特种功能材料实验室始建于1986年,经历了河南大学重点实验室、河南省高校重点学科开放实验室等发展阶段依托于河南大学。
目前该实验室已拥有2000多万元的仪器设备和2300平方米的专用实验室;形成了以中国科学院院士党鸿辛为核心,张治军教授、杜祖亮教授等一批中青年学者为骨干的学术队伍;取得了一批理论和应用研究成果;培养了一大批硕士、博士;对我国尤其是河南省化学、物理、材料等相关学科的研究、高层次人才的培养和经济建设的发展起到了十分积极的促进作用。
瞄准国际研发态势
众所周知,纳米材料由于其特殊的物理和化学性质,近年来正成为化学、材料科学、物理学等相关领域的研究热点。由于其蕴藏着巨大的经济效益和社会效益而受到各国政府的重视。纳米材料的制备、认识纳米现象和性质以及纳米材料的应用构成纳米研究的主题内容。在应用上,纳米材料的应用目前已步入实际阶段,而以纳米器件为代表的纳米结构的应用则着眼于纳米的第二代产品研发和未来深层次的应用。
目前,作为纳米应用的第一阶段,利用纳米材料和技术对原有产业特别是材料产业进行产品的升级和开发,已经成为新的经济增长点。然而,纳米材料的分散性、均匀性、化学物理稳定性一直难以得到有效解决,从而制约了纳米材料的广泛应用。
根据科学发展的态势,河南大学特种功能材料实验室自我定位为“以新型特种材料的制备、性能与结构表征、应用开发为主要研究内容的跨学科综合实验室”。集中开展了表面修饰纳米微粒制备化学,纳米结构有序体系的设计构筑,纳米材料表面界面(光)电子转移特性等基础性研究,并以此发展了高性能纳米润滑剂、添加剂和多种纳米功能薄膜,同时利用纳米技术对皮革、织物阻燃以及高性能装置和电子陶瓷等河南省重要的材料资源产业进行了深层次升级和开发。
实验室先后承担(完成)国家自然科学基金、“863” 计划、火炬计划和星火计划等国家级项目19项和河南省科研项目100多项,发表学术论文40O余篇,完成鉴定成果35项,推广项目19项,获国家和省部级奖32项,申报国家发明专利6项。形成了纳米润滑材料、纳米结构材料、表面界面功能材料以及结合河南省地方材料资源的、具有较突出特色的研究方向:
1、纳米润滑添加剂材料
润滑材料是一类从民用到国防、从普通机械到高精尖科学仪器都广泛使用的工业产品,但国产商品的质量与国外大公司的产品有比较大的差距,国内市场几乎完全依赖进口。河南省是国内润滑材料需求量最大的省份之一。研究开发新型高效、广谱和具有特殊用途的润滑材料建立节省资源的工业体系,实现清洁生产和减少环境污染,具有重要意义。该实验室在党鸿辛院士的直接带领下,在国内率先开展了高性能纳米润滑材料研究。
在纳米材料的制备方面,他们在国内率先采用表面修饰的方法合成纳米粒子,涉及了硫属化合物、氧化物和金属纳米材料,开创了一类制备复合纳米材料的方法。
在纳米材料分散技术及其稳定性研究方面,应用纳米微粒的表面修饰技术成功地解决了纳米微粒在水基和油基等不同介质中的分散问题,并与中国科学院兰州化学物理研究所合作在国内首先将纳米微粒用做润滑油添加剂,表现出了优良的摩擦学性能。他们所开发的油溶性金属CU、Ag纳米微粒、采用同阳离子共沉淀法在溶液中原位合成了DDP表面修饰的Ag2S,CuS,NiS,CoS纳米微粒以及LaF3,CeF3纳米微粒都表现出了优良的摩擦学性能,有的已通过了工业评价,显示出巨大的市场前景。
为了解决从高温高负荷到低温低负荷连续润滑问题,他们还开展了聚合物/无机复合纳米润滑油添加剂的研究;为了解决纳微机械系统以及特殊工矿条件下的润滑问题,他们对有序分子膜、纳米涂层的摩擦学性能开展了系统研究都取得了可喜的进展。
同时,在纳米润滑材料的研究基础工,他们开展了纳米金属加工液添加剂研究,以开发对环境无污染且高效多功能的金属加工液添加剂。
2、纳米结构有序材料
纳米结构材料的设计与构筑是纳米科技研究的重要方面,在根本上决定着纳米产品升级和深层次应用。河南大学特种功能材料实验室作为我国开展该方面研究最早的集体之一,早在1988年,就由已故的朱自强教授主持召开了LB膜(分子有序膜)专业委员会成立大会暨全国第一届LB膜学术会议。
在纳米结构有序组装体系的研究中,系统研究了利用LB分子组装和自组装技术构筑纳米结构有序功能体的过程和方法,涉及了光敏材料、高分子材料、纳米材料及生物材料,探讨掌握了多种控制分子有序膜结构的方法;系统研究了LB膜的均匀性、稳定性对其光电性能的影响;研究了纳米结构下的特殊(光)电子转移特性。首次提出利用纳米技术制备同质异色发光材料;在 LB膜中发现CdS纳十粒子从非晶态、准晶态到晶态的生长过程;对由于量子尺寸效应和表面介面效应而引起的纳米粒子在光吸收、发射、表面态布局、受激后电子级的跃迁、熔点、比热、磁学性质以及在高压下的相变等物理性质进行了研究。
在特殊结构纳米材料的研究中,在国内首先制备了二氧化钛纳米管,研究了其制备方法和形成机制,由于其具有大的比表面积,在作为催化剂载体上表现了优异的性能;在利用LB技术诱导无机盐结晶、氨基酸定向生长以及制备金属盐纳米带、纳米线方面取得了重要进展。
3、表面界面功能材料
基于纳米表面界面物理化学性质的研究,以纳米结构功能薄膜为主体的表面界面功能材料受到人们的重视。该方面,他们采用仿生自组装技术制备了聚合物-无机复合纳米层状薄膜材料。采用喷涂技术制备低表面能无机-有机纳米结构复合薄膜,并将其用于固体材料的防护。他们与洛阳浮法玻璃集团公司合作,应用表面处理工艺而形成特种纳米结构薄膜,开展了自清洁防雾特种玻璃和抗菌卫生建筑陶瓷的应用开发研究,已完成工业评价。他们还进行了硬质抗磨纳米结构薄膜的研究,采用热喷涂技术制备WC硬质纳米结构薄膜,和常规材料相比表现出非常优越的抗磨特性。
在纳米材料的表面界面物理化学过程研究中,与吉林大学一起在国内率先建立光电压系统,并开展了固体表面界面(光)电子转移过程研究,对半导体纳米材料、有机-无机/半导体纳米材料等复合体系开展了系统的工作,从而为光电功能材料等方面的应用提供了重要的实验数据。
另外,在光电、铁电薄膜、超薄膜的制备及性能的研究方面也取得了一定的进展。
服务地方经济需求
河南省是我国材料资源、生产和使用的大省。围绕当地经济建设对新材料的需求,进行相关的综合应用开发研究,是该实验室的重要特色。一方面,河南省有丰富的煤、石油、电子材料等矿产资源和皮革、烟叶、茶叶、药材等原材料资源;另一方面,该省在科技和高等教育方面却相对落后,这直接影响着河南省的经济发展。在西部开发的背景下,河南作为人才和材料资源的总前站,其发展至关重要。因此,在河南建设一个从事材料方面研究的高水平实验室,立足河南,服务全国,具有重要的战略意义和紧迫性。围绕着上述目标,河南大学“特种功能材料”实验室经过十几年的建设和发展,已形成了结合河南省地方材料资源、系统开展相关材料基础及应用研究的综合研究中心。近年来,他们先后鉴定转让项目7项,进入工业生产5项。该实验室的许多研究工作一直保持着与地方经济相融合的态势,对该省材料资源产业经济提升起到了牵动作用。该方面的研究主要集中在高档次皮革化工材料、阻燃抗静电材料以及装置和电子陶瓷材料等方面。
高性能皮革化工材料。我国皮革资源丰富,猪皮居世界首位。河南猪皮产量居全国第一,山羊板皮质量居世界第一,黄牛皮的质量高,产量大,皮革工业的出口创汇居全省轻工业首位。该实验室所研制的系列皮革化工材料荣获国家星火二等奖、河南省星火一等奖,KS系列产品被列为国家“八五”重点推广项目,在全国得到了广泛的应用。近来,实验室进一步将含无机纳米微粒的聚合物微乳液作为皮革涂饰剂,表现出了良好的效果,主要技术指标达到了国际先进水平。
阻燃抗静电材料。河南省是一个纺织大省,对阻燃抗静电材料的需求很大。我国对阻燃剂、抗静电剂的研究与国际上一些发达国家相比起步较晚。该实验室先后合成了具有笼状及苯环等刚性骨架的PN-I型、具有笼状骨架及结炭结构的PNB-I型和具有苯环刚性骨架的PNB-II型阻燃剂,热分解温度均在300-400摄氏度,其阻燃抗静电性能均达到了国际上同类产品的先进水平。近来的工作主要集中发展多功能、高效能、低发烟量、低毒型的阻燃抗静电材料方面。
装置及电子陶瓷材料。装置装配工业和电子材料工业是河南省“十五”期间重点发展的行业。该实验室基于对纳米陶瓷制备、结构及性能研究的基础,与河南省该方面的龙头企业——平高集团、旋风集团等企业开展了合作研究;共同研制新产品。
为了促使科研成果向生产力的尽快转化,该实验室与企业和企业主管部门建立了长期、稳定的协作关系。该实验室在目前与洛阳炼油厂、洛阳石油化工工程公司、开封油脂化工厂、开封树脂厂、河南省石油化学工业厅、开封市科委等单位合作的基础上,还将进一步扩大与诸多大型企业和企业主管部门的合作。
留下来与走出去
人才是事业的根本。几年来,实验室建设一直实施“留下来’和“走出去”发展的战略,实验室十分注重学术梯队建设,采用高层人才引进、主要学术骨干对外交流以及后备学术梯队培养等方式,取得了突出成效。目前在实验室工作的主要研究人员有院士1人,教授10人,副教授7人,其中博士13人。在这些年轻的博士中,既有在室内勤奋工作的实干家,也有在海外做短期访问研究的人员。目前实验室每年在凝聚态物理、高分子化学与物理、无机化学、分析化学4个学位点招收硕士研究生;与中科院兰州化学物理研究所、吉林大学、联合招收博士研究生。目前实验室在读博士研究生9人,硕士研究生61人。
该研究室还十分注重与国内外一流科学家和实验室的合作,以此来提升自己的研究实力。他们先后与中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室、吉林大学超硬材料国家重点实验室、北京大学智能材料实验室等一批国内相关领域研究机构建立起密切的合作关系。同时,他们还积极开展国际间的交流与合作,与日本机械技术研究所摩擦学实验室、英国爱丁堡大学、美国西北大学摩擦学中心和新加坡国家数据存储研究所建立了良好的长期合作关系。