随着几乎每个领域的纳米技术不断进步，不断增长的纳米复合材料的使用越来越具有工业价值。纳米复合材料可以是一维、二维或者三维的颗粒（<100 nm），通过添加这些颗粒来提高材料的某些性能。复合材料的存在可以加强某些性能，如硬度、热导率、电导率、拉伸强度、密度、延展性以及耐磨性等。

纳米复合材料可以是金属、聚合物，或者是陶瓷。即使已经合成了大量的金属基纳米复合材料（MMNCs），但其仍处于早期的开发阶段。

MMNCs可以通过粉末冶金、变形、气相合成以及凝固过程等手段来制备。粉末冶金首先是将粉末金属和增强材料混合，然后烧结成复合材料。这种机制已经合成了大量的MMNCs，如Mg-SiC、Al-CNT (碳纳米管)、Cu-CNT和Ti-SiC。

凝固过程是这些方法中最便宜的，包括三种不同的机制：快速凝固、在液相中混合纳米增强材料在液相中混合、液体渗透到增强材料中再凝固。这种机制同样也已经合成了多种MMNCs，如Al-SiC、Mg-SiC、Al-CNT、Al-Diamond和Zn-SiC。

每一种金属纳米复合材料精确提高性能的能力依赖于多种因素，如增强材料的性质和分布，以及增强材料与基体之间的强度。一个例子就是Al-CNT复合材料，处理过程中会形成碳化铝。这种脆性材料的形成将会影响纳米复合材料的机械性能和导电性。为了抑制这种处理中断，保证纳米材料的均匀性，尽可能减少这种有害反应的发生，已有多种方法正在开发中。 

2D晶体组装成自然界不存在的3D异质结构，因低维度和特殊晶体结构，而具有特殊的物理性质。图片来源：曼彻斯特大学（University of Manchester）

工业应用（Industry Applications）

MMNCs已成功应用于汽车、航天航空等行业，并表现出更大的强度和安全性。比如说，纳米复合材料可以增强汽车制动系统组件和飞机腹鳍的耐磨性和热导率，从而具有更高的强度。纳米复合材料预计能显著节约材料和能源，需要对加工机制进一步研究，以更低的价格制备块材材料，尽可能避免甚至使其没有缺陷。

纳米复合材料也在航天航空领域得到了成功应用，如碳纳米管和纳米粘土、碳纤维、玻璃纤维、碳-碳复合材料以及其他多层结构。这些复合材料主要集中在基体的增强结构上。比如说，碳纤维是一种具有令人难以置信的硬度和强度的增强材料，当将其加入到聚合物等基体中后，复合材料整体表现出多种优势性能。

同样的，陶瓷纳米涂层，如ZrO2，已被用于航空涡轮发动机上，起到热保护作用。这些单层或多层的保护层隔阻温度，防止腐蚀和磨损。

石墨烯复合材料（Graphene Composites）

通常利用石墨烯轻质、透明、强度大以及导电和导热性来增强聚合物复合材料。之前，由于石墨烯薄片间存在弱连接，实验室始终无法将类石墨烯材料注入到复合材料中，这种弱连接通常会引起团聚，从而使复合材料毫无规律。为了避免这个问题，美国田纳西大学管辖的橡树岭国家实验室科学家采用大平面或卷起的5cm*5cm石墨烯片来合成复合材料。采用化学气相沉积可从金属催化剂（如铜）碳氢化合物蒸气中直接合成石墨烯片。

石墨烯只有一个原子的厚度，据曼彻斯特大学的描述石墨烯的强度“比钢铁高100倍”。作为最知名的二维材料之一，石墨烯有望应用于诸多工业领域，作为添加剂预计可增强两至三倍的物理性能。汽车和航天航空领域的应用，石墨烯复合材料提高了产品的机械、热学和电学性能。

纳米复合材料的发展（Developing Nanocomposites）

随着工业需求不断上升，各个组织必须发挥领导作用，如开发功能性石墨烯纳米复合材料开创性方法的桑德兰大学iGCAuto研究合作。iGCAuto获得欧盟10年亿欧元石墨烯旗舰项目的资助，计划制备高性能石墨烯复合材料用以减轻汽车30%-50%的重量。研究还将解释石墨烯基爱聊如何提高强度、稳定性、热性能、阻燃性，甚至减少烟雾排放。该研究希望在工厂中大规模生产石墨烯，如采用液相合成石墨烯的爱尔兰都柏林三一学院。研究人员采用液体剥离技术首次将石墨与溶剂（通常是水）和肥皂混合，存在疑问的是剪切石墨烯薄片。

国际纳米复合材料制造研究所（International Institute for Nanocomposites Manufacturing，IINM）同时从事基础研究和应用研究，以确保安全先进纳米复合材料的生产。该组织的目标不仅是了解纳米颗粒在聚合物熔体中的分散性和分布模式，还希望表征基体与纳米颗粒之间的界面作用。该组织所做的研究已在电信、电子、航天、汽车、安全、医药及医学等领域取得成功应用。 

Haydale是一家积极参与航天工业用石墨烯复合材料开发和供应的领先纳米材料公司。AZoNano近期的一次采访中，CEO Ray Gibbs解释了Haydale Composite Solutions如何与航天机构密切合作，开发出一系列石墨烯基复合材料。

导电环氧树脂也是该公司正在开发的一类复合材料，其用于飞机机身同样可以增加碳复合材料的导电性。这可能否定了目前用于防止雷击的铜网。

总结（Conclusion）

纳米复合材料的逐步发展为无数行业提供了新的广泛的改进方案。大量的纳米复合材料应用可能节省数百万的开支成本，同时为消费者带来福利。虽然通过这些应用在科学领域已经取得了显著的进步，仍然有必要进一步分析和实验，以确保这一前沿技术的绝对安全性和可靠性。