第二章 納米材料

第二章納米材料2.1概論在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫?；航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對材料性能要求越來越高。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)振興、國力增強(qiáng)最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分。近年來，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。例如，存儲密度達(dá)到每平方英寸400G的磁性納米棒陣列的量子磁盤、成本低廉、發(fā)光頻段可調(diào)的高效納米陣列激光器、價(jià)格低廉高能量轉(zhuǎn)化的納米結(jié)構(gòu)太陽能電池和熱電轉(zhuǎn)化元件、用作軌道炮道軌的耐燒蝕高強(qiáng)高韌納米復(fù)合材料等的問世，充分顯示了它在國民經(jīng)濟(jì)新型支柱產(chǎn)業(yè)和高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的巨大潛力。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的應(yīng)用將對如何調(diào)整國民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的布局、設(shè)計(jì)新產(chǎn)品、形成新的產(chǎn)業(yè)及改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)注入高科技含量提供新的機(jī)遇。根據(jù)納米材料發(fā)展趨勢以及它在對世紀(jì)高技術(shù)發(fā)展所占有的重要地位，發(fā)達(dá)國家都在部署未來10～15年有關(guān)納米科技研究規(guī)劃。

美國國家基金委員會(huì)（NSF）1998年把納米功能材料的合成加工和應(yīng)用作為重要基礎(chǔ)研究項(xiàng)目向全國科技界招標(biāo)；美國DARPA（國家先進(jìn)技術(shù)研究部）的幾個(gè)計(jì)劃里也把納米科技作為重要研究對象；1999開始加大投資，經(jīng)費(fèi)資助從2.5億美元增加至5億美元；日本制定了各種計(jì)劃用于納米科技的研究，例如Ogala計(jì)劃、ERATO計(jì)劃和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究計(jì)劃，并1997年投資1.28億美元；德國科研技術(shù)部幫助聯(lián)邦政府制定了1995年到2010年15年發(fā)展納米科技的計(jì)劃；英國政府出巨資資助納米科技的研究；1997年西歐投資1.2億美元。一位獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?wù)咴f：20世紀(jì)70年代重視微米技術(shù)的國家如今都已成為發(fā)達(dá)國家，現(xiàn)在重視納米技術(shù)的國家必將成為下一世紀(jì)先進(jìn)的國家。通過人們不懈的努力，納米材料已逐漸發(fā)展成為以納米材料為基礎(chǔ)的一門學(xué)科—納米科學(xué)與技術(shù)。2.2納米材料的分類納米材料屬性功能來源納米金屬材料氧化物納米材料硫化物納米材料炭（硅）化合物納米材料氮（磷）化合物納米材料含氧酸鹽納米材料復(fù)合納米材料半導(dǎo)體型材料光敏型納米材料增強(qiáng)型納米材料磁性納米材料合成納米材料、天然納米材料1.納米金屬材料目前已制備出很多納米金屬粉體材料，如Au、Ag、Cu、W等，這些金屬納米材料因比表面能大，很不穩(wěn)定，易被氧化或聚集，通常將納米材料保存在惰性環(huán)境中收藏、運(yùn)輸和使用，或以納米相分散于某種介質(zhì)中。如果金屬納米微粒表面被改性，也可以獲得相對物理穩(wěn)定和化學(xué)穩(wěn)定的儲存效果。2.氧化物納米材料該類納米材料的表面容易被改性，化學(xué)和物理性質(zhì)比較穩(wěn)定，方便運(yùn)輸、存儲、加工。根據(jù)氧化物的不同，可以分為：金屬氧化物納米材料非金屬氧化物納米材料稀土金屬氧化物納米材料兩性金屬氧化物納米材料3.含氧酸鹽納米材料硫酸鹽類、鐵酸鹽類、鈦酸鹽類、磷酸鹽類、碳酸鹽類等含氧酸鹽具有許多特別的性能。最常見的是碳酸鈣，目前納米碳酸鈣已有多種制造方法，全國約數(shù)百家達(dá)數(shù)十萬噸的生產(chǎn)能力，其中納米碳酸鈣粒徑大約是30～50nm，現(xiàn)在的市場價(jià)格為2000～3000元∕噸。普通碳酸鈣400目250元∕噸，1000目350元∕噸。4.復(fù)合納米材料多種納米材料復(fù)合在一起而形成的復(fù)合體系，其性質(zhì)取決于復(fù)合納米材料的各個(gè)元素的狀態(tài)。復(fù)合納米材料彼此相互作用，共同形成一個(gè)相態(tài)，則這種復(fù)合納米材料就不是組成元素性質(zhì)的疊加，而是產(chǎn)生了新的性質(zhì)。如果構(gòu)成元素保持自己的構(gòu)成相態(tài)，則復(fù)合材料將具有獨(dú)立相態(tài)的元素性質(zhì)。例：Fe-Nd-B構(gòu)成復(fù)合納米材料，由于納米微粒內(nèi)分散有10～15nm的鐵納米相，使得這種復(fù)合納米材料具有很高的矯頑力和高的剩余磁化度。1998年的夏天，美國宇航局“發(fā)現(xiàn)號”航天飛機(jī)把阿爾法磁譜儀送上了太空。它的主要目標(biāo)之一是尋找宇宙射線中的反原子核。由于我國參與了這項(xiàng)研究，因此新聞媒體曾熱心地宣傳過它。阿爾法磁譜儀(簡稱AMS)，是人類送入太空的第一臺磁譜儀，由美籍華裔物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者丁肇中領(lǐng)導(dǎo)建造，有中國、美國、德國、瑞士、意大利等10多個(gè)國家的科學(xué)家參與合作。AMS能精確測量宇宙中帶電粒子的動(dòng)量和電荷，其核心部分是中國研制的一臺用釹鐵硼復(fù)合納米材料制成的大型永磁體，重2.2噸，直徑1.2米，高0.8米，中心場強(qiáng)為1360高斯。1979年，美國科學(xué)家把一個(gè)有60層樓高的巨大氣球放到離地面35公里的高空，氣球上載有一批十分靈敏的探測儀器，結(jié)果，它在高空獵取了28個(gè)反質(zhì)子。這是在地球以外第一次發(fā)現(xiàn)的反物質(zhì)。除此之外，還在星際空間發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)流。納米材料的其它分類(依據(jù)形狀)納米粉末：又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧?；吸波隱身材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料；微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料；微電子封裝材料；光電子材料；先進(jìn)的電池電極材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效助燃劑；敏感元件；高韌性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等）；人體修復(fù)材料；抗癌制劑等。納米纖維：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料?？捎糜冢何?dǎo)線、微光纖（未來量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件）材料；新型激光或發(fā)光二極管材料等。

納米膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。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。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜?？捎糜冢簹怏w催化（如汽車尾氣處理）材料；過濾器材料；高密度磁記錄材料；光敏材料；平面顯示器材料；超導(dǎo)材料等。

納米塊體：是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為：超高強(qiáng)度材料；智能金屬材料等。

專家指出，對納米材料的認(rèn)識才剛剛開始，目前還知之甚少。從個(gè)別實(shí)驗(yàn)中所看到的種種奇異性能，說明這是一個(gè)非常誘人的領(lǐng)域，對納米材料的開發(fā)，將會(huì)為人類提供前所未有的有用材料。

2.3納米材料的性質(zhì)1.納米材料的基本性質(zhì)小尺寸效應(yīng)當(dāng)固體顆粒的尺寸與光波波長，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長相當(dāng)或更小時(shí)（處于微觀狀態(tài)時(shí)），顆粒的周期性邊界條件消失，在聲、光、電磁、熱力學(xué)等特征方面出現(xiàn)新的變化。 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27℃，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。

日本川崎制鐵公司采用0.1～1微米的銅、鎳超微顆粒制成導(dǎo)電漿料可代替鈀與銀等貴金屬。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200～1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為20納米的磁性氧化物顆粒。小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，大塊的純鐵矯頑力約為80安／米，而當(dāng)顆粒尺寸減小到20納米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于6納米時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。 美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

銅顆粒達(dá)到納米尺寸時(shí)就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時(shí)卻開始導(dǎo)電；高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅(jiān)硬。納米涂層刀具（實(shí)習(xí)）：為了改善刀具的切削性能，新的刀具涂層材料及涂覆方法層出不窮，由美國學(xué)者開發(fā)的納米涂層(Nanocoatings)是其中最成功的一種。這種涂層方法可采用多種涂層材料的不同組合(如金屬/金屬組合、金屬/陶瓷組合、陶瓷/陶瓷組合、固體潤滑劑/金屬組合等)，以滿足不同的功能和性能要求。設(shè)計(jì)合理的納米涂層可使刀具的硬度和韌性顯著增加，使其具有優(yōu)異的抗摩擦磨損及自潤滑性能，十分適合用于干切削。表面效應(yīng)

是指納米微粒的表面原子與總原子之比隨著納米微粒尺寸的減小而大幅度增加，粒子表面結(jié)合能隨之增加，從而引起納米微粒性質(zhì)變化的現(xiàn)象。比表面積增大，使處于表面的原子數(shù)增加，增加了納米微粒的活性。引起納米微粒表面原子輸運(yùn)和構(gòu)型發(fā)生變化，同時(shí)引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。

超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒（直徑為2納米）進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面體多李晶等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

從表可以看出，隨粒徑減小，表面原子所占比例迅速增加。另外，隨著粒徑的減小，納米粒子的表面積、表面能的都迅速增加。

納米微粒的粒徑越小，表面原子的數(shù)目就越多，納米微粒表面的原子與塊狀表面的原子不同，處于非對稱的力場，在納米微粒表面作用著表面張力，處于高能狀態(tài)，為了保持平衡，納米微粒表面總是處于施加彈性應(yīng)力的狀態(tài)，具有比常規(guī)固體表面過剩許多的能量（表面能和表面結(jié)合能）。3.量子尺寸效應(yīng)

是指粒子尺寸下降到接近或小于某一值，費(fèi)米能級附件的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)榉至⒛芗壍默F(xiàn)象。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。日本科學(xué)家總結(jié)的低溫下導(dǎo)體的能級間距與金屬顆粒直徑的關(guān)系:宏觀物體：N→∞，δ→0，電子能譜連續(xù)。尺寸↓，N↓，δ↑，超過一定值時(shí)，能級分裂，能譜不連續(xù)。δ較小時(shí)，可能是半導(dǎo)體，較大時(shí)，可能是絕緣體。

當(dāng)熱能、電場能、磁場能比平均的能級間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，這就是量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致納米粒子磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著不同。量子尺寸效應(yīng)帶來的能級改變、能級變寬，使微粒的發(fā)射能量增加，光學(xué)吸收向短波方向移動(dòng)，直觀上表現(xiàn)為樣品顏色的變化。例：CdS微粒由黃色變?yōu)榈S色。4.宏觀量子隧道效應(yīng)

電子具有波粒二象性，具有貫穿勢壘的能力，稱之為隧道效應(yīng)。今年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件的磁通量等也顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)對于電子器件微型化影響巨大，確立了微型化的極限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要考慮上述的量子效應(yīng)。2.納米材料的特殊性質(zhì)①光學(xué)性質(zhì)納米材料的光學(xué)性質(zhì)主要有光譜遷移性、光學(xué)吸收性、光學(xué)發(fā)光性和光學(xué)催化性。光譜遷移性藍(lán)移原因：受量子尺寸效應(yīng)影響而導(dǎo)致能級分裂顯著，帶隙加寬引起的。紅移原因：界面效應(yīng)引起納米微粒的表面張力增大，使發(fā)光粒子所處的環(huán)境變化致使粒子的能級改變，帶隙變窄所引起的。光學(xué)吸收性主要表現(xiàn)為對光的不投射性和不反射性。在外觀上，對金屬而言，納米粒度↑，顏色變灰、或淺黑，納米粒度↓，均趨于黑色。納米粒度越小，黑色程度越大。例：當(dāng)金的微粒被細(xì)分到小于可見光波長時(shí)，會(huì)失去常規(guī)金的光澤而呈現(xiàn)黑色。光學(xué)發(fā)光性光學(xué)發(fā)光性包括光致發(fā)光和電致發(fā)光。

光致發(fā)光：物體在紫外線光、太陽光或普通燈光照射后，該物體在黑暗的環(huán)境中具有一定的發(fā)光性能。

電致發(fā)光：指電流通過物質(zhì)時(shí)或物質(zhì)處于強(qiáng)電場下發(fā)光的現(xiàn)象。例：納米硅薄膜受360nm激發(fā)光的激發(fā)可產(chǎn)生熒光，不同的處理方式可以得到不同頻率的熒光。光學(xué)催化性納米材料利用自然光可催化降解有機(jī)污染物，最終生成為無毒、無味的CO2

、H2O和一些簡單的無機(jī)化合物。

納米材料由于比表面積大，表面活性點(diǎn)多，光催化活性高，而表現(xiàn)出較強(qiáng)的光催化性質(zhì)。②增強(qiáng)增韌性

剛性無機(jī)粒子填充聚合物材料可以提高聚合物材料的剛性、硬度和耐磨性等性能，但普通的無機(jī)粉體填料填充聚合物材料在增強(qiáng)這些性能的同時(shí)大都會(huì)降低聚合物材料的強(qiáng)度和韌性。

納米無機(jī)材料由于粒徑小、比表面大，在聚合物復(fù)合材料中，與基體材料間有很強(qiáng)的結(jié)合力，不僅能提高材料的剛性和硬度，還可以起到增韌的效果。例：納米材料經(jīng)特殊的表面化學(xué)改性后，填充到廢舊電視機(jī)外殼材料中，不僅可以增強(qiáng)增韌，使其使用性能達(dá)到甚至超過好料的水平，而且還能降低伸縮率，提高流變性，改善材料的加工性能，提高成品率。③儲氫性質(zhì)納米晶金屬氫化物和碳納米管、納米纖維等都是一類新型的儲氫材料，其顯著的吸氫性能是由其合適的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)與表面結(jié)構(gòu)決定的。超海綿狀吸氫納米碳纖維，能夠吸收40℅的氫氣，在室溫下可釋放出其中80℅的氫氣。很多人正從事碳納米管儲氫的研究。④潤滑性質(zhì)納米材料具有耐磨損、減輕摩擦的性質(zhì)。將納米材料用于制備潤滑劑時(shí)，不僅可以在摩擦表面形成能夠降低摩擦因數(shù)的薄膜，還可以修復(fù)破損的摩擦表面。國內(nèi)有人將納米銅潤滑油添加劑添加到汽車發(fā)動(dòng)機(jī)油中，可明顯減少發(fā)動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流和增大汽缸壓力。該劑使用一段時(shí)間后，可在缸套和活塞環(huán)表面形成一層保護(hù)膜。2.4納米材料的制備方法納米粒子的制備方法很多，可分為物理方法、化學(xué)方法和物理化學(xué)方法。

1.物理方法物理粉碎法通過機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。真空冷凝法

用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。機(jī)械球磨法采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合金或復(fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。2.化學(xué)方法化學(xué)氣相沉積法（CVD）利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點(diǎn)產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。水熱合成法高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點(diǎn)純度高，分散性好、粒度易控制。沉淀法

把沉淀劑加入到鹽溶液中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點(diǎn)簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。3.物理化學(xué)方法溶膠凝膠法金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫?zé)崽幚矶杉{米粒子。其特點(diǎn)反應(yīng)物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制備。微乳液法

兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團(tuán)聚、熱處理后得納米粒子。其特點(diǎn)粒子的單分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半導(dǎo)體納米粒子多用此法制備。2.5納米材料的應(yīng)用1.催化劑

納米材料比表面積大，表面所占的體積百分?jǐn)?shù)大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加，表面活性中心多，這就使納米顆粒具備了作為催化劑的基本條件。納米材料的表面效應(yīng)和小尺寸效應(yīng)覺得了它有良好的催化活性和催化反應(yīng)選擇性。納米鎳作為火箭固體燃料反應(yīng)催化劑，燃燒效率可提高100倍。納米鐵、鎳與γ-Fe2O3混合輕燒結(jié)體可以代替貴金屬而成為汽車尾氣凈化器。納米TiO2光催化有機(jī)廢水、大氣中的有機(jī)污染物。納米TiO2受光照射，可以產(chǎn)生反應(yīng)活性很強(qiáng)的過氧負(fù)離子、過氧化氫自由基和氫氧自由基，它們具有很強(qiáng)的氧化、分解能力，可破壞有機(jī)物中的C—H、N—H、O—H、C—O等鍵。納米半導(dǎo)體材料表面負(fù)載貴金屬、金屬氧化物等來進(jìn)行光電催化水分解。2.陶瓷材料納米材料的小尺寸效應(yīng)使其熔點(diǎn)急劇下降，一般為塊狀材料的30℅～50℅。降低燒結(jié)溫度納米材料具有燒結(jié)溫度低、流動(dòng)性大、滲透力強(qiáng)、燒結(jié)收縮大等燒結(jié)特性，可作為燒結(jié)過程的活化劑使用，以加快燒結(jié)過程、縮短燒結(jié)時(shí)間、降低燒結(jié)溫度。因此納米材料在低溫下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)良的燒結(jié)體，還不用添加劑仍能保持其良好的性能。例：普通鎢粉燒結(jié)溫度在3000℃，加入0.1℅～0.5℅的納米鎳粉后，燒結(jié)溫度可降低到1300℃左右。提高陶瓷致密化納米顆粒壓成塊材后，顆粒之間的界面具有高能量，在燒結(jié)中高的界面能釋放出來成為額外的燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力，有利于界面中孔洞收縮和空位團(tuán)的湮沒，因此在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的目的。由于燒結(jié)溫度低，制成的燒結(jié)體晶粒較小，比較適合于電子陶瓷的制備。3.醫(yī)用材料藥物載體血紅細(xì)胞6～9nm，核糖核酸蛋白質(zhì)15～20nm，生物體內(nèi)各種病毒的尺寸也在納米尺度的范圍內(nèi)。納米粒子可以更小，可以在血液中自由運(yùn)動(dòng)，如果利用納米粒子研制成機(jī)器人，注入人體血管內(nèi)，就可以對人體進(jìn)行全身健康檢查和治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物等，還可吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。生物陶瓷納米材料可制成具有生物活性的人造牙齒、人造骨、人造器官等。采用納米顆粒復(fù)合制成的磷酸鈣水泥，與肌體親和性好，無異物反應(yīng)，且材料具有可降解性，能被新生骨逐步吸收。納米生物活性鈣磷酸鹽基材料，具有極好的生物活性，可以用于各種承重硬組織部位病變和損壞后的替換。4.磁性材料可以作為永久性磁性材料、磁記錄材料、磁流體等。GMR(巨磁阻效應(yīng))指磁性材料的電阻率在有外磁場作用時(shí)較之無外磁場作用時(shí)存在巨大變化的現(xiàn)象。感應(yīng)法讀出磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達(dá)50%，具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。5.防護(hù)材料有些納米材料（TiO2、MgO等）的透明性好，且具有優(yōu)異的紫外線屏蔽作用。在制備某些防護(hù)材料時(shí)添加很少的量（一般不超過2℅），就能大大減弱紫外線的損傷。這些納米材料廣泛用于護(hù)膚品、包裝材料、外用面漆、木器保護(hù)以及纖維等方面。6.光電轉(zhuǎn)化可以用于提高光電轉(zhuǎn)化效率，制造出即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽能電池。7.傳感器利用納米材料對外界環(huán)境的敏感性（外界環(huán)境改變會(huì)引起其表面粒子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)輸?shù)淖兓?，從而引起其電阻的顯著變化），研制出響應(yīng)速度快、靈敏度高、選擇性好的不同用途的傳感器。8.軍事方面納米技術(shù)的迅猛發(fā)展，特別是微機(jī)電系統(tǒng)的初步成功，為軍事科技工作者研制納米武器奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。他們盡情發(fā)揮想像力，研制出千奇百怪的戰(zhàn)場“精靈”。

“麻雀”衛(wèi)星

美國于1995年提出了納米衛(wèi)星的概念。這種衛(wèi)星比麻雀略大，重量不足10千克，各種部件全部用納米材料制造，采用最先進(jìn)的微機(jī)電一體化集成技術(shù)整合，具有可重組性和再生性，成本低，質(zhì)量好，可靠性強(qiáng)。一枚小型火箭一次就可以發(fā)射數(shù)百顆納米衛(wèi)星。若在太陽同步軌道上等間隔地布置648顆功能不同的納米衛(wèi)星，就可以保證在任何時(shí)刻對地球上任何一點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)視，即使少數(shù)衛(wèi)星失靈，整個(gè)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的工作也不會(huì)受影響?！拔米印睂?dǎo)彈

由于納米器件比半導(dǎo)體器件工作速度快得多，可以大大提高武器控制系統(tǒng)的信息傳輸、存儲和處理能力，可以制造出全新原理的智能化微型導(dǎo)航系統(tǒng)，使制導(dǎo)武器的隱蔽性、機(jī)動(dòng)性和生存能力發(fā)生質(zhì)的變化。利用納米技術(shù)制造的形如蚊子的微型導(dǎo)彈，可以起到神奇的戰(zhàn)斗效能。納米導(dǎo)彈直接受電波遙控，可以神不知鬼不覺地潛入目標(biāo)內(nèi)部，其威力足以炸毀敵方火炮、坦克、飛機(jī)、指揮部和彈藥庫。“蒼蠅”飛機(jī)

這是一種如同蒼蠅般大小的袖珍飛行器，可攜帶各種探測設(shè)備，具有信息處理、導(dǎo)航和通信能力。其主要功能是秘密部署到敵方信息系統(tǒng)和武器系統(tǒng)的內(nèi)部或附近，監(jiān)視敵方情況。這些納米飛機(jī)可以懸停、飛行，敵方雷達(dá)根本發(fā)現(xiàn)不了它們。據(jù)說它還適應(yīng)全天候作戰(zhàn)，可以從數(shù)百千米外將其獲得的信息傳回己方導(dǎo)彈發(fā)射基地，直接引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)。

“螞蟻士兵”

這是一種通過聲波控制的微型機(jī)器人。這些機(jī)器人比螞蟻還要小，但具有驚人的破壞力。它們可以通過各種途徑鉆進(jìn)敵方武器裝備中，長期潛伏下來。一旦啟用，這些“納米士兵”就會(huì)各顯神通：有的專門破壞敵方電子設(shè)備，使其短路、毀壞；有的充當(dāng)爆破手，用特種炸藥引爆目標(biāo)；有的施放各種化學(xué)制劑，使敵方金屬變脆、油料凝結(jié)或使敵方人員神經(jīng)麻痹、失去戰(zhàn)斗力。

2.6納米結(jié)構(gòu)材料1.碳族新成員C601996年美國科學(xué)家因此獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。C60是一個(gè)直徑為1nm，由15個(gè)五元環(huán)和20個(gè)六元環(huán)組成的球形32面體。C60及其衍生物在高分子領(lǐng)域的應(yīng)用C60的高分子化研究發(fā)現(xiàn)，C60及其衍生物具有許多奇異的物理化學(xué)性質(zhì)，如電性、光化學(xué)性及磁性等。

C60的加工性能比較差，因此對它的應(yīng)用受到極大的限制。為了克服這個(gè)問題，人們嘗試將C60的優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)和高分子良好的加工性能結(jié)合起來，達(dá)到應(yīng)用的目的。特別是1990年以來克量級的C60被制造出來后，使C60的應(yīng)用研究更加全面、活躍。

超導(dǎo)體

C60分子本身是不導(dǎo)電的絕緣體，但當(dāng)堿金屬嵌人C60分子之間的空隙后，C60與堿金屬的系列化合物將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體，如K3C60即為超導(dǎo)體，且具有很高的超導(dǎo)臨界溫度。與氧化物超導(dǎo)體比較，C60系列超導(dǎo)體具有完美的三維超導(dǎo)性，電流密度大，穩(wěn)定性高，易于展成線材等優(yōu)點(diǎn)，是一類極具價(jià)值的新型超導(dǎo)材料。有機(jī)軟鐵磁體富勒烯絡(luò)合物可以在不含金屬的條件下表現(xiàn)出鐵磁性特征。C60分子上存在環(huán)電流，但由于C60分子的無序轉(zhuǎn)動(dòng)，使得C60分子產(chǎn)生的磁性相互抵消，因此C60固體對外宏觀上不顯示磁性。美國加州大學(xué)Allemand等人采用有機(jī)強(qiáng)還原劑TDAE［四（二甲胺基）乙烯］對C60進(jìn)行還原反應(yīng)，得到了對空氣極為敏感的C60（TDAE）0.85黑色微晶。該化合物具有軟鐵磁性，其居里溫度16.1K，是所有有機(jī)分子鐵磁體中最高的。人們希望從這里研究和開發(fā)更高居里溫度的C60有機(jī)鐵磁體材料。2.碳納米管1991年日本NEC公司的飯島純雄首次利用電子顯微鏡觀察到中空的碳纖維，直徑一般在幾納米到幾十個(gè)納米之間，長度為數(shù)微米，甚至毫米，稱為“碳納米管”。管的內(nèi)徑一般有1nm左右，長度在微米量級，具有很高的長徑比，被認(rèn)為一維納米材料。碳納米管的性質(zhì)碳納米管的抗拉強(qiáng)度達(dá)到50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個(gè)數(shù)量級。它是最強(qiáng)的纖維，在強(qiáng)度與重量之比方面，這種纖維是最理想的。如果用碳納米管做成繩索，是迄今唯一可從月球掛到地球表面而不會(huì)被自身重量拉折的繩索。在大氣氧化條件下，碳納米管在973K的溫度下失重很少，結(jié)構(gòu)基本沒有發(fā)生變化。碳納米管在酸、堿的長時(shí)間浸泡下，結(jié)構(gòu)基本不發(fā)生破壞。3.其它納米結(jié)構(gòu)材料金針菇狀單晶氮化鋁納米棒ZnO納米線頂端2.7典型納米粉體材料1.通用納米粉體材料—納米CaCO3概況納米CaCO3不僅可以起到增白擴(kuò)容降低成本的作用，還具有補(bǔ)強(qiáng)作用，用于塑料、橡膠和紙張中。粒徑＜20nm，補(bǔ)強(qiáng)作用=白炭黑。日本：研制、生產(chǎn)、應(yīng)用方面處于國際領(lǐng)先地位，用于品種達(dá)50余種。美國：生產(chǎn)應(yīng)用側(cè)重于造紙和涂料。英國：主要生產(chǎn)高檔涂料專業(yè)納米CaCO3。我國：80年代開始研制、生產(chǎn)，2007年約有27萬噸的產(chǎn)量。納米CaCO3生產(chǎn)技術(shù)碳化法間歇碳化法連續(xù)碳化法超重力碳化法石灰石煅燒CaO水Ca(OH)2溶液高剪切力多級旋液去除顆粒雜質(zhì)精制Ca(OH)2懸濁液CO2，晶型控制劑，碳化至終點(diǎn)要求晶型的CaCO3漿液脫水、干燥、表面處理納米CaCO3連續(xù)碳化法(噴霧碳化法)

將制得的Ca(OH)2懸浮液從塔頂以一定大小的液滴噴下，與逆流的CO2氣體接觸，進(jìn)行三段碳化反應(yīng)。用三段噴霧碳化法，得到平均粒徑為3～7nm的立方形CaCO3。間歇碳化法

將過濾的CaCO3濾液循環(huán)使用，沒有被截留住的非常細(xì)微的CaCO3晶粒作為晶種，不用加添加劑，使廢液排放量大大減少。超重力碳化法

這是北京化工大學(xué)發(fā)明的專利技術(shù)。該技術(shù)摒棄了傳統(tǒng)的碳化工藝與設(shè)備，進(jìn)行了革命性的創(chuàng)新，發(fā)明了超重力碳化工藝與設(shè)備，具有世界領(lǐng)先水平。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的填料將Ca(OH)2溶液剪切成微細(xì)的液滴、液絲和液膜，與CO2氣體的接觸面積大大增加并且能迅速更新，使兩者反應(yīng)速度大大提高，強(qiáng)大的離心力使CaCO3微粒一旦形成就會(huì)迅速脫離Ca(OH)2溶液，無法繼續(xù)長大。工藝優(yōu)點(diǎn)：①納米CaCO3平均粒徑小，僅為15～30nm，粒度分布窄，質(zhì)量穩(wěn)定。②無需使用晶體生長控制劑，產(chǎn)品純度高。③反應(yīng)器體積小，顆粒形貌可控，工藝操作容易。④生產(chǎn)成本低，一般為其他方法的1∕5左右。⑤生產(chǎn)效率高，反應(yīng)速度快，反應(yīng)時(shí)間僅為傳統(tǒng)工藝的10℅～20℅。3.納