纳米材料在建筑材料中的应用4

建　筑　科　学

２００８　　ＮＯ．２８

科技资讯

纳米材料在建筑材料中的应用

崔健１　　赵壮２　　李宏涛３　　肖力光４

（１，３．长春工业大学；１，２，４．吉林建筑工程学院　　长春　　１３００２１）

摘　要：纳米材料是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学，本文论述了纳米材料的定义和特性，以及纳米材料在建筑材料行业中的应用与展望。

关键词：纳米材料　　建筑材料　　应用中图分类号：ＴＵ５文献标识码：Ａ文章编号：１６７２－３７９１（２００８）１０（ａ）－００５９－０２

被誉为２１世纪最具有发展前景的纳米材料和纳米技术一经问世，便以极快的速度渗透到各个研究领域。就建筑领域而言，纳米材料和纳米技术不仅会引发一场建筑材料的革命，而且也会给传统的建材业带来巨大的生机和活力。纳米技术是一种具有深刻理论价值和广泛应用前景的高新技术，被誉为本世纪最具应用开发前途的产业技术之一［１］。

这类水泥材料是通过添加纳米材料或纳米复合材料使水泥的结构性能得到明显的改善和改变。因为纳米材料不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是还可以改善水泥混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使水泥混凝土的强度、韧性、抗渗透性及耐久性等结构性能得以提高。研究报道，当纳米材料的添加量为水泥用量的１％～３％，并在高速混合机中与其他混合料进行混合后，制备成的纳米复合水泥结构材料，在７ｄ、２８ｄ龄期的水泥硬化强度比未添加纳米材料水泥的提高约５０％，而且韧性、耐久性等性能也得到较大的改善。

２．１．２　纳米功能型复合水泥

纳米材料由于其性质的特殊性，使其本身表现出许多优异的性能。当纳米材料被添加到其他体系中时，被添加体系也会同时表现出很多的功能特性。对于纳米功能型复合水泥来说，它可以表现出吸波、防水、除臭、杀菌、光敏、湿敏及温敏等功能特性中的一种或多种。

①纳米防水复合水泥。

一种被称为ＸＰＭ水泥外加剂的纳米材料，在添加到水泥中后，可以使水泥具有很好的防水功能。这种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，使气－液－固３相通过过饱和度达到相应的浓度梯度，改善了水泥凝固的三维结构；同时改善水泥砼的堆积密度，既减表面水又减间隙水，使胶团产生聚合再聚合的作用。

②纳米环保复合水泥。

利用纳米材料的光催化功能，可以使水泥制品具有净化空气、杀菌、除臭及表面自清洁等功能特性。众所周知，锐钛矿型纳米ＴｉＯ２等纳米光催化材料具有很强的光催化活性，在光线的照射下，它可以产生大量氧化性很强的自由基。这些氧化、分解能力很强的物质，不但可以将细菌杀死，将有机臭气分解净化，还可以将氮氧化物、二氧化硫等对人体有害的污染气体进行分解去除。纳米光催化复合水泥混凝土的制作方法有两种：①纳米光催化复合材料（如

二氧化钛）掺入法。②光催化载体法。

２．１．３　纳米隐身复合水泥

许多纳米材料，特别是纳米金属粉，具有很好的电磁波吸收功能。当电磁波照射时，由于纳米材料的表面效应，原子和电子运动加剧，促使电子能转化为热能，从而增加对电磁波的吸收。不同的纳米材料经过复合处理后，能够在很宽的频带范围内逃避雷达的侦察，起到隐身、隐形的作用。因此，某些纳米复合材料大量应用于雷达波及红外光等的隐身材料。

在水泥表层一定深度范围内添加对电磁波具有吸收功能的纳米复合材料，就可以使这些水泥制品具有对电磁波隐身的功能。使用这种水泥后，就可以在很大程度上逃避雷达、红外等信号的搜索，降低或避免军事目标被发现和被打击的概率［２］。２．２　纳米技术在建筑涂料中的应用

２０世纪９０年代以来，建筑涂料需求量正以的速飞快度向前发展。环境压力正在改造全球涂料工业，发达国家不断颁布日趋严格的环境保护条例，促使这些国家的涂料工业进行变革和调整，因此，全球市场正朝着更适应环境要求的水性、高固体、无溶剂、粉末和射线固化的涂料方向发展。而利用纳米材料改性提高涂料产品质量是目前在涂料研究领域比较活跃的方向。迄今为止，纳米复合材料在建筑中主要用于墙面涂料，高档次的建筑涂料除了必须具有高耐候性，耐粘污性和高保温色性以外，还需要具有诸如除臭、抗菌、防尘、隔热、保温等多种功能［３］。

２．２．１光学应用纳米复合涂料由于纳米粒子粒径小、表面分率高，对不同波长的光线会产生不同的吸收、反射、散射等作用。纳米粒子的粒径远小于可见光的波长（４００～７５０）ｎｍ，具有透过作用，从而保证了纳米复合涂料具有较高的透明性。纳米粒子对紫外线则具有较强的吸收作用，现市场上销售的纳米ＴｉＯ

２

１　纳米技术、纳米材料概述

纳米科技是指在纳米尺度（１ｎｍ到ｌ００ｎｍ之间）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。我们可以根据纳米科技与传统学科领域的结合而细分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学、纳米机械学与纳米加工等研究领域。目前，纳米科学研究主要包括２个方面：一是系统研究纳米材料的性能、微观结构和谱学的特性，通过与规材料的对比，找出纳米技术的特殊规律，建立描述和表征纳米技术的新概念和新理论、发展完善纳米技术材料科学体系；二是开发新型纳米技术材料的应用领域。

２　　纳米材料在建筑材料中的应用

２．１　纳米材料在水泥材料中的应用

纳米复合技术在开发新型水泥中的应用随着社会工业化的深入发展和我国基础建设的广泛开展，水泥混凝土作为一种传统的建材其产量和用量都在不断的增加，高性能混凝土已成为水泥基复合材料领域中的研究热点。但是，由于普通水泥混凝土的刚性过大而柔性不足，以及其本身固有的一些缺陷，使其在使用过程中不可避免地产生开裂与破坏，这就限制了它在许多领域的应用。纳米矿粉主要包括纳米ＳｉＯ２、纳米ＣａＣＯ３和纳米硅粉等。纳米矿粉不但可以填充水泥的空隙，提高混凝土的流动度，更重要的是可改善混凝土中水泥石与骨料的界面结构，使混凝土强度、抗渗性与耐久性均得以提高。

２．１．１　纳米结构型复合水泥

、

ＳｉＯ２、ＺｎＯ等颗粒填充于涂料中，可显著提高涂料的紫外线吸收性，从而提高户外用涂料的耐候性。在外墙建筑涂料中添加纳

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④方餐桌尺寸：二人７００×８５０（ｍｍ），四人１３５０×８５０（ｍｍ），八人２２５０×８５０（ｍｍ）。

⑤餐桌间距：（其中座椅占５００ｍｍ）应大于５００ｍｍ。

⑥主通道宽：１２００～１３００ｍｍ。客房：标准较低的客房每间一般４～８床，标准较高的客房设有单独的壁柜和卫生间，每间１～２床。客房内家具布置以床为中心，床一般靠向一面墙避开门。其它空间可放梳妆台、电视架及行李架等。客房内走道宽度为１．１ｍ。

①标准面积：大：２５平方米，中：１６～１８平方米，小：１６平方米。

②床：高：４００ｍｍ～４５０ｍｍ；床靠高：８５０ｍｍ～９５０ｍｍ。

③写字台：长；１１００ｍｍ～１５００ｍｍ；宽：４５０ｍｍ～６００ｍｍ；高：７００～７５０ｍｍ。

④衣柜：宽：８００ｍｍ～１２００ｍｍ；高：１６００ｍｍ～２０００ｍｍ；深：５００ｍｍ。

⑤沙发：宽：６００ｍｍ～８００ｍｍ；高：３５０ｍｍ～４００ｍｍ；靠背高：１０００ｍｍ。

⑥衣架高：１７００ｍｍ～１９００ｍｍ。办公室：传统的普通办公室空间比较

固定，如为个人使用则主要考虑各种功能的分区，既要分区合理又应避免过多走动。如为多人使用的办公室，在布置上则首先应考虑按工作的顺序来安排每个人的位置及办公设备的位置。应避免相互的干扰。其次，室内的通道布局合理，避免来回穿插及走动过多等问题出现。

①办公桌：长：１２００ｍｍ～１６００ｍｍ；宽：５００ｍｍ～６５０ｍｍ；高：７００～８００ｍｍ。

②办公椅：高：４００ｍｍ～４５０ｍｍ；长×宽：４５０ｍｍ×４５０ｍｍ。

③沙发：宽：６００ｍｍ～８００ｍｍ；高：３５０ｍｍ～４００ｍｍ；靠背面：１０００ｍｍ。

④茶几：前置型：９００×４００×４００（高）（ｍｍ）；中心型：９００×９００×４００（ｍｍ）。

７００×７００×４００（ｍｍ）；左右型：６００×４００×４００（ｍｍ）。

⑤书柜：高：１８００ｍｍ；宽：１２００ｍｍ～１５００ｍｍ；深：４５０ｍｍ～５００ｍｍ。

⑥书架：高：１８００ｍｍ；宽：１０００ｍｍ～１３００ｍｍ；深：３５０ｍｍ～４５０ｍｍ。

现代室内设计的特点趋向于多层次、多风格，但环境心理学和人体工程学等学

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科所研究的合理的空间划分及尺度比例始终是室内设计的基础和规范。以此为依据，创造满足人们物质和精神生活需要的室内环境是室内设计的目的。

参考文献

［１］张绮曼，郑曙旸．室内设计资料集［Ｍ］．

中国建筑工业出版社，２００６，１０．

［２］张绮曼．中国室内设计发展的新台阶

［Ｍ］．中国建筑工业出版社．

［３］张福昌．室内环境艺术设计［Ｍ］．中国轻

工业出版社，２００１．

［４］华承军．室内设计原理［Ｍ］．西安交通大学

出版社，２００７，１１．

［５］彭一刚．建筑空间组合论［Ｍ］．中国建筑工

业出版社．

（上接５９页）

衣。如将纳米抗菌粉用于涂料中，则可制得纳米杀菌涂料，涂覆在建材产品，如卫生洁具、室内空间、用具、医院手术间和病房的墙面、地面等，起到杀菌、保洁效果。２．３　纳米技术在高分子材料中的应用

从强度方面比较，塑料（高分子材料）较金属材料还有很大的差距。利用纳米微粒可以提高其强度，同时还能起到增韧的作用。如建材中的塑料门窗、塑料水管、塑料装饰板等的强度还可提高。纳米材料的问世，为新型增强塑料的合成提供了新的机遇，为传统增强塑料的改性提供了一条新的途径。把分散好的纳米颗粒均匀地添加到树脂材料中，可达到全面改善增强塑料性能的目的。通过加入纳米材料的塑料，能够明显提高塑料的强度和延伸率，提高耐磨性和改善材料表面的光洁度，提高抗老化性能，同时还能够提高保温性和阻隔性能［５］。

前，加快纳米技术提升、改造传统建材的步伐，使纳米材料和纳米技术在建筑领域得到最广泛的应用，是时代的要求，是２１世纪建筑材料行业面临的机遇和挑战。

米ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等纳米粒子以提高耐候性，在汽车面漆中添加ＴｉＯ２以提高汽车涂料的耐老化性等。特别是金红石型超细ＴｉＯ２，在汽车面漆中还可起到效应颜料作用，与其它片状效应颜料如铝粉颜料或珠光颜料并用时，会产生伴有乳光的随角异色性，可用于豪华轿车面漆，这是目前纳米ＴｉＯ２的最大用途，也是国外纳米材料在涂料中应用最为成功的例子之一

［４］

参考文献

［１］咸才军．纳米建材［Ｍ］．北京：化学工业

出版社，２００２．

［２］夏军武，夏大明，王守祥．纳米材料和纳

米技术在建筑领域中的应用［Ｊ］．工业建筑，２００２，３２（１２）：４４～４５．

［３］杨毅，卫巍．复合纳米ＴｉＯ２建筑涂料［Ｊ］．

化学建材，２００２（１）：１１～１３．

［４］周树学，武利民．纳米材料在涂料中的

应用研究［Ｊ］．新产品新材料，２００１（３）：３３～３７．

［５］任雪潭，曾令可，等．二氧化钛与环保建

材［Ｊ］．新型建筑材料，２０００，７：３６～３７．

。

２．２．２　吸波纳米复合涂料

同样利用纳米粒子的表面效应，可以制备出吸收不同频段电磁波的纳米复合涂料，可用作雷达波吸收剂的纳米粉体有：纳米金属（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等）与合金的复合粉体、纳米氧化物（Ｆｅ３Ｏ４、Ｆｅ２Ｏ３、ＺｎＯ、ＮｉＯ２、ＴｉＯ２、ＭｏＯ２等）的粉体、纳米石墨、纳米碳化硅及混合物粉体等。国外用纳米级羰基铁粉、镍粉、铁氧体粉末已成功配制了军事隐身涂料，涂到飞机、军舰、导弹、潜艇等武器装备上，使该装备具有隐身性能。由于纳米涂层材料具有吸收频带宽、重量轻、厚度薄等优点，因而可望在未来军事隐身化方面大展身手。

２．２．３　纳米抗菌涂料

在国内纳米抗菌粉体已实现工业化生产，市场上已有多个牌号的产品出售，主要用于纤维织物中，制成新一代抗菌保洁内

３　结语

被誉为２１世纪最具有发展前景的纳米材料和纳米技术一经问世，便以极快的速度渗透到各个研究领域。就建筑领域而言，纳米材料和纳米技术不仅会引发一场建筑材料的革命，而且会在智能建筑、建筑结构设计、建筑物的加固和改造、建筑施工和检测等方面产生深远的影响。当

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