納米材料概述
一、納米科技的誕生
著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德●費曼憧憬說:“如果有一天可以按人的意志安排一個個原子,將會產(chǎn)生怎樣的奇跡?”——小尺寸大世界
費曼預言,人類可以用小的機器制作更小的機器,最后將變成根據(jù)人類意愿逐個地排列原子,制造“產(chǎn)品”,這是關于納米技術最早的夢想。七十年代,科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想。
1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用35個氙(xian)原子排出“IBM”。
中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字,標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。
C60
1985年Smalley(2005.10去世)與英國的Kroto等人在瑞斯(Rice)大學的實驗室采用激光轟擊石墨靶,并用甲苯來收集碳團簇、通稱為C60。
二、納米材料的概念
納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構成的材料的單晶體或多晶體,由于晶粒細小,使其晶界上的原子數(shù)多于晶粒內(nèi)部,產(chǎn)生高濃度的晶界。
三、納米科技研究的重要性
納米科學和納米技術是21世紀最具發(fā)展前景和國際競爭力的高新產(chǎn)業(yè)之一,在21世紀將改變幾乎每一件人造物體的特性。材料性能的重大改變和制造模式方法的改變,將引發(fā)一場工業(yè)革命。
它從誕生起就迅速引起世界各國尤其是大國的重視和投資研究。
納米技術是跨世紀的新學科,是國際科學界工程技術界關注的熱點,是20世紀末興起的一個高科技領域。
納米技術將對面向21世紀的信息技術、生命科學、分子生物學、新材料等領域具有重大意義,它將會是一項重大的技術革命,必將引起21世紀的又一次產(chǎn)業(yè)革命。
納米科技的戰(zhàn)略地位
制定階段
美國:1998,克林頓總經(jīng)主持內(nèi)閣會議,訂立國家納米發(fā)展規(guī)劃;
日本:1999,森喜朗首相主持內(nèi)閣會議,訂立國家納米發(fā)展規(guī)劃;
中國:2000,朱镕基總理召見中科院副院長白春禮院士,成立國家納米發(fā)展協(xié)調領導小組。
實施階段
90年代初期,美國正式把納米技術列為“國家關鍵技術”,新世紀伊始,又發(fā)布了《納米技術:要引發(fā)下一場工業(yè)革命》。在其后的十年間相繼成功研發(fā)了各種新型納米粉體、納米芯片、納米傳感器等眾多具有代表性的產(chǎn)品;
歐洲在1993年提出的9項未來發(fā)展關鍵中,4項涉及納米技術;
日本也在大力積極參與到納米研究中,提出納米技術將作為重振日本經(jīng)濟的“立國之本”。
中國作為國際上為數(shù)不多的率先開展納米技術研究的國家,在納米領域取得了許多舉世矚目的成就。2001年,我國制定了《納米產(chǎn)品標準及技術標準》,2005年批準并發(fā)布了七項納米技術標準。一項項的成果表明我國納米技術的研究和發(fā)展均處于世界前列,這也為我國納米技術的后續(xù)研究發(fā)展奠定了堅實的基礎。
四、納米材料的分類
按結構可分為
(1)零維納米材料:指空間三維尺度均在納米尺度以內(nèi)的材料,如納米粒子、原子團簇等。
(2)一維納米材料:有一維處于納米尺度的材料,如納米線、納米管。
(3)二維納米材料:在三維空間有二維在納米尺度的材料,如超薄膜。
(4)三維納米材料:納米固體材料,超微顆粒,組裝納米材料。
奇妙的碳納米管
這是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”,內(nèi)部是空的,外部直徑只有幾到幾十納米,長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。
碳納米管本身有非常完美的結構,意味著它有好的性能。它在一維方向上的強度可以超過鋼絲強度,它還有其他材料所不具備的性能:非常了的導電性能、導熱性能和電性能。
碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的十萬分之一,但它的導電率是銅的1萬倍,它的強度是鋼的100倍而重量只有鋼的六分之一。它像金剛石那樣硬,卻有柔韌性,可以拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。
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納米材料的結構
一、表面效應
定義
固體表面原子和內(nèi)部原子多處于不同環(huán)境下,當粒子直徑比原子直徑大時,表面能可以忽略,當粒子直徑逐漸接近原子直徑時,表面原子的數(shù)目及作用不能忽略,這時粒子的比表面積、表面能、表面結合能都發(fā)生很大的變化。由此引起的種種特殊效應稱為表面效應。
特性
粒子小,比表面積急速變化增大,表面原子數(shù)增多,表面能高,原子配位不足,使得表面原子具有高活性,不穩(wěn)定,易結合。
納米顆粒的表面效應——活性
高活性
超微顆粒的表面具有很高的活性,在空氣中有些金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒,一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒,發(fā)生爆炸。
應用
用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力,可以用作新型火箭的固體燃料,也可用作烈性炸藥。
二、小尺寸效應
(條件)當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或者透射深度等物理特征尺寸相當或更小時,(現(xiàn)象)晶體周期性的邊界條件將被破壞;非晶態(tài)納米顆粒表面層附近原子密度減小,(結果)導致聲、光、電、磁、熱力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。
小尺寸效應的體現(xiàn)
特殊的光學性質——顏色加深
超微納米顆粒的不穩(wěn)定性
納米微粒的熔點降低
三、量子尺寸效應
定義
當粒子尺寸下降到某一值時,金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級,能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應。
例:粗晶下的難以發(fā)光的間隙半導體材料Si、Ge等,粒徑減小到納米級時表現(xiàn)出明顯的發(fā)光現(xiàn)象,粒徑越小光強越強。
細晶強化效應 材料硬度和強度隨著晶粒尺寸的減小而增大,導電性改變。
四、宏觀量子隧道效應
定義
宏觀量子隧道效應是基本的量子現(xiàn)象之一,即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時,該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來,人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強度,量子相干器件中的磁能量等亦有隧道效應,稱為宏觀的量子隧道效應。
納米材料的性能
一、力學性能
力學性能
(1)晶界結構缺陷、晶界滑移、位錯運動
(2)楊氏模量減小,硬度提高
納米材料晶界原子間隙的增加,使其楊氏模量減小,硬度提高(楊氏模量是表征在彈性限度內(nèi)物質材料抗拉或者抗壓的物理量,在物體的彈性限度內(nèi),應力與應變成正比,比值被稱為材料的楊氏模量)。
(3)強度和硬度高
晶粒減小到納米級,材料的強度和硬度比粗晶材料提高4-5倍。
二、電學性能
晶界上原子體積分數(shù)增加,納米材料的電阻高于同類粗晶材料。
納米材料在磁場中材料電阻減小的現(xiàn)象十分明顯。磁場中粗晶電阻僅下降1%-2%,納米材料可達50%-80%,這個性質很重要。
三、磁學性能
超順磁狀態(tài)
納米粒子尺寸小到一定臨界值時,進入超順磁狀態(tài)。
例如:20nm的純鐵粒子的矯頑力是大塊鐵的1000倍;但當尺寸再減小時,其矯頑力而有時下降到零,表現(xiàn)出超順磁性。
納米材料隨著晶粒尺寸的減小,樣品的磁有序狀態(tài)將發(fā)生改變。粗晶狀態(tài)下為鐵磁性的材料,當顆粒尺寸小于某一臨界值時,矯頑力趨向于0,轉變?yōu)槌槾艩顟B(tài)。
這是由于納米材料中晶粒取向是無規(guī)則的,因此,各個晶粒的磁距也是混亂排列的,當小晶粒的磁各向異性能減小到與熱運動能基本相等時,磁化方向就不再固定在一個易磁化方向而作無規(guī)律變化,結果導致超順磁性的出現(xiàn)。
磁熱性質
在非磁或者弱磁基體中包含很小的磁微粒。當其處于磁場中,微粒的磁旋方向與磁場相匹配,增加了磁有序性,降低了系統(tǒng)的熵,若過程絕熱,樣品溫度將升高。
比熱大
納米材料中,界面原子排列混亂,原子密度低,原子間耦合較弱,導致納米材料的比熱比粗晶大。
納米微粒的熔點、燒結溫度、晶化溫度比常規(guī)粉體低得多(納米材料的表面性質決定)。
例如:通常大尺寸金屬的熔點是固定的,超細化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點顯著降低,當顆粒小于10nm量級時尤為顯著。
化學活性高
納米材料比表面積大,界面原子數(shù)多,界面原子區(qū)域原子擴散系數(shù)高,原子配位不飽和性,使得納米材料具有較高的化學活性。
催化活性提高到幾十倍到上百倍。
納米材料的應用
性能 | 用途 |
力學性能 | 超硬、高強、高韌、超塑性材料,特別是陶瓷增韌和高韌高硬涂層 |
光學性能 | 光學纖維、光反射材料、吸波隱身材料、光過濾材料、光存儲、光開關、光導電體發(fā)光材料、光學非線性元件、紅外線傳感儀、光折變材料 |
磁性 | 磁液體、磁記錄、永磁材料、磁存儲器、磁光元件、磁探測器、磁制冷材料、吸波材料、細胞分離、智能藥物。 |
電學特性 催化性能 | 導電漿料、電極、超導體、電子器件、壓敏電阻、非線性電阻、靜電屏蔽 催化劑 |
熱學性能 敏感特性 | 耐熱材料、熱交換材料、低溫燒結材料 濕敏、溫敏、氣敏等傳感器、熱釋電材料 |
其它 | 醫(yī)學(細胞分離,細胞染色,醫(yī)療診斷,消毒殺菌,藥物載體)、能源(電池材料,貯氫材料)、環(huán)保(污水處理、廢物料處理、空氣消毒)、助燃劑、阻燃劑、拋光液、印刷油墨、潤滑劑 |
一、納米二氧化鈦及其復合氧化物
應用
(1)光催化劑:TiO2/SnO2復合氧化物較單一級線TiO2 有較高的光催化活性。
(2)紫外吸收劑(化妝品)
(3)其他用途(光過濾等)
(4)環(huán)境保護(降解有機物、農(nóng)藥、垃圾)
二、納米二氧化硅
1、優(yōu)勢
納米二氧化硅是極其重要的高科技超微細無機新材料之一,因其粒徑很小,比表面積大,表面吸附力強,表面能大,化學純度高、分散性能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能,以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補強性、增稠性和解變性,在眾多學科及領域內(nèi)獨具特性,有著不可取代的作用。
2、應用
納米二氧化硅俗稱“超微細白炭黑”,廣泛用于各行業(yè)作為添加劑、催化劑載體,石油化工,脫色劑,消光劑,橡膠補強劑,塑料充填劑,油墨增稠劑,金屬軟性磨光劑,絕緣絕熱填充劑,高級日用化妝品填料及噴涂材料、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領域。
芯片制作過程中制作晶片的第一步是在晶圓上沉積一層不導電的SiO2。在晶片的后續(xù)制作過程中,二氧化硅層的成長、沉積會進行很多次。
三、納米氧化鋅
1、優(yōu)勢
納米氧化鋅(ZnO)粒徑介于1-100nm之間,是一種面向21世紀的新型高功能精細無機產(chǎn)品,表現(xiàn)出許多特殊的性質,如非遷移性、熒光性、壓電性、吸收和散射紫外線能力等。
2、應用
利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能,可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。
四、納米碳化硅
應用
碳化硅纖維與金屬或陶瓷制成的復合材料
(1)用作航天工業(yè)材料。碳化硅纖維復合樹脂用于制作飛機的主體和機翼,其重量減輕2/3;用于制作火箭的外殼,不僅重量輕、強度高,而且熱膨脹系數(shù)也大大減小。
(2)用作體育器材。由于該材料質輕、強度高、耐熱性能好,可以廣泛用于制造賽艇、寬車、摩托車和輕快自行車;也可制造網(wǎng)球拍、跳桿等。
(3)用作醫(yī)療器材。由于該材料的X射線透過性強、材質強度高,用于制造X光機的部件和人造關節(jié)。
(4)用于特殊的地下電纜、輸水管道、橋梁等的工程材料。
(5)用于高科技領域。