纳米材料与纳米技术论文

纳米材料与纳米技术

学院：自动化学院

专业年级：2015级物联网工程4班

学生姓名：梁建业

摘要：纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要了解纳米材料和纳米技术，介绍它的一些相关的应用及其在国内外的现状，并尝试预测它的发展趋势。与此同时，也共同探讨下其存在的问题。首先，让我们来简单地了解下纳米材料和纳米技术吧！一．什么是纳米材料？

纳米是一个长度单位，1nm=10ˉ9m。纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制

特征的材料，纳米尺度一般是指1~100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。纳米尺度和性能的特异变化是

纳米材料必须同时具备的两个基本特征。

按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和

纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材

料和其他非金属纳米材料。

按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料。

按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。

按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材

料等）。

二．什么是纳米技术？

纳米技术（nanotechnology）是指在~100nm空间尺度上操纵原子和分子，对材料进行加工，制造具有特定功能的产品或对物质及其结构进行研究的一门综合性的高新技术学科。其实通俗的讲就是“use?little?things?to?finish?the?big?work”。我们在分子原子这样的微小尺度上加工材料，得到一些新型的功能性的高科技产品，他们往往具有相比于一般材料更优良的性能，具有很高的实用价值和研究价值。而将纳米应用到测量等方面，又可以达到高精度的效果，比如扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)的发明等。另外还有：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等方面的应用。

三．纳米技术的特异性质及其相关的应用。

1.纳米技术的具有的个性效应。

小尺寸效应是指：随着颗粒尺寸的不断减小，当进入纳米量级的时候，颗粒的

光、声、电磁和热力学等物理性质将发生根本性变化的一类现象。比如磁性的

纳米颗粒的矫顽力异常之高，而且其有很多应用，磁性车票、磁性钥匙、磁性

信用卡等都是应用这一性质；又如纳米二氧化钛陶瓷一改传统陶瓷在室温下可

弯曲，塑性形变可达到100%，这就克服了传统陶瓷性非常脆的弱点。

量子尺寸效应是指：随着颗粒的尺寸进入纳米量级，电子能级也随之从连续转

变为离散的，也就是量子化的了，而且能级间距也发生了分裂。这时纳米微粒

的磁、光、声、热、电等性能有了根本性的转变，例如实验结果表明，纳米银

是绝缘体。表面效应是指：伴随着颗粒尺寸的不断减小，颗粒总的表面积大幅

度变大，表面原子数急剧上升，与此同时，纳米材料的表面能也急剧变大，这

种现象称之为表面效应。由于表面原子活化能大，所以它们具有非常高的活性，很不稳定，就更容易与其他物质结合。我们熟悉的现象：纳米金属微粒在空气

中就能够燃烧。

宏观量子隧道效应是指：一些宏观量，例如量子相干器件中的磁通量、纳米颗

粒的电导率、超微颗粒的磁化强度等也具有隧道效应的现象。

2.纳米技术的特殊性质。

（一）力学性质

高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。

（二）磁学性质

当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。

（三）电学性质

由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

（四）热学性质

纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材