利用能源并且能够净化生存环境，它的发展研究会对化工行
遇。近几年来，纳米科技受到了世界各国的极大青睐，在其广阔的应用前景下，一场新的技术革命正在E演。
1纳米颗粒在电化学生物传感器中的应用
生物传感器是用固定化的生物活性成分为敏感元件与适当的能量
转换器件结合而成的传感装置用以测定一种或几种分析物的含量。生物传感器是多学科交叉的产物，是一种全新的检测技术，在生命科学、临床诊断、环境监控以及过程控制等各种领域都有所应用。
在生物传感器的研制中，人们尝试用多种新方法来固定酶，以期达到实用的要求。纳米颗粒比表面积大、吸附能力强，可以很牢固地吸附酶等生物大分子，增加酶的吸附置和稳定性，且蛋白质等物质吸附在
纳米金属颗粒的表面上仍能保持生物活性。所以，纳米颗粒—般用作固定载体。憎水银一金纳米颗粒可以显著提高GOD酶电极的响应灵敏度，金属纳米颗粒本身就具有催化活性，所以，在GOD酶反应中纳米颗粒迅速地从被还原的GODfADH2)获取电子而使GOD重新具有氧
化性这样就加速了酶的再生速度。而且它有不同于块体材料的特性，
可使大量GOD牢固吸附在纳米颗粒表面，在一定程度上钝化了酶的构
型，使其不易发生进一步的变化而失活，增加了酶的稳定性和催化活
性。纳米金可与巯基结合，形成牢固的共价键，增加了其固化GOD的稳定性而不影响其活性：纳米颗粒增加了三维电极的有效固定面积，可
以结合更多的GOD，使得检测下限延长：同时纳米金的存在加快了
GOD活性中心FDA／FDAH2与金电极表面的氧化i丕原反应，因此制成
了高灵敏度的生物传感器。并且经研究分析，在纳米铜修饰的金电极上以邻胺基苯酚聚合物固载GOD制成的电极，纳米铜加入后对葡萄糖的
检出绷氏2倍，最大响应电流高3倍，灵敏度提高了2．5倍。
2纳米材料在涂料方面的应用
纳米涂料利用其独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解，消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。经测试，对各种霉菌的杀抑率达99％以上，有长期的防霉防藻效果；纳米改性内墙涂料，实际上是高级的卫生型涂料，在卫
生用品上应用可起到杀菌保浩作用，适合于家庭、医院、宾馆和学校的
涂装；纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元{办同的荷叶双疏机理，较低的表面张力，具有高强的附着力，漆膜硬度高且有韧性，优良的自洁功能，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力，疏水性极佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外线能力极强。使用寿命达15年I,?LL。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来—场新的技术革命，也将推动复合材料的研究开发与应
用。
3纳米材料在陶瓷上的应用
纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料。它具有的高碾嚏、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的
优点。其晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量
级的水平上。荚国著名材料专家Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小
为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延性的，能够发生
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00阮的塑性形变。并且发现，纳米Ti02陶瓷材料在室温下具有优良
的韧性。在18a℃经受弯曲而不产生裂纹。
4纳米材料在催化方面的应用
在许多化学化工领域中催化剂起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间，提高反应效率和反应速度。但是，大多数的传统催化剂催化效率低，制备过程并不严谨。所以它的生产使得原料在很大程度上的浪
费，而目对环境也造成污染。
所以，在催化剂上，纳米材料有极强的优势，纳米材料的比表面积大，表面活性中心多，这为做催化剂提供了必要条件。同时纳米材料
的表面效应和体积效应决定了它具有良好的催化活性和催化反应选择
性它可大大提高反应效率，控制反应速度，对比一般的催化剂，用纳
米微粒作催化剂的话，可以将反应速度提高1O
～15倍。目前在高分子聚合物氧化、还原及合成反应中可直接用纳米态铂黑、银、氧化铝、氧化铁等做催化剂，利用纳米镍作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。而且，纳米材料催化剂的催化反应选择性还表现出特异性，如用硅载体纳米镍催化剂对丙醛的氧化反应
研究表明，镍粒径在5nm以下时，反应选择性发生急剧变化——醛分
解得到控制，生成乙醇的选择性迅猛t升。在有机物制备方面，纳米微
粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，分散在溶液中的每—个半
导体颗粒，可：i匠f以地看成是—个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位
置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。还有光催化反应等等，
用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应足各{圣、提高反应速度方面
的研究，是未来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。
5纳米材料在磁性材料方面的应用
近年来随着信息量飞速增加，要求记录介质材料高性能化，特别是记录高密度化。高记录密度的记录介质材料与超微粒有密切的关系。若以超微粒作记录单元，可使记录密度大大提高。纳米磁性微粒由于尺
提高信噪比，改善图像质量。此外，在电子计算机中为防止尘埃进入硬
盘中损坏磁头与磁盘，在转轴处也已普遍采用磁性液体(磁性液体：它
是由超顺磁性的纳米微粒包覆了表面活性剂，然后弥漫在基液中而构成)的防尘密封。
纳米粒子对红外和电磁波有吸收隐身作用。由于纳米微粒尺,-J-远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3—4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强
度大大嘲氏，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。
6总结
由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国(地区)纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界E已有50多个国家制定了国家级(下转第204页)
195
业产生带来新的机
12)支吊架如为偏装，应按图中偏装后的根部位置和管部位置进行安装，并且保证实际安装偏装值与设计偏装值一致。13)支吊架安装完，应检查吊杆承力的情况，必要时要进行调整，使其受力均匀。14)处于热态时，弹簧支吊架要拔销子进行统—热态调整。15)吹管系统的支吊
面)i7)间距满足保温；8)大管满足小管(支吊架间距)：9)疏水坡
度正确：10)压力排序正确：11)膨胀弯足够多：12)阀门集中布置
(便于操作)；13)接管(座)按图安装；14)工艺力求完美：15)光谱
二次复检：16)挂牌标识。
架必须按照图纸设计进行正确安装，必须给热膨胀留下足够的空间。
小管道安装支吊架间距参考值如下表：
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“管道安装与运行中常见的一些缺陷的消除
2．4．1管口边缘有焊瘤、凹坑对策：
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1)严禁在管道及管件上点焊、引弧或焊接临时铁件。
2)管道对口必须使用专用的对口管夹。Z42疏放水管道根部产生裂纹或断裂
1)在母管上开／3、于由50的接管管孔不得用割把切割，必须采用
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2．几琅t子开伴而行．支吊架【司燕砬禹足，J、譬的叠雯．均接小管旧距兢一安慕。2
钻孔。2)工作压力大于2．5mpa的管道安装疏、放水管，必须用接管
座连接。3)疏、放水管安装必须有足够的膨胀弯。
243法兰泄露
压力管道安装过程中的质置控制
对策：1)安装前检查法兰结合面无径向划痕、沙眼、凹坑。2)安
装密封垫时必须在密封垫两侧涂抹黑铅粉。3)正确选用密封垫材料。
2．1保证系统干净，管内清洁
系统“脏”是电厂的万恶之源，小则卡涩阀门，大则损害泵体危
及整个系统，将会造成不可估量的损失。故此，在整个施工过程中的每—道工序都必须严格把关。具体措施如下：
1)管道安装前，必须将管道内部的泥土、锈皮等杂物彻底清理干
4)法兰的螺栓安装时必须对称均匀紧固，并涂抹黑铅粉。
244阀门内漏
对策：1)安装前所有阀门必须1OO％进行严密性水压实验。2)保持系统清洁，及时；中洗或吹扫管道。
2．45阀门压兰泄露
净，以保持管内清洁，管L欹j-n前必须由质量员检查合格后方可对口焊
接。2)主汽、再冷、再热及导汽管等与汽轮机缸体直接连接不参加吹管的管道，对口前必须进行验收，验收合格后方可对口焊接。3)已安装的管道若需放置，管端必须进彳亍|临时封堵，以防止杂物进入，影响系
对策：1)认真检查盘根嗔料是否符合质量要求，若不合格必须及时更换。2)两侧的压兰螺栓紧固力度必须均匀。
2．46水管道振动剧烈对策：
统的安全运行。4)疏、放水管道安装领用时，应检查管内有无杂物、是否锈蚀严重、有无制造缺陷：安装前必；页用压缩空气将管道内部的浮
灰吹扫干净。5)疏、放水管道安装，在母管上开孔必须用钻开孑L，严禁用割把施割，以免铁屑掉入管内影响系统的安全运行。6)所有管道安装完毕后，必须及时进行冲洗或吹扫以保证系统清口。’22正确安装管道支吊架
管道支吊架不仅承受着管道及介质的重量，而且还将长期在热位
严格按图纸设计的坡度安装疏、放水管道，使疏、放水管道畅通
无阻
3系统严密性试验
压力试验必须按照规范要求进行。采用液体介质进行试压时，应
缓慢升压至试验压力。采用气体介质进行试压时，应逐步缓慢升压，当压力升至试验压力的50％时，如未发现异常或泄漏，可继续按试验压力的10％逐级升压，并每级稳压3min，直至升至试验压力。液体、气体稳压均为10min，然后检查各个焊口、阀门、法兰、补偿器等(以发
移和交变载荷工作，支吊架的安装就显得格外重要。
1)安装时生根必须焊接牢固。2)管道支吊架安装必须严格按图
纸施工，不得少装、漏装。3)需偏装的管道支吊架，必须严格按“冷位移加热位移的一半”计算偏装值进行安装。4)支吊架安装完毕后，
质量员、技术员必须逐个进行检查，特别是对弹簧支吊架必须进行严格检查。
泡剂检验)，不泄漏、不冒泡为合格，如有漏点，需要焊补时，必须泄
压后才能进纸
管道安装完毕且试压后，必须认真吹扫或清洗干净，气体管道吹扫用空气或氮气，末端用靶板涂上白漆，没有铁屑、铁锈等脏物即为合
23提高小管道施工工艺
在施工中，施工员普遍存在重视大口径管道的安装，而忽视小管
径管道的安装，其实这是非常错误的，整个系统的工艺都体现在小管径
格。液体管道用洁净清水冲洗，直至末端出口呈现清水为合格。但也有气体管道使用洁净水冲洗，在这种情况下，以再用气体介质吹干为佳。
压力管道安装是一项非常重要的工程，在安装过程中以上所述事
管道的安装工艺上。我们吸取以往小管径管道安装零乱，整体性差的教
训，在鄂电工程中加强小管径管道安装的施工工艺，做到不漏装、不错装，布局整齐。具体要做到以下十六点：
项都要认真把好质量关，才能确保压力管道安全运行。在安装中积极采用新技术、新工艺、新方法、新柳具，为机组的提早投产奠定坚实的基
础。
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。”：II}t㈨?／∽|c’j}n峨
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1)系统连接正确；2)材质使用无误(合金光谱检查)；3)有压、无压分清(有压进疏水扩容器、辆汽扩容器，无压进全厂无压放水管)：
4)开孔位置正确(巯水排汽在母管上的开孔)：5)孔饭方向正确(并
：掺考文献]
…电力建设施工及验收技术规范省道篇DL5031-94f2】火电施工质量检验及评定标准，管道篇试行．
^4。
在孔板外标清方向)：6)小管布置隐蔽【不可喧兵夺主、放在主管前
(上接第195页)
的纳米技术计划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划
化学合成材料也是—个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面与发达国家有明显差距。
中也往往包含了纳米技术相关的研发。
我国政府在2001年7月就发布了徊家纳米科技发展纲孕§，并
在国家中长期科技发展纲要中明确中国纳米科技发展的路线图。目前我国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分析和单原子操纵等
面研究
较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约占80％，高分子和
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’4[参考文献]
1【1】1王瑞金磁流体技术的应用与发展新技术新工艺．2001．：[2J张立德，牟季美纳米材料和纳米结构．科学出版社。2001．
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204
2010年1月(上J