纳米材料与纳米涂层简介-2.pdf

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1、纳米材料与纳米涂层简介编写一、什么是纳米材料-9纳米（nanometer）是一个度量单位，1纳米（nm）等于10米，即百万分之一毫米、十亿分之一米。1nm相当于头发丝直径的10万分之一。纳米材料（nanomaterial），简单地说，就是指用微粒尺寸为纳米级（大小为1—100nm）的微小颗粒制成的各种材料。这些微粒被称为纳米粒子（nanoparticle），也叫超微颗粒。它们是处在原子、分子和宏观物体之间的过渡区域。过去人们只注意到微观的原子、分子和宏观世界，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界（第一个真正认识到它的性能

2、并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料）。二、纳米粒子的特性从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统，亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。（1）表面效应材料科学已经指出，处于固体材料表面

3、上的原子状态与处于内部的原子有明显不同，表面原子的键合状态是不完整的，它们处于较高的能量状态，因此具有较大的化学活性、较高的与异类原子化学结合的能力，较强的吸附能力。表面原子的特性对材料的扩总体性能会有一定的作用，只不过对大块材料而言，其表面原子数相对总原子数太少，这种作用可以忽略，但当颗粒尺寸小到纳米尺度时表面原子相对数量已相当大，表面原子的作用再也不能忽略了。（2）小尺寸效应当超微颗粒的尺寸小到纳米尺度，并与某些物理特征尺寸，如德布罗意波长、电子自由程、磁畴、超导态相干波长等相接近时，由于晶体的周期性边界条件被破坏，使原大块材料所具有

4、的某些电学、磁学、光学、声学、热学性能发生重大改变，或者说某些物理性能随尺寸减小可能发生突变，这种效应称小尺寸效应。（3）量子尺寸效应当颗粒尺寸小到纳米尺度时，固体原子中费米能级附近的电子所处的能级由准连续态变为分裂的能级状态，即久保（kubo）效应。久保得出，纳米材料与纳米涂层简介编写式中，δ为分裂能级的能量间隔大小；Ef为费米能级的大小；N为固体颗粒中的总电子数。当颗粒尺寸大时，N很大，δ很小并接近于零，因此可看成是准连续状态；当颗粒尺寸进入纳米尺度，特别是几个纳米时，N值大大减少，此时δ值增大，并可能超过热能、磁能、静磁能、静电能、

5、超导态凝聚态能、光子等的量子能量，这时将导致一系列物理性能的重大变化，甚至发生本质上的变化，这种变化称之为量子尺寸效应。上述表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应都与颗粒尺寸有关，都在1—100nm尺度范围中显示出来，可统称为纳米效应，这些效应强烈反应的尺寸范围有所不同，对不同的性能影响的尺度范围也有所不同。三、纳米材料的特殊的结构与性能由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得纳米材料在磁、光学、电学、力学及化学等方面呈现常规材料不具备的特性（如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料）。纳

6、米固体中的原子排列既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、长程有序的气体状固体结构，是一种介于固体和分子间的亚稳中间态物质。因此，一些研究人员把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的第三态晶体材料。正是由于纳米材料这种特殊的结构，使之产生四大效应，即小尺寸效应、量子效应（含宏观量子隧道效应）、表面效应和界面效应，从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性。当金属或非金属被制备成小于100纳米的粉末时，其物理性质就发生了根本的变化，具有高强度、高韧性、高比热、高导电率、高扩散率、磁化率及对电磁波具有强吸收性等，据

7、此可制造出具有特定功能的产品。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍，气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中快几千倍；纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材料提高10倍，纳米颗粒材料与生物细胞结合力很强，为人造骨质的应用拓宽了途径等等。又如纳米陶瓷（增强增韧）。1986年德国科学家首先在实验室中发现在真空室中原位压制而成的纳米TiO2陶瓷材料具有常温下的韧性和塑性，曾引起了陶瓷界的轰动，科学家们预言，纳米技术可能是解决陶瓷脆性的最有希望的途径，同时掀起了世界范围内纳米增强增韧陶瓷的研究热潮，各种纳米陶瓷材料的制备方法、纳米陶瓷

8、超微粉的成型技术、包括微波加热在内的快速烧结方法等工艺技术迅速发展，但是到目前为止，尽管可以做出晶粒比100nm还细的纳米结构陶瓷或纳米复相陶瓷试样，但其强度和韧性的提高与人们的期盼仍相距甚远