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1、纳米材料概况 发表日期：2007-08-02 08:38浏览人数：718发表者：admin 纳米科学技术是 20 世纪 80 年代末刚刚诞生并正在崛起的 ，他的基本涵义是在纳米尺寸(10-910-7mm)范围内认识和改造自然 ，通过直接操作原子和分子创制新的物质和器件。纳米科学技术是 21 世纪科技产业革命的重要内容之一 ，可以与工业革命相比拟，是包括物理、化学、生物学、材料科学和电子学的高度交叉的综合性学科，它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科，同时还有以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术是一个融前沿科学与高技术为一体的完全体系。 纳米材料是纳米科技领域最富有活力，
2、研究内涵十分丰富的学科分支，纳米材料科学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米材料工程是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添加发展新型的纳米材料，并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围。纳米材料的发展历史大致可分为三个阶段：第一阶段（1990 年以前）主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜） ，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。第二阶段(1994 年以前) 研究热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳
3、米复合材料。第三阶段(1994 至现在)重点在于纳米组装体系。人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们关注。纳米材料分类作为纳米材料，是将纳米尺度范围定义在 1-100nm 范围 。广义地讲，在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料都叫纳米材料。按维数分，纳米材料的基本单元可分为三类：(1) 零维，指在空间三维方向均为纳米尺度的颗粒、原子团簇等；(2) 一维，指在空间有维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。(3) 二维，指在空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等。纳米材料大部分都是人工制备的，但自然界中早就存在纳米微粒和纳米固体这样的物质。纳米微粒的
4、特性纳米材料之所以受到人们的重视，是由于它有许多不同于大尺寸材料的特性，我们以纳米微粒为例来加以说明。(1)表面效应 :随着颗粒尺寸的减小，比表面大大增加，当粒径为 5nm 时，表面将占 50%，为 2nm 时，表面的体积分数可增加到 80%。表面是原子排列不规则的区域，许多结合键失配，出现了大量的活性中心，表面台阶和粗糙度增加，因此纳米微粒具有特别好的活性。金属的纳米粒子熔点下降，在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应，如作为催化剂使用，粒径 30nm 的镍粉可把有机化学加氢和脱氢反应速度提高 15 倍。(2)小尺寸效应 :当纳米微粒的尺寸与光波波长、德布洛意
5、波长、磁畴尺寸相当或更小时，就会导致材料的光、声、磁、电等物理性能呈现新的小尺寸效应，如金属纳米材料的电阻随尺寸减小而增大，电阻温度系数下降甚至变为负值；原是绝缘体的氧化物达到纳米级，电阻反而减小 ；10-25nm 的铁磁金属微粒矫顽力可比相同的宏观材料大 1000 倍,而一旦小于 10nm 矫顽力又变为零,成了顺磁材料;半导体硅，当尺寸达到纳米级（6nm）时，在靠近可见光范围内，会有较强的光致发光现象等等。这些都表明物质在这种尺度的凝聚态不同于一般的固体材料，量变引起了质变。(3)量子尺寸效应 :当粒子尺寸下降到某一值时，电子的分布情况与块体材料也不一样了。块体金属材料中电子在准连续能级上的
6、分布变成了纳米材料中离散能级分布；对于半导体材料来说，原来的能隙宽度在变成纳米材料时会变宽 ，这些都属于量子尺寸效应 。由于这种效应，金属也可能变成绝缘体。众所周知，Ag 是最好的导体，但当银微粒尺寸小于 20nm 时，Ag 变成了绝缘体。纳米复合材料纳米复合材料大致包括三种类型 ：纳米微粒与纳米微粒复合（ 0-0 复合） ，纳米微粒与常规块体复合（0-3 复合）及复合纳米薄膜(0-2 复合)。此外，有人把纳米层状结构也归结为纳米材料，由不同材质构成的多层膜也称为纳米复合材料。这一类材料在性能上比传统材料也有极大改善，已在有些方面获得了应用。(1)复合涂层材料 :市场上大力宣传的 “纳米洗衣机
7、” 、 “纳米冰箱”等，实际上是采用了纳米涂层材料，这种材料具有高强、高韧、高硬度的特点，在材料表面防护和改性上有着广泛的应用前景。如 MoSi2/SiC 复合纳米涂层，经500,小时热处理，涂层硬度可达 20.8Gpa，比碳钢提高了几十倍。(2)超塑性陶瓷 :用粒径 30nm 的被 Y2O3 稳定化的四方 ZrO2，并加入 20% Al2O3，制成的陶瓷材延伸率可达 200%，具有超塑性。甚至有人做到了延伸率800% 。这是由于纳米材料烧结温度低，烧结过程中速度快和有良好的界面延展性。(3)高分子基纳米复合材料:将经高能球磨制成的纳米晶 FexCu100-x 粉体与环氧树脂混合制成了具有极高
8、硬度的类金刚石刀片。日本松下电器公司已研制成功树脂基纳米氧化物复合材料，其静电屏蔽性能优于常规树脂基碳黑复合材料，而且可以根据氧化物类型改变颜色，在电器外壳涂料方面有广阔的应用前景。利用纳米 TiO2 粉体的紫外吸收特性可以制防晒膏和化妆品。(4)磁性材料 :由纳米四方 Fe14Nd2B 颗粒和 1015nm 的 -Fe 粒子组成的复合材料具有高的矫顽力和高的剩余磁化强度。高矫顽力来源于 Fe14Nd2B 相很强的磁晶各向异性和纳米粒子的单磁畴特性。(5)光学材料 :纯的 Al2O3 和纯的 Fe2O3 纳米材料在可见光范围是不发光的，但如果把纳米 Al2O3 和纳米 Fe2O3 掺和到一起
9、，获得的纳米粉体或块体在可见光范围蓝绿光波段出现了一个较宽的光致发光带，发光的原因是 Fe3+离子在纳米复合材料中所提供的大量低有序度界面所致。(6)仿生材料 :研究表明，动物的骨骼是由胶质的基体与纳米或亚微米的羟基磷灰石组成的一种复合体。纳米或亚微米的羟基磷灰石起增强作用。科学家们已按照这样的思路在实验室中制造出了人造骨。以上只列举了一些简单的例子，目前纳米复合材料的研究仍方兴未艾。纳米结构纳米结构体系是当前纳米材料领域派生出来的含有丰富的科学内涵的一个重要的分支学科。所谓纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造一种新的体系，包括一维、二维、三维体系。根据纳米结构体系构筑过
10、程中的驱动力是靠外因还是靠内因来划分，大致可分为二类：一是人工纳米结构组装体系；二是纳米结构自组装体系和分子自组装体系。这种纳米结构仍具有纳米微粒的特性，如表面效应，小尺寸效应、最子尺寸效应等；另外，由于纳米结构组合又引起了新的效应，且这种结构体系很容易通过外场（电、磁、光）实现对其性能的控制。近年来，纳米结构体系和新的量子效应器件的研究取得了很多新进展，如量子磁盘的问世，使磁盘尺寸比原来的磁盘缩小了 104 倍，磁存储密度却达到了 41011 bit/in 是目前光盘存储量的 400 倍。这项技术已进入中试阶段，预计2005 年可实用化。还有如单电子晶体管，纳米阵列激光器，微型传感器，纳米磁
11、开关等，虽然有些仅是实验室的成果，但却代表了纳米材料发展的一个重要趋势，是目前纳米材料的发展前沿。人们将用自己制造的纳米微粒、纳米管、纳米棒组装起来营造自然界尚不存在的物质体系，从而创造新的奇迹。另外，纳米结构的出现，把人们对纳米材料呈现的基本物理效应的认识不断引向深入。纳米结构中出现的新现象、新规律又有利于人们进一步建立新原理，这为构筑纳米体系的理论框架奠定了物质基础。什么是纳米材料？畜牧人 1e( w&2rIyif8ShU.m g.AT0 纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在 0.1 至 100 纳米之
12、间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。畜牧人 U q,o8o8_2H0_ E-畜牧人)lm%ri纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上
13、由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。畜牧人 3Q-jsRtG x A:td:q7g oq8n0 纳米材料的特点？畜牧人qP x9b l+w5IX.Nk*P8ip0 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的 II-VI 族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的
14、种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。 “更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从
15、能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。 “更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。 “更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。6og L:J(2S g0 畜牧人纳米材料的应用前景畜牧人,IKR.K g3f d9vJtA$|hj0 纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基因 DNA 具有双螺旋结构，这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒，选择性的吸附
16、或作用在不同的碱基对上，可以“照亮”DNA 的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯笼” ，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳米晶粒，在 DNA 分子上贴上了标签。 目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于人类。2001 年以来，国内也有一些纳米企业和纳米产品，如“纳米冰箱” ， “纳米洗衣机” 。这些产品中用到了一些“纳米粉体” ，但冰箱和洗衣机的核心作用任何传统产品相同， “纳米粉体”赋于了它们一些新的功能，但并不是这类产品的核心技术。因此，这类产品并不能称为真正的“纳米产品” ，是商家的销售手段和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。畜牧人|fz Qk6
