纳米材料简单介绍 工科0970 巴聪 2009-10-3 摘要 本文是对纳米材料给出一个简单的介绍，文章将介绍纳米材料的概念、特点、用途，并介绍几种常用纳米材料。大部分材料源于因特网，我主要完成一些搜集整理工作，并提出一些自己的见解。本文主要目的是让读者对纳米材料有一个大致的了解。 （二） 关键词 纳米材料，纳米技术，性质，应用 （三） 引言 有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继对之投入巨资进行研究，美国从2000年启动了国家纳米计划。 纳米也正在逐步走入我们每个人的生活中，每天都能在不同的媒体上看到这样或那样的字样来介绍纳米材料，本文将简单介绍纳米材料的性质和应用。 正文 目前普遍对纳米材料的定义是结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料。 由于它的尺寸已经非常小（接近电子的相干长度），强相干米乐M6 米乐所带来的自组织使得这类材料的性质发生很大变化。其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面（对超微颗粒而言，尺寸变小，其比表面积亦显著增加，当尺寸小于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米）的特殊效应，同时超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子（这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子）。因此会表现一些特性，例如光学、磁性、熔点、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 1）光学特性：当黄金被分割到纳米尺度时，会失去原有的光泽而呈黑色。类似的，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。而且尺寸越小，颜色愈黑，而与原本颜色没有关系。这是由于纳米尺度下微粒直径远小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用，导致金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％。几微米这种涂料就能完全消光，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，利用这个特性纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料。例如，Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。纳米材料也因其光吸收率大的特色，可应用于红外线） 磁性：大块的纯铁矫顽力（使磁化至技术饱和的永磁体的B降低至零所需要的反向磁场强度称为矫顽力）约为 80安／米，而当颗粒尺寸减小到 2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2，在这情况下，感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%，已不能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。目前巨磁电阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。 3）热学性质：纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的缘故。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。由于其具有较高的表面能量，还造成了造成熔点下降，例如金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。也是上述原因，纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 4）电学性质：由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生绝缘体转变。纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研制出由碳纳米管组成的逻辑电路。 5）力学特性：具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。例如氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。同时，呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3～5倍，至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质。例如，金属陶瓷作为刀具材料，由于其混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，亦使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 由纳米材料各种性质决定的用途在上面已经给出了一些例子，但是可能与现实生活并不紧密，所以下面将继续分析一些生活中常见的纳米材料来增进对纳米材料的熟悉。 如去年11月，中科院化学所专家宣布研制成功一种不粘油污、不粘水的新型纳米材料——超双疏性界面材料。使用这种材料的纺织品和建材，不用洗涤，也不染油污。无论怎样向这种新材料上倾倒油污(包括墨水、酱油、菜汁)，它都纤尘不染。它的诞生可使石油工人的衣服不再油渍斑斑，也使生产研制水陆两用服成为可能。家庭装修用的玻璃、瓷砖、大理石、石膏板等材料经纳米处理后，都能呈现该种性能，将来可以告别厨房“油腻”脏兮兮的状况。据中科院化学所雷江教授介绍，这是他在日本留学时首先提出了“二元协同纳米界面材料”这一新概念，即将两种性质不同的粒子组合在一个“界面”上，从而使材料具有了新特性。 更加令人惊叹的应用应该是，可以应用纳米技术改变碳原子的排列结构，能把廉价的石墨变成价值连城的钻石。科学家发现，当材料组成的精度达到纳米级时，物质就能表现出一些新特性，从而为新材料的产生创造条件，石墨和钻石同是碳单质，于是相互转化也成为了可能。 最后，目前国内外科技界已普遍认为，纳米技术已成为当今研究领域中最富有活力，对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象。纳米科技正在推动人类社会产生巨大的变革，它不仅将促使人类认识的革命，而且将引发一场新的工业革命。 （四） 参考链接 1./z/q104348593.htm 2./view/84953.htm 3./view/3585.htm 4./jnt1130/blog/static/95216490/ 5./cnodc/syxx/cnodc_xl.jsp?bsm=03BFDA132.0000034F.52BF&db=cnodcsykj 6./cn/applicationTechnology/detail.aspx?linkid=11 7./articles/070801/1/1z2t_2.html

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