纳米材料的发展与应用

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1、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

2、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

3、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

4、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

5、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：81.力学性质：高韧、高硬、高强是

6、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

7、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

8、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