納米材料綜述要點

納米材料綜述一、根本定義納米科學技術(shù)的正式誕生。1、納米納米是一種長度單位，1納米=1×10-9米，即1米的十億分之一，單位符號為nm。2、納米技術(shù)納米技術(shù)是在單個原子、分子層次上對物質(zhì)的種類、數(shù)量和構(gòu)造形態(tài)進展準確的觀測、識別和掌握的技術(shù)，是在納米尺度范圍內(nèi)爭論物質(zhì)的特性和相互作用，并利用這些特性制造具有特定功能產(chǎn)品的多學科穿插的高技術(shù)。其最終目標是人類依據(jù)自己的意志直接操縱單個原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。納米技術(shù)的進展大致可以劃分為3個階段：1”以前主要是在試驗室探究各種納米粉體的制備手段，合成納米塊體(包括薄膜，爭論評估表征的方法，探究納米材料的特別性能。爭論對象一般局限于納米晶或納米相材料。其次階段(1990年～1994年人們關(guān)注的熱點是設(shè)計納米復(fù)合材料：納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合，納米復(fù)合薄膜(0-2第三階段(從1994年至今納米組裝體系爭論。它的根本內(nèi)涵是以納米顆粒的體系的爭論。3、納米材料材料根本構(gòu)成單元的尺寸在納米范圍即1~100納米或者由他們形成的材料就稱為納米材料。納米材料和宏觀材料迥然不同，它具有驚奇的光學、電學、磁學、熱學和力學等方面的性質(zhì)。1納米顆粒材料SEM二、納米材料的根本性質(zhì)由于納米材料是由相當于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正由于這樣，納米材料具有了一些區(qū)分于一樣化學元素形成的其他物質(zhì)材料特別的物理或是化學特性例如：其力學特性、電學特性、磁學特性、熱學特性等，這些特性在當前飛速進展的各個科技領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。科學家們和工程技術(shù)人員利用納米材料的特別性質(zhì)解決了很多技術(shù)難題，可以說納米材料特性促進了科技進步和進展。1、力學性質(zhì)高韌、高硬、高強是構(gòu)造材料開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典主題。具有納米構(gòu)造的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中位錯滑移和增殖不會發(fā)生，這就是納米晶強化效應(yīng)。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年歷史，由于金屬陶瓷的混合燒結(jié)和晶粒粗大的緣由其力學強度始終難以有大的提高。應(yīng)用納米技術(shù)制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領(lǐng)域占據(jù)了主導(dǎo)地位。使用納米技術(shù)制成的陶瓷、纖維廣泛地應(yīng)用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環(huán)境下使用。2、熱學性質(zhì)納米材料的比熱和熱膨脹系數(shù)都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)醯慕Y(jié)果。因此在儲熱材料、納米復(fù)合材料的機械耦合性能應(yīng)用方面有其廣泛的應(yīng)用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有猛烈的吸取作用，從而有效地將太陽光能轉(zhuǎn)換為熱能。3、電學性質(zhì)由于晶界面上原子體積分數(shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)金屬——絕緣體轉(zhuǎn)變〔SIMIT〕。利用納米粒子的隧道量子效應(yīng)和庫侖堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規(guī)半導(dǎo)體器件。2023年用碳納米管制成的納米晶體管，表現(xiàn)出很好的晶體三極管放大特性。并依據(jù)低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管爭論的深入進展，已經(jīng)成功研制出由碳納米管組成的規(guī)律電路。4、磁學性質(zhì)當代計算機硬盤系統(tǒng)的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這狀況下，感應(yīng)法讀出磁頭和一般坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應(yīng)為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關(guān)系，所以也可以用作型的磁傳感材料。高分子復(fù)合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸取系數(shù)比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸取系數(shù)至3FeBO3FeF31，從而在光磁系統(tǒng)、光磁材料中有著廣泛的應(yīng)用。納米材料的主要效應(yīng)由于納米材料具有明顯不同于體材料和單個分子的獨特性能--體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、外表界面效應(yīng)和宏觀隧道效應(yīng)等及它在電子、光學、化工、陶瓷、生物和醫(yī)藥等諸多方面的重要應(yīng)用而引起人們的高度重視。1、小尺寸效應(yīng)〔體積效應(yīng)〕當顆粒的尺寸與光波的波長、傳導(dǎo)電子的德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體原有的周期性及邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米微粒外表層四周原子密度減小，導(dǎo)致光、電、聲、磁、熱、力等物性發(fā)生嚴峻的變化，呈現(xiàn)出一種的體積效應(yīng)，其他性質(zhì)都是此效應(yīng)的延長。例如，光吸取顯著增加并產(chǎn)生吸取峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變：聲子譜發(fā)生轉(zhuǎn)變等。、量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)是指納米粒子尺寸下降到肯定值時，費米能級四周的電子能級由準連續(xù)變60年月Kubo中為能級間距，為費米能級，N〔即所含電子數(shù)N→∞〕，故常規(guī)材料的能級間距幾乎為零〔→0〕；而對納米粒子，因其含原子數(shù)有限，有肯定的數(shù)值，即能級發(fā)生了分裂.當能級的間距大于熱能、磁能、光子能量、超導(dǎo)態(tài)的分散能等典型能量值時，必定因量子效應(yīng)導(dǎo)致納米微粒的光、熱、電、磁、聲等特性與常對于TiO2，試驗爭論說明[3]，當TiO210nm化反響的量子產(chǎn)率快速提高；銳鈦礦相TiO23.8nm53nm27.2、外表效應(yīng)〔界面效應(yīng)〕外表效應(yīng)是指納米顆粒外表原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后引起的性質(zhì)上的變化。納米微粒尺寸小，外表能高，位于外表的原子占相當大的比例。隨著粒徑減小，外表原子數(shù)快速增加。這是由于粒徑小，10nm，比外表積為90m2/g；5nm180m2/g2nm450m2/g。這樣高的比外表積，使處于外表的原子數(shù)越來越多，同時外表能快速增加。由于外表原子數(shù)增多，原子配位缺乏及高的外表能，使這些外表原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很簡潔與其他原子結(jié)合而穩(wěn)定下來。4、宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有貫穿勢壘力量的效應(yīng)稱為隧道效應(yīng)。電子既具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來，人們覺察一些宏觀量，例如微粒的磁化強度、量子相關(guān)器件中的磁通量等也具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀體系的勢壘而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀的量子隧道效應(yīng)。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)一起，將會是將來微電子、光電子器件的根底，或者說它確定了現(xiàn)有微電子器件進一步微型化的極限。5介電限域效應(yīng)隨著納米晶粒粒徑的不斷減小和比外表積不斷增加，其外表狀態(tài)的轉(zhuǎn)變將會引起微粒性質(zhì)的顯著變化。例如，當在半導(dǎo)體納米材料外表修飾一層某種介電常數(shù)較小的介質(zhì)時，相對于暴露于半導(dǎo)體納米材料四周的其他介質(zhì)而言，被包覆的納米材料中電荷載體的電力線更易穿過這層包覆膜，從而導(dǎo)致它與暴露納米材料的光學性質(zhì)相比發(fā)生了較大的變化，這就是介電限域效應(yīng)。當納米材料與介質(zhì)的介電常數(shù)值相差較大時，將產(chǎn)生明顯的介電限域效應(yīng)。上述的小尺寸效應(yīng)、外表效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和介電限域效應(yīng)都是納米顆粒及納米固體的根本特征，這一系列效應(yīng)導(dǎo)致了納米材料在熔點、蒸氣壓、相變溫度、光學性質(zhì)、化學反響性、磁性、超導(dǎo)及塑性形變等很多物理和化學方面都顯示出特別的性能。它使納米材料呈現(xiàn)出很多奇異的物理、化學性質(zhì)。納米材料的進展與應(yīng)用借助于納米材料的各種特別性質(zhì)，科學家們在各個爭論領(lǐng)域都取得了性的突破，這同時也促進了納米材料應(yīng)用的越來越廣泛化。1材料科學領(lǐng)域無疑會是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。高熔點材料的燒結(jié)納米材料的小尺寸效應(yīng)(即體積效應(yīng)使得其在低溫下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結(jié)體(如SiC、WC、BC等，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結(jié)溫度低、流淌性大、滲透力強、燒結(jié)收縮大等燒結(jié)特性，所以它又可作為燒結(jié)過程的活化劑使用，以加快燒結(jié)過程、縮短燒結(jié)時間、降低燒結(jié)溫度。例如一般鎢粉需在3000℃高溫時燒結(jié)，而當摻入0.1%～0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)成形溫度可降低到1200℃～1311℃。復(fù)合材料的燒結(jié)由于不同材料的熔點和相變溫度各不一樣，所以把它們燒結(jié)成復(fù)合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應(yīng)和外表效應(yīng)，不僅使其熔點降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進展固相反響，得到燒結(jié)性能好的復(fù)合材料。納米陶瓷材料的制備 通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑格外小、熔點低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產(chǎn)出質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸取效應(yīng)，這些都將成為材料開拓應(yīng)用的一個嶄領(lǐng)域，并將會對高技術(shù)和材料的開發(fā)產(chǎn)生重要作2從蛋白質(zhì)、DNA、RNA1-100nm根本的東西。細胞中的細胞器和其它的構(gòu)造單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機械”，細胞就象一個個“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的構(gòu)造準確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反響等都是納米科技的完善典范。生物合成和生物過程已成為啟發(fā)和制造的納米構(gòu)造的源泉，爭論人員正效法生物特性來實現(xiàn)技術(shù)上的納米級掌握和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學爭論供給了的契機。目前已得到較好應(yīng)用的實例有：利用納米SiO2微粒實現(xiàn)細胞分別的技術(shù)，納米微粒，特別是納米金(Au粒子的細胞內(nèi)部染色，外表包覆磁性納米微粒的型藥物或抗體進展局部定向治療等。正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片和基因芯片(即DNA等，都具有集成、并行和快速檢測的優(yōu)點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動態(tài)檢測中覺察疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測和治療。各式納米機械系統(tǒng)可以快速地區(qū)分病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不損害正常的組織或去除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術(shù)或微制造。3、納米生物計算機開發(fā)生物計算機的主要原材料之一是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運算速度要比當今最一代計算機快10倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當于一般計算機的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質(zhì)分子能自我組合，再生的微型電路，從而使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)整機能、自動修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，還能使其仿照人腦的機制等。世界上第一臺生物計算機是由美國于199411則是另一類更高層次上的可以進展人機對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數(shù)十億次操作，屆時人類的勞動方式將產(chǎn)生徹底的變革。科技進展乃至整個社會文明進步產(chǎn)生巨大影響。4納米技術(shù)將對事領(lǐng)域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓練系統(tǒng)和戰(zhàn)場上的實時聯(lián)系；對化學、生物、核武器的納米探測系統(tǒng)；型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護力量；由納米微機械系統(tǒng)制造的小型機器人可以完成特別的偵察和打擊任務(wù)；納米衛(wèi)星可用一枚小型運載火箭放射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個角落，使戰(zhàn)場更加透亮。而納米材料在隱身技術(shù)上的應(yīng)用尤其引人注目。在雷達隱身技術(shù)中，超高頻(SHF，GHz段電磁波吸波材料的制備是關(guān)鍵。納米材料正被作為一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒外表原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸取頻帶展寬。高的比外表積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料制造了的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運動加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸取性能。美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達波的吸取率達99％，法國最近研制的CoNi納