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纳米材料  
纳米材料
资料类型: 暂无
关键词: 纳米  材料  
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所属学科: 功能高分子
来源: 来源网络
简介:
1984年德国H.Gleiter首先研制出纳米微粒,并由纳米级超细微粒压制烧结,得到一种人工凝聚态固体,这是一种新型的固体材料,称为纳米材料,即指材料的晶粒和晶界等显微结构都能达到纳米级尺度的材料。 纳米微粒一般在1~100 nm之间,其粒度介于原子簇和超细微粒间,处于宏观物体和微观粒子交界的过渡区域,因而具有许多既不同于宏观物体、又不同于微观粒子的特性。从结构上看,纳米固体中包含纳米级粒度的颗粒组元及颗粒间的界面组元。由于颗粒极小,使得界面组元的占总量的比例显著增加。例如,当纳米微粒直径为5 nm时,材料中的界面组元体积约占总体积的50%,即组成材料的原子约有一半是分布在界面上。这些原子排列的无序度、混乱度均较传统的晶态与非晶态为高,因而界面组元的结构既与晶体(特征是“长程有序”),也与非晶体 (“长程无序、短程有序”)不同,而是一种长、短程均无序的“类气体”的固体结构。 正是从上述的结构特征出发,纳米固体具有与晶态、非晶态和原子簇等不同的物理—化学特性。这些新特性来源于两个方面,即表面效应与体积效应。 表面效应是指微粉的粒径越小,其总表面积越大;表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大。如当粒径为10 nm(总原子数为3×104)时,表面原子数/总原子数=0.20;而当粒度减小到l nm(总原子数为30)时,这一比值急剧上升到0.991表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,具有很大的活性;晶粒的微粒化随着这种活性的表面原子增多,使其表面能也大大增加。这对纳米微粉的扩散、烧结等动力学过程和熔点都有较大的影响。 体积效应主要表现在两个方面:一是物质体积的缩小虽不会引起物质物性基本参量的变化,但会使那些与体积有关的物性发生变化,如磁体的磁畴变小,半导体中电子的自由路程变短,等等;二是物质一般具有由无限个原子组成的物质属性,而纳米粒子则表现出有限个原子集合体的特性。如金属固体中的连续能带是由近于无限的电子能级组成,称为能带;但在纳米粒子中电子的数量是有限的,因而能带是不连续的,这是造成电子的自旋配置和光吸收等异常物性的原因。纳米微粒在低温下几乎没有热阻,导热性极好;光吸收好,粒径小于100 nm的金属超微粉末,大部分呈黑色,随着粒子的微细化,金属超导临界温度Tc逐渐提高,等等。 目前制备纳米微粒的方法有物理法、化学法和综合方法三大类。物理法中包括蒸发冷凝法、机械研磨法、离子溅射法、低温等离子体法等。近年来,研磨法中的高能球磨法制备纳米材料有了新的进展。1988年,日本首先报道利用该法制备A1-Fe纳米晶体材料,找到了一条制备纳米材料实用化的途径。实践证明,高能球磨法易使体心立方和密集六方结构的纯金属制成纳米晶体结构,而具有面心立方结构的金属,则较难形成这类晶体。高能球磨法还可较易制得若干高熔点和互不相溶系统(包括室温和液态时)的亚稳相金属的纳米结构。化学方法主要有水解法、水热法和熔融法等,其中以盐类水解法用得较多。例如烷氧基金属有机化合物(如Ti(OC2H5)4等)的水解,通常要经历水解、缩聚两个主要过程,缩聚中金属氢氧化物经脱水而形成无机网络,生成的水和醇从系统中挥发而造成网络的多孔性。这样得到的一般是低黏度的溶胶,将其放置于模具中成型或成膜后,溶胶中颗粒逐渐交联而形成三维结构的网络,开始了溶胶的胶凝化过程:溶胶的黏度明显增大,最终成为坚硬的玻璃体。如在适当的黏度下对凝胶进行抽丝,则可得到纤维状材料。此外,还需对凝胶进行陈化、干燥等处理,以避免开裂现象出现。这一过程,通称“溶胶—凝胶法”(Sol-gel法)。综合方法主要有:激光诱导化学沉淀法、等离子加强化学沉淀法。 目前常用的方法是蒸发冷凝加原位加压法。这种方法是在一个装有加热器和冷却棒的超真空密封室内充入低压稀有气体(如He或厶r),将初始材料置人坩埚内,由加热器加热,令其蒸发,初始材料原子与稀有气体原子相互碰撞并沉积于冷阱上,形成粒度为几纳米的松散粉末。将其收集在专门的装置中,施加5~10 MPa的压力即可制得纳米材料。Fe、Cu、Au和Pd等纳米晶体材料的平均晶粒粒度在5~10 nm间,其密度可达理论密度的80%~90%!如同时蒸发数种初始材料,则可制得复合纳米固体。 纳米材料有奇特的物理、化学和生物学的性质。最引人注目的是纳米材料的熔点特别低。例如,块状的金熔点是1064℃,而纳米金的熔点只有330℃,降低了734℃;又如纳米级银微粉的熔点由块状银的962℃降低为100℃。这一特性不仅可使低温条件下烧结成合金(粉末冶金)成为现实,而且可望将一般互不相溶的金属冶炼成合金;制成质量轻、韧性好等特殊性能的超级钢g特种合金。对于需要在高温烧结的材料,如SiC、WC和BN等制成纳米材料后,便可使它们的烧结温度大为降低。若干因熔点不同、相变温度不同难以烧结成复相材料的特殊组分,形成纳X微料后因其熔点下降、相变温度降低,则可在较低温度下进行固相反应,而得到烧结性能良好的复相材料。 陶瓷材料因性脆、烧结温度高等缺点,限制了其应用范围,而纳米陶瓷则具有很好的韧性和延展性能。室温下合成的纳米TiO2陶瓷在80~180℃范围内可产生高达100%的塑性变形,韧性极好,由于烧结温度降低,能在比一般陶瓷低600℃温度下达到后者相似的硬度。如在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成型,再作表面退火处理,就能得“表硬内韧”的新材料——表面保持一般陶瓷的硬度,内部则具有纳米材料的韧性和延展性的高性能陶瓷。 纳米材料的表面积大,表面活性高,可制备各种高性能的催化剂。例如,N1或Cu-Zn的纳米颗粒对某些不饱和键的氢化反应是极好的催化剂,可代替昂贵的铂或钯催化剂;用纳米镍粉作火箭固体燃料反应催化剂,可使燃料的燃烧效率提高100倍。有人认为用纳米颗粒直接做成火箭固体燃料,将会产生更大的推力。 氧化物纳米颗粒的特点是在电场作用或光照射下迅速改变颜色。平常人们戴的变色眼镜含有光敏材料卤化银的物质,当光(特别是紫外光)照射时AgX分解而使玻璃黑化;无光照射时Ag又与卤素原子重新结合为AgX。这一可逆过程可经历数十万次而变色性不变。但发生黑化与褪色的速度慢,而用纳米氧化物制成的变色镜则可大大提高显色—褪色的速度,用于战士防护激光枪的眼镜最为理想。如将纳米氧化物做成广告板,在电、光的作用下,会变得更加绚丽多彩、五色斑烂。 半导体纳米材料的特性是可以发出各种颜色的光,可制成超小型的激光光源。它还可以吸收太阳光中的光能,并使之直接转变为电能。这种技术一旦实现,太阳能汽车、太阳能住宅等,就会使人类的生活大为改观,居住的环境更美,空气更加清新。利用特种半导体纳米材料使海水淡化的技术已在严重缺乏淡水的中东地区首先得到应用。半导体纳米材料NiO、FeO、CoO、CoO-Al2O3和SiC等载体温度效应引起的电阻变化,可制成温度传感器。利用纳米ZrO2、SnO2和g-Fe203等半导体性质,可制成氧敏传感器;用纳米LiNbO3、LiTiO3、SrTi03等的热电效应,可制得红外检测传感器等。总之,半导体纳米材料的应用领域是十分广阔的。 磁性纳米微粒具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性,用其作磁记录材料可大大提高信噪比,改善音质图像质量;而其具有对电磁波在较宽范围的强吸收特性,使其成为性能优异的隐身材料,可用于战略轰炸机、导弹等的反雷达装备中。 纳米材料还可以广泛应用于生物和医药领域中。纳米微粒比人体中红血球(6~9 mm)小得多,可在血液中自由运动。因此,注入各种对人体无害的纳米微粒可直接到达体内的任一部位,以检察病变、对症治疗。将不易为人体吸收的药物(如维生素等)制成纳米微粉或其悬浮液,则极易吸收;如将其做成药膏贴在患处,药物可经皮肤直接吸收而无须注射,省去了注射感染等之苦。纳米微粒还可用于人体的细胞分离或细胞染色,也可用来携带DNA进行DNA治疗基因缺陷症。最近的试验,如将药物放人磁性纳米微料内部,并在体外加以导向,使药物集中到患病的组织中,则可利用纳米药物阻断毛细血管而“饿死”癌细胞,将大大地提高药物治疗的效果。 我国早在春秋战国到三国期间制成的“黑漆”古铜镜,其表面层就由一种纳米晶体Sn1-xCuxO2组成的优异耐磨耐蚀层,而成为我国古代青铜文化的杰出代表。但自觉地研制纳米微粒始于1986年,1987年起开始纳米固体的研制。国内研制的形变率为400%的超塑性ZrO2陶瓷,超过了日本的相应指标。继美、德之后,我国还开发了可保持清洁界面的真空制压设备。在研制吸收材料方面取得了突破性地进展,并投入应用;在纳米电子学、纳米机械与工程学、纳米生物学等众多领域开展了深入的研究,应用上也有长足的进展。 最近,据《人民日报》报道,纳米ZnO在陕西形成产业。纳米ZnO是一良好的紫外线屏蔽剂;在陶瓷中添加少量的ZnO,不用擦洗也能自洁;用它制作织物,有治臭、杀菌功能。 美国科学家曾根据实验推测,单壁纳米碳管的储氢能力在10%以上,但未得到实验支持。 中国科学院年轻的研究员成会明小组用新方法快速合成大量的高质高纯的碳纳米管。该管直径粗,在室温下,即有储氢性能,储氢能力在4%以上,至少是稀土合金的2倍。实验证实,常温常压下约2/3的氢能可从这些被多次利用的材料中放出。国际权威刊物认为,“这是世界范围内迄今为止最令人信服的结果”。其应用前景十分诱人:理想的储氢材料,作为氢能可驱动汽车、驾驶飞机;可制成性能极好的细微探针和导线;可制作性能更好的增强材料;它使壁挂电视成为可能,甚至可代替硅制作芯片,而引发计算机行业的革命。 总之,纳米材料的出现给物理、化学和生物这些基础性学科以及工程技术领域内的众多学科带来了新的活力和课题,纳米技术必将成为21世纪最重要的技术。人们将在纳米尺寸上重新认识和改造客观世界。来源:互联网
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