浅谈纳米材料应用及发展前景

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1、江蘇大學JiangsuUniversity浅谈纳米材料应用及发展前景摘要纳米材料展现了异常的力学、电学、磁学、光学特性、敏感特性和催化以及光活性，为新材料的发展开辟了一个崭新的研究和应用领域。纳米技术在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的应用前景使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一，被认为是世纪的又一次产业革命。纳米材料向国民经济和高新科技等各个领域的渗透以及对人类社会的进步的影响是难以估计的。关键词：纳米材料；纳米应用；量子尺寸效应1.前言纳米材料和纳米结构无论在自然界还是在

2、工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然纳米结构，只不过在透射电镜的应用以前人们没有发现而已。在工程方面，纳米材料80年代初发展起来的，纳米材料其粒径范围在1—100nm之间，故纳米材料又称超微晶材料。它包括晶态、非晶态、准晶态的金属、陶瓷和复合材料等。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子，纳米材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异，具有奇特的力学、电学、瓷学、光学、热学及化学等多方面的性能，从而使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。目前已受到世界各国

3、科学家的高度重视。美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”，欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划；日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术；英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破；我国的自然科学基金“863”计划、“793”计划以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目[1]。美国科学技术委员会把“启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心”[2]。1.纳米材料的制备现行的纳米材料制备方法很多。但是真正能够高效低成本制备纳米材料的方法还是现在各个国家研究的重点

4、。目前已报的工艺方法主要有以下几种：物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）、等离子体法、激光诱导法、真空成型法、惰性气体凝聚法、机械合金融合法、共沉淀法、水热法、水解法、微孔液法、溶胶—凝胶法等等。2.纳米材料的主要应用3.1纳米材料在工程方面的应用纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温下才能烧结的材料如SiC等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结,另一方面,纳米材料作为烧结过程中的活性添加剂使用也可降低烧结温度,缩短烧结时间。纳米粉体可用于改善陶瓷的性能，其原因在于微小的纳米微粒不仅比表面积大，而且扩散速度快

5、，因而进行烧结时致密化的速度就快，烧结温度也低。目前这方面已有不少实验室成果。高强度铝基陶瓷中添加的纳米粉，可提高材料的弯曲强度和结构强度。用做磁性滑动触头的非磁性陶瓷中，添加的纳米粉体，可使陶瓷具有与磁性薄膜相同的热膨胀系数和良好的选择性。另外，陶瓷材料通常是宏观脆性材料，当其晶粒尺寸达到纳米量级时，可变成宏观塑性材料，可加工性能有明显改善，有望用于航天飞行器。由于纳米粒子的尺寸效应和表面效应,使得纳米复相材料的熔点和相转变温度下降,在较低的温度下即可得到烧结性能良好的复相材料。由纳米颗粒构成的纳米陶瓷在低温下出现

6、良好的延展性。纳米TiO2陶瓷在室温下具有良好的韧性,在180°C下经受弯曲而不产生裂纹[3]。纳米复合陶瓷具有良好的室温和高温力学性能,在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面具有广泛的应用,在许多超高温、强腐蚀等许多苛刻的环境下起着其它材料无法取代的作用。随着陶瓷多层结构在微电子器件的包封、电容器、传感器等方面的应用,利用纳米材料的优异性能来制作高性能电子陶瓷材料也成为一大热点。有人预计纳米陶瓷很可能发展成为跨世纪新材料,使陶瓷材料的研究出现一个新的飞跃。纳米颗粒添加到玻璃中,可以明显改善玻璃的脆性[4]。无机纳米

7、颗粒具有很好的流动性,可以用来制备在某些特殊场合下使用的固体润滑剂。3.2纳米材料在催化方面的应用纳米材料在光催化方面应用广泛，通过光催化，形成强氧化性的离子，将表面的物质氧化分解。纳米粒子对催化氧化、裂解反应都具有很高的活性和选择性，对光解水制氢和一些有机合成反应有明显的光催化活性。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高10～15倍，如用纳米粒子做光解水催化剂，比常规催化剂产率提高2-3个数量级，用硅载体镍催化剂对丙醛的氧化反应表明，镍粒径在5mm以下，反应选择性发生急剧变化，醛分解反应得到有效控制，生成酒精的

8、转化率急剧增大。利用光催化性能，将纳米材料应用在家装涂料里面，能够将新装房屋内的有害物质氧化分解，使环境更加环保。3.3在医学和生物工程上的应用21世纪的健康科学将以出人意料的速度向前发展,人们对药物的需求越来越高。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗已提到研究日程上来。在这方面,纳米材料很可能担任重要角色。美国麻省理工学院已制