纳米科学与含能材料

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1、纳米科学与含能材料在材料科学的发展中，纳米科学在其中占据了极其重要的地位。纳米材料是材料学发展历史的新的一页，并且越来越凸显出它超凡的魅力。有人预言：21世纪将是纳米的时代。为此，国家科委、中科院将纳米技术定位为“21世纪最重要、最前沿的科学”。纳米是尺度单位。纳米材料是由颗粒尺度在l～100nm的微小颗粒组成的固体体系，其颗粒绝大多数是晶体，特征尺度至少在一个方向上为纳米量级。20世纪80年代初期，德国学者Gleiter教授最早提出了纳米材料(NsM)的概念，并且首次获得了人工制备的纳米晶体。纳米材料，依据其形貌可将分为零维粉体材料，一维纤维状材料

2、、二维薄膜材料和三维块体材料以及包含上述纳米结构单元的纳米复合材料。目前，纳米材料的研究主要集中于纳米金属、半导体和陶瓷材料，对这些材料的纳米粉体制备方法基本已经建立起来了，并进行着进一步的理论和应用研究。纳米颗粒属于零维纳米材料，纳米颗粒具有大的比表面积，4表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒在热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等方面表现出不同于常规粒子的特性。含能材料(EnergeticMaterials)即含能化合物，简称能材，意为高能量密度的物质（HEDM）；其表征

3、为该类物质多具有爆炸性、爆燃性或其他经过特定激发条件会高速率高输出释放大量能量的物质。因此含能材料学可以基本被定性为研究物质热分解的科学。该学科用于研究符合上述条件物质的热分解性质，预估、计算、测定物质分解释放能量的相关数据（如爆发点、相变临界温度、爆速、生成焓等），并研究其相关用途。含能材料作为一种特殊的能源，在军事、民用等多个领域有着广阔的应用前景。随着我国国防事业和经济建设的发展，对含能材料领域人才的需求量越来越大。在含能材料的发展中，人们一般都关注含能材料的分子结构、晶体结构、密度等对性能的影响。一直致力于寻找新型的高效含能化合物。同其它领域

4、中纳米尺度材料的研究一度被忽视相同，纳米尺度的含能材料性能和规律的研究也长期被忽视。直到近些年，随着纳米材料研究的迅猛发展，含能材料经纳米化后的性能变化才逐步引起人们的注意，并发现了一些极其重要的现象，如，纳米铝粉添加对推进剂燃速的提高对含能材料爆炸性能的改变，并已观察到纳米铝粉的添加可以增加某些炸药的爆速和爆压；纳米硝酸铵和黑索今分解时的最大能量释放温度明显降低；纳米复合含能材料感度降低和燃速明显提高等。纳米含能材料的这些新特性的发现也进一步激发了人们对纳米尺度含能材料研究的兴趣。纳米尺度含能材料的这些新特性是由于纳米材料所特有的那些性质所引起的。

5、目前，纳米材料的研究主要集中在纳米金属、纳米半导体和纳米陶瓷类材料，发现的一些新的特性也多是针对这些材料提出的，但纳米材料的性能变化必然有其共性的一面，纳米材料所具有的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应同样有可能引起含能材料性质的改变。表面效应。纳米微粒尺寸小，表面积大，位于表面的原子占相当大的比重。随着粒径的减小，表面积急剧变大，引起表面原子数迅速增加。例如，Cu的纳米微粒粒径从100—lOnm—lnm，Cu微粒的比表面积和比表面能增加了2个数量级。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定

6、，很容易和与其他原子结合。例如，金属的纳米粒子在大气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体，并与气体反应。表面粒子活性高的原因在于它缺少近邻配位的表面原子，极不稳定，这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面原子输运和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构像和电子能谱的变化。小尺寸效应。当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米颗粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应，例如，光吸收显著增加，并产生吸收峰的

7、等离子共振频移：磁有序态向磁无序态、超导相向正常相的转变；声子谱发生变化。纳米粒子的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。例如，纳米尺度的强磁性颗粒fie-Co合金，氧化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时，具有较高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体。纳米微粒的熔点可远低于块状金属，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。利用离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改变粒子尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到某一数值时，金属费米能级附近的电子

8、能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺