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納米材料 |
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暫無
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納米 材料 |
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| 所屬學科： |
功能高分子 |
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來源網絡 |
| 簡介： |
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1984年德國H．Gleiter首先研制出納米微粒，并由納米級超細微粒壓制燒結，得到一種人工凝聚態固體，這是一種新型的固體材料，稱為納米材料，即指材料的晶粒和晶界等顯微結構都能達到納米級尺度的材料。
納米微粒一般在1~100 nm之間，其粒度介于原子簇和超細微粒間，處于宏觀物體和微觀粒子交界的過渡區域，因而具有許多既不同于宏觀物體、又不同于微觀粒子的特性。從結構上看，納米固體中包含納米級粒度的顆粒組元及顆粒間的界面組元。由于顆粒極小，使得界面組元的占總量的比例顯著增加。例如，當納米微粒直徑為5 nm時，材料中的界面組元體積約占總體積的50％，即組成材料的原子約有一半是分布在界面上。這些原子排列的無序度、混亂度均較傳統的晶態與非晶態為高，因而界面組元的結構既與晶體(特征是“長程有序”)，也與非晶體 (“長程無序、短程有序”)不同，而是一種長、短程均無序的“類氣體”的固體結構。
正是從上述的結構特征出發，納米固體具有與晶態、非晶態和原子簇等不同的物理—化學特性。這些新特性來源于兩個方面，即表面效應與體積效應。
表面效應是指微粉的粒徑越小，其總表面積越大；表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大。如當粒徑為10 nm(總原子數為3×104)時，表面原子數／總原子數=0.20；而當粒度減小到l nm(總原子數為30)時，這一比值急劇上升到0.991表面原子的晶場環境和結合能與內部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒化隨著這種活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。這對納米微粉的擴散、燒結等動力學過程和熔點都有較大的影響。
體積效應主要表現在兩個方面：一是物質體積的縮小雖不會引起物質物性基本參量的變化，但會使那些與體積有關的物性發生變化，如磁體的磁疇變小，半導體中電子的自由路程變短，等等；二是物質一般具有由無限個原子組成的物質屬性，而納米粒子則表現出有限個原子集合體的特性。如金屬固體中的連續能帶是由近于無限的電子能級組成，稱為能帶；但在納米粒子中電子的數量是有限的，因而能帶是不連續的，這是造成電子的自旋配置和光吸收等異常物性的原因。納米微粒在低溫下幾乎沒有熱阻，導熱性極好；光吸收好，粒徑小于100 nm的金屬超微粉末，大部分呈黑色，隨著粒子的微細化，金屬超導臨界溫度Tc逐漸提高，等等。
目前制備納米微粒的方法有物理法、化學法和綜合方法三大類。物理法中包括蒸發冷凝法、機械研磨法、離子濺射法、低溫等離子體法等。近年來，研磨法中的高能球磨法制備納米材料有了新的進展。1988年，日本首先報道利用該法制備A1-Fe納米晶體材料，找到了一條制備納米材料實用化的途徑。實踐證明，高能球磨法易使體心立方和密集六方結構的純金屬制成納米晶體結構，而具有面心立方結構的金屬，則較難形成這類晶體。高能球磨法還可較易制得若干高熔點和互不相溶系統(包括室溫和液態時)的亞穩相金屬的納米結構。化學方法主要有水解法、水熱法和熔融法等，其中以鹽類水解法用得較多。例如烷氧基金屬有機化合物(如Ti(OC2H5)4等)的水解，通常要經歷水解、縮聚兩個主要過程，縮聚中金屬氫氧化物經脫水而形成無機網絡，生成的水和醇從系統中揮發而造成網絡的多孔性。這樣得到的一般是低黏度的溶膠，將其放置于模具中成型或成膜后，溶膠中顆粒逐漸交聯而形成三維結構的網絡，開始了溶膠的膠凝化過程：溶膠的黏度明顯增大，最終成為堅硬的玻璃體。如在適當的黏度下對凝膠進行抽絲，則可得到纖維狀材料。此外，還需對凝膠進行陳化、干燥等處理，以避免開裂現象出現。這一過程，通稱“溶膠—凝膠法”(Sol-gel法)。綜合方法主要有：激光誘導化學沉淀法、等離子加強化學沉淀法。
目前常用的方法是蒸發冷凝加原位加壓法。這種方法是在一個裝有加熱器和冷卻棒的超真空密封室內充入低壓稀有氣體(如He或厶r)，將初始材料置人坩堝內，由加熱器加熱，令其蒸發，初始材料原子與稀有氣體原子相互碰撞并沉積于冷阱上，形成粒度為幾納米的松散粉末。將其收集在專門的裝置中，施加5～10 MPa的壓力即可制得納米材料。Fe、Cu、Au和Pd等納米晶體材料的平均晶粒粒度在5~10 nm間，其密度可達理論密度的80％～90％!如同時蒸發數種初始材料，則可制得復合納米固體。
納米材料有奇特的物理、化學和生物學的性質。最引人注目的是納米材料的熔點特別低。例如，塊狀的金熔點是1064℃，而納米金的熔點只有330℃，降低了734℃；又如納米級銀微粉的熔點由塊狀銀的962℃降低為100℃。這一特性不僅可使低溫條件下燒結成合金(粉末冶金)成為現實，而且可望將一般互不相溶的金屬冶煉成合金；制成質量輕、韌性好等特殊性能的超級鋼g特種合金。對于需要在高溫燒結的材料，如SiC、WC和BN等制成納米材料后，便可使它們的燒結溫度大為降低。若干因熔點不同、相變溫度不同難以燒結成復相材料的特殊組分，形成納X微料后因其熔點下降、相變溫度降低，則可在較低溫度下進行固相反應，而得到燒結性能良好的復相材料。
陶瓷材料因性脆、燒結溫度高等缺點，限制了其應用范圍，而納米陶瓷則具有很好的韌性和延展性能。室溫下合成的納米TiO2陶瓷在80～180℃范圍內可產生高達100％的塑性變形，韌性極好，由于燒結溫度降低，能在比一般陶瓷低600℃溫度下達到后者相似的硬度。如在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成型，再作表面退火處理，就能得“表硬內韌”的新材料——表面保持一般陶瓷的硬度，內部則具有納米材料的韌性和延展性的高性能陶瓷。
納米材料的表面積大，表面活性高，可制備各種高性能的催化劑。例如，N1或Cu-Zn的納米顆粒對某些不飽和鍵的氫化反應是極好的催化劑，可代替昂貴的鉑或鈀催化劑；用納米鎳粉作火箭固體燃料反應催化劑，可使燃料的燃燒效率提高100倍。有人認為用納米顆粒直接做成火箭固體燃料，將會產生更大的推力。
氧化物納米顆粒的特點是在電場作用或光照射下迅速改變顏色。平常人們戴的變色眼鏡含有光敏材料鹵化銀的物質，當光(特別是紫外光)照射時AgX分解而使玻璃黑化；無光照射時Ag又與鹵素原子重新結合為AgX。這一可逆過程可經歷數十萬次而變色性不變。但發生黑化與褪色的速度慢，而用納米氧化物制成的變色鏡則可大大提高顯色—褪色的速度，用于戰士防護激光槍的眼鏡最為理想。如將納米氧化物做成廣告板，在電、光的作用下，會變得更加絢麗多彩、五色斑爛。
半導體納米材料的特性是可以發出各種顏色的光，可制成超小型的激光光源。它還可以吸收太陽光中的光能，并使之直接轉變為電能。這種技術一旦實現，太陽能汽車、太陽能住宅等，就會使人類的生活大為改觀，居住的環境更美，空氣更加清新。利用特種半導體納米材料使海水淡化的技術已在嚴重缺乏淡水的中東地區首先得到應用。半導體納米材料NiO、FeO、CoO、CoO-Al2O3和SiC等載體溫度效應引起的電阻變化，可制成溫度傳感器。利用納米ZrO2、SnO2和g-Fe203等半導體性質，可制成氧敏傳感器；用納米LiNbO3、LiTiO3、SrTi03等的熱電效應，可制得紅外檢測傳感器等。總之，半導體納米材料的應用領域是十分廣闊的。
磁性納米微粒具有單磁疇結構、矯頑力很高的特性，用其作磁記錄材料可大大提高信噪比，改善音質圖像質量；而其具有對電磁波在較寬范圍的強吸收特性，使其成為性能優異的隱身材料，可用于戰略轟炸機、導彈等的反雷達裝備中。
納米材料還可以廣泛應用于生物和醫藥領域中。納米微粒比人體中紅血球(6~9 mm)小得多，可在血液中自由運動。因此，注入各種對人體無害的納米微粒可直接到達體內的任一部位，以檢察病變、對癥治療。將不易為人體吸收的藥物(如維生素等)制成納米微粉或其懸浮液，則極易吸收；如將其做成藥膏貼在患處，藥物可經皮膚直接吸收而無須注射，省去了注射感染等之苦。納米微粒還可用于人體的細胞分離或細胞染色，也可用來攜帶DNA進行DNA治療基因缺陷癥。最近的試驗，如將藥物放人磁性納米微料內部，并在體外加以導向，使藥物集中到患病的組織中，則可利用納米藥物阻斷毛細血管而“餓死”癌細胞，將大大地提高藥物治療的效果。
我國早在春秋戰國到三國期間制成的“黑漆”古銅鏡，其表面層就由一種納米晶體Sn1-xCuxO2組成的優異耐磨耐蝕層，而成為我國古代青銅文化的杰出代表。但自覺地研制納米微粒始于1986年，1987年起開始納米固體的研制。國內研制的形變率為400％的超塑性ZrO2陶瓷，超過了日本的相應指標。繼美、德之后，我國還開發了可保持清潔界面的真空制壓設備。在研制吸收材料方面取得了突破性地進展，并投入應用；在納米電子學、納米機械與工程學、納米生物學等眾多領域開展了深入的研究，應用上也有長足的進展。
最近，據《人民日報》報道，納米ZnO在陜西形成產業。納米ZnO是一良好的紫外線屏蔽劑；在陶瓷中添加少量的ZnO，不用擦洗也能自潔；用它制作織物，有治臭、殺菌功能。
美國科學家曾根據實驗推測，單壁納米碳管的儲氫能力在10％以上，但未得到實驗支持。
中國科學院年輕的研究員成會明小組用新方法快速合成大量的高質高純的碳納米管。該管直徑粗，在室溫下，即有儲氫性能，儲氫能力在4％以上，至少是稀土合金的2倍。實驗證實，常溫常壓下約2／3的氫能可從這些被多次利用的材料中放出。國際權威刊物認為，“這是世界范圍內迄今為止最令人信服的結果”。其應用前景十分誘人：理想的儲氫材料，作為氫能可驅動汽車、駕駛飛機；可制成性能極好的細微探針和導線；可制作性能更好的增強材料；它使壁掛電視成為可能，甚至可代替硅制作芯片，而引發計算機行業的革命。 總之，納米材料的出現給物理、化學和生物這些基礎性學科以及工程技術領域內的眾多學科帶來了新的活力和課題，納米技術必將成為21世紀最重要的技術。人們將在納米尺寸上重新認識和改造客觀世界。來源:互聯網 |
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2005-09-16 16:19:26 |
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