納米材料的分類及其物理性能

1、納米材料的分類及其物理性能 收稿 口 期:20061210作者簡介李淑娥女濟寧市人濟寧九中物理教師1納米材料的分類以“納米”來命名的材料是在20世紀80年代,它作為 一種材料的定義把納米顆粒限制到1-100納米1。在納 米材料發(fā)展初期，納米材料是指納米顆粒和山它們構(gòu)成的 納米薄膜和固體。廣義地，納米材料是指在3維空間屮至 少有一維處于納米尺度范i韋i或由它們作為基木單元構(gòu)成 的材料。如果按維數(shù)2,納米材料的壟木單元可以分為3 類:(1)0維，指在空間3維尺度均在納米尺度，如納米尺 度顆粒，原了團簇等;(2)1維，指在空間冇兩維處于納米 尺度，如納米絲、納米棒、納米管等;(3)2維，指在3維空

2、間中有1維在納米尺度，如超薄膜,多層膜，超品格等。 按化學組成可分為:納米金屬、納米晶體、納米陶 瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料。按材料物性 可分為:納米半導體、納米磁性材料、納米非線性光學材 料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。按應(yīng)用 可分為納米電了材料、納米光電了材料、納米生物醫(yī)用材 料、納米敏感材料、納米儲能材料等。納米材料大部分都是用人工制備的，屬于人工材料， 但是自然界中早就存在納米微粒和納米固體。例如天體 的隕石碎片，人體和啓類的牙齒都是由納米微粒構(gòu)成的， 而浩瀚的海洋就是一個龐人超微粒的聚集場所4。2納米材料的性能納米材料的物理性質(zhì)和化學性質(zhì)既不同于宏觀物體，

3、也不同于微觀的原了和分了。當組成材料的尺寸達到納 米量級時,納米材料表現(xiàn)出的性質(zhì)與體材料有很人的不 同。在納米尺度范圍內(nèi)原了及分了的相互作用，強烈地彫 響物質(zhì)的宏觀性質(zhì)。物質(zhì)的機械、電學、光學等性質(zhì)的改 變，出現(xiàn)了構(gòu)筑它們的基石達到納米尺度。例如銅的納 米品體硬度是微米尺度的5倍，脆性的陶瓷成為易變形的 納米材料，半導體量子阱、量子線和量子點器件的性能要 比體材料的性能好得多;當晶體小到納米尺寸時，由于位 錯的滑移受到邊界的限制而表現(xiàn)出比體材料高很多的硬 度;納米光學材料會有異常的吸收;體表面積的變化使得 納米材料的靈敏度比體材料要高得多;當多層膜的單層厚 度達到納米尺寸時會有巨磁阻效應(yīng)等。納

4、米材料z所以 能具備獨到的特性，是當組成物質(zhì)中的某一相的某一維的 尺度縮小至納米級，物質(zhì)的物理性能將出現(xiàn)根本不是它的 任一組分所能比擬的改變。材料的光學性能是山其対太陽光的反射性能或吸收 性能所決定的。如綠色的樹葉表明它吸收了其他波長的光 而反射出綠色的特征波。紅色的顏料表明它吸收r英他波 長的光而反射出紅色的特征波。納米微粒由于其尺寸小到 兒個納米或十兒個納米而表現(xiàn)岀奇界的小尺寸效應(yīng)和表血 界而效應(yīng)，因而其光學性能也與常規(guī)的塊體及粗顆粒材料 不同。納米金屬粉末對電磁波有特殊的吸收作用，可作為 軍用高性能毫米波隱形材料、紅外線隱形材料和結(jié)構(gòu)式隱 形材料，以及手機輻射屏蔽材料。比如，玻璃是種絕緣

5、 體,它無法把吸收到的電磁波釋放出去，但是重金屬汽化后 牛成的納米材料卻有極強的導電性能，因此町以通過接在 防護屏上的地線導出吸收到的靜電，從而消除靜電對人體 造成的危害。另外，電腦屏幕發(fā)射出的電磁波的頻度并不 均勻，因此，在對玻璃表面蒸涂納米材料吋也并不是均勻蒸 涂，而是根據(jù)電磁波發(fā)射頻度的變化規(guī)律進行蒸涂，以此抵 消電磁波頻度變化對納米材料吸收功能的干擾，消除屏幕 光亮閃爍對眼晴造成的傷害，使畫而更加清。3性能分析因為納米顆粒具有表面效應(yīng)和最子尺寸效應(yīng)，這時納 米粒子的粒徑與超導相t波長、玻爾半徑以及電子的德布 羅意波長相當，與此同時，顆粒表面的原子、電子與處于顆 粒內(nèi)部的原了、電了的行為

6、有很人的差別,這個特點對納 米微粒的光學特性冇很大的影響。比如，大塊金屬具冇不 同顏色的光澤，這表明它們對可見光范圍各種波長的反射 和吸收能力不同。而當尺寸減小到納米級時各種金屬納 米微粒幾乎都成黑色，說明它們對見光的反射率極低。 能帶理論表明，在高溫或宏觀尺寸下，金屬費米能級附近 電子能級一般是連續(xù)的。對于只有有限個導電電子的超 微粒子來說，低溫下能級是離散的，且這種離散對材料熱 力學性質(zhì)起很大作用。相鄰電了能級間距和顆粒直徑 有著反比關(guān)系，即前者隨后者的縮小而增人。由于宏觀物體包含無限個原了,即導電電了數(shù)a趨 向無窮大,大粒子或宏觀物體的能級間距兒乎為零;而對 納米微粒,所包含原子數(shù)有限,

7、a值很小，這就導致能級間 距有一定的值，即能級間距發(fā)牛分裂。當能級間距大于熱 能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導態(tài)的凝聚能時, 就會導致納米微粒的磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏 觀特性冇著顯著的不同。從紫外到可見光范圍內(nèi)材料的 發(fā)光問題一肓是人們感興趣的熱點課題，這里說的發(fā)光是 與電子輻射躍遷的微觀過程和聯(lián)系的。納米結(jié)構(gòu)材料山 于顆粒很小，小尺寸會導致量子限域效應(yīng),界而結(jié)構(gòu)的無 序性使激了，特別是表而激了很容易形成;界而所占的體 積很人，界而屮存在大量缺陷，例如懸鍵，不飽和鍵和雜質(zhì) 等，這就可能在能隙中產(chǎn)生許多附加能隙;納米結(jié)構(gòu)材料 中由于平移周期的破壞,在動量空間常規(guī)材料中電子躍遷

8、 的選擇定則對納米材料很可能不適川，這些就會導致納米 結(jié)構(gòu)材料的發(fā)光不同于常規(guī)材料，冇自己的特點。 納米微粒對紅外和電磁波有隱身作用8,這是因為： 納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波長,対這種波的透 過率比常規(guī)材料耍強得多，大大減少波的反射率,使得紅 外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到 隱少作用；(2)納米微粒材料的比表面積比常規(guī)材料大得 多，使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降 低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標，起到了隱身作用。當前，隱 身涂料研究已成為現(xiàn)代軍事對抗屮的一種手段。正在研 制的第四代超音速殲擊機,其機體結(jié)構(gòu)采用復合材料、翼 身融合體和吸波涂層，電磁波吸收型涂料、電磁波屏蔽 涂料已開始在隱身飛機上涂裝。納米材料因其具有極 的吸波特性，同時具備了寬頻帶、兼容性好、質(zhì)量小和厚 薄等特點，美、俄、法、徳、fi等國都把納米材料作為新一 隱身材料加以研究。金屬、金屬氧化物和某些非金屬材 的納米級超細粉在細化過程中處于表面的原子數(shù)越來 多，增人了納米材料的活性。在微波場的輻射下，原子 電子運動加劇，促使磁化，使電子能轉(zhuǎn)化為熱能,從而增 了對磁波的吸收。有人發(fā)明了一種納米金屬汽車而漆,它是采用多種 米金屬