納米材料75943

1、第二節(jié)第二節(jié) 納米材料納米材料 一、概述一、概述 納米（納米（nanometer），是一個(gè)長度單位，單位符號為），是一個(gè)長度單位，單位符號為mn。 1nm=10-3m=10-6mm=10-9m. 納米材料分為兩個(gè)層次，即納米超微粒子與納米固體材料。納納米材料分為兩個(gè)層次，即納米超微粒子與納米固體材料。納 米超微粒子，指的是粒子尺寸為米超微粒子，指的是粒子尺寸為1100nm的超微粒子；納米固體材的超微粒子；納米固體材 料，指的是由納米超微粒子制成的固體材料。料，指的是由納米超微粒子制成的固體材料。 納米材料和技術(shù)，主要研究納米超微粒子的制備、結(jié)構(gòu)和特性；納米材料和技術(shù)，主要研究納米超微粒子的制備

2、、結(jié)構(gòu)和特性； 同時(shí)也研究納米固體材料和納米組裝材料。同時(shí)也研究納米固體材料和納米組裝材料。 高分子材料的納米化 二、納米材料的性能特點(diǎn)二、納米材料的性能特點(diǎn) 1.1.表面效應(yīng)表面效應(yīng) 表面效應(yīng)是指納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著表面效應(yīng)是指納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著 納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也 隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。 2.2.小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減小，在一定條件下會(huì)引起材料宏觀物理、當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減小

3、，在一定條件下會(huì)引起材料宏觀物理、 化學(xué)性質(zhì)上的變化，稱為小尺寸效應(yīng)?；瘜W(xué)性質(zhì)上的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。 3.3.量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級量子尺寸效應(yīng)是指當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，金屬費(fèi)米能級 附近的電子能由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。即納米半導(dǎo)體微粒存在不附近的電子能由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象。即納米半導(dǎo)體微粒存在不 連續(xù)的被占據(jù)的最高分子軌道的能級，并且存在未被占據(jù)的最低的連續(xù)的被占據(jù)的最高分子軌道的能級，并且存在未被占據(jù)的最低的 分子軌道能級，同時(shí)能系變寬。分子軌道能級，同時(shí)能系變寬。 4.4.納米固體材料的力學(xué)性能納米固體材料的力學(xué)性能 5

4、.5.熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、磁性熱學(xué)、光學(xué)、化學(xué)、磁性 （1 1）特殊的光學(xué)性能）特殊的光學(xué)性能 金屬超微粒對光的發(fā)射率很低，一般低金屬超微粒對光的發(fā)射率很低，一般低 于于1%1%，大約有幾納米就可消光。（，大約有幾納米就可消光。（2 2）特殊的磁性）特殊的磁性 20nm20nm的純鐵粒子的純鐵粒子 的矯頑力是大塊鐵的的矯頑力是大塊鐵的10001000倍；但當(dāng)尺寸再減小時(shí)，其矯頑力而有時(shí)倍；但當(dāng)尺寸再減小時(shí)，其矯頑力而有時(shí) 下降到零，表現(xiàn)出超順磁性。（下降到零，表現(xiàn)出超順磁性。（3 3）特殊的熱學(xué)性質(zhì)（）特殊的熱學(xué)性質(zhì)（4 4）特殊的化）特殊的化 學(xué)性質(zhì)學(xué)性質(zhì) 三、納米材料的應(yīng)用三、納米材料的應(yīng)用

5、 ( (一一) )在力學(xué)方面的應(yīng)用在力學(xué)方面的應(yīng)用 圖1 ATP酶（分子馬達(dá)） 圖2 美國康納爾大學(xué)研制成的 納米直升機(jī)示意圖 它的密度是鋼的它的密度是鋼的1/61/6，而強(qiáng)度卻是鋼的，而強(qiáng)度卻是鋼的100100倍。倍。 （二）在光學(xué)方面的應(yīng)用（二）在光學(xué)方面的應(yīng)用 利用某些納米材料的光致發(fā)光現(xiàn)象制作發(fā)光材料。例如，利用利用某些納米材料的光致發(fā)光現(xiàn)象制作發(fā)光材料。例如，利用 納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的光致發(fā)光現(xiàn)象，來制納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的光致發(fā)光現(xiàn)象，來制 作發(fā)光材料。作發(fā)光材料。 圖3 載激光束（藍(lán)色）的納米傳感器探針穿過 活細(xì)胞，以檢測該細(xì)胞是否曾置于致癌

6、物質(zhì)下 圖4 用掃描隧道顯微鏡的針尖將原子一個(gè)個(gè)地排 列成漢字，漢字的大小只有幾個(gè)納米。 圖5 用掃描隧道顯微鏡的針尖在銅表面上搬運(yùn)和操縱48 個(gè)原子，使它們排成圓形。 （三）在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用（三）在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用 主要分為生物惰性材料和生物活性材料。主要分為生物惰性材料和生物活性材料。 （1 1）生物活性材料）生物活性材料 是指生物環(huán)境中，材料通過細(xì)胞活性能部分是指生物環(huán)境中，材料通過細(xì)胞活性能部分 或全部被溶解或吸收，并與骨置而形成牢固結(jié)合的生物材料?；蛉勘蝗芙饣蛭?，并與骨置而形成牢固結(jié)合的生物材料。 （2 2）生物惰性材料）生物惰性材料 是指化學(xué)性能穩(wěn)定，生物相容性好的生物材是指化學(xué)

7、性能穩(wěn)定，生物相容性好的生物材 料。即把該生物材料料。即把該生物材料 植如人體內(nèi)不會(huì)對機(jī)體產(chǎn)生毒副作用，機(jī)體也植如人體內(nèi)不會(huì)對機(jī)體產(chǎn)生毒副作用，機(jī)體也 不會(huì)對材料有排斥反應(yīng)即材料不會(huì)被組織吞噬，又不被排斥出體外，不會(huì)對材料有排斥反應(yīng)即材料不會(huì)被組織吞噬，又不被排斥出體外， 最后被人體組織包圍起來。納米最后被人體組織包圍起來。納米AlAl2 2O O3 3和和ZrOZrO2 2等即是生物惰性材料。納等即是生物惰性材料。納 米米AlAl2 2O O3 3由于生物相容性好、耐磨損、強(qiáng)度高，韌性比常規(guī)材料高等由于生物相容性好、耐磨損、強(qiáng)度高，韌性比常規(guī)材料高等 特性，可用來制作人工關(guān)節(jié)、人工骨、人工齒

8、根等。納米特性，可用來制作人工關(guān)節(jié)、人工骨、人工齒根等。納米ZrOZrO2 2也可以也可以 制作人工關(guān)節(jié)、人工齒根等。制作人工關(guān)節(jié)、人工齒根等。 （四）在磁學(xué)方面的應(yīng)用（四）在磁學(xué)方面的應(yīng)用 1.1.軟磁材料軟磁材料 2.2.硬磁材料硬磁材料 3.3.旋磁材料旋磁材料 有些納米鐵氧體會(huì)對作用于它的電磁波發(fā)生一定角度的偏移，這有些納米鐵氧體會(huì)對作用于它的電磁波發(fā)生一定角度的偏移，這 就是旋磁效應(yīng)。利用旋磁鐵氧體的非線性，可制作倍頻器、混頻器、就是旋磁效應(yīng)。利用旋磁鐵氧體的非線性，可制作倍頻器、混頻器、 振蕩器、放大器等，用于制作雷達(dá)、通信、電視、測量、人造衛(wèi)星，振蕩器、放大器等，用于制作雷達(dá)、通

9、信、電視、測量、人造衛(wèi)星， 導(dǎo)彈系統(tǒng)的微波器件。導(dǎo)彈系統(tǒng)的微波器件。 4.4.矩磁材料矩磁材料 有些納米鐵氧體的磁滯回線為矩形，這種材料稱為矩磁材料。矩有些納米鐵氧體的磁滯回線為矩形，這種材料稱為矩磁材料。矩 磁材料廣泛用于電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等科學(xué)技術(shù)中，用磁材料廣泛用于電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制等科學(xué)技術(shù)中，用 來制作記憶元件、開關(guān)元件、邏輯元件，磁放大器，磁光存儲(chǔ)器等。來制作記憶元件、開關(guān)元件、邏輯元件，磁放大器，磁光存儲(chǔ)器等。 5.5.壓磁材料壓磁材料 以磁致伸縮效應(yīng)為應(yīng)用原理的鐵氧體材料，稱為壓磁材料。所以磁致伸縮效應(yīng)為應(yīng)用原理的鐵氧體材料，稱為壓磁材料。所 謂磁致伸縮

10、效應(yīng)，是指磁性材料再磁化過程中幾何尺寸與形狀發(fā)生謂磁致伸縮效應(yīng)，是指磁性材料再磁化過程中幾何尺寸與形狀發(fā)生 變化的現(xiàn)象。主要應(yīng)用與超聲波器件（如超聲波探傷等），水生器變化的現(xiàn)象。主要應(yīng)用與超聲波器件（如超聲波探傷等），水生器 件（如聲納等）、機(jī)械濾波器、混頻器、壓力傳感器等。其優(yōu)點(diǎn)是件（如聲納等）、機(jī)械濾波器、混頻器、壓力傳感器等。其優(yōu)點(diǎn)是 電阻率高，頻率響應(yīng)好、電聲效率高。電阻率高，頻率響應(yīng)好、電聲效率高。 （五）在電學(xué)方面的應(yīng)用（五）在電學(xué)方面的應(yīng)用 1.1.導(dǎo)電材料導(dǎo)電材料 2.2.超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料 納米金屬（如納米金屬（如NbNb,Ti,Ti等）和合金（如等）和合金（如NbNbZr,NbZr,NbT Ti i等）具等）具 有超導(dǎo)性（超導(dǎo)臨界溫度最高只有有超導(dǎo)性（超導(dǎo)臨界溫度最高只有23K23K）。而納米氧化物超導(dǎo)材料）。而納米氧化物超導(dǎo)材料 的臨界溫度可達(dá)的臨界溫度可達(dá)100K100K以上。以上。 3.3.電介質(zhì)材料電介質(zhì)材料 電介質(zhì)材料是