纳米材料技术：引领新材料革命
纳米材料指的是晶粒尺寸为纳米级（10-9米）的超细材料，具有独特的纳米晶粒和高浓度晶界特征，其力学、磁、光、电和化学活性等性能都优于传统多晶体和非晶体材料，有利于改善传统材料的性能和开发新的材料。那么纳米材料在军事上都有哪些用途呢？
抗侵彻纳米材料。主要包括：（1）纳米混凝土材料，是构筑防护工程的主要材料，将纳米材料与混凝土进行结合制备出的高性能的纳米混凝土材料。①纳米矿粉填料，利用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。纳米矿粉主要包括纳米SiO2、纳米CaCO3和纳米硅粉等。据有关文献报道，当纳米矿粉的掺量为水泥用量的1%～3%，其7天和28天龄期的水泥硬化浆体的强度比未掺纳米矿粉的水泥硬化浆体的强度提高约50%，且其韧性、耐久性等性能也得到改善。②纳米金属粉末填料，纳米金属粉末有两个特殊性能，一是纳米金属粉末的强度、硬度高，并随着晶粒尺寸的减少，其强度、硬度不断提高，同时也具有良好的韧性；二是纳米金属粉末具有良好吸波性能。利用纳米金属粉末的这些特殊性能，将其作为水泥添加料，可以制备纳米金属粉末混凝土材料。纳米金属粉末的种类很多，同时还包括纳米合金粉末。选择合适的纳米金属粉末可以制备出具有电磁屏蔽性能的混凝土材料，同时使得混凝土的强度、耐冲击性大幅提高，并取得良好的电磁屏蔽效果。这样，在高强、高耐冲击的同时又有良好的电磁屏蔽效果，能降低军事目标被发现和打击的概率。用该种混凝土制成的军事掩体将具有更广的前景。③纳米金属氧化物填料，利用纳米金属氧化物可以制备电磁屏蔽混凝土和智能水泥混凝土，如自警水泥混凝土等。这种水泥混凝土的制备是在混凝土中掺入某种纳米金属氧化物，使混凝土具有较强的导电性能，同时还具有传感作用；或是在混凝土中插入用纳米金属氧化物制成的传感器，使混凝土具有传感作用。这种智能型水泥混凝土可用于土木工程结构的实时和长期监测，便于监控混凝土结构的开裂与破坏以及损伤的评价与检测等。这在实际工程中对如何及时防范混凝土的开裂与破坏，防止重大突发事故的发生具有重要意义。（2）纳米复合材料，是指以纳米材料作为增强相，与金属、聚合物、混凝土等基体复合制备的复合材料或基体中含有纳米相的复合材料。纳米材料作为增强相具有高模量、高强度等特点，与基体复合后可以制备出轻质高强的纳米复合材料；利用纳米粉体或具有纳米尺寸特性的基体作为复合材料的基体相也可以大大提高材料的性能。根据增强相的不同，纳米复合材料包括以下几类。①碳纳米管，是直径在0.3到几十纳米，长度可达几十个微米的两边封闭富勒烯管；管壁由六边形结构的碳组成，有单层（单壁碳纳米管）或多层（多壁碳纳米管）之分。碳纳米管按其原子结构的手征对称性分为：armchair型和zig-zag型。碳纳米管具有优异的力学性能和物理性能。碳纳米管具有很高的弹性模量，可超过1TPa（金刚石的弹性模量为1.2TPa）甚至可以达到1.8TPa。碳纳米管的强度也很高，是钢强度的10～100倍，具有很好的变形性能，其弹性应变可达5%，最高可达12%，约为钢的60倍，而其密度只有钢的几分之一，一般为1～2克/厘米3。除具有优异的力学性能之外，碳纳米管还具有优良的热和电性能，在2800℃的高温真空环境下，其性质不发生改变，热导率比金刚石高出2倍；其电输送能力是铜线的1000倍。由于优异的机械和物理性能，碳纳米管有望成为最具前景的复合材料增强相。碳纳米管增强金属镁，可使材料的强度提高100%；碳纳米管增强铝，不但可以提高材料的强度，同时也提高了材料的耐磨性能。碳纳米管增强聚合物复合材料也成为近来的研究热点，碳纳米管均匀分布在聚合物集体中，可以和基体形成交连，大大提高聚合物材料的模量和抗拉强度。②高性能纤维增强体，纤维增强纳米复合材料是指以高性能纤维作为复合材料的增强相，以纳米颗粒作为复合材料的母粒，制成基体或以纳米颗粒对基体进行改性，以此制备的复合材料称为纤维增强纳米复合材料。纳米颗粒可以是金属、聚合物、金属氧化物等。（3）纳米金属材料，通过采用应变诱导动态相变的方法，可以将低碳钢中珠光体的尺寸细化到纳米尺度，制备出纳米结构珠光体钢丝，大大提高了材料的强度和韧性。在表面机械处理方式下，金属材料表面可以通过强烈塑性变形而实现纳米化，获得表面纳米晶、晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大的梯度结构材料。表面纳米化后，材料的硬度、耐磨性得到明显的提高，板材的整体屈服强度提高约35%，同时延伸率下降不到4%。（4）纳米陶瓷材料，是指组成材料的微粒尺寸达到纳米尺度的陶瓷材料。纳米陶瓷不但具有传统陶瓷高硬度的特点，其脆性明显降低，韧性增加，具有类似于金属的超塑性。纳米氟化钙和纳米氧化钙陶瓷在室温下具有良好的塑性变形能力。纳米材料的强度相对于传统陶瓷也有很大提高。利用纳米陶瓷轻质、高强的特点，可将其用作单兵防护材料，制成高性能的防弹衣。
阻燃纳米材料。阻燃技术可以减小材料的燃烧速度，将火势控制在一定的范围内。目前以纳米材料和纳米技术为基础制备的纳米阻燃剂具有良好的阻燃性能和机械性能，其在阻燃方面的应用已经引起人们的广泛关注。现在的纳米阻燃材料主要有以下几类。（1）阻燃聚合物/层状化合物纳米复合材料，阻燃聚合物/层状化合物纳米复合材料主要包括阻燃聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料和阻燃聚合物/层状双氢氧化物纳米复合材料。阻燃聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料的阻燃性能优于通常采用的卤系、磷系以及无机氢氧化合物、重金属氧化物等阻燃剂，它不但提高了材料的物理机械性能，而且具有较高的热稳定性和阻燃性能。（2）阻燃聚合物/碳纳米管复合材料，由于碳纳米管具有特殊的非对称管状结构和极高的长径比（大于1000），碳纳米管在燃烧时形成了网状层，并且覆盖在整个样品表面，多层碳纳米管中的缺陷和残留的离子颗粒也是阻燃的重要因素。所以碳纳米管也是一种可选阻燃添加剂。（3）纳米级无机阻燃剂，传统的无机阻燃剂存在添加量大、恶化基材、物理机械性能不高等不足。国内外正致力于无机阻燃剂的超细化和微胶囊化等技术的开发，以便在改善阻燃性能时还有可能改善体系的物理性能。
伪装隐身纳米材料。纳米材料特殊的结构特征使得纳米材料具有吸波频带宽、兼容性好、质量轻和厚度小的特点，纳米粉体比较适合用作吸收剂，可能实现高吸收、宽频带、质轻层薄，红外兼容好的要求。目前对于纳米吸波材料的研究很多，吸波效果较好，研究比较多的主要有：（1）纳米金属材料，纳米金属吸波材料是以Fe、Co、Ni等金属及其合金制成粉体，与介质型纳米粉体或黏结剂复合制成薄膜。单一的纳米金属粉的吸波性能仍存在频带窄、吸收效果差的缺点，而采取复合方式制得的合金粉体吸波性能优于纯的纳米级金属。（2）纳米陶瓷吸波材料，纳米陶瓷吸波材料是纳米级的碳化硅、氮化硅及硅/碳/氮、硅/碳/氮/氧等复合物的颗粒、纤维组成的具有吸波功能的材料，具有质量轻、吸波性能好、耐环境性强等优点，很适合作为夹芯材料的芯材。（3）纳米氧化物吸波材料，纳米氧化物吸波材料是Fe、Mo、Ni具有磁性的材料，以及Ti、Wu、Sn等材料的氧化物及其复合氧化物，例如：二价铁氧体、三价铁氧体、TiO2、SnO2等纳米粉体。这些纳米级氧化物材料不仅具有良好的吸波功能，还具有一定的抑制红外辐射的功能。（4）纳米复合吸波材料，纳米复合材料一般是将具有电损耗型材料和磁损耗型材料运用复合技术进行纳米尺度上的复合，大大提高材料的隐身性能。
电磁屏蔽纳米材料。信息化战争条件下，大功率脉冲武器的使用，很容易对电子设备造成损坏，对人员造成损伤；同时，电磁波的泄露也容易造成泄密，这都对防护工程的电磁屏蔽性能提出了要求。传统的电磁屏蔽技术主要是使用金属及其复合材料进行电磁屏蔽，存在防护频带窄、兼容性差、质量重等缺点。纳米技术的应用为解决该问题提供了新的思路。目前正在研究中的纳米电磁材料有：纳米金属与合金吸收剂、纳米氧化物吸收剂、纳米碳/硅吸收剂和有机—无机纳米复合吸收剂等。