近年來(lái)，由粉末制成的納米復(fù)合材料在材料領(lǐng)域一直屬于新星般的存在，許多人認(rèn)為它有可能徹底改變材料科學(xué)，并開創(chuàng)一個(gè)先進(jìn)功能材料的新時(shí)代。盡管納米復(fù)合材料已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，但來(lái)自日本愛(ài)知縣豐橋技術(shù)大學(xué)的武藤博之和他的助手WaiKianTan認(rèn)為，人類目前仍尚未發(fā)掘出納米材料全部的潛力。武藤解釋說(shuō)："很多材料科學(xué)家正在嘗試制造許多新的納米結(jié)構(gòu)，但納米復(fù)合材料的潛力仍有待實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的粉末混合方法和基于懸浮液的技術(shù)不足以實(shí)現(xiàn)*的結(jié)構(gòu)形成"。

武藤教授解釋說(shuō)：“我們將問(wèn)題歸結(jié)為缺乏對(duì)納米顆粒的控制，納米粉末的機(jī)械混合往往導(dǎo)致納米顆粒結(jié)塊，從而產(chǎn)生更大的結(jié)構(gòu)或不均勻的混合物，這影響了所需的性能。例如，結(jié)塊可能意味著需要更多的材料來(lái)形成陶瓷和聚合物的導(dǎo)電通路。納米顆粒有強(qiáng)烈的聚集趨勢(shì)，無(wú)論如何攪拌都無(wú)法使它們分散。現(xiàn)在需要的是一種能夠?qū)��?fù)合材料中的納米顆粒定位實(shí)現(xiàn)更高水平控制的技術(shù)�！�

令人欣喜的是，武藤實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的一種新型靜電吸附組裝方法則可以很好的解決粉體分散的問(wèn)題。作為一種自下而上的制造技術(shù)，它采用了一種簡(jiǎn)單的粉末冶金工藝來(lái)制造先進(jìn)的納米復(fù)合材料。具體來(lái)說(shuō)，它涉及到用聚電解質(zhì)改性添加劑納米粒子和初級(jí)微粒子的表面。這是一個(gè)簡(jiǎn)單但非常有效的概念：給這兩種顆粒賦予相反的電荷，可以防止納米顆粒結(jié)塊，同時(shí)使它們附著在較大的顆粒上。這反過(guò)來(lái)又允許對(duì)主要（較大）顆粒上的添加劑納米顆粒進(jìn)行更大的定位控制。

使用陶瓷復(fù)合材料的3D打印

雖然三維（3D）打印可以使用廣泛的材料，包括聚合物、樹脂和金屬，但陶瓷的3D打印仍處于起步階段。其中一個(gè)主要原因是陶瓷粉末在用于*3D打印的激光波長(zhǎng)下對(duì)光的吸收很差。靜電吸附組裝方法可以通過(guò)用激光吸收的納米材料均勻地改性陶瓷顆粒來(lái)克服這個(gè)問(wèn)題。在*近的一項(xiàng)研究中，Muto和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了表現(xiàn)出良好性能的近紅外吸收特性的復(fù)合顆粒，他們通過(guò)直接選擇性激光燒結(jié)（SLS）對(duì)材料進(jìn)行了打印，效果顯著，這表明新材料在3D打印技術(shù)方面具有巨大的潛力。

這項(xiàng)研究發(fā)表于《AdvancedPowderTechnology》。相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0921883121002041?via%3Dihub

另一個(gè)涉及調(diào)整材料光學(xué)特性的應(yīng)用實(shí)例是用聚合物復(fù)合材料制造紅外濾光片。這些過(guò)濾器在可見(jiàn)光波長(zhǎng)下是透明的，但表現(xiàn)出紅外屏蔽效果，使它們成為汽車擋風(fēng)玻璃和節(jié)能窗等應(yīng)用的理想選擇。Muto的團(tuán)隊(duì)通過(guò)在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的基體中加入氧化銦錫（ITO）納米顆粒，使用靜電吸附組裝方法制造了這種過(guò)濾器。它所提供的紅外屏蔽水平可以通過(guò)改變ITO納米顆粒的數(shù)量來(lái)控制。

在提升性能的同時(shí)節(jié)約資源

新型粉體分散技術(shù)有效地使用材料和資源，符合聯(lián)合國(guó)第12個(gè)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，即負(fù)責(zé)任的消費(fèi)和生產(chǎn)。它的*性使材料正好沉積在需要的地方，*大限度地減少自然資源的使用，同時(shí)提供增強(qiáng)的功能。這方面的一個(gè)很好的例子是通過(guò)加入導(dǎo)電的碳納米管來(lái)制造導(dǎo)電陶瓷或聚合物。傳統(tǒng)的技術(shù)需要大量的碳納米管，因?yàn)橛薪Y(jié)塊的問(wèn)題。相比之下，靜電吸附組裝方法只需使用0.01%（體積）的碳納米管就能形成導(dǎo)電路徑，比傳統(tǒng)技術(shù)少了十倍。

Muto的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了他們的技術(shù)在復(fù)合材料設(shè)計(jì)方面的潛力，通過(guò)使用它實(shí)現(xiàn)了不同材料在各種結(jié)構(gòu)中的可控組裝，包括納米片、晶須和纖維。這些復(fù)合材料在一系列的應(yīng)用中是非常有前途的，如選擇性激光燒結(jié)、具有可控光學(xué)特性的透明復(fù)合陶瓷薄膜和可再生能源技術(shù)。

實(shí)現(xiàn)納米粉體的全部潛力

武藤和他的團(tuán)隊(duì)對(duì)靜電吸附組裝方法的潛力感到興奮，它可以扭轉(zhuǎn)納米復(fù)合材料中一些以前令人失望的結(jié)果。武藤指出："試圖使用傳統(tǒng)工藝來(lái)制造含有納米級(jí)添加劑的產(chǎn)品，往往會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品無(wú)法達(dá)到預(yù)期效果。當(dāng)涉及到納米級(jí)添加劑時(shí)，常規(guī)工藝往往變得適得其反。"盡管增材制造等技術(shù)發(fā)展迅速，但其廣泛應(yīng)用的一個(gè)限制因素是無(wú)法實(shí)現(xiàn)*的粉末集成技術(shù)，無(wú)法在納米和微觀層面生產(chǎn)各種復(fù)合材料。武藤指出，在許多情況下，問(wèn)題在于使用納米粉末時(shí)，控制復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)變得很有挑戰(zhàn)性。他補(bǔ)充說(shuō)："我們的靜電吸附組裝方法能夠很好地控制*終的微觀結(jié)構(gòu)形成。我們的目標(biāo)是表明，傳統(tǒng)的材料工藝可以通過(guò)使用這種技術(shù)得到改善。"

相關(guān)新聞