微纳米材料

结构材料
• 纳米结构材料的研究兴起于20 世纪80 年 代, 主要是对纯金属纳米材料进行研究。 • 现在已由纯金属向多元合金以及纳米复 合材料方向发展。纳米复合材料通常定 义为在多元复合组成中, 至少有一种固相 处于纳米尺度范围内。
例如纳米陶瓷材料也为人们所关注的重 要结构材料之一, 纳米复合陶瓷, 因其优 异的耐高温、高强度等性能, 有望应用于 高温发动机中, 其燃料热效率可望增加一 倍, 且燃烧完全, 污染降低。
Hale Waihona Puke Baidu
光学材料
• 1990 年秋, 英国皇家信号与雷达研究所 的坎汉报导了他从多层硅层中获得可见 光谱内的光致发光。 • 控制硅粒的尺寸, 改变其能级达到产生一 定波长光波的目的。如将硅置于Y 型沸 石的超笼中, 1. 3nm的纳米硅粒, 在室温 条件下可以发出橙红色的光谱。
• 纳米SiO2 光学纤维对波长大于600nm 的 光的传输损耗小于0. 01db/ m, 此值比体 材料的光传输损耗小许多倍。 • 纳米红外反射材料在灯泡工业上有很好 的应用前景。 • 利用纳米材料对紫外的吸收特性而制作 的日光灯管不仅可以减少紫外光对人体 的损害, 而且可以提高灯管的使用寿命。 • 作为光存储材料时, 纳米材料的存储密度 明显高于体材料。
磁致冷工质
• 美国的罗伯特在钆镓石榴石(GGG) 中加 铁得到的纳米复合材料钆镓铁石榴石具 有磁致冷效应, 且大大优于GGG。据报 导, 美国利用Gd作为磁致冷工质, 已使室 温磁致冷迈向实用化,如将磁致冷工质纳 米化, 可能用来展宽致冷的温区。
巨磁电阻材料
• 磁场导致物体电阻率改变的现象称为磁 电阻效应。 • 1988 年在Fe/ Cr 多层膜中发现磁电阻效 应比坡莫合金大一个数量级, 其值为负， 基本上是各向同性, 称之为巨磁电阻效应 (GMR) 。 • 磁电子学是磁与电在纳米量级人工结构 材料中新呈现出来的交叉效应。
纳米材料特性
• • • • 表面效应 小尺寸效应 量子尺寸效应 宏观量子隧道效应
小尺寸效应
• 当纳米材料的晶体尺寸与光波波长、传 导电子的德布罗意波长、超导态的相干 长度或透射深度等物理特征尺寸相当或 比它们更小时, 一般固体材料赖以成立的 周期性边界条件将被破坏, 声、光、热和 电磁等特征会出现小尺寸效应。
• 例如: 纳米银的熔点为373K, 而银块则为 1234K。纳米铁的抗断裂应力比普通铁高 12 倍。纳米材料之所以具有这些奇特的 宏观结构特征, 是由于在纳米层次上, 物质 的尺寸不大不小, 所包含的原子、分子数 不多不少, 其运动速度不快不慢。而决定 物质性质的正是这个层次的由有限分子组 装起来的集合体, 而不再是传统观念上的 材料性质直接决定于原子和分子。介于物 质的宏观结构与微观原子、分子结构之间 的层次( 即小尺寸效应) 对材料的物性起着 决定性作用。
表面与界面效应
• 纳米材料的颗粒尺寸小, 位于表面的原子 所占的体积分数很大, 产生相当大的表面 能。随着纳米粒子尺寸的减小, 比表面积 急剧加大, 表面原子数及比例迅速增大。
• 例如, 粒径为5nm时, 比表面积为180m2/ g, 表面原子的比例为50%; 粒径为2nm时, 比表面积为450m2/ g, 表面原子的比例为 80%。 • 由于表面原子数增多, 比表面积大, 原子 配位数不足, 存在未饱和键, 导致了纳米 颗粒表面存在许多缺陷, 使这些表面具有 很高的活性, 特别容易吸附其他原子或与 其他原子发生化学反应。这种表面原子 的活性不但引起纳米粒子表面输运和构 型的变化, 同时也引起表面电子自旋、构 象、电子能谱的变化。
量子尺寸效应
• 粒子的尺寸减小到某一尺寸时, 金属费米 能级附近的电子能级由准连续变为离散 能级, 对于纳米颗粒, 由于所含电子数少, 能级间距不再趋于零, 从而形成分立的能 级。一旦粒子尺寸小到使分立的能级间 隔大于热能、磁能、电能和光子能量等 特征能量时, 则引起能级改变、能隙变宽, 使粒子的发射能量增加, 光学吸收向短波 方向移动, 直观上表现为样品颜色的变化。
导电材料
• 把具有导电性的纳米颗粒, 如碳黑、金属 粒子等加入到高聚物中, 可以改善高聚物 的导电性。 • 例如, 在用真空镀法制作的尼龙薄膜上, 真空镀敷上一层粒径为1~ 10nm 的Au 颗 粒, 所得Au尼龙复合材料具有良好的导电 性。共轭聚合物与合成或天然无机纳米 粒子反应复合,也能得到导电性能优良的 产品。
催化材料
• 纳米材料作为新一代催化剂倍受国内外 重视。例如在火箭固体燃料中掺入铝的 纳米颗粒, 燃烧效率可提高若干倍。近年 来的发展方向是纳米复合化, 例如氟石结 构的纳米CeO2- x与Cu 组成纳米复合材 料, 可用于汽车尾气中排放出来的SO2、 CO 的消除。
气敏材料
• 纳米材料同样可作为高效的气敏材料, 这 是因为气敏材料的基本要求是对吸附气 体有快速的反应, 吸附后能改变其物理性 质, 且反应可逆, 能再生, 而纳米材料的高 比表面积正是增进气体元件灵敏度的重 要原因。
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结束语
• 诺贝尔奖获得者罗雷尔曾风趣地说:几十 年前, 没有人能够预测半导体晶体管可以 为社会带来什么变化, 除了作为电子管的 替换部件以外, 更无从想到今天的计算机 时代。类似的情况适用于纳米科学。随 着人们对纳米材料研究的深入, 纳米材料 必将出现更为广阔的应用前景, 纳米材料 的大规模工业生产和商业应用也将成为 现实。
例如: CdS 颗粒由黄色变为浅黄色。出现 这种现象叫做量子尺寸效应。
宏观量子隧道效应
• 量子隧道效应是从量子力学的粒子具有 波粒二象性的观点出发的, 解释粒子能够 穿越比总能量高的势垒, 这是一种微观现 象。 • 近年来, 发现一些宏观量( 如微颗粒的磁 化强度和量子相干器的磁通量等) 也具有 隧道效应, 称为宏观量子隧道效应。对于 纳米颗粒这一特性的研究, 对发展微电子 学器件将具有重要的理论和实践意义。
纳米材料制备历史
• 20 世纪80 年代初, 德国科学家Gleiter提 出纳米晶体材料的概念, 并采用人工制备 首次获得纳米晶体。 • 1987 年美国Argon 实验室Siegles 等采 用惰性气体蒸发原位加压的方法, 制备 • 了纳米级TiO2 陶瓷材料。 • 到20 世纪90 年代, 人工制备的纳米材料 已达百种以上。
纳米材料的特性及 其应用
纳米材料定义
• 1959 年, 美国著名理论物理学家、诺贝 尔奖获得者R. Feynman 曾说过: 我深信 当人们能操纵细微物体的排列时, 将可以 获得极其丰富的新的物质性质。如今, Feynman 的梦想终于在纳米材料中得到 实现。 • 尺寸在0. 1nm 到100nm之间, 处在原子 簇和宏观物体交接区域内的粒子称为纳 米材料或超微粒。
• 例如Pd 是一种很好的气敏材料, 若将10~ 15nm 的Pd 纳米颗粒压制成薄片, 其致密 度不可能很高, 有很好的孔洞, 易于实现 固气反应, 提高灵敏度。
储氢材料
• 在气体吸附的研究中, 固体吸附储氢是一 个很有实用意义的研究方向, 采用纳米材 料可避免大晶粒贮氢材料在反复吸收、 释放氢气的循环过程中产生的氢脆现象, 又可增加吸氢容量和吸氢速率。
纳米材料应用领域
• 正是由于以上各种效应引起的奇异力学、 电学、磁学、热学、光学和化学活性等特 征,使其在国防、电子、核技术、冶金、航 空、轻工、医药等领域中具有重要的应用 价值, 从而掀起了纳米材料制备和研究的 高峰。
纳米材料的应用
• 纳米材料由于其产生的特殊效应, 因而具 有常规材料所不具备的性能, 使得其在各 个方面的潜在应用极为广泛。对于纳米 材料及其应用前景的研究工作已经不再 局限于单一学科与单一研究方法, 而是多 学科和多种研究方法的综合利用。