納米材料概述.pdf

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1、趙廷凱等：納米材料概述2675納米材料概述議趙廷凱，柳永寧，朱杰武(西安交通大學金屬材料強度國家重點實驗室，陜西西安710049)摘要：本文簡述了納米材料的基本概念、特性、制[20~31]2納米材料的特性備方法、應(yīng)用以及發(fā)展前景；同時介紹了我國納米材料研究的現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)化的狀況。納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組關(guān)鍵詞：納米；納米材料；新興學科成。納米量級物質(zhì)顆粒的尺度已經(jīng)很接近原子的大中圖分類號：TB383文獻標識碼：A小，此時，“量子效應(yīng)”開始影響到物質(zhì)的性能和結(jié)文章編號：1001-9731（200

2、4）增刊-2675-04構(gòu)。這樣的系統(tǒng)是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。1引言2.1表面效應(yīng)-9納米(Nanometer)，是一個長度單位，為10m，表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子數(shù)與總原子數(shù)[1]大約3~4個原子的寬度。之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的納米材料是一門新興學科，它是指：材料微觀結(jié)變化。因表面原子處于“裸露”狀態(tài)，周圍缺少相鄰構(gòu)在0~3維內(nèi)其長度不超過100nm；材料中至少有一的原子，有許多空懸鍵，易于與其他原子結(jié)合而穩(wěn)定，維處于納米尺度范圍~100

3、nm；具有納米結(jié)構(gòu)。它有具有較高的化學活性。如球形顆粒的表面積與直徑的四種基本類型：納米粒子原子團(零維)；納米纖維和平方成正比，其體積與直徑的立方成正比，故其比表納米管(1維)；納米層或膜(厚度<100nm)材料(2維)；面積與直徑成反比，隨著顆粒直徑變小，比表面積將[2]塊體納米材料(3維)。按傳統(tǒng)的材料科學體系劃分，顯著增大，表面原子所占的百分數(shù)將會顯著增加，尤納米材料又可進一步分為納米金屬材料、納米陶瓷材其當顆粒直徑小于0.1■m時，其表面原子百分數(shù)激劇2料、納米高分子材料和納米復(fù)合材料。納米材料主

4、要增長，甚至1g超微顆粒表面積的總和可高達100m，由納米晶粒和晶粒界面兩部分結(jié)構(gòu)組成，其晶粒中原這時表面效應(yīng)將不容忽略。超微顆粒的表面具有很高子的長程有序排列和無序界面成分的組成后有大量的活性，利用表面活性，金屬超微顆?？赏蔀樾乱?53的界面(6°10m/10nm晶粒尺寸)，界面原子達15%~代高效催化劑和儲氣材料以及低熔點材料。[3~5]50%。納米材料的獨特結(jié)構(gòu)，使其具有不同于常2.2量子尺寸效應(yīng)規(guī)材料和單個分子的性質(zhì)如量子尺寸效應(yīng)、表面效量子尺寸效應(yīng)是指納米粒子尺寸下降到一定值應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)

5、等，從而導致了納米材料的力時，費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)榉稚⒛芗墝W性能、電磁性能、光學性能、熱學性能等的改變，的現(xiàn)象。久保(Kubo)及其合作者提出相鄰電子能級間并使之在電子學、光學、化工陶瓷、生物、醫(yī)藥、日距和顆粒直徑的關(guān)系，即著名的公式：δ＝4/3·EF/N[6,7]-1化諸多方面有重要價值，得到廣泛的應(yīng)用?！豓，其中δ為能級間距，EF為費米能級，N為總因此，納米材料研究是目前材料科學研究的一個電子數(shù)。由于粒子尺寸很小，到一定程度后已無位錯熱點，已經(jīng)在當今新材料研究領(lǐng)域中最富有潛力，并且晶界較寬

6、，表現(xiàn)出與粗晶不同的顯著特性。[8~19]對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有十分重要影響。著名科2.2.1力學性能學家錢學森認為“納米左右和納米以下的結(jié)構(gòu)將是下納米材料比粗晶材料具有較高的硬度和強度，一一階段科技發(fā)展的一個重點，會是一次技術(shù)革命，從般致密納米材料強度是常規(guī)材料的2~10倍。純的納而將引起21世紀又一次產(chǎn)業(yè)革命”。米材料表現(xiàn)出其韌性，如陶瓷材料在通常情況下是脆的，而納米陶瓷材料卻有良好的韌性；因納米材料界*收稿日期：2004-06-05通訊作者：趙廷凱作者簡介：趙廷凱，男，博士，主要從事納米材料的研究Te

7、l:029-82671824E-mail:ztk-xjtu@163.com2676功能材料2004年增刊（35）卷面原子排列相當混亂，原子在外力變形的條件下很容相的溶液為出發(fā)點，通過各種途徑使溶質(zhì)與溶劑分易遷移，從而表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性。當離，溶質(zhì)形成一定形狀和大小的顆粒，得到所需粉末顆粒尺寸很小時，納米材料又表現(xiàn)出脆性。的前驅(qū)體，熱解后得到納米微粒。其主要方法有（1）2.2.2電磁學性能溶膠-凝膠法：將鹽類溶解在有機溶劑中，通過水解納米材料具有庫侖阻塞效應(yīng)、隧穿效應(yīng)等。納米聚合反應(yīng)形成均勻的溶膠

8、（Sol），進一步反應(yīng)并失去材料的比電阻比粗晶材料大，可能是由其寬晶界引大部分有機溶劑轉(zhuǎn)化為凝膠（Gel），最后經(jīng)熱處理。）起。納米材料的介電特性，納米材料的介電常數(shù)或相（2）化學沉淀法：加入沉淀劑，在一定溫度下使溶對介電常數(shù)比常規(guī)材料的高，并隨顆粒粒徑的減小而液水解形成不溶性化合物析出，再熱解而得。（3）水降低，但隨粒徑的增大，介電常數(shù)先增加后降低。納解法：利用化合物水解生成沉淀。米材料具有超順磁性。納米材料的