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第1章绪论1.1纳米材料的发展概述人们在二十世纪七十年代就已经把信息技术、新材料、生物技术当做新技术发展的主要标杆，当二十一世纪开始时这些技术已处于风口浪尖来促进社会发展。纳米科学技术是从二十世纪八十年代开始崛起的，直到现在还是如日中天的新技术。一九九零年七月在美国Baltimore召开了第一次国际纳米科学技术会议，纳米材料科学正式的作为一个新的材料科学分支呈现在大家面前在这次会议上，参加此次会议的科学家们还讨论和展望了纳米科技（主要讨论了纳米电子学、纳米机械学、纳米生物学和纳米材料）的发展趋势。我国在八十年代中旬刚刚开始进行纳米技术研究与纳米材料开发。作为刚刚兴起的一个跨众多学术范围的高科技领域，纳米科学技术的基本内涵是指在在纳米尺寸（1~100nm）范围下对原子和分子进行改变从而对材料进行加工的方法，从而生产有特殊功能的新型材料，并且探索在纳米尺度下物质运动的一些原来人们不知道的现象和规律，从而推动技术的发展。1959年，RichardPFeynman（诺贝尔奖获得者）在当年的美国物理学会年会的报告中第一次提出了关于纳米的概念。在1974年日本科学家Taniguchi第一次将“纳米”这个词语上升到了技术层面，而以“纳米”为命名的新材料出现在人们的视野中在二十世纪八十年代。因为其尺寸小、比表面积大、宏观量子隧道效应和量子尺寸效应而具有不同于一般固体的新的特性，纳米材料就会表现为不一样的光学性能、磁学性能、热学性能、表面活性、敏感特性、光催化活性强的吸附性和凝聚性、活泼的化学反应性等。这些特别的性能决定了纳米材料的磁性、光学、陶瓷、催化、传感、生物及医学等方面有着广阔的应用前景。所以，在许多的科学领域中纳米材料已经引起了非常广泛的重视，成为如今材料科学研究的新宠。伴随着纳米材料的出现，纳米复合材料也出现在了人们的视野中，在二十世纪八十年代末至九十年代初崛起，由于纳米复合材料具有非常多的种类和非常独特的性能，它一出现受全世界科学家的重点关注，开辟了复合材料的一个新的时代。国际标准化组织给复合材料下的定义是：由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质以一定的工艺组合到一起，形成的一种多固相材料。复合材料通常包括两相，一相为连续相（又称基体或母体）；另一相为分散相（或客体）。[1]所说的纳米复合材料（nanocomposites）就是指分散相的尺寸最少最少有一维是小于100nm的复合材料。伴随着纳米科学和技术的发展，纳米复合材料有了更加广阔的定义是指两种或两种以上的固相最少有一相在一维上是用纳米级大小的尺度复合而成的复合材料，也就是说分散相的尺寸至少有一相是在一维上小于100纳米的复合材料。连续相和分散相的构成可以是无机化合物，也可以是有机化合物或这无机化合物和有机化合物都有，这就导致了纳米复合材料有了许许多多的种类。因为纳米分散相的独特的纳米复合材料（microcomposites）的特性，而且纳米复合材料应该会具有原来的组分所不具备的独特性能和各种功能，给设计和生产高性能、多功能的复合材料提供了新的想法和道路。1.2纳米效应纳米复合材料中纳米组分有着特殊的纳米效应如表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应以及宏观的量子隧道效应，这就导致了纳米组分的磁、光、热、表面稳定性和敏感特性的不同于其他的常规粒子，而其纳米复合材料与传统材料相比具有不一样的特殊性能。由于其超凡的特性，纳米材料早就让人们把目光投在了它的身上。二十世纪我国著名的科学家钱学森先生预测道：“纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命”。[2]如今纳米新科技已经成为了二十一世纪科学的前沿科技和主流的科学方向。当一种材料的分子尺寸进入了纳米级别，材料的本身就会出现以下的特殊的物理性能。1.2.1小尺寸效应当一种超细微粒的尺寸与光波的波长、德布罗意波长以及材料超导态的相干长度或投射的深度等物理特征尺寸一样或者更加小的时候，晶体周期性的边界条件将会发生改变；非晶态的纳米粒子的颗粒表面附近的原子密度发生减小，导致光、电、声、热、磁、力学等等特殊性能显现出新材料的应用范围。比如利用等离子共振频率的方法使得颗粒的尺寸发生变化的性质，可以改变颗粒的尺寸的大小，生产处具有一定频宽的纳米材料可以用来吸收微波，可以应用于电磁波的屏蔽、隐形飞行器等等。如果将纳米粒子添加到特定的聚合物当中，不仅仅可以对聚合物的综合性能进行全面的改善，甚至还能够给予材料一些新的特性。1.2.2表面效应总的说来，当微粒的尺寸发生了减小，微粒当中的表面原子数量与原子总数之比将会变大，粒子的表面积也会随着这个比值的增大而增大，从而使得材料性能发生了变化，这就是所谓的纳米粒子的表面效应。伴随着纳米粒子的粒子直径的发生减小，比表面急剧变大，整个分子中的表面原子所占比例也发生了急剧的增加。当粒径为1纳米时，纳米材料几乎就变成了一种单层的表面原子组成的物质。因为分子的表面原子数增加，而原子的配位不足及拥有很高的表面能量，使的这些分子的表面原子有了：高活性，极不稳定性，很容易与别的原子相结合的特性。如果子聚合物中加入了纳米粒子，这些具有很高活性的表面原子就能够很容易的同聚合物的分子链段发生一系列的物理化学反应，这样的话两种反应物之间不仅仅可以通过范德瓦尔斯作用力紧密的结合在一起，而且这些含有非常高化学反应活性的纳米粒子也能够因为和聚合物分子链段上的活性点发生化学反应而的结合在一起。1.2.3量子隧道效应微观粒子贯穿势垒的能力称为量子隧道效应。[1]隧道效应在纳米粒子的磁化强度等也有体现出来，磁化强度可以穿过宏观系统势垒而产生一些变化，这称为纳米粒子的宏观量子隧道效应，对于它的研究在基础探究及应用，如导电、导磁的聚合物，微波吸收聚合物等，都有非常深远的意义。1.3国内外的纳米技术和纳米材料发展情况和趋势纳米技术经过上一个世纪80年代的众多的理论和实践的储备和积累，到90年代产生了质变得到了迅猛的发展。转眼到了2000年，在一月二十一日美国总统克林顿开始向国会提出“国家纳米技术倡议”（NNI-NationalNanotechnologyInitiative）以后，然后整个世界都为了纳米技术而疯狂。尽管这个热潮没有像Internet那样形成一阵席卷世界的狂潮，但是纳米技术受到整个科学技术界、企业界和各国家政府的一致关注。各国家政府开始根据本身的国家情况制订了一系列的战略规划，增加对此项目的财政拨款，设置了专门的研究机构，设立全面的专项计划申请制度，鼓励各国大企业和人才投资建设纳米技术的基础研究和应用研究，积极开展国家与国家的技术合作，创建许多开放式的研究机构，对非保密性的应用项目放开竞争不给予太多束缚，吸引那些拥有自己专项纳米技术的专家创建小型企业并推出优惠政策等等一些列的措施。各个国家都是争先恐后，唯恐自己在这一方面被别人甩得得好远。1.3.1国外的发展1.3.1.1美国美国政府一直在国际都处于霸主地位，当然在纳米科技领域也不甘落后。在2000年初由克林顿总统向美国国会提出的“国家纳米技术倡议”（NNI），全方面的部署纳米技术的战略部署。并向国会提请了审议纳米技术2001年度专项财政拨款4.95亿美元的请求并通过了。美国国家纳米技术倡议（NNI）是经过一个长时间准备才被提出的。NNI的创始人是美国国家科学基金会（NSF，NationalScienceFoundation）的资深顾问MihailC.Roco。他在1999年3月白宫科学技术政策咨询会议（WhiteHouseOfficeofScience&TechnologyPolicy-OSTP）例会上呈递的报告中首先提出了NNI的雏形。在这一年的八月份，白宫科技政策咨询会在他的下属成员单位“国家科学技术委员会”（NSTC，NationalScience&TechnologyCouncil）下面，设置了临时性的办事机构—纳米科学工程及技术协调工作组（InteragencyWorkingGrouponNanoscienceEngineering&Technology）,由洛克任组长。在组长的组织和协调下，制订了两个配套文件：其一为“纳米结构科学与技术”（NanostructureScience&Technology）；其二为“纳米技术研究指南”（NanotechnologyResearchDirections）。这两个文件制定后就作为“国家纳米技术倡议”的两个附属的文件，编成蓝皮书，上报给美国政府，这就是克林顿在二零零零年初向国会提出的“倡议”的大概流程。美国国家纳米技术倡议向全世界公布后，联邦政府为更好的推进纳米技术战略规划的实施效果，在同年的七月份发布了实施计划，与此同时，国家科学技术委员会把下设纳米科学工程及技术协调工作组变为常设机构（原来为临时办事机构），并把这个机构升级为纳米科学工程及技术分会（SubcommitteeonNanoscaleScience,Engineering&Technology），主要负责关于美国政府下的各部门之间纳米技术研究项目的协调和处理事宜。相当于是国家纳米技术倡议计划的执行部门，洛克担任主管。国家纳米技术倡议计划，对美国来说是从来的都没有的涉及政府部门这么广泛的一项科学技术计划，因为这项战略计划的实施，使得美国政府对研发管理体制做出了重大调整。美国白宫科技政策咨询会纳米技术管委会总监DuncanT.Moore说，在部际研发（R&D）管理上扯皮的一些老问题已经解决。解决的办法是实行大联合（Grandcoalition），把美国8个最大的并有相应研发和管理职能的部门：国家科学技术基金会(NSF)、国家标准与技术学会（NIST，NationalInstituteStandard&Technology）、国家卫生学会(NIH,NationalInstitutesofHealth)、国防部(DOD,DepartmentofDefense)、能源部(DOE,DepartmentofEnergy)、国家宇航局(NASA)、环境保护局(EPA,EnvironmentalProtectionAgency)、农业部(DOA,DepartmentofAgriculture)和美国司法部，再加上国务院（以观察员身份参加）等等十个部门都作为国家科学技术委员会组织实施国家纳米技术倡议的分会成员单位。1.3.1.2日本70年代初，微米技术就已经非常受到日本的重视，在那时日本官方就把微米技术定义为战略技术，而且非常快地实现了大规模的产业化技术，对美国造成了强烈的竞争威胁。而微米技术在取得了决定性成功的基础上，一些科研部门、大学实验室进一步深入到纳米技术的探索中去，很快就有了新的发现：碳的纳米结构。开启了纳米研究的序幕。在1991年，日本NEC公司基础研究实验室的饭岛教授第一次发现碳纳米管。日本是最早把纳米作为长度的单位应用在工程技术方面的国家。在七十年代初期，日本工的程技术界尤其是机械工程界和精密仪器界，在各种文献刊物上连续的地发表许多关于微米技术方面的文章，来推动本国微米加工技术的发展。纳米的概念首次开始出现在在各种的文献中在一九七四年年底。所以，日本的科学家有一种习惯，这个习惯就是非常自然地把纳米技术看做是微米技术的一种延伸，未来电子、计算机的技术基础的半导体上面的纳米结构和与其相关的纳米级测量仪器的研发等等都用纳米技术加以描述。这些都是日本人重视工程技术的一些具体的表现。如今，对于纳米技术的研发经费方面中小企业所产生的作用很小很小，其经费来源主要来自于日本政府和一些有实力的大公司以及大财团。对于纳米技术经费发放主要的日本政府部门有文部省、通商产业省和科技厅。1.3.1.3欧洲诸国欧洲已经实现统一在纳米的技术方面，不但有统一合作在一起的“泛欧计划”，还有能够完全发挥各自主权国家作用地重点计划。在以前就已经非常著名的EUREKA计划中，其中就含有关于纳米技术计划的-EURIMUS计划，由于EUREKA计划是泛欧计划中的一项，它不但要向其他的欧州各个国家开放，还必须得承担一些具体项目的科研部门、生产部门提供技术