納米材料及其優(yōu)異性能

1、第二節(jié)第二節(jié) 納米材料納米材料 及其優(yōu)異性能及其優(yōu)異性能 狹義：顆粒尺寸在納米量級(jí)（狹義：顆粒尺寸在納米量級(jí)（1 1100nm100nm）的超細(xì)材料，它的尺寸大于原）的超細(xì)材料，它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，處在原子簇子簇而小于通常的微粉，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。 廣義：在三維空間中至少有一維處在廣義：在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（納米尺度范圍（1 1100nm100nm）或由他們）或由他們作為基本單元構(gòu)成的材料。作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料的定義納米材料的定義 1 1）納米粉體材料納米粉體材料 由納米粒子構(gòu)成的松散集合體；由納米粒子構(gòu)

2、成的松散集合體； 2 2）納米塊體材料納米塊體材料 納米粉體經(jīng)過一定的壓制工藝制成的具有高致納米粉體經(jīng)過一定的壓制工藝制成的具有高致密度的材料密度的材料，如納米陶瓷、納米金屬與合金等；如納米陶瓷、納米金屬與合金等； 3 3）納米薄膜材料納米薄膜材料 將納米粒子制成薄膜或?qū)⒓{米粒子分散到其他將納米粒子制成薄膜或?qū)⒓{米粒子分散到其他的薄膜（如有機(jī)膜）中進(jìn)而形成的多層膜的薄膜（如有機(jī)膜）中進(jìn)而形成的多層膜。 4 4）納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料 將納米粒子分散到高分子、常規(guī)陶瓷或金屬中將納米粒子分散到高分子、常規(guī)陶瓷或金屬中。 納米材料的分類納米材料的分類零維零維在空間三維尺度均為納在空間三維尺度均為納

3、米尺度，米尺度， 如納米尺度顆粒、原如納米尺度顆粒、原子團(tuán)簇等；子團(tuán)簇等；一維一維在空間有兩維處于納米在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；管等；二維二維在三維空間中有一維在在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜等納米尺度，如超薄膜、多層膜等納米薄膜。納米薄膜。納米材料的納米材料的基本基本組成組成單元單元2.1 2.1 納米材料的綜合特性納米材料的綜合特性 當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，當(dāng)材料的尺寸進(jìn)入納米量級(jí)時(shí)，材料就具有其原先材料所不具備的材料就具有其原先材料所不具備的三大效應(yīng)：三大效應(yīng)： 體積效應(yīng)（小尺寸效應(yīng)）體積效應(yīng)（小尺寸效應(yīng)） 表面

4、（或界面）效應(yīng)表面（或界面）效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)1 1體積效應(yīng)（小尺寸效應(yīng)）體積效應(yīng)（小尺寸效應(yīng)） 體積效應(yīng)又稱小尺寸效應(yīng)。當(dāng)納米粒體積效應(yīng)又稱小尺寸效應(yīng)。當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)以子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干波長(zhǎng)等物理尺寸相當(dāng)或及超導(dǎo)態(tài)的相干波長(zhǎng)等物理尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，其周期性的邊界條件將被破壞，更小時(shí)，其周期性的邊界條件將被破壞，光吸收、電磁、化學(xué)活性、催化等性質(zhì)光吸收、電磁、化學(xué)活性、催化等性質(zhì)和普通材料相比發(fā)生很大變化，這就是和普通材料相比發(fā)生很大變化，這就是納米粒子的納米粒子的。 用途用途： 納米粒子的體積效應(yīng)不僅大大擴(kuò)充納米粒子

5、的體積效應(yīng)不僅大大擴(kuò)充了材料的物理、化學(xué)特性范圍，而且為了材料的物理、化學(xué)特性范圍，而且為實(shí)用化拓寬了新的領(lǐng)域。例如納米尺度實(shí)用化拓寬了新的領(lǐng)域。例如納米尺度的強(qiáng)磁性顆粒可制成磁性信用卡；納米的強(qiáng)磁性顆粒可制成磁性信用卡；納米材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于其原先塊狀材料的熔材料的熔點(diǎn)遠(yuǎn)低于其原先塊狀材料的熔點(diǎn)，這為粉末治金提供了新工藝等。點(diǎn)，這為粉末治金提供了新工藝等。 2表面（或界面）效應(yīng)表面（或界面）效應(yīng) 納米粒子納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比表面原子與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。質(zhì)上的變化。 粒子半徑的減小粒子半徑的減小 表面積急劇變大表

6、面積急劇變大 表面原子數(shù)迅速增加表面原子數(shù)迅速增加 表面原子周圍缺少相鄰的原子，具有不表面原子周圍缺少相鄰的原子，具有不飽和性質(zhì)飽和性質(zhì) 大大增強(qiáng)了納米粒子的化學(xué)活性，納米大大增強(qiáng)了納米粒子的化學(xué)活性，納米材料的原子擴(kuò)散路徑增多。材料的原子擴(kuò)散路徑增多。用途用途 納米金屬粒子室溫下在空氣納米金屬粒子室溫下在空氣中便可強(qiáng)烈氧化而發(fā)生燃燒等等。中便可強(qiáng)烈氧化而發(fā)生燃燒等等。 納米材料的許多特性是和其納米材料的許多特性是和其表面與界面的效應(yīng)有關(guān)的。表面與界面的效應(yīng)有關(guān)的。 3 3宏觀量子隧道效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng) 隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)一，即

7、當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越該勢(shì)壘壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越該勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。的能力稱為隧道效應(yīng)。 納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有納米粒子的磁化強(qiáng)度等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這被稱為納米的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。 用途用途 納米鎳晶粒在低溫下能繼續(xù)保持超納米鎳晶粒在低溫下能繼續(xù)保持超順磁性。順磁性。 宏觀量子隧道效應(yīng)限定了磁盤等對(duì)宏觀量子隧道效應(yīng)限定了磁盤等對(duì)信息存儲(chǔ)的極限，確定了現(xiàn)代微電子信息存儲(chǔ)的極限，確定了現(xiàn)代微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。器件進(jìn)一步微型化

8、的極限。2.2 2.2 納米粒子及其性能納米粒子及其性能1 化學(xué)成分化學(xué)成分 無機(jī)、有機(jī)和有機(jī)無機(jī)復(fù)合粒子。無機(jī)、有機(jī)和有機(jī)無機(jī)復(fù)合粒子。 無機(jī)納米微粒包括金屬與非金屬（半導(dǎo)無機(jī)納米微粒包括金屬與非金屬（半導(dǎo)體、陶瓷、鐵氧體等），有機(jī)納米微粒體、陶瓷、鐵氧體等），有機(jī)納米微粒主要是高分子和納米藥物。主要是高分子和納米藥物。 2 原子排列的對(duì)稱性和有序程度原子排列的對(duì)稱性和有序程度 晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)。晶態(tài)、非晶態(tài)、準(zhǔn)晶態(tài)。3 3 納米粒子的形狀及其表面形貌納米粒子的形狀及其表面形貌 表面有原子臺(tái)階；表面有原子臺(tái)階； 殼層結(jié)構(gòu)殼層結(jié)構(gòu)表面層結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)表面層結(jié)構(gòu)不同于內(nèi)部完整的結(jié)構(gòu)（包括鍵態(tài)、

9、電子態(tài)、配部完整的結(jié)構(gòu)（包括鍵態(tài)、電子態(tài)、配位數(shù)等）；位數(shù)等）； 體相結(jié)構(gòu)也受到尺寸制約，而不同體相結(jié)構(gòu)也受到尺寸制約，而不同于常規(guī)材料的結(jié)構(gòu)；于常規(guī)材料的結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)還與制備方法有關(guān)。結(jié)構(gòu)還與制備方法有關(guān)。4 4 化學(xué)結(jié)合力性質(zhì)化學(xué)結(jié)合力性質(zhì) 幾乎所有的納米級(jí)材料（粒子）幾乎所有的納米級(jí)材料（粒子）都部分地失去了其常規(guī)的化學(xué)結(jié)合都部分地失去了其常規(guī)的化學(xué)結(jié)合力性質(zhì)，表現(xiàn)出力性質(zhì)，表現(xiàn)出。 由于材料的結(jié)合力性質(zhì)與原子間由于材料的結(jié)合力性質(zhì)與原子間距有關(guān)，而納米級(jí)材料（粒子）內(nèi)距有關(guān)，而納米級(jí)材料（粒子）內(nèi)部的原子間距與相應(yīng)的常規(guī)材料不部的原子間距與相應(yīng)的常規(guī)材料不同，其結(jié)合力性質(zhì)也就相應(yīng)地發(fā)生

10、同，其結(jié)合力性質(zhì)也就相應(yīng)地發(fā)生變化，表現(xiàn)出變化，表現(xiàn)出。 5 5 按粒徑尺寸分類按粒徑尺寸分類 超細(xì)粉超細(xì)粉 2020100nm100nm 超微細(xì)粉超微細(xì)粉 20nm20nm 納米粒子統(tǒng)稱超微粉、超微顆粒。納米粒子統(tǒng)稱超微粉、超微顆粒。 6 6 納米粒子奇異的物理化學(xué)特性及納米粒子奇異的物理化學(xué)特性及應(yīng)用應(yīng)用1 1）光學(xué)性能光學(xué)性能A A 對(duì)可見光的極低反射率和強(qiáng)吸收率。對(duì)可見光的極低反射率和強(qiáng)吸收率。粒子尺寸越小，光的吸收越強(qiáng)烈。粒子尺寸越小，光的吸收越強(qiáng)烈。用途：用途：納米金屬用于制作紅外線檢測(cè)元納米金屬用于制作紅外線檢測(cè)元件和隱身飛機(jī)的雷達(dá)波吸收材料。件和隱身飛機(jī)的雷達(dá)波吸收材料。B B

11、 存在存在藍(lán)移藍(lán)移現(xiàn)象，納米微粒的吸收帶移現(xiàn)象，納米微粒的吸收帶移向短波長(zhǎng)方向，出現(xiàn)了常規(guī)材料所不向短波長(zhǎng)方向，出現(xiàn)了常規(guī)材料所不具備的新的發(fā)光現(xiàn)象。具備的新的發(fā)光現(xiàn)象。 用途用途：提高激光光盤的存儲(chǔ)密度，增提高激光光盤的存儲(chǔ)密度，增加光纖通信量，激光打印的清晰度，加光纖通信量，激光打印的清晰度，解決三原色的問題，并實(shí)現(xiàn)大屏幕的解決三原色的問題，并實(shí)現(xiàn)大屏幕的彩色顯示。彩色顯示。2）熱學(xué)性能熱學(xué)性能 熔點(diǎn)顯著降低，燒結(jié)溫度和晶化熔點(diǎn)顯著降低，燒結(jié)溫度和晶化溫度也均比常規(guī)粉體低溫度也均比常規(guī)粉體低 。 熱膨脹可調(diào)，因此可將具有不同熱膨脹可調(diào)，因此可將具有不同熱膨脹系數(shù)的材料連接熱膨脹系數(shù)的材料連

12、接 。3）磁學(xué)性能磁學(xué)性能 納米磁性微粒具有較高的磁化率和矯頑納米磁性微粒具有較高的磁化率和矯頑力、較低的飽和磁矩和磁耗。納米磁性金力、較低的飽和磁矩和磁耗。納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的屬的磁化率是普通金屬的2020倍，而飽和磁倍，而飽和磁矩是普通金屬的一半。矩是普通金屬的一半。 物質(zhì)的磁性、磁疇結(jié)構(gòu)隨材料幾何尺物質(zhì)的磁性、磁疇結(jié)構(gòu)隨材料幾何尺寸減小發(fā)生變化。納米微粒尺寸小到一定寸減小發(fā)生變化。納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)具有超順磁特性，矯頑力趨于零。臨界值時(shí)具有超順磁特性，矯頑力趨于零。 用用 途途 納米粒子作永久性磁體材料和納米粒子作永久性磁體材料和磁流體，作磁記錄材料則可以提高磁流體

13、，作磁記錄材料則可以提高信噪比、改善圖像質(zhì)量。信噪比、改善圖像質(zhì)量。 4 4）化學(xué)活性）化學(xué)活性 納米粒子的比表面積大，表面原子納米粒子的比表面積大，表面原子數(shù)很多，使得納米材料具有較高的化學(xué)數(shù)很多，使得納米材料具有較高的化學(xué)活性。許多納米金屬微粒室溫下在空氣活性。許多納米金屬微粒室溫下在空氣中就會(huì)被強(qiáng)烈氧化而燃燒。中就會(huì)被強(qiáng)烈氧化而燃燒。用途：用途：A A 無機(jī)材料的納米粒子做成無機(jī)材料的納米粒子做成氣敏元件氣敏元件，對(duì)，對(duì)不同氣體進(jìn)行檢測(cè)，將增進(jìn)氣敏元件的靈不同氣體進(jìn)行檢測(cè)，將增進(jìn)氣敏元件的靈敏度。敏度。B B 化學(xué)催化劑。化學(xué)催化劑。納米粒子具有無細(xì)孔、無納米粒子具有無細(xì)孔、無其他成份、

14、能自由選擇組份、使用條件溫其他成份、能自由選擇組份、使用條件溫和、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。納米復(fù)合材料可用和、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。納米復(fù)合材料可用于汽車尾氣中排放出的于汽車尾氣中排放出的SOSO2 2、COCO的消除。的消除。C C 光催化活性光催化活性是半導(dǎo)體納米粒子非常獨(dú)是半導(dǎo)體納米粒子非常獨(dú)特的性能，引起科技界與產(chǎn)業(yè)界的高度特的性能，引起科技界與產(chǎn)業(yè)界的高度重視。半導(dǎo)體納米粒子在紫外光照射下，重視。半導(dǎo)體納米粒子在紫外光照射下，可有效地將有機(jī)污染物完全催化氧化成可有效地將有機(jī)污染物完全催化氧化成二氧化碳、水、氯離子等無機(jī)物。二氧化碳、水、氯離子等無機(jī)物。 TiOTiO2 2作為光催化劑，具有活性高、

15、安作為光催化劑，具有活性高、安全、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是最有開發(fā)前景的全、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是最有開發(fā)前景的綠色環(huán)保催化劑之一，并正在有機(jī)廢水綠色環(huán)保催化劑之一，并正在有機(jī)廢水處理、空氣凈化、殺菌除臭中扮演越來處理、空氣凈化、殺菌除臭中扮演越來越重要的角色，其應(yīng)用也越來越廣泛。越重要的角色，其應(yīng)用也越來越廣泛。 2.3 2.3 納米纖維納米纖維 1 1 定義定義： 在材料的三維空間尺度上有兩維處于在材料的三維空間尺度上有兩維處于納米尺度的線（管）狀材料，通常是直納米尺度的線（管）狀材料，通常是直徑或管徑或厚度為納米尺度而長(zhǎng)度較大。徑或管徑或厚度為納米尺度而長(zhǎng)度較大。2 2 應(yīng)用應(yīng)用： 隨著微電子學(xué)和顯微

16、加工技術(shù)的發(fā)展，隨著微電子學(xué)和顯微加工技術(shù)的發(fā)展，使納米纖維有可能在納米導(dǎo)線、開關(guān)、使納米纖維有可能在納米導(dǎo)線、開關(guān)、線路、高性能光導(dǎo)纖維及新型激光或發(fā)線路、高性能光導(dǎo)纖維及新型激光或發(fā)光二極管材料等方面發(fā)揮極大的作用，光二極管材料等方面發(fā)揮極大的作用，是未來量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)中最有是未來量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)中最有潛力的重要元件材料。潛力的重要元件材料。 （1 1）納米絲、納米線、納米棒）納米絲、納米線、納米棒 實(shí)心的準(zhǔn)一維納米材料，長(zhǎng)度比直實(shí)心的準(zhǔn)一維納米材料，長(zhǎng)度比直徑通常要大得多，可以是宏觀量級(jí)。納徑通常要大得多，可以是宏觀量級(jí)。納米絲、納米線、納米棒三者之間的區(qū)分米絲、納米線、納

17、米棒三者之間的區(qū)分并不嚴(yán)格，通常將長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度與直徑并不嚴(yán)格，通常將長(zhǎng)徑比（長(zhǎng)度與直徑的比值）較大的稱為納米絲，長(zhǎng)徑比較的比值）較大的稱為納米絲，長(zhǎng)徑比較小的稱為納米棒，有人將分界限尺度定小的稱為納米棒，有人將分界限尺度定為為1um。習(xí)慣上將半導(dǎo)體或金屬的納米。習(xí)慣上將半導(dǎo)體或金屬的納米線稱為量子線。線稱為量子線。 （2 2）納米碳管）納米碳管 由單層或多層石墨片卷曲而成的無由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米級(jí)管狀殼層結(jié)構(gòu)。管直徑一般為縫納米級(jí)管狀殼層結(jié)構(gòu)。管直徑一般為幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米，管壁厚度僅為幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米，管壁厚度僅為幾個(gè)納米，像鐵絲網(wǎng)卷成的一個(gè)空心圓幾個(gè)納米，像鐵絲網(wǎng)卷成

18、的一個(gè)空心圓柱狀柱狀“籠形管籠形管”。 性能：雖然成分和石墨一樣，碳納米管性能：雖然成分和石墨一樣，碳納米管韌性很高，導(dǎo)電性極強(qiáng)，兼具金屬性和韌性很高，導(dǎo)電性極強(qiáng)，兼具金屬性和半導(dǎo)體性。強(qiáng)度比鋼高半導(dǎo)體性。強(qiáng)度比鋼高100倍，比重只倍，比重只是鋼的是鋼的1/6。被稱為。被稱為“超級(jí)纖維超級(jí)纖維”。 用途十分誘人：可制成極好的微細(xì)探用途十分誘人：可制成極好的微細(xì)探針、導(dǎo)線和性能頗佳的增強(qiáng)材料。它針、導(dǎo)線和性能頗佳的增強(qiáng)材料。它使壁掛電視成為可能，并可能制成替使壁掛電視成為可能，并可能制成替代硅芯片的納米芯片從而引發(fā)計(jì)算機(jī)代硅芯片的納米芯片從而引發(fā)計(jì)算機(jī)行業(yè)革命。行業(yè)革命。 （3 3）納米電纜）納

19、米電纜 由多種物質(zhì)組成的同軸納米線狀結(jié)由多種物質(zhì)組成的同軸納米線狀結(jié)構(gòu)。構(gòu)?！皟?nèi)芯內(nèi)芯”是納米絲，外面包覆著厚是納米絲，外面包覆著厚度為納米級(jí)的絕緣層，其幾何結(jié)構(gòu)類似度為納米級(jí)的絕緣層，其幾何結(jié)構(gòu)類似于普通的同軸電纜。于普通的同軸電纜。 用途：納米電纜的研制成功，將為人類用途：納米電纜的研制成功，將為人類制造肉眼看不見的微型器件和微型機(jī)器制造肉眼看不見的微型器件和微型機(jī)器人發(fā)揮重要作用。人發(fā)揮重要作用。 2.4 2.4 納納米薄膜米薄膜 1 1 定義定義 由尺寸在納米量級(jí)的晶粒（或顆粒）由尺寸在納米量級(jí)的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)單構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)單層或多層膜，有時(shí)也稱為納米晶粒薄膜層或多層膜，有時(shí)也稱為納米晶粒薄膜和納米多層膜。其性能強(qiáng)烈依賴于晶粒和納米多層膜。其性能強(qiáng)烈依賴于晶粒（顆粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度（顆粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多層膜的結(jié)構(gòu)及多層膜的結(jié)構(gòu) 。2 2 分類分類1 1），納米薄膜可，納米薄膜可分為分為顆粒膜與致密膜顆粒膜與致密膜。 顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。極為細(xì)小的間隙的薄膜。 致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米