纳米材料的研究与应用

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1、纳米材料的研宄与应用纳米材料(尺寸在1-100纳米范围内)又称超细微粒、超细粉末，是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，其结构既不同于体块材料，也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它拥有一系列新颖的物理和化学特性，在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。1.1简介从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下，即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1〜100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因

2、为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度己接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等,往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面品格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同吋纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、H、德等少数国家，虽然已经初具基础

3、，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研宄队伍也在口渐壮大。1.2纳米材料的发现与发展1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为l-100nm的粒子体系的研究工作。真正有意识的研宂纳米粒子可追溯到20世纪30年代的口本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并

4、对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学(SaarlandUniversity)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议(InternationalConferenceonNanoscience&Technology),正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自20世

5、纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段(1990年以前)：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于晋通材料的特殊性能；研宄对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段（1990〜1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料己发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研宄的主导方向。第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工

6、组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。1.3纳米材料分类及其应用1.3.1材料分类纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其屮纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态

7、的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记泶材料：吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单品硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。纳米膜

8、纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间冇极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但品粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。纳米块体纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。1.3.2应用领域借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家