论述新型绝缘纳米电介质材料的工程应用

1.纳米材料在特高压电网建设中的应用

近年来，建设特高压输电网络能够大幅度提升我国电网的输送能力、降低长距离电力输送损耗，对于国家能源战略实施、电网系统运行及国家安全具有重大意义。目前，我国在直流特高压绝缘材料研发和制造方面与区域联网的格局已初步实现。随着电压等级不断提高，网络规模逐步扩大，各大区域电发展直流特高压对绝缘材料性能要求极高。

目前电网公司推进的一特四大电网发展战略是以关键设备的绝缘水平为依托。由于特高压电网中核心设备主要是环氧树脂基材料，建设由1000kV交流和800kV直流构成的电网绝缘与防护难以满足当前要求。绝缘子伞裙材料与环氧树脂基芯棒界面黏接力差，效率大大提高，而且穿墙套管同样也面临绝缘等级不足的问题。此外，外部环境也会导致普通绝缘材料的开胶破坏并导致芯棒的老化脆断，也即所谓的薄绝缘。目前，采用的新型复合材料除了具有普通复合材料的特点外，还具有如下优势:(1)显著的协同效应：可综合发挥各部分绝缘部件的协同效能，这是其中任何一种材料都不具备的; (2)性能可设计性强，可针对纳米复合材料的性能需求进行设计和制造。根据固体电介质的碰撞理论，在强电场作用下，固体导带中的电子会在运动时与晶格发生碰撞，电子的动能不断增大进而因碰撞电离出更多的自由电子，导致电子定向移动加剧，电阻率下降。纳米颗粒具有库仑阻塞效应，能够构造能垒限制电荷在环氧树脂中的传输。同时，纳米颗粒独有的界面作用会分散自由电子流，增大电荷迁移的途径，电荷的耗散促使环氧树脂电导率下降，相应电阻率得到改善。纳米颗粒与环氧树脂分子链的交联不是分子间键桥，因此能够提高绝缘材料的击穿强度。

2.纳米技术在精细化工方面的应用

精细化工产品具有用途广泛，数量繁多的特点，并且对人类生活的各个方面产生影响，是一个巨大的工业领域。具有一定优越性的纳米材料为精细化工的发展创造了重大机遇。纳米材料在塑料、橡胶、涂料等精细化工领域，都能发挥着举足轻重的作用。例如，将纳米SiO2加入橡胶中，可以提高橡胶的红外反射和抗紫外辐射能力;在塑料中添加一定量的新型纳米材料，可以提高塑料的强度、韧性、防水性和致密性。纳米Al2O3和SiO2纳米颗粒加入到橡胶中，可以使橡胶的介电特性和耐磨性有所提高，而其弹性也比用白炭黑作填料的橡胶有明显的提升。国外为使粘合剂和密封胶的粘合性和密封性大幅度提高，已将纳米SiO2作为添加剂加入其中。将A12O3加入到有机玻璃中，不仅还会提高玻璃的高温冲击韧性，而且不影响玻璃的透明度;由于可以使有机玻璃抗紫外线辐射，加入经过表面修饰处理的SiO2，可达到抗老化的目的。一定粒度的锐钛矿型TiO2质地细腻，无毒无臭，而且具有优良的紫外线屏蔽性能，在化妆品中添加TiO2，可以提高化妆品的使用效果。塑料、涂料、人造纤维等行业中也可以应用到超细TiO2。纳米TiO2具有适用性广泛，除净度高，无二次污染等优点，能够产生很强的光化学活性，大量吸收太阳光中的紫外线，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，在环保水处理中有着很好的应用前景。最近又开发了高档汽车面漆用的珠光钛白及用于食品包装的TiO2。在环境科学领域，除了在处理工业生产过程中排放的废料中作为催化剂的纳米材料外，还将出现一种具有独特功能的纳米膜。这种纳米膜能够消除污染。其原理是探测到会造成污染的生物制剂和化学制剂后，对这些制剂进行过滤以达到消除污染的目的。

3.纳米技术在医药方面的应用

进入21世纪后，人们对药物的需求越来越高，健康科学将以出入意料的速度向前发展。控制药物释放、发展药物定向治疗、提高药效、减少副作用，已提到研究日程上来。纳米粒子将给药物在人体内的传输提供了诸多的便利。凭借纳米粒子的尺寸小，可在血管中进行自由流动的特点，其可以用来检查和治疗身体各个部位的病变。只需要检测少量血液样品，通过血样中的蛋白质和DNA，新型纳米技术诊断仪器就能诊断出人体的各种疾病;用多层构架的纳米粒子包裹的智能药物，在进入人体后可主动进行搜索任务，并攻击癌细胞，同时具有修补人体内的损伤组织的重要功能。美国麻省理工学院(MIT)已制备出靶定向药物，该药物是以纳米磁性材料作为药物载体，在磁性纳米微粒包覆蛋白质表面携带药物，注射到人体血管中，通过磁场导航输送到病变部位，然后释放药物，该项技术也被称为定向导弹。与此同时，科学家们对纳米微粒在临床医疗以及放射性治疗等方面的应用也进行了大量的研究。据《人民日报》报道，我国在纳米技术应用于医学领域上获得了突破性成功。长效广谱抗菌棉，就是南京希科集团利用纳米银技术研制生产出的医用敷料。通过纳米技术将银制成尺寸在纳米级的超细小微粒，然后使之附着在棉织物上这一原理，使得抗菌棉的生产成为了现实。通过纳米技术处理后的银表面结构发生变化，表面急剧增大，加之银具有加速伤口愈合和预防溃烂的作用，对临床常见的外科感染细菌都有较好的抑制作用，其杀菌能力可提高200倍左右。

结束语

21世纪将是纳米技术的时代。纳米科学主要包括纳米电子学、纳米材料学和纳米生物学等，是一门将基础科学和应用科学集于一体的新兴科学。各个领域均涉及纳米材料的应用，纳米材料在电气工程、机械、光学、磁学、化学和生物学领域有着广泛的应用前景。人类面临的许多问题，特别是能源、人类健康和环境保护等重大问题将有可能由于纳米技术的诞生而得到彻底的解决，将对人类社会产生深远的影响。通过在传统产品中应用纳米材料技术的改性，发展纳米结构的新型产品，增加其高科技含量，目前已获得一定的成效，具备了形成21世纪新的经济增长点的基础。21世纪初期，科学家们的主要任务是根据纳米材料各种独特的物理、化学特性，设计出各种新型的纳米材料和纳米器件。可见，纳米材料将发挥举足轻重的作用，作为材料科学领域一个大放异彩的新星出现在能源与信息等各个领域。