浅谈纳米材料及其应用

浅谈纳米材料及其应用

应用化学

20142337028

吴继进

摘要：随着现代科学技术的发展，纳米材料及技术正不断地渗透到各个科学领域，社会对纳米材朴的雷求越来越大，特别是其制备方法日益成熟和完善，使纳米技术在现代科学中占有越来越重妥的地位。本文浅略地讲述了纳米材料的发展和定义及其在各个科学领域的应用关键词：纳米材料发展定义应用

一、前言

现代高科技的竞争在很大程度上依赖于材料科学的发展，可以说任何高科技的进步都离不开新材料的开发和利用。因而材料科学被公认为21世纪六大高科技领域(生物、信息、能源、材料、空间和海洋工程)的基石。

纳米材料是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1～ 100 nm)调制的各种固态材料。它包括零维的原子团族和纳米微粒；一维调制的纳米多层膜；二维调制的纳米颗粒膜(涂层)；以及三维调制的纳米相材料。纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面两部分组成,其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的界面(6× 1025m3/10 nm晶粒尺寸),晶界原子达15%～ 50%。纳米材料的独特结构，使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，这也导致了纳米材料的力学性能、磁性、介电性、超导性光学乃至力学性能的改变，并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药等诸多方面有重要价值，得到广泛的应用。因此,纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，已成为当今新材料研究领域中最富有潜力，对未来经济和社会发展有十分重要影响的研究对象。

二、纳米材料的发展

随着现代科学技术的发展，纳米材料及技术正不断地渗透到各个科学领域，社会对纳米材朴的雷求越来越大，特别是其制备方法日益成熟和完善，使纳米技术在现代科学中占有越来越重妥的地位。

伴随着纳米材料的研究,产生了纳米技术，从迄今为止的研究状况来看,纳米技术大体上

分三种概念：第一种是德雷克斯博士提出的“分子纳米技术”概念，即使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子结构；第二种概念把纳米技术定位为纳米为纳米加工技术的极限，也就是通过纳米精度的“加工”来形成纳米大小的结构的加工技术；第三种概念是从生物的角度出发而产生的，是要依照生物分子反应的过程来进行我们所需要的生产。虽然纳米技术的历史并不长，但其发展却十分迅速，现已渗透各个领域，得到了广泛的应用。

三、纳米材料的应用

纳米陶瓷的塑性高,烧结温度低，但仍具有类似于普通陶瓷的硬度，这些特征提供了在常温和次高温下加工纳米陶瓷的可能性。如果在次高温下将纳米微晶陶瓷颗粒加工成型,然后进行表面退火处理，就可以得到一种表面保持常规陶瓷硬度，而内部仍具有纳米微晶材料延展性的高性能陶瓷。

纳米材料的磁学性质十分特殊，例如,单畴临界尺寸的强磁颗粒Fe一C。合金和氮化铁有甚高的矫磁力，因此用它制成的磁记录介质材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比目前的高10倍以上,因此是领导下一代信息存储系统的首要材料。纳米材料的光透性可以通过控制晶粒尺寸和气孔率的方法来控制，因而使这种陶瓷在感应和过滤技术中有着广泛的应用。

纳米材料散射率的增大可以降低材料的烧结温度,这种增强弥散性可用来制造氧气感应器和比目前体系应用温度更低的燃料电他。纳米陶瓷也是连接陶瓷的理想材料，这是由于纳米陶瓷的高弥散性和超塑性克服了诸如高温高压下的弥散结构等陶瓷连接的常见问题。软磁性的优良联接性能可用来生产一般式扼流圈、饱和反应堆、高频转换器和磁头等。

纳米复合材料的效应能够把热量从一个热贮存器传送到另一个热贮存器中，因此该效应可用作磁致冷，即以固态磁性物质取代目前应用的压缩气体,可避免碳的氟氛化物造成的危害，而且制冷效果也较好。

在其他方面，纳米材料还有着一些其它的十分有潜力的用途,如纳米金属材料、纳米半导体材料、纳米催化材料、纳米复合材料、纳米聚合材料等。纳米管具有分子级细管,比表面积特大,是理想的储氢材料。金属氢化物中的氢储量可达标准大气压下氢气密度的千倍以上LaNi5、FeTi等都是良好的储氢材料。Tradeau等发现纳米FeTi合金的储氢能力可比粗晶材料显著提高，而且其活化处理程序也更加简单,因此纳料材料可能为进一步提高材料的储氢效率提供一个可行的途径〔26〕。纳米材料表面活性和表面能也很高,能有效地活化烧结。在WC中加入0.1%～0.5%几个纳米粉，其烧结温度从3 000℃降低到1 800℃,并加速了烧

结过程。这种活化烧结已用于大批量生产大功率半导体元件,可控硅整流元件的散热—热膨胀补偿基底。在烧结陶瓷中，加入AW纳米粉还可提高烧结密度和热导率。纳米材料还可以作助燃剂,在火箭燃料推进剂中添加不到1%的纳米铝粉或镍粉,可使其燃烧热提高两倍多，将其用作火箭固体燃料，其燃烧效率可提高100倍。硬质合金WC-Co刀具材料,当其晶粒度由μm量级减小到nm量级时,不但硬度提高一倍以上，而且其韧性及抗磨损性能也得以显著改善,从而大大提高了刀具的性能，此外将纳米粉末掺入润滑剂中，可显著改善的润滑剂的性能,降低机械部件的磨损。

纳米材料结构和性能的研究，将随着制备方法的改进和新型纳米材料的诞生而拓宽和深入。这方面的研究需要材料科学、物理学和化学等基础学科及化学工程等多方面的密切配合和协作。纳米材料作为一门高科技的材料门类,必将有着十分广阔和诱人的发展前景。

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