纳米材料的特性及应用领域

纳米材料（Nanometer Material）是指尺度为1～100nm的超微粒，经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。纳米材料以其异乎寻常的特性引起了材料界的广泛关注。例如，纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍；纳米相的Cu比普通的Cu坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；纳米相材料的颜色和其他特性随它们的组成颗粒的不同而异；纳米陶瓷材料具有塑性或超塑性等。

1）纳米材料的效应

纳米粒子属于原子簇与宏观物体交界的过渡区域，该系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，具有一系列新异的特性。当小颗粒尺寸进入纳米量级时，其本身和由它构成的纳米固体主要具有如下三个方面的效应，并由此派生出传统固体不具备的许多特殊性质。

（1）尺寸效应　当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。例如，蒸汽压增大、熔点降低，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移，磁有序态向磁无序态转变、超导相向正常相转变等。

（2）表面与界面效应　纳米微粒尺寸小，表面大，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面急剧变大，引起表面原子数迅速增加。例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g；粒径为5nm时，比表面积为180m2／g；粒径小到2nm时，比表面积猛增到459 m2／g。这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，大大增强了纳米粒子的活性。例如，金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机材料的纳米粒子暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应。

（3）量子尺寸效应　量子尺寸效应在微电子学和光电子学中一直占有显赫的地位，根据这一效应已经设计出许多优越特性的器件。半导体的能带结构在半导体器件设计中非常重要，随着半导体颗粒尺寸的减小，价带和导带之间的能隙有增大的趋势，这就使即便是同一种材料，它的光吸收或者发光带的特征波长也不同。实验发现，随着颗粒尺寸的减小，发光的颜色从红色—绿色—蓝色，即发光带的波长由690nm移向480nm。把随着颗粒尺寸减小，能隙加宽发生蓝移的现象称为量子尺寸效应。一般来说，导致纳米微粒的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观特性显著不同的效应称为量子尺寸效应。

上述三个效应是纳米微粒与纳米固体的基本特性。它使纳米微粒和纳米固体显现出许多奇异的物理、化学性质，出现一些“反常现象”。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下，由于量子尺寸效应会呈现绝缘性；一般钛酸铅、钛酸钡和钛酸锶等是典型铁电体，但当尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性物质进入纳米尺寸，由于多磁畴变成单磁畴显示出极高的矫顽力；当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成纳米陶瓷时，已不具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下电阻变小等。

2）纳米材料的制备

（1）惰性气体淀积法　当金属晶粒尺寸为纳米量级时，由于具有很高的表面能，极容易氧化，所以制备技术中采取惰性气体（如He，Ar）保护是重要的。制备在蒸发系统中进行，将原始材料在约1kPa的惰性气氛中蒸发，蒸发出来的原子与He原子相互碰撞，降低了动能，在温度处于77K的冷阱上淀积下来，形成尺寸为数纳米的疏松粉末。

（2）还原法　用金属元素的酸溶液，以柠檬酸钠为还原剂迅速混合溶液，并还原成具有纳米尺寸的金属颗粒，形成悬浮液，为了防止纳米微粒的长大，加入分散剂，最后去除水分，就得到含有超微细金属颗粒构成的纳米材料薄膜。

（3）化学气相淀积法　射频等离子体技术采用射频场频率为1 020MHz，以H2稀释的SiH4为气源，在射频电磁场作用下，使SiH4经过离解、激发、电离以及表面反应等过程，在衬底表面生长成纳米硅薄膜。采用激光增强等离子体技术，在激光作用下分解高度稀释的SiH4气体，产生等离子体，然后淀积生长出纳米薄膜。

3）几种纳米材料及其应用(www.xing528.com)

（1）纳米陶瓷材料　众所周知，传统的陶瓷材料通常是脆性材料，因而限制了其应用领域。但是，纳米陶瓷材料在常温下却表现出很好的韧度和延展性能。德国萨德兰德（Saddrand）大学的研究发现，TiO2和CaF2纳米陶瓷材料在80～180℃范围内可产生约100%的塑性形变，而且烧结温度降低，能比大晶粒样品低600℃的温度下达到类似于普通陶瓷的硬度。这些特性使纳米陶瓷材料在常温或次高温下进行冷加工成为可能。在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后经表面退火处理，就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬度和化学性质，而内部具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷材料。为什么纳米陶瓷材料会具有超塑性呢？研究认为，这主要取决于陶瓷材料中包括的界面数量和界面本身的性质。

一般来说，陶瓷材料的超塑性对界面数量的要求有一个临界范围。界面数量太少，没有超塑性，这是因为此时颗粒大，大颗粒很容易成为应力集中的位置，并为孔洞的形成提供了条件。界面数量过多虽然可能出现超塑性，但材料强度将下降，也不能成为超塑性材料。最近的研究表明，陶瓷材料出现超塑性时的临界颗粒尺寸范围为200～500nm。

（2）纳米金属材料　纳米金属材料的优点是不仅具有高的强度，而且具有高的韧度，这一直是金属材料学家追求的目标。纳米金属材料的显著特点之一是熔点极低，如纳米银粉的熔点竟然低于100℃，这不仅使得在低温条件下将纳米金属烧结成合金产品成为现实，而且可望将一般不可互溶的金属烧结成合金，制作诸如质量轻、韧度高的“超流”钢等特种合金。纳米金属材料将广泛用于制造诸如速度快、容量高的原子开关与分子逻辑器件，以及制造可编程分子机器等。

（3）纳米复合材料　由单相微粒构成的固体称为纳米相材料。若每个纳米微粒本身由两相构成（一种相弥散于另一种相中），则相应的纳米材料称为纳米复合材料。纳米复合材料的涉及面较宽，大致包括三种类型。第一种是0 0型复合，即不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体。第二种是0－3型复合，即把纳米粒子分散到常规的三维固体中，用这种方法获得的纳米复合材料因其性能的优异而成为当今纳米复合材料科学研究的热点之一。例如，将金属的纳米颗粒放入常规陶瓷中，大大改善材料的力学性质；将纳米氧化铝粒子放入橡胶中，可提高橡胶的介电性和耐磨性，放入金属或合金中可使晶粒细化，从而改善其力学性质，弥散到透明的玻璃中既不影响透明度，又能提高其高温冲击韧度。第三种是0－2型复合，即把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中，可分为均匀弥散和非均匀弥散两大类。

二元甚至多元的复合材料都可以通过把不同化学组分的超微颗粒（纳米固体）压制成多晶固体来获得，而不必考虑组成部分是否互溶。如果把颗粒制得更小，直至尺寸仅有几个原子大小时，就可以将金属和陶瓷混合，把半导体材料和导电材料混合，制成性能独特的各种复合材料。例如，纳米复合多层膜在7～17GHz频率范围内吸收电磁波的峰值高达14dB，在10dB水平的吸收频率宽为2GHz。纳米合金颗粒对光的反射率一般低于1%，粒度越小，吸收越强。利用这些特性，可以制造红外线检测元件、红外线吸收材料、隐形飞机上的雷达波吸收材料等。

将金属、铁氧体等纳米颗粒与聚合物复合形成0－3型复合材料和多层结构的复合材料，能吸收和衰减电磁波和声波，减少反射和散射，这在电磁隐形和声隐形方面有重要的应用。此外，聚合物的超细颗粒在润滑剂、高级涂料、人工肾脏、多种传感器及多功能电极材料方面均有重要作用。在Fe的超微颗粒（UFP）外面覆盖一层厚为5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质或酶，以控制生物反应，这在生物技术、酶工程中大有用处。

（4）纳米磁性材料　纳米磁性材料可用作磁流体及磁记录介质材料。在强磁性纳米粒子外包裹一层长链的表面活性剂，使其稳定地弥散在基液中形成胶体，即得到磁流体。这种磁流体可以用于旋转轴的密封。优点是完全密封、无泄漏、无磨损、不发热、轴承寿命长，不污染环境、构造简单等，主要用于防尘密封和真空密封等高精尖设备及航天器等。另外，将Fe3O4磁流体注入音圈空隙就成为磁液扬声器，具有提高扬声器的效率、减少互调失真和谐波失真、提高音质等优点。

磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力高的特性，用它制成的磁记录介质材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ Fe2O3高10倍。此外超顺磁性的强磁性纳米颗粒还可以制成磁性液体，广泛用于电声器件、阻尼器件、旋转密封、润滑、选矿等领域。

（5）纳米催化材料　纳米颗粒还是一种极好的催化剂。Ni或Cu－Zn化合物的纳米颗粒对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的Pt或Pd。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应温度从600°C降到室温，而超细的Fe，Ni，γ Fe2O3混合轻烧结体可代替贵金属作为汽车尾气净化的催化剂。

（6）纳米半导体材料　将Si、有机硅、GaAs等半导体材料配制成纳米相材料，具有许多优异的性能，如纳米半导体中的量子隧道效应可使电子输送反常，使某些材料的电导率显著降低，而其热导率也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。这些特性将在大规模集成电路器件、薄膜晶体管选择性气体传感器，光电器件及其他应用领域发挥重要的作用。纳米金属颗粒以晶格形式沉积在Si表面，可构成高效半导体电子元件或高密度信息存储材料。