纳米材料概述.pdf

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1、赵廷凯等：纳米材料概述2675纳米材料概述議赵廷凯，柳永宁，朱杰武(西安交通大学金属材料强度国家重点实验室，陕西西安710049)摘要：本文简述了纳米材料的基本概念、特性、制[20~31]2纳米材料的特性备方法、应用以及发展前景；同时介绍了我国纳米材料研究的现状和产业化的状况。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组关键词：纳米；纳米材料；新兴学科成。纳米量级物质颗粒的尺度已经很接近原子的大中图分类号：TB383文献标识码：A小，此时，“量子效应”开始影响到物质的性能和结文章编号：1001-9731（200

2、4）增刊-2675-04构。这样的系统是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。1引言2.1表面效应-9纳米(Nanometer)，是一个长度单位，为10m，表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数[1]大约3~4个原子的宽度。之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的纳米材料是一门新兴学科，它是指：材料微观结变化。因表面原子处于“裸露”状态，周围缺少相邻构在0~3维内其长度不超过100nm；材料中至少有一的原子，有许多空悬键，易于与其他原子结合而稳定，维处于纳米尺度范围~100

3、nm；具有纳米结构。它有具有较高的化学活性。如球形颗粒的表面积与直径的四种基本类型：纳米粒子原子团(零维)；纳米纤维和平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表纳米管(1维)；纳米层或膜(厚度<100nm)材料(2维)；面积与直径成反比，随着颗粒直径变小，比表面积将[2]块体纳米材料(3维)。按传统的材料科学体系划分，显著增大，表面原子所占的百分数将会显著增加，尤纳米材料又可进一步分为纳米金属材料、纳米陶瓷材其当颗粒直径小于0.1■m时，其表面原子百分数激剧2料、纳米高分子材料和纳米复合材料。纳米材料主

4、要增长，甚至1g超微颗粒表面积的总和可高达100m，由纳米晶粒和晶粒界面两部分结构组成，其晶粒中原这时表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面具有很高子的长程有序排列和无序界面成分的组成后有大量的活性，利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一253的界面(6°10m/10nm晶粒尺寸)，界面原子达15%~代高效催化剂和储气材料以及低熔点材料。[3~5]50%。纳米材料的独特结构，使其具有不同于常2.2量子尺寸效应规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值应、宏观量子隧道效应

5、等，从而导致了纳米材料的力时，费米能级附近的电子能级由准连续变为分散能级学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变，的现象。久保(Kubo)及其合作者提出相邻电子能级间并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日距和颗粒直径的关系，即著名的公式：δ＝4/3·EF/N[6,7]-1化诸多方面有重要价值，得到广泛的应用。∝V，其中δ为能级间距，EF为费米能级，N为总因此，纳米材料研究是目前材料科学研究的一个电子数。由于粒子尺寸很小，到一定程度后已无位错热点，已经在当今新材料研究领域中最富有潜力，并且晶界较宽

6、，表现出与粗晶不同的显著特性。[8~19]对未来经济和社会发展有十分重要影响。著名科2.2.1力学性能学家钱学森认为“纳米左右和纳米以下的结构将是下纳米材料比粗晶材料具有较高的硬度和强度，一一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从般致密纳米材料强度是常规材料的2~10倍。纯的纳而将引起21世纪又一次产业革命”。米材料表现出其韧性，如陶瓷材料在通常情况下是脆的，而纳米陶瓷材料却有良好的韧性；因纳米材料界*收稿日期：2004-06-05通讯作者：赵廷凯作者简介：赵廷凯，男，博士，主要从事纳米材料的研究Te

7、l:029-82671824E-mail:ztk-xjtu@163.com2676功能材料2004年增刊（35）卷面原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下很容相的溶液为出发点，通过各种途径使溶质与溶剂分易迁移，从而表现出甚佳的韧性与一定的延展性。当离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末颗粒尺寸很小时，纳米材料又表现出脆性。的前驱体，热解后得到纳米微粒。其主要方法有（1）2.2.2电磁学性能溶胶-凝胶法：将盐类溶解在有机溶剂中，通过水解纳米材料具有库仑阻塞效应、隧穿效应等。纳米聚合反应形成均匀的溶胶

8、（Sol），进一步反应并失去材料的比电阻比粗晶材料大，可能是由其宽晶界引大部分有机溶剂转化为凝胶（Gel），最后经热处理。）起。纳米材料的介电特性，纳米材料的介电常数或相（2）化学沉淀法：加入沉淀剂，在一定温度下使溶对介电常数比常规材料的高，并随颗粒粒径的减小而液水解形成不溶性化合物析出，再热解而得。（3）水降低，但随粒径的增大，介电常数先增加后降低。纳解法：利用化合物水解生成沉淀。米材料具有超顺磁性。纳米材料的