納米材料---陳攀

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1、納米材料納米是一個長度單位，1nm=10ˉ9m。納米材料是指在結(jié)構(gòu)上具有納米尺度調(diào)制特征的材料，納米尺度一般是指1~100nm。當(dāng)一種材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)入納米尺度特征范圍時，其某個或某些性能會發(fā)生明顯的變化。納米尺度和性能的特異變化是納米材料必須同時具備的兩個基本特征。納米材料的分類按材質(zhì)，納米材料可分為納米金屬材料、納米非金屬材料、納米高分子材料和納米復(fù)合材料。其中納米非金屬材料又可細(xì)分為納米陶瓷材料、納米氧化物材料和其他非金屬納米材料。按納米尺度在空間的表達(dá)特征，納米材料可分為零維納米材料即納米顆粒材料、一維納米材料（如納米線、棒、絲、管和纖維等）、二維納米材料（如納米膜、納米盤和

2、超晶格等）、納米結(jié)構(gòu)材料即納米空間材料（如介孔材料）。按形態(tài)，納米材料可分為納米顆粒材料、納米固體材料（也稱納米塊體材料）、納米膜材料以及納米液體材料（如磁性液體納米材料和納米溶膠等）。按功能，納米材料可分為納米生物材料、納米磁性材料、納米藥物材料、納米催化材料、納米智能材料、納米吸波材料、納米熱敏材料以及納米環(huán)保材料等）。當(dāng)納米材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)入納米尺度調(diào)至范圍時，會表現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等納米效應(yīng)表面效應(yīng)（SurfaceEffect）是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子之比隨粒徑的變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。隨著粒徑的減小，納米粒子的表

3、面原子數(shù)、比表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大。表面原子處于裸露狀態(tài)，周圍缺少相鄰的原子，有許多剩余鍵力，易與其他原子結(jié)合而穩(wěn)定具有較高的化學(xué)活性。納米材料中界面原子所占的體積分?jǐn)?shù)很大，它對材料性能的影響非常顯著。低溫超塑性是納米材料的一個重要特性，普通陶瓷只有在1000℃以上，在小于一定的應(yīng)變速率時才能表現(xiàn)出塑性，而許多納米陶瓷在室溫下就會發(fā)生塑性變形。這種納米陶瓷增韌效應(yīng)主要?dú)w因于大量界面的存在。而它的塑性變形主要是通過晶粒之間相對滑移而實(shí)現(xiàn)的。小尺寸效應(yīng)(Smallsizeeffect)，當(dāng)顆粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)

4、或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子的顆粒表面層附近的原子密度減少，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱、力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)納米粒子的熔點(diǎn)可遠(yuǎn)低于塊狀本體，此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝，利用等離子共振頻移隨顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可通過改變顆粒尺寸，控制吸收邊的位移，構(gòu)造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等。量子尺寸效應(yīng)（Thequantumsizeeffect）是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一數(shù)值時，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級或者能隙變寬的現(xiàn)象。當(dāng)能級的變化程度大于熱能、光能、電磁能的變化時，導(dǎo)致了納米微

5、粒磁、光、聲、熱、電及超導(dǎo)特性與常規(guī)材料有顯著的不同。對于量子尺寸而言，對于晶粒狀態(tài)難以發(fā)光的間接帶隙半導(dǎo)體，當(dāng)其粒徑減少到納米量級時，會表現(xiàn)出明顯的可見光發(fā)光現(xiàn)象，且隨著粒徑的進(jìn)一步減少，發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，這是因為顆粒尺寸為納米量級時，傳統(tǒng)固體理論中量子躍遷選擇定則的作用將大大減弱并逐漸消失，并且由于能級的分裂導(dǎo)致發(fā)光光譜逐漸藍(lán)移。隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢壘的能力。在兩片金屬間夾有極薄的絕緣層（厚度大約為1nm（10-6mm），如氧化薄膜），當(dāng)兩端施加勢能形成勢壘V時，導(dǎo)體中有動能E的部分微粒子在E

6、現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實(shí)用都有著重要的意義，它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的時間極限。量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會是未來電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。當(dāng)電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時，必須要考慮上述的量子效應(yīng)。當(dāng)材料的結(jié)構(gòu)具有納米尺寸調(diào)制特征時，將呈現(xiàn)許多特異的性能。陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而有納米超微顆粒壓制成的納米材料卻具有良好的韌性。這是因為納米材料具有很大的界面和比表面積，界面的原子在外力變形的條件下具有很高的擴(kuò)散速率，因而用納米粉末進(jìn)

7、行燒結(jié)，致密化速度快，可降低燒結(jié)溫度，并且表現(xiàn)出甚佳的韌性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性能。納米材料的磁性性能擁有許多功效，利用磁性納米顆粒具有高矯頑力的性能，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。在低溫或超低溫下，納米粒子幾乎沒有熱阻，納米銀微粒的輕燒結(jié)體是良好的低溫導(dǎo)熱材料，超微細(xì)氮化鋁的導(dǎo)熱率即使在常溫下也比大塊氮化鋁的導(dǎo)熱率高4~5倍。懸浮于流體的納米顆?？纱蠓忍岣吡黧w的熱導(dǎo)率及傳熱效果，例如在水中添加5%的銅納米顆粒，熱導(dǎo)率可以增大約1.5倍，這對提高