纳米材料的特性及应用

纳米材料的特性及应用（齐齐哈尔大学材料科学与工程学院高分子专业）摘要：纳米材料是当今及未来最有发展潜力的材料，由于其独特的表面效应、体积效应以及量子尺寸效应 ,使得材料的电学、力学、磁学、光学等性能产生了惊人的变化。

本文分别从纳米材料的定义，发展，分类，特性，应用及未来发展方面进行了详细的论述。

引言很多人都听说过"纳米材料"这个词,但什么是纳米材料级简称为纳米材料，是指其的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间,广义上是中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。

由于它的尺寸已经接近电子的，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。

并且，其尺度已接近光的，加上其具有大表面的特殊效应。

因此它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。

纳米材料的应用前景十分广阔。

近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力关键词：?纳米材料纳米材料分类特性应用一.什么是纳米材料纳米级简称为纳米材料(nanometermaterial)。

从尺寸大小来说，通常产生显着变化的细小的尺寸在0.1以下（注1米=100，1=10000微米，1微米=1000，1=10），即100以下。

因此，颗粒尺寸在1～100的微粒称为超微粒材料，也是一种材料。

其中，纳米是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米薄膜、纳米、纳米瓷性材料和材料等。

二.纳米材料发展简史纳米材料的应用实际上很早就有了，只是没有上升成纳米材料的概念。

早在1000多年前，我国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨的原料及染料。

这是应用最早的纳米材料。

我国古代的铜镜表面长久不发生锈钝。

经检验发现其表面有一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。

十八世纪中叶，胶体化学建立，科学家们开始研究直径为1-10nm的粒子系统。

即所谓的胶体溶液。

事实上这种液态的胶体体系就是我们现在所说的纳米溶胶，只是当时的化学家们并没有意识到，这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次。

在后来的催化剂研究中，人们制备出了铂黑，这大约是纳金属粉体的最早应用。

把纳米材料正式作为材料科学的一个新的分支是在1990年7月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上确定的。

所以纳米材料的发展将1990年7月作为界线，1990年7月以前为第一阶段，在这之前，从20世纪60年代末开始，人们主要在实验室探索用各种手段制备不同种材料的纳米粉末、合成块体(包括薄膜)、研究评估表征的方法、探索纳米材料。

不同于常规材料的特殊性；但研究大部分局限性在单一材料。

人们开始看到，当材料的尺寸处于纳米尺度范围内时，会呈现许多不同的性能特征，这对新材料的研究和发展提供了新的思路和方向。

1990年以后，纳米材料得到了迅速发展。

在理论研究方面，纳米科技的诞生，给人们的思维带来了一次革命。

它告诉我们，任何一种物质的性质都是由其本身的特性、聚集状态形式以及存在的环境条件范围决定，而且在不同的聚集状态及存在环境条件下，其自身的物性规律和运动规律都将发生根本性变化。

当物质的聚集形式达到极细(纳米尺度)的程度，这种物质的聚集形式的细小程度就使物质环境范围达到了质变的极限程度，这种状态下的物质与常态下的该物质的物性就会出现许多本质的不同，如原来的良导体变成了绝缘体、惰性物质变成了活性物质，而且这些现象也无法用原来的理论加以解释，这就说明原来的理论已不再适应于这种状态，必须有新的理论取而代之。

在这样的思路下可以设想，在温度极高或极低，压力极大或极低、单个原子、数十数百个原子(纳米状态)和宏观物质的情况下，同一种材料将产生完全不同的物性，也将有不同的理论诞生，用以解释在该条件下的各种现象、以及不同的物性。

这种思路极大地拓宽了材料科学的研究范围，促使了新材料的诞生，同时也拓宽了材料的使用范围。

为材料领域的理论和应用提供了新的课题。

?纳米材料作为现在的新型材料，有很多研究热点。

三.纳米材料的分类纳米材料大致可分为、、、等四类。

其中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。

1.纳米粉末又称为或，一般指在100以下的粉末或颗粒，是一种介于、分子与宏观物体之间处于中间的颗粒材料。

可用于：高密度；吸波；材料；材料；和精密；导热基片与布线材料；封装材料；；先进的电池电极材料；材料；高效催化剂；高效；；高韧性（摔不裂的陶瓷，用于等）；人体修复材料；抗癌制剂等。

2.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（未来与的重要元件）材料；新型或材料等。

法是制备纳米纤维的一种简单易行的方法。

3.纳米膜分为颗粒膜与。

颗粒膜是粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。

致密膜指膜层致密但尺寸为纳米级的薄膜。

可用于：催化（如汽车处理）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；等。

4.纳米块体是将或控制金属液体结晶而得到的晶粒材料。

主要用途为：超高材料；智能等。

四．纳米材料的特性??4.1表面与界面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。

随着颗粒直径变小，比表面积将会显着增大，说明表面原子所占的百分数将会显着增加。

对直径大于0.1μm的颗粒的表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1μm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g超微颗粒表面积的总和可高达l00m2，这时的表面效应将不容忽略。

超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2×10-3μm)进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体，十面体，二十面体多粒晶等)，它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。

在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10nm后才观察不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。

超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化且燃烧。

如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄且致密的氧化层，确保表面稳定化。

利用表面活性，金属超微颗粒有望成为新一代的高效催化剂、储气材料或低熔点材料。

4.2小尺寸效应当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或比它们更小时，周期性的边界条件被破坏，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显着的变化。

这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应。

如纳米粒子的熔点可远低于块状固体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。

材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通材料高4—5倍，如纳米TiO2的显微硬度为12.75kPa，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于1.96kPa。

在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可大幅度提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温性能，而且也能提高材料的硬度、弹性模量和抗热震、抗高温蠕变等性能。

?4.3量子尺寸效应??纳米材料的量子尺寸效应是指当粒子尺寸达到与光波波长或其他相干波长等物理特征尺寸相当或更小时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，并使能隙变宽的现象。

当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应。

由此导致的纳米微粒在催化、电磁、光学、热学和超导等微观特性和宏观性质表现出与宏观块体材料显着不同的特点。

例如，纳米银与普通银的性质完全不同，普通银为良导体，而纳米银在粒径小于20nm时却是绝缘体。

同样，纳米材料的这一性质也可用于解释为什么SiO2从绝缘体变为导体。

??4.4宏观量子隧道效应??电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。

量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。

例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在微米级。

目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。

五．纳米材料的应用5.1纳米磁性材料在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。

纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，尺寸小，具有单结构和很高的特性，用它制成的不仅音质、图像和好，而且记录密度比γ-高几十倍。

超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成，用于、阻尼器件、及润滑和选矿等领域。

5.2材料传统的中不易滑动，材料质脆，高。

纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行。

如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能。

5.3纳米、、等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车都十分敏感。

因此，可以用它们制作、红外线和，检测灵敏度比普通的同类高得多。

5.4纳米倾斜在航天用的氢氧发动机中，的需要耐高温，其外表面要与接触。

因此，内表面要用陶瓷制作，外表面则要用良好的金属制作。

但块状陶瓷和金属很难结合在一起。

如果制作时在金属和陶瓷之间使其成分逐渐地连续变化，让金属和陶瓷“你中有我、我中有你”，最终便能结合在一起形成倾斜功能材料，它的意思是其中的成分变化像一个倾斜的梯子。

当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐渐变化的要求混合后烧结成形时，就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求。

5.5材料将硅、等制成纳米材料，具有许多优异性能。

例如，中的使某些的电子输运反常、降低，电也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现。

这些特性在器件、等领域发挥重要的作用。

利用纳米粒子可以制备出高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型。

由于粒子受光照射时产生的电子和具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。

5.6纳米催化材料纳米粒子是一种极好的催化剂，这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体积分数较大、表面的状态和电子态与颗粒内部不同、表面不全，导致表面的活性位置增加，使它具备了作为催化剂的基本条件。