纳米材料研究现状及应用前景

纳米材料研究现状及应用前景

摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域，并简单展望了纳米科技在未来的应用。

关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用

0 引言

自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料，制备方法及应用领域日新月异。

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料，包括纳米粉体( 零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等) 、纳米纤维( 一维纳米材料) 、纳米薄膜( 二维纳米材料) 、纳米块体( 三维纳米材料) 、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟，是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、先进的电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微导线、微光纤( 未来量子计算机与光子计算机的重要元件) 材料、新型激光或发光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合( 0- 0 复合) 、纳米微粒与常规块体复合( 0- 3复

合)、纳米微粒与薄膜复合( 0- 2 复合) 、不同材质纳米薄膜层状复合( 2- 2 复合) 等。纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，具有优良的综合性能，可应用于航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域。纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。

我国于20世纪80年代末开始进行纳米材料的研究，近年来，在纳米材料基础研究领域，取得了重大的进展，已能采用多种方法制备金属与合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，研制了相应的设备，做到了纳米微粒的尺寸可控，并研制了纳米薄膜和纳米块体。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合等许多方面有所创新。成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化锆晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁熵变超过金属Gd；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常Hall-Petch效应等。

1 纳米材料制备技术现状

纳米粉体、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块体、纳米复合材料和纳米结构等纳米材料的制备方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工艺上有显著的差异。关于纳米材料的制备方法方面的文献较多，各种制备方法的工艺过程、特点及适用范围在相关的文献中均有较详细的介绍[ 1] - [ 9]，限于篇幅，此处不再赘述，仅将各类纳米材料的制备方法分类归纳于表1至表6中。

表1 纳米粉体材料的制备方法

气相法液相法固相法

电阻加热法雾化水解法热分解法

高频感应加热法共沉淀法固体反应法

等离子体合成法均相沉淀法火花放电法

电子束加热法无机盐水解法溶出法

激光合成法金属醇盐水解法高能球磨法

通电加热蒸发法喷雾干燥法

表2 纳米纤维材料的制备方法

纳米纤维材料类型制备方法

电弧法、碳氢化合物催化分解法、等离子体

法、激光法、等离子体增强热流体化学蒸气

纳米碳管分解沉积法、固体酸催化裂解法、微孔模板

法、液氮放电法、热解聚合物法、火焰法

激光烧蚀法、激光沉积法、蒸发冷凝法、气

固生长法、溶液液相固相法、选择电沉

纳米棒、丝、线积法、模板法、聚合法、金属有机化合物气相

外延与晶体气液固生长法相结合、溶胶

凝胶与碳热还原法、纳米尺度液滴外延法

电弧放电法、激光烧蚀法、气液固共晶

同轴纳米电缆外延法、多孔氧化铝模板法、溶胶凝胶与

碳热还原及蒸发凝聚法

表3 纳米薄膜材料的制备方法

制备方法实例

溶胶-凝胶法纳米MgO薄膜、纳米Cu膜、纳米Fe3O4薄膜

电沉积法CdS、CdSe 薄膜

高速超微粒子沉积法纳米多层膜、陶瓷有机膜、颗粒膜、各种金属纳米薄膜等离子体化学气相沉积技术纳米镶嵌复合膜、多层复合膜、硅系纳米复合薄膜溅射镀膜法Si/S iO2 纳米镶嵌复合薄膜、铜高聚物纳米镶嵌膜

化学气相沉积法各种氧化物、氟化物、碳化物纳米复合膜

惰性气体蒸发法银钠米膜、纳米孔洞金属网络膜

表4 纳米块体材料的制备方法

纳米块体材料类型制备方法

纳米金属与合金材料惰性气体蒸发原位加压制备法、高能球磨法结

合加压成块法、非晶晶化法、高压高温固相淬

火法、大塑性变形方法、塑性变形加循环相变方

法、脉冲电流直接晶化法、深过冷直接晶化法

纳米陶瓷无压力烧结、应力有助烧结