隨著幾乎每個領(lǐng)域的納米技術(shù)不斷進步，不斷增長的納米復合材料的使用越來越具有工業(yè)價值。納米復合材料可以是一維、二維或者三維的顆粒（<100 nm），通過添加這些顆粒來提高材料的某些性能。復合材料的存在可以加強某些性能，如硬度、熱導率、電導率、拉伸強度、密度、延展性以及耐磨性等。
納米復合材料可以是金屬、聚合物，或者是陶瓷。即使已經(jīng)合成了大量的金屬基納米復合材料（MMNCs），但其仍處于早期的開發(fā)階段。
MMNCs可以通過粉末冶金、變形、氣相合成以及凝固過程等手段來制備。粉末冶金首先是將粉末金屬和增強材料混合，然后燒結(jié)成復合材料。這種機制已經(jīng)合成了大量的MMNCs，如Mg-SiC、Al-CNT (碳納米管)、Cu-CNT和Ti-SiC。
凝固過程是這些方法中最便宜的，包括三種不同的機制：快速凝固、在液相中混合納米增強材料在液相中混合、液體滲透到增強材料中再凝固。這種機制同樣也已經(jīng)合成了多種MMNCs，如Al-SiC、Mg-SiC、Al-CNT、Al-Diamond和Zn-SiC。
每一種金屬納米復合材料精確提高性能的能力依賴于多種因素，如增強材料的性質(zhì)和分布，以及增強材料與基體之間的強度。一個例子就是Al-CNT復合材料，處理過程中會形成碳化鋁。這種脆性材料的形成將會影響納米復合材料的機械性能和導電性。為了抑制這種處理中斷，保證納米材料的均勻性，盡可能減少這種有害反應(yīng)的發(fā)生，已有多種方法正在開發(fā)中。
2D晶體組裝成自然界不存在的3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)，因低維度和特殊晶體結(jié)構(gòu)，而具有特殊的物理性質(zhì)。圖片來源：曼徹斯特大學（University of Manchester）
工業(yè)應(yīng)用（Industry Applications）
MMNCs已成功應(yīng)用于汽車、航天航空等行業(yè)，并表現(xiàn)出更大的強度和安全性。比如說，納米復合材料可以增強汽車制動系統(tǒng)組件和飛機腹鰭的耐磨性和熱導率，從而具有更高的強度。納米復合材料預計能顯著節(jié)約材料和能源，需要對加工機制進一步研究，以更低的價格制備塊材材料，盡可能避免甚至使其沒有缺陷。
納米復合材料也在航天航空領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用，如碳納米管和納米粘土、碳纖維、玻璃纖維、碳-碳復合材料以及其他多層結(jié)構(gòu)。這些復合材料主要集中在基體的增強結(jié)構(gòu)上。比如說，碳纖維是一種具有令人難以置信的硬度和強度的增強材料，當將其加入到聚合物等基體中后，復合材料整體表現(xiàn)出多種優(yōu)勢性能。
同樣的，陶瓷納米涂層，如ZrO2，已被用于航空渦輪發(fā)動機上，起到熱保護作用。這些單層或多層的保護層隔阻溫度，防止腐蝕和磨損。
石墨烯復合材料（Graphene Composites）
通常利用石墨烯輕質(zhì)、透明、強度大以及導電和導熱性來增強聚合物復合材料。之前，由于石墨烯薄片間存在弱連接，實驗室始終無法將類石墨烯材料注入到復合材料中，這種弱連接通常會引起團聚，從而使復合材料毫無規(guī)律。為了避免這個問題，美國田納西大學管轄的橡樹嶺國家實驗室科學家采用大平面或卷起的5cm*5cm石墨烯片來合成復合材料。采用化學氣相沉積可從金屬催化劑（如銅）碳氫化合物蒸氣中直接合成石墨烯片。
石墨烯只有一個原子的厚度，據(jù)曼徹斯特大學的描述石墨烯的強度“比鋼鐵高100倍”。作為最知名的二維材料之一，石墨烯有望應(yīng)用于諸多工業(yè)領(lǐng)域，作為添加劑預計可增強兩至三倍的物理性能。汽車和航天航空領(lǐng)域的應(yīng)用，石墨烯復合材料提高了產(chǎn)品的機械、熱學和電學性能。
納米復合材料的發(fā)展（Developing Nanocomposites）
隨著工業(yè)需求不斷上升，各個組織必須發(fā)揮領(lǐng)導作用，如開發(fā)功能性石墨烯納米復合材料開創(chuàng)性方法的桑德蘭大學iGCAuto研究合作。iGCAuto獲得歐盟10年億歐元石墨烯旗艦項目的資助，計劃制備高性能石墨烯復合材料用以減輕汽車30%-50%的重量。研究還將解釋石墨烯基愛聊如何提高強度、穩(wěn)定性、熱性能、阻燃性，甚至減少煙霧排放。該研究希望在工廠中大規(guī)模生產(chǎn)石墨烯，如采用液相合成石墨烯的愛爾蘭都柏林三一學院。研究人員采用液體剝離技術(shù)首次將石墨與溶劑（通常是水）和肥皂混合，存在疑問的是剪切石墨烯薄片。
國際納米復合材料制造研究所（International Institute for Nanocomposites Manufacturing，IINM）同時從事基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，以確保安全先進納米復合材料的生產(chǎn)。該組織的目標不僅是了解納米顆粒在聚合物熔體中的分散性和分布模式，還希望表征基體與納米顆粒之間的界面作用。該組織所做的研究已在電信、電子、航天、汽車、安全、醫(yī)藥及醫(yī)學等領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。
Haydale是一家積極參與航天工業(yè)用石墨烯復合材料開發(fā)和供應(yīng)的領(lǐng)先納米材料公司。AZoNano近期的一次采訪中，CEO Ray Gibbs解釋了Haydale Composite Solutions如何與航天機構(gòu)密切合作，開發(fā)出一系列石墨烯基復合材料。
導電環(huán)氧樹脂也是該公司正在開發(fā)的一類復合材料，其用于飛機機身同樣可以增加碳復合材料的導電性。這可能否定了目前用于防止雷擊的銅網(wǎng)。
總結(jié)（Conclusion）
納米復合材料的逐步發(fā)展為無數(shù)行業(yè)提供了新的廣泛的改進方案。大量的納米復合材料應(yīng)用可能節(jié)省數(shù)百萬的開支成本，同時為消費者帶來福利。雖然通過這些應(yīng)用在科學領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的進步，仍然有必要進一步分析和實驗，以確保這一前沿技術(shù)的絕對安全性和可靠性。
