納米材料及其應(yīng)用前景

1、納米材料及其應(yīng)用前景重慶工商大學(xué)環(huán)境與生物工程學(xué)院 傅敏 Prof. Dr. FuMin College of environmental and biological engineering Chongqing Technology and Business University Tel:Email: 引 言 諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feyneman在六十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話(huà)，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說(shuō)的材料就是現(xiàn)在的納米材料。 材料與社會(huì)的發(fā)展 材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)化和人類(lèi)文明的里程碑

2、，是人類(lèi)賴(lài)以生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。因?yàn)閷?duì)材料的認(rèn)識(shí)和利用能力，決定著社會(huì)的形態(tài)和人類(lèi)生活的質(zhì)量，所以，歷史學(xué)家往往用制造工具的原材料作為歷史分期的標(biāo)志。 化學(xué)與材料化學(xué)：化學(xué)是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、件能、反應(yīng)和應(yīng)用的學(xué)科。材料 ： 材料是人們利用化合物的某些功能來(lái)制作物件時(shí)用的化學(xué)物質(zhì)?；瘜W(xué)與材料的關(guān)系： 化學(xué)是材料發(fā)展的源泉，而材料又為化學(xué)發(fā)展開(kāi)辟了新的空間?；瘜W(xué)與材料保持著相互依存、相互促進(jìn)的關(guān)系。 材料的分類(lèi) 世界各國(guó)對(duì)材料的分類(lèi)不盡相同，若按照材料的使用性能來(lái)看，可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料，從材料的應(yīng)用對(duì)象來(lái)看有可以分為信息材料、能源材料、

3、建筑材料、生物材料、航空材料等多種類(lèi)別，但就大的類(lèi)別可以分為金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類(lèi)。無(wú)機(jī)非金屬材料 無(wú)機(jī)非金屬材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無(wú)機(jī)材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷及天然礦物材料等。傳統(tǒng)無(wú)機(jī)非金屬材料 水泥 水泥呈粉末狀，當(dāng)它與水混合后成為可塑性漿體，經(jīng)一系列物理化學(xué)作用凝結(jié)硬化變成堅(jiān)硬石狀體，并能將散粒狀材料膠結(jié)成為整體。水泥漿體不僅能在空氣中硬化，還能在水中硬化、保持并繼續(xù)增長(zhǎng)其強(qiáng)度，故水泥屬于水硬性膠凝材料。 通用水泥、專(zhuān)用水

4、泥和特性水泥三大類(lèi)。通用水泥用于大量土建工程的一般用途；有硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥以及礦渣的、火山灰質(zhì)的、粉煤灰的、復(fù)合的硅酸鹽水泥六個(gè)品種。專(zhuān)用水泥則指有專(zhuān)門(mén)用途的水泥如油井的、大壩的、砌筑的等。特性水泥是指某種性能較突出的水泥，如快硬的、低熱的、抗硫酸鹽的、膨脹的、自應(yīng)力的等。按水硬性礦物分類(lèi)，有硅酸鹽的、鋁酸鹽的、硫酸鹽的、少（無(wú)）熟料的等。水泥品種已有100多種。玻璃 玻璃是由熔融物冷卻、硬化而得到的非晶態(tài)固體。其內(nèi)能和構(gòu)形熵高于相應(yīng)的晶體。其結(jié)構(gòu)為短程有序，長(zhǎng)程無(wú)序。從熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時(shí)有一轉(zhuǎn)變溫度Tg。廣義的玻璃包括無(wú)機(jī)玻璃、有機(jī)玻璃、金屬玻璃等；狹義上僅指無(wú)機(jī)玻璃，最常見(jiàn)的是硅

5、酸鹽玻璃。這里主要談無(wú)機(jī)玻璃。玻璃制品的分類(lèi) 無(wú)機(jī)玻璃的化學(xué)組成包括有眾多元素的氧化物或非氧化物。（1）普通玻璃 普通玻璃是以硅酸鹽系統(tǒng)為主要基礎(chǔ)的傳統(tǒng)玻璃。包括有平板玻璃、日用玻璃、光學(xué)玻璃、電真空玻璃、點(diǎn)光源玻璃、玻璃纖維等。（2）特種玻璃 隨著社會(huì)和科學(xué)的發(fā)展，在玻璃材料科學(xué)領(lǐng)域中，由于某些新品種是根據(jù)特殊用途專(zhuān)門(mén)研制的，其成分、性能、制造工藝均與一般工業(yè)和日用玻璃有所差別，它們往往被歸入專(zhuān)門(mén)的一類(lèi)，叫做特種玻璃。這些特種玻璃逐漸脫離了傳統(tǒng)玻璃的基礎(chǔ)系統(tǒng)范圍。常見(jiàn)的特種玻璃有光子學(xué)玻璃、微晶玻璃、生化玻璃、溶膠凝膠玻璃等。中空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖圖6中空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖 空心玻璃磚用于建筑隔斷熱

6、反射玻璃在建筑物上大量使用陶瓷 陶瓷是指以天然或人工合成的無(wú)機(jī)非金屬物質(zhì)為原料，經(jīng)過(guò)成形和高溫?zé)Y(jié)而制成的固體材料和制品。陶鷹鼎仰韶文化廟底溝類(lèi)型 高36cm 三彩我國(guó)古代陶器中一顆璀燦的明珠 日用陶瓷盤(pán)子 建筑陶瓷墻面磚化工陶瓷 結(jié)構(gòu)陶瓷陶瓷刀 功能陶瓷電子陶瓷 飾面瓦魚(yú)鱗瓦圖6-電瓷絕緣子氧化鋅避雷器 新型無(wú)機(jī)非金屬材料 傳統(tǒng)的無(wú)機(jī)非金屬材料具有抗腐蝕、耐高溫等許多優(yōu)點(diǎn)，但也有質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊等弱點(diǎn)。新型無(wú)機(jī)非金屬材料繼承了傳統(tǒng)材料的許多優(yōu)點(diǎn)，并克服某些弱點(diǎn)，使材料具有更加優(yōu)異的特性，用途更加廣泛。新型無(wú)機(jī)非金屬材料的特性有：1能承受高溫，強(qiáng)度高。2具有電學(xué)特性。3具有光學(xué)特性。4具有生

7、物功能。 氧化鋁陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、硬度大、高頻介電損耗小、高溫絕緣電阻高、耐化學(xué)腐蝕性和導(dǎo)熱性良好等優(yōu)良綜合技術(shù)性能，以及原料來(lái)源廣、價(jià)格相對(duì)便宜、加工制造技術(shù)較為成熟等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛應(yīng)用于電子、電器、機(jī)械、化工、紡織、汽車(chē)、冶金和航空航天等行業(yè)，成為目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。 紡織瓷件 氧化鋁陶瓷電阻 氧化鋁髖關(guān)節(jié) 高純氧化鋁透明陶瓷管 高壓鈉燈氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的性能：作為一種理想的高溫結(jié)構(gòu)材料，最主要的應(yīng)具備如下性能：（1）強(qiáng)度好、韌性好；（2）抗氧化性好；（3）抗熱震性好；（4）抗蠕變性好；（5）結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好；（6）抗機(jī)械振動(dòng)。 氮化硅除抗機(jī)械振動(dòng)性能和韌性相對(duì)比較差外

8、，其余幾種性能都優(yōu)于一般陶瓷，曾被譽(yù)為“像鋼一樣強(qiáng)，像金鋼石一樣硬，像鋁一樣輕”。由于制備工藝不同和所獲得顯微結(jié)構(gòu)的差別，Si3N4陶瓷的綜合性能有很大的變化。各中資料所提供的數(shù)據(jù)繁多，下面僅介紹一般參考值。 氮化硅陶瓷刀具氮化硅軸承球氮化硅陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子 氮化硅陶瓷吸管光導(dǎo)纖維 光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)造的奇跡之一，是使光像電流一樣沿著導(dǎo)線(xiàn)傳輸。不過(guò)，這種導(dǎo)線(xiàn)不是一般的金屬導(dǎo)線(xiàn)，而是一種特殊的玻璃絲，人們稱(chēng)它為光導(dǎo)纖維，又叫光學(xué)纖維，簡(jiǎn)稱(chēng)光纖 。光纖通信的特點(diǎn)（1）傳輸頻帶極寬，通信容量很大。（2）傳輸衰減小，可用于遠(yuǎn)距離無(wú)中斷傳輸。（3）信號(hào)串?dāng)_少，傳輸質(zhì)量高。（4）抗電磁干擾，保密性好。（5）

9、光纖尺寸小，質(zhì)量輕，便于運(yùn)輸和鋪設(shè)。（6）耐化學(xué)侵蝕，適用于特殊環(huán)境。（7）原料資源豐富。（8）節(jié)約有色金屬。光纖導(dǎo)管胃鏡 利用光纖作手術(shù) 光纖式傳感器 光纖式傳感器 金屬材料 金屬是指具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有一定的強(qiáng)度和塑性的并具有光澤的物質(zhì)，如銅、鋅和鐵等。而金屬材料則是指由金屬元素或以金屬元素為主組成的具有金屬特性的工程材料，它包括純金屬和合金兩類(lèi)。 合金材料是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的材料，如黃銅是由銅和鋅兩種金屬組成的合金。與組成合金的純金屬相比，合金具有更好的力學(xué)性能，還可通過(guò)調(diào)整組成元素之間的比例得到一系列性能不同的合金，從而滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)上不同性能的要求。

10、金屬材料，尤其是鋼鐵材料在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)方面都有重要的作用，它們的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，開(kāi)創(chuàng)了人類(lèi)物質(zhì)文明的新紀(jì)元，加速了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展的歷史進(jìn)程。可以毫不夸張地說(shuō)，離開(kāi)了金屬材料的“鋼筋鐵骨”，世界將變得面目全非。 金屬材料通?？梢苑譃閮纱箢?lèi)：黑色金屬和有色金屬。黑色金屬是指鐵、鉻、錳，而有色金屬指指除鐵、鉻、錳（黑色金屬）之外的其他金屬，如銅、鋅、鋁等 。 有色金屬大體上可以分為重有色金屬、輕有色金屬、貴金屬、稀有金屬和半金屬等（見(jiàn)圖6-）。其中重金屬的密度較大，一般在6600kgcm2以上，輕金屬的密度都在4gcm2以下，且化學(xué)性質(zhì)活潑，而貴金屬的共同特點(diǎn)則是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，密度大（1022gcm

11、2），熔點(diǎn)較高。天然高分子材料 纖維素(cellulose) 1839年：法國(guó)的科學(xué)家佩因（apayen）在研究從植物中提取某種化合物的過(guò)程中分離出了一種物質(zhì)并把它稱(chēng)為纖維素。纖維素是世界上最豐富的天然有機(jī)物，占植物界碳含量的50以上。棉花的纖維素含量接近100,為天然的最純纖維素來(lái)源。一般木材中,纖維素占4050,還有1030的半纖維素和2030的木質(zhì)素。此外，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來(lái)源。 纖維素的分子式是(C6H10O5)n，由D-葡萄糖以-1，4糖苷鍵組成的大分子多糖，分子量500002500000,相當(dāng)于30015000個(gè)葡萄糖基。 不溶于水及一般有機(jī)溶劑。是植物細(xì)

12、胞壁的主要成分。具有(C6H10O5)n的組成。是維管束植物、地衣植物以及一部分藻類(lèi)細(xì)胞壁的主要成分。醋酸菌（Acetobaeter）的莢膜，以及尾索類(lèi)動(dòng)物的被囊中也發(fā)現(xiàn)有纖維素的存在，棉的種子毛是高純度98%的纖維素。木質(zhì)素(lignin) 木質(zhì)素是一種復(fù)雜的、非結(jié)晶性的、三維網(wǎng)狀酚類(lèi)高分子聚合物，它廣泛存在于高等植物細(xì)胞中，是針葉樹(shù)類(lèi)、闊葉樹(shù)類(lèi)和草類(lèi)植物的基本化學(xué)組成之一。 甲殼素(chitin)和殼聚糖(chitosan) 甲殼素(Chitin)又名甲殼質(zhì)，殼多糖，殼蛋白，是法國(guó)科學(xué)家布拉克諾(Braconno)1811年首先從蘑菇中提取到一種類(lèi)似于植物纖維的六碳糖聚合體，把它命名為Fu

13、ngine（蕈素）。1823年，法國(guó)科學(xué)家歐吉爾(Odier)在甲殼動(dòng)物外殼中也提取了這種物質(zhì)，并命名為chitoin（幾丁質(zhì)），chitoin希臘語(yǔ)原意為外殼、信封的意思。1894年F.Hoppe-Seiler把經(jīng)過(guò)化學(xué)修飾過(guò)的chitin叫做殼聚糖(chitosan)。 合成高分子材料 說(shuō)起高分子材料，普通人也許會(huì)覺(jué)得莫測(cè)高深，其實(shí)我們身邊到處都是它們的身影。 無(wú)論是作為食物的蛋白質(zhì)還是作為織物的棉、毛和蠶絲都是天然高分子材料，就連人體本身，基本上也是由各種生物高分子構(gòu)成的。我國(guó)在開(kāi)發(fā)天然高分子材料方面曾走在世界領(lǐng)先水平。利用竹、棉、麻等纖維等高分子材料造紙是我國(guó)古代的四大發(fā)明之一。另外，

14、利用桐油與大漆等高分子材料作為油漆、涂料制作漆制品也是我國(guó)古代的傳統(tǒng)技術(shù)。 高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的高分子化合物的簡(jiǎn)稱(chēng)。高分子的分子量從幾千到幾十萬(wàn)甚至幾百萬(wàn)，所含原子數(shù)目一般在幾萬(wàn)以上，而且這些原子是通過(guò)共價(jià)鍵連接起來(lái)的。 高分子化合物由于分子量很大，分子間作用力的情況與小分子大不相同，具有特有的高強(qiáng)度、高韌性、高彈性等，從而可以作為材料使用。 功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料及化學(xué)功能高分子材料。前者如導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、壓電及熱電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等；后者如反應(yīng)性高分子、離子交換樹(shù)脂、高分子分離膜、高分

15、子催化劑、高分子試劑及人工臟器等，此外還有生物功能和醫(yī)用高分子材料，如生物高分子、模擬器、高分子藥物及人工骨材料等。 高分子特性：同樣由于高聚物的分子量很大，所以其力學(xué)性質(zhì)、熱性質(zhì)、溶解性等與小分子化合物大為不同。 力學(xué)性質(zhì)：低分子一般沒(méi)有強(qiáng)度，是結(jié)晶性的硬固體。而高分子的性質(zhì)變化范圍很大，從軟的橡膠狀到硬的金屬狀。有很好的強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、彈性、硬度、耐磨性等力學(xué)性質(zhì)。高分子的相對(duì)密度小(0.91-2.3)，因而其比強(qiáng)度可與金屬匹敵。 熱性質(zhì)：低分子有明確的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)，可成為固相、液相和氣相。 高分子分熱塑性和熱固性?xún)深?lèi)，熱塑性高分子加熱時(shí)在某個(gè)溫度下軟化(或融解)、流動(dòng)，冷卻后成形；而熱固

16、性高分子加熱時(shí)固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而成形。 溶解性：低分子溶解很快，但高分子都很慢，通常要過(guò)夜，甚至數(shù)天才能觀察到溶解。高分子溶解的第一步是溶脹，由于高分子難以擺脫分子間相互作用而在溶劑中擴(kuò)散，所以第一步總是體積較小的溶劑分子先擴(kuò)散入高分子中使之脹大。如果是線(xiàn)形高分子，由溶脹會(huì)逐漸變?yōu)槿芙猓蝗绻墙宦?lián)高分子，只能達(dá)到溶脹平衡而不溶解。因此一般來(lái)說(shuō)，高分子有較好的抗化學(xué)性，即抗酸、抗堿和抗有機(jī)溶劑的侵蝕。 高分子的溶解性受化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、結(jié)晶性、支化或交聯(lián)結(jié)構(gòu)等的影響?？偟膩?lái)說(shuō)有如下關(guān)系。分子量越高，溶解越難；結(jié)晶度越高，溶解越難；支化或交聯(lián)程度越高，溶解越難。塑料（plastics） 塑料,又稱(chēng)合

17、成樹(shù)脂,是指以樹(shù)脂（或在加工過(guò)程中用單體直接聚合）為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤(rùn)滑劑，著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過(guò)程中能流動(dòng)成型的材料。 塑料主要有以下特性：大多數(shù)塑料質(zhì)輕，化學(xué)穩(wěn)定性好，不會(huì)銹蝕；耐沖擊性好；具有較好的透明性和耐磨耗性；絕緣性好，導(dǎo)熱性低；一般成型性、著色性好，加工成本低；大部分塑料耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒；尺寸穩(wěn)定性差，容易變形；多數(shù)塑料耐低溫性差，低溫下變脆；容易老化；某些塑料易溶于溶劑。各類(lèi)塑料制品合成橡膠(synthetic rubber) 合成橡膠是人工合成的高彈性聚合物，以煤、石油、天然氣為原料，便宜易得，而且品種很多，并可按工業(yè)、公交運(yùn)輸?shù)男枰铣筛?/p>

18、種具有特殊性能(如耐熱、耐寒、耐磨、耐油、耐腐蝕等)的橡膠，因此目前世界上合成橡膠的總產(chǎn)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了天然橡膠。順丁橡膠原料氯丁橡膠制成的扁平電纜氟橡膠密封墊圈合成纖維（synthetic fibre） 合成纖維是化學(xué)纖維的一種。以小分子的有機(jī)化合物為原料，經(jīng)加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)合成的線(xiàn)型有機(jī)高分子化合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。從纖維的分類(lèi)可以看出它屬于化學(xué)纖維的一個(gè)類(lèi)別。涂料與膠粘劑輪胎簾子線(xiàn)（合成纖維）編制的子午線(xiàn)輪胎 滌綸面料航天器用降落傘 納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9米)的超細(xì)材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩

19、個(gè)部分：一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子二是粒子間的界面。前者具有長(zhǎng)程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒(méi)有長(zhǎng)程序也沒(méi)有短程序的無(wú)序結(jié)構(gòu)。 納米材料 1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國(guó)阿貢試驗(yàn)室的Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到納米微晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1990年7月在美國(guó)召開(kāi)的第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。 從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來(lái)說(shuō)，它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。在納米材料中，界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周?chē)?/p>

20、的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 在納米材料中，納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個(gè)重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無(wú)限長(zhǎng)程有序，通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級(jí)，高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。 納米相材料跟普通的金屬、陶瓷，和其他固體材料都是由同樣的原子組成，只不過(guò)這些原子排列成了納米級(jí)的原子團(tuán)，成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。其常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100 nm，包含的原子不到幾萬(wàn)個(gè)。一個(gè)直徑為3 nm的原子團(tuán)包含大約900個(gè)原子，幾乎是英文

21、里一個(gè)句點(diǎn)的百萬(wàn)分之一，這個(gè)比例相當(dāng)于一條300多米長(zhǎng)的帆船跟整個(gè)地球的比例。納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其相應(yīng)發(fā)展起來(lái)的納米技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。 納米材料的特性 納米材料的表面效應(yīng)納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。 粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，故具有很高的化學(xué)活性。納米材料的體積效應(yīng) 由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無(wú)限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說(shuō)明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱(chēng)之為體積效應(yīng)。其中有名的久保理論就是體積效應(yīng)