纳米材料的发展与应用

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纳米材料的发展与应用何琼琼口腔医学八年制2009302220008摘要：纳米材料是当今世界上应用很广的一种热门材料，是当今材料研究的焦点。本文主要论述纳米材料结构特性，性能特点，应用以及纳米材料的发展前景。关键词：纳米材料，结构，特点，性能，应用。纳米发展史1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。什么是纳米材料纳米是空间长度单位，符号为nm，10-9m。纳米材料就是之在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成材料。如果按照维数，纳米材料的基本单元可分为3类：（1）0维，指空间3维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒，原子团簇；（2）1维，指空间上有2维处于纳米尺度，如纳米棒，纳米管；（3）2维，三维空间中有1维在纳米尺度，如超薄膜，多层膜8 在材料方面应用纳米技术，制备出纳米材料，可以出现很多新的特性，实现结构功能上的材料需求。自从80年代你米材料概念形成以后，世界各国先后对这种材料给予了相当大的重视。纳米材料的性能不同于一般的材料。当组成材料的尺寸达到纳米级时，纳米材料表现的性能与材料有很大的不同，纳米材料具有大的比表面积，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的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子，使其具有不同材料的优异性能，从而具有广阔的应用前景。纳米材料的结构影响及其特性：一，纳米材料的结构影响1.表面效应随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大。纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。2.小尺寸效应随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质（2）特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面3.量子尺寸效应微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱阀值向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。4.宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。二，纳米材料的特性：8 1.力学性质：高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。2.电学性质由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）一定的外界条件如果能够影响到能带结构或Fermi能级,则就可以引起从导体(金属)向非导体绝缘体的转变或相反的转变.。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。3.热学性质纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。4.光学性质纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。纳米材料的应用1.纳米材料在陶瓷方面的应用：8 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷才料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出非常好的韧性与延展性。通过纳米改性金属陶瓷成分与不改性的相同金属陶瓷成分的实验证明，在成分相同的情况下，改性金属陶瓷的机械物理性能均高于不改性的金属陶瓷，达到了纳米改性既提高强度又提高硬度的目的；矫顽磁力矫顽磁力是指使磁体的磁化强度降为零所需施加的反向磁场强度。可以简单理解为使磁铁的分子电流全部转向180度的难易程度。的测试用于金属陶瓷能表明材料的晶粒度，也是一种对材料的适用性的表征；金属陶瓷具有良好的耐磨耐高温性能。2.纳米材料在皮革中的应用：纳米复合材料由于具有优良的物理、力学和化学性能，在基础研究和实际应用中都引起人们普遍的兴趣。丙烯酸树脂作为一种皮革鞣剂，有选择填充性好，增强作用强，成革柔软性好等优点。氨基树脂鞣剂广泛应用于预鞣、复鞣、填充等工序，具有明显的增厚、增白及耐光性能，特别是其良好的填充性能，在解决皮革边腹部松软及部位差等方面效果显著。皮革制品不能经常洗涤，所以其自身的防霉性和抗菌性能就显得尤为重要。3.纳米材料在抗菌方面的应用近年来随着纳米技术的快速发展，纳米抗菌技术已经作为一种高新技术广泛的应用于食品、化工、纤维、水泥、电机、包装材料等领域。纳米抗菌剂主要分为金属抗菌剂和光催化型抗菌剂。金属抗菌剂主要是将银、铜、锌等金属(或其离子)固定在氟石、硅胶、膨润土等多孔材料的表面制成的。其中银的抗菌性能最好且高效无毒，得到广泛的应用。随着纳米技术的发展，人们根据纳米材料的尺寸效应和表面效应的原理，近年来有学者应用纳米技术在抗菌消毒方面做了一些探索，比如纳米敷料。临床试验发现，纳米敷料具有很强的黏附性、且易随形，与创面黏附紧密形成类似屏障，能起到抗菌膜屏障作用，防治创面感染，促进创面修复的作用。纳米敷料较好的敷贴性还能防止创8 面出血，在大张植皮时该作用尤为突出。所以，各种纳米人造皮肤及材料在烧伤创面上的应用成为研究的热点及发展方向。4.纳米材料在涂料中应用展前景预测据估算，全球纳米技术的年产值已达到500亿美元。目前，发达国家政府和大的企业纷纷启动了发展纳米技术和纳米计划的研究计划。美国将纳米技术视为下一次工业革命的核心，2001年年初把纳米技术列为国家战略目标，在纳米科技基础研究方面的投资，从1997年的1亿多美元增加到2001年近5亿美元，准备像微电子技术那样在这一领域独占领先地位。日本也设立了纳米材料中心，把纳米技术列入新五年科技基本计划的研究开发重点，将以纳米技术为代表的新材料技术与生命科学、信息通信、环境保护等并列为四大重点发展领域。德国也把纳米材料列入21世纪科研的战略领域，全国有19家机构专门建立了纳米技术研究网。在人类进入21世纪之际，纳米科学技术的发展，对社会的发展和生存环境改善及人体健康的保障都将做出更大的贡献。从某种意义上说，21世纪将是一个纳米世纪。　由于表面纳米技术运用面广、产业化周期短、附加值高，所形成的高新技术和高技术产品、以及对传统产业和产品的改造升级，产业化市场前景极好。　　在纳米功能和结构材料方面，将充分利用纳米材料的异常光学特性、电学特性、磁学特性、力学特性、敏感特性、催化与化学特性等开发高技术新产品，以及对传统材料改性；将重点突破各类纳米功能和结构材料的产业化关键技术、检测技术和表征技术。多功能的纳米复合材料、高性能的纳米硬质合金等为化工、建材、轻工、冶金等行业的跨越式发展提供了广泛的机遇。预期十五期间，各类纳米材料的产业化可能形成一批大型企业或企业集团，将对国民经济产生重要影响；纳米技术的应用逐渐渗透到涉及国计民生的各个领域，将产生新的经济增长点。　　纳米技术在涂料行业的应用和发展，促使涂料更新换代，为涂料成为真正的绿色环保产品开创了突破性的新纪元。8 　　我国每年房屋竣工面积约为18亿平方米，年增长速度大约为3％。18亿平方米的建筑若全部采用建筑涂料装饰则总共需建筑涂料近300万吨，约200～300亿元的市场。目前，我国建筑涂料年产量仅60多万吨，世界现在涂料年总产量为2500万吨，每人每年消耗4千克，为发达国家的1／10，中国人年均涂料消费只有1.5千克。因而，建筑涂料具有十分广阔的发展前景。　　纳米涂料已被认定为北京奥运村建筑工程的专用产品，展示出该涂料在建筑领域里的应用价值。它利用独特的光催化技术对空气中有毒气体有强烈的分解，消除作用。对甲醛、氨气等有害气体有吸收和消除的功能，使室内空气更加清新。经测试，对各种霉菌的杀抑率达99％以上，有长期的防霉防藻效果。纳米改性内墙涂料，实际上是高级的卫生型涂料，适合于家庭、医院、宾馆和学校的涂装。纳米改性外墙涂料，利用纳米材料二元协同的荷叶双疏机理，较低的表面张力，具有高强的附着力，漆膜硬度高且有韧性，优良的自洁功能，强劲的抗粉尘和抗脏物的粘附能力，疏水性极佳，容易清洗污物的性能。耐洗性大于15000次，具有良好的保光保色性能，抗紫外线能力极强。使用寿命达15年以上。颗粒径细小，能深入墙体，与墙面的硅酸盐类物质配位反应，使其牢牢结合成一体，附着力强，不起皮，不剥落，抗老化。其纳米抗冻性功能涂料，除具备纳米型涂料各种优良性之外，可在－10℃到－25℃之内正常施工。突破了建筑涂料要求墙体湿度在10％以下的规定，使建筑行业施工缩短了工期，提高了功效，又创造出高质量，一举三得，所以备受建筑施工单位的欢迎。　　由于目前应用纳米材料对涂料进行改性尚处在初级阶段，技术、工艺还不太成熟，需要探索和改进。但涂料的各种性能得到某些改进的试验结果足以证明，纳米改性涂料的市场前景是非常好的。5.纳米材料在环保方面的应用:随着人们环保意识的增强，越来越多的材料被用于处理各种污染物。尤其是纳米技术的进步，使得纳米材料在环保领域也有了很广泛的应用。其中应用最多的就是Ti02纳米材料。利用Ti02纳米材料光催化可降解其他的方法难以降解的物质，可用于燃料废水、农药废水、表面活性剂，氯代物、氟里昂等废水的处理，还可用以处理无机废水等。对纳米材料未来的展望8 纳米材料目前从整体上看虽然仍然处于实验研究和小规模生产阶段，但从历史的角度看：上世纪70年代重视微科技的国家如今都已成为发达国家。当今重视发展纳米材料的国家很可能在21世纪成为先进国家。纳米材料对我们既是严峻的挑战，又是难得的机遇。必须加倍重视纳米材料和纳米基础理论的研究，为我国在21世纪实现经济腾飞奠定坚实的基础。整个人类社会将因纳米材料的发展和商业化而产生根本性的变革。纵观纳米材料的研究发展，不难看出，纳米材料的推广应用关键在于块体纳米材料的制备，而块体金属纳米材料制备技术发展的主要目标则是发展工艺简单，产量大适用范围宽，能获得样品界面清洁，无微孔隙的大尺寸纳米材料制备技术。其发展趋势则是发展直接晶化法纳米晶制备技术。从实用化角度来看，今后一段时间内，绝大多数纳米晶样品的制备仍将以非晶晶化法和机械合金化法为主，它们发展的关键是压制过程的突破。此外在机械合金化技术中，尚需进一步克服机械合金化过程中所带来的杂质和应力的影响。对于能采用塑性变形等技术可直接获得亚微米级晶粒的合金系，拓宽研究系列，研究出与各种合金成分所对应的实用稳定的塑性变形及热处理工艺，并全面进行该类纳米晶材料的性能研究工作是此类技术走向实用的当务之急。从长远角度来看，高压高温固相淬火、脉冲电流和深过冷直接晶化法以及与之相关的复合块状纳米材料制备技术及其基础研究工作，是今后纳米材料制备技术的研究重点。相信随着块状纳米材料制备技术的不断研究和发展，在不远的将来会有更多的纳米材料问世，并产生巨大的社会、经济效益。8 参考文献：[1］林鸿溢.纳米科学技术的提出、界定与发展［J］，纳米科技，2005，No.3［2］纳米技术与纳米材料［J］，专家论坛，2006，1：No.3［3］孙成林，连钦明.纳米技术及纳米材料制备及应用综述［J］，中国粉体工业，2006，No.1［4］张小琴，谭镜明.纳米材料的应用进展［J］，河北化工，2006，Vol.29No.10［5］白春礼.纳米科技及其发展前景［J］，微纳电子技术，2002，Vol.39No.1［6］李铃向航.功能材料与纳米技术［M］，北京：化工工业出版社，2002：10［7］纳米材料发展现状与趋势［J］，综述，2005：Vol.2No.2［8］徐滨士，马世宁，刘世参等.纳米表面工程[M]，北京:中国化工出版社,2000.8