1、納米材料的特性及應用姓名:楊鵬學號:2014141276(齊齊哈爾大學材料科學與工程學院高分子專業摘要:納米材料是當今及未來最有發展潛力的材料,由于其獨特的表面效應、體積效應以及量子尺寸效應 ,使得材料的電學、力學、磁學、光學等性能產生了驚人的變化。本文分別從納米材料的定義,發展,分類,特性,應用及未來發展方面進行了詳細的論述。引言很多人都聽說過"納米材料"這個詞,但什么是納米材料?納米級結構材料簡稱為納米材料,是指其結構單元的尺寸介于1納米100納米范圍之間,廣義上是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍超精細顆粒材料的總稱。由于它的尺寸已經接近電子的相干長度,它的性質因為

2、強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。并且,其尺度已接近光的波長,加上其具有大表面的特殊效應。因此它所具有的獨特的物理和化學特性,使人們意識到它的發展可能給物理、化學、材料、生物、醫藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應用前景十分廣闊。近年來,它在化工、催化、涂料等領域也得到了一定的應用,并顯示出它的獨特魅力關鍵詞:納米材料納米材料分類特性應用一.什么是納米材料納米級結構材料簡稱為納米材料(nanometermaterial。從尺寸大小來說,通常產生物理化學性質顯著變化的細小微粒的尺寸在0.1微米以下(注1米=100厘米,1厘米=10000微米,1微米=1000納米,1納米=10埃,即1

3、00納米以下。因此,顆粒尺寸在1100納米的微粒稱為超微粒材料,也是一種納米材料。其中,納米金屬材料是20世紀80年代中期研制成功的,后來相繼問世的有納米半導體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫學材料等。二.納米材料發展簡史納米材料的應用實際上很早就有了,只是沒有上升成納米材料的概念。早在1000多年前,我國古代利用燃燒蠟燭來收集的碳黑作為墨的原料及染料。這是應用最早的納米材料。我國古代的銅鏡表面長久不發生銹鈍。經檢驗發現其表面有一層納米氧化錫顆粒構成的薄膜。十八世紀中葉,膠體化學建立,科學家們開始研究直徑為1-10nm的粒子系統。即所謂的膠體溶液。事實上這種液態的膠體體系就是我們現在所

4、說的納米溶膠,只是當時的化學家們并沒有意識到,這樣一個尺寸范圍是人們認識世界的一個新的層次。在后來的催化劑研究中,人們制備出了鉑黑,這大約是納金屬粉體的最早應用。把納米材料正式作為材料科學的一個新的分支是在1990年7月在美國巴爾的摩召開的國際第一屆納米科學技術學術會議上確定的。所以納米材料的發展將1990年7月作為界線,1990年7月以前為第一階段,在這之前,從20世紀60年代末開始,人們主要在實驗室探索用各種手段制備不同種材料的納米粉末、合成塊體(包括薄膜、研究評估表征的方法、探索納米材料。不同于常規材料的特殊性;但研究大部分局限性在單一材料。人們開始看到,當材料的尺寸處于納米尺度范圍內時

5、,會呈現許多不同的性能特征,這對新材料的研究和發展提供了新的思路和方向。1990年以后,納米材料得到了迅速發展。在理論研究方面,納米科技的誕生,給人們的思維帶來了一次革命。它告訴我們,任何一種物質的性質都是由其本身的特性、聚集狀態形式以及存在的環境條件范圍決定,而且在不同的聚集狀態及存在環境條件下,其自身的物性規律和運動規律都將發生根本性變化。當物質的聚集形式達到極細(納米尺度的程度,這種物質的聚集形式的細小程度就使物質環境范圍達到了質變的極限程度,這種狀態下的物質與常態下的該物質的物性就會出現許多本質的不同,如原來的良導體變成了絕緣體、惰性物質變成了活性物質,而且這些現象也無法用原來的理論加

6、以解釋,這就說明原來的理論已不再適應于這種狀態,必須有新的理論取而代之。在這樣的思路下可以設想,在溫度極高或極低,壓力極大或極低、單個原子、數十數百個原子(納米狀態和宏觀物質的情況下,同一種材料將產生完全不同的物性,也將有不同的理論誕生,用以解釋在該條件下的各種現象、以及不同的物性。這種思路極大地拓寬了材料科學的研究范圍,促使了新材料的誕生,同時也拓寬了材料的使用范圍。為材料領域的理論和應用提供了新的課題。納米材料作為現在的新型材料,有很多研究熱點。三.納米材料的分類納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發時間最長、技術最為成熟,是生產其他三類產品的基礎。

7、1.納米粉末又稱為超微粉或超細粉,一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒,是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態的固體顆粒材料?？捎糜?高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶硅和精密光學器件拋光材料;微芯片導熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷發動機等;人體修復材料;抗癌制劑等。2.納米纖維指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料?？捎糜?微導線、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件材料;新型激光或發光二極管材料等。靜電紡絲法是制備無機物納米纖

8、維的一種簡單易行的方法。3.納米膜納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起,中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜?？捎糜?氣體催化(如汽車尾氣處理材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導材料等。4.納米塊體納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為:超高強度材料;智能金屬材料等。四.納米材料的特性4.1表面與界面效應球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比,其體積與直徑的立方成正比,故其比表面積(表面積/體積與直徑成反比。隨著顆粒直徑變小,比表面積將會顯著增大,說明表面原子所占的百分數將會顯著增加

9、。對直徑大于0.1m的顆粒的表面效應可忽略不計,當尺寸小于0.1m時,其表面原子百分數急劇增長,甚至1g超微顆粒表面積的總和可高達l00m2,這時的表面效應將不容忽略。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的,若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒(直徑為2×10-3m進行電視攝像,實時觀察發現這些顆粒沒有固定的形態,隨著時間的變化會自動形成各種形狀(如立方八面體,十面體,二十面體多粒晶等,它既不同于一般固體,又不同于液體,是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下,表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態,尺寸大于10nm后才觀察不到這種顆粒結構的不穩定性,這時微顆粒具有穩定的結構狀態。超微顆粒的

10、表面具有很高的活性,在空氣中金屬顆粒會迅速氧化且燃燒。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率,使其緩慢氧化生成一層極薄且致密的氧化層,確保表面穩定化。利用表面活性,金屬超微顆粒有望成為新一代的高效催化劑、儲氣材料或低熔點材料。4.2小尺寸效應當納米粒子的尺寸與光波的波長、傳導電子的德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等物理尺寸相當或比它們更小時,周期性的邊界條件被破壞,聲、光、電、磁、熱力學特性等均會隨著粒子尺寸的減小發生顯著的變化。這種因尺寸的減小而導致的變化稱為小尺寸效應,也叫體積效應。如納米粒子的熔點可遠低于塊狀固體,此特性為粉末冶金工業提供了新工藝;利用等離子共振頻移

11、隨顆粒尺寸變化的性質,可以通過改變顆粒尺寸,控制吸收邊的位移,構造具有一定頻寬的微波吸收納米材料,用于電磁波屏蔽、隱形飛機等。材料的硬度和強度隨著晶粒尺寸的減小而增大,不少納米陶瓷材料的硬度和強度比普通材料高45倍,如納米TiO2的顯微硬度為12.75kPa,而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于1.96kPa。在陶瓷基體中引入納米分散相并進行復合,不僅可大幅度提高其斷裂強度和斷裂韌性,明顯改善其耐高溫性能,而且也能提高材料的硬度、彈性模量和抗熱震、抗高溫蠕變等性能。4.3量子尺寸效應納米材料的量子尺寸效應是指當粒子尺寸達到與光波波長或其他相干波長等物理特征尺寸相當或更小時,金屬費米能級附近的電子能

12、級由準連續變為離散,并使能隙變寬的現象。當能級間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能光子能量或超導態的凝聚能時,必須考慮量子效應。由此導致的納米微粒在催化、電磁、光學、熱學和超導等微觀特性和宏觀性質表現出與宏觀塊體材料顯著不同的特點。例如,納米銀與普通銀的性質完全不同,普通銀為良導體,而納米銀在粒徑小于20nm時卻是絕緣體。同樣,納米材料的這一性質也可用于解釋為什么SiO2從絕緣體變為導體。4.4宏觀量子隧道效應電子具有粒子性又具有波動性,因此存在隧道效應。近年來,人們發現一些宏觀物理量,如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應,稱之為宏觀的量子隧道效應。量子尺寸效應、宏觀量子

13、隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎,或者它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限,當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。例如,在制造半導體集成電路時,當電路的尺寸接近電子波長時,電子就通過隧道效應而溢出器件,使器件無法正常工作,經典電路的極限尺寸大概在微米級。目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用量子效應制成的新一代器件。五.納米材料的應用5.1納米磁性材料在實際中應用的納米材料大多數都是人工制造的。納米磁性材料具有十分特別的磁學性質,納米粒子尺寸小,具有單磁疇結構和矯頑力很高的特性,用它制成的磁記錄材料不僅音質、圖像和信噪比好,而且記錄密度比-Fe2O3高幾十倍。超順磁的

14、強磁性納米顆粒還可制成磁性液體,用于電聲器件、阻尼器件、旋轉密封及潤滑和選礦等領域。5.2納米陶瓷材料傳統的陶瓷材料中晶粒不易滑動,材料質脆,燒結溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上運動,因此,納米陶瓷材料具有極高的強度和高韌性以及良好的延展性,這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形,然后做表面退火處理,就可以使納米材料成為一種表面保持常規陶瓷材料的硬度和化學穩定性,而內部仍具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。5.3納米傳感器納米二氧化鋯、氧化鎳、二氧化鈦等陶瓷對溫度變化、紅外線以及汽車尾氣都十分敏感。因此,可以用它們制作溫度傳感器

15、、紅外線檢測儀和汽車尾氣檢測儀,檢測靈敏度比普通的同類陶瓷傳感器高得多。5.4納米傾斜功能材料在航天用的氫氧發動機中,燃燒室的內表面需要耐高溫,其外表面要與冷卻劑接觸。因此,內表面要用陶瓷制作,外表面則要用導熱性良好的金屬制作。但塊狀陶瓷和金屬很難結合在一起。如果制作時在金屬和陶瓷之間使其成分逐漸地連續變化,讓金屬和陶瓷“你中有我、我中有你”,最終便能結合在一起形成傾斜功能材料,它的意思是其中的成分變化像一個傾斜的梯子。當用金屬和陶瓷納米顆粒按其含量逐漸變化的要求混合后燒結成形時,就能達到燃燒室內側耐高溫、外側有良好導熱性的要求。5.5納米半導體材料將硅、砷化鎵等半導體材料制成納米材料,具有許

16、多優異性能。例如,納米半導體中的量子隧道效應使某些半導體材料的電子輸運反常、導電率降低,電導熱系數也隨顆粒尺寸的減小而下降,甚至出現負值。這些特性在大規模集成電路器件、光電器件等領域發揮重要的作用。利用半導體納米粒子可以制備出光電轉化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池。由于納米半導體粒子受光照射時產生的電子和空穴具有較強的還原和氧化能力,因而它能氧化有毒的無機物,降解大多數有機物,最終生成無毒、無味的二氧化碳、水等,所以,可以借助半導體納米粒子利用太陽能催化分解無機物和有機物。5.6納米催化材料納米粒子是一種極好的催化劑,這是由于納米粒子尺寸小、表面的體積分數較大、表面的化學鍵

17、狀態和電子態與顆粒內部不同、表面原子配位不全,導致表面的活性位置增加,使它具備了作為催化劑的基本條件。鎳或銅鋅化合物的納米粒子對某些有機物的氫化反應是極好的催化劑,可替代昂貴的鉑或鈀催化劑。納米鉑黑催化劑可以使乙烯的氧化反應的溫度從600降低到室溫。5.7醫療上的應用血液中紅血球的大小為60009000nm,而納米粒子只有幾個納米大小,實際上比紅血球小得多,因此它可以在血液中自由活動。如果把各種有治療作用的納米粒子注入到人體各個部位,便可以檢查病變和進行治療,其作用要比傳統的打針、吃藥的效果好。碳材料的血液相溶性非常好,21世紀的人工心瓣都是在材料基底上沉積一層熱解碳或類金剛石碳。但是這種沉積

18、工藝比較復雜,而且一般只適用于制備硬材料。介入性氣囊和導管一般是用高彈性的聚氨酯材料制備,通過把具有高長徑比和純碳原子組成的碳納米管材料引入到高彈性的聚氨酯中,我們可以使這種聚合物材料一方面保持其優異的力學性質和容易加工成型的特性,一方面獲得更好的血液相溶性1。實驗結果顯示,這種納米復合材料引起血液溶血的程度會降低,激活血小板的程度也會降低。使用納米技術能使藥品生產過程越來越精細,并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。納米材料粒子將使藥物在人體內的傳輸更為方便,用數層納米粒子包裹的智能藥物進入人體后可主動搜索并攻擊癌細胞或修補損傷組織。使用納米技術的新型診斷儀器只需檢測少量血液,就能通過其中的蛋白質和DNA診斷出各種疾病。通過納米粒子的特殊性能在納米粒子表面進行修飾形成一些具有靶向,可控釋放,便于檢測的藥物傳輸載體,為身體的局部病變的治療提供新的方法,為藥