淺談納米材料的應(yīng)用研究

摘 要：作為二十一世紀(jì)的材料、信息、能源三大支柱產(chǎn)業(yè)之一，材料科學(xué)在國家科學(xué)研究、國防建設(shè)和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中占有重要的地位。納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度的范圍或由它們作為基本單元所構(gòu)成的材料。納米材料在光電、結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)等方面有著誘人的特征納米技術(shù)其實(shí)就是一種用單個(gè)原子和分子制造物質(zhì)的技術(shù)，因此應(yīng)用納米技術(shù)可以制成性能特別優(yōu)良的各種特殊材料。

關(guān)鍵詞：納米材料；應(yīng)用研究

前言：材料科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用范圍廣泛，是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展很重要的支撐，是航天、航空、國防、信息等高新技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展的基礎(chǔ)。隨著科技發(fā)展和科學(xué)進(jìn)步的需要，材料的組成己開始由單一型向復(fù)合型、雜化型進(jìn)行轉(zhuǎn)化，顆粒粒徑也由微米級向納米級過渡。近些年來，納米材料所具有的獨(dú)特的化學(xué)和物理性質(zhì)，給物理、化學(xué)、生物、材料、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來了新的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。因此，如何能夠快速、簡便、有效地制備出納米粉體，正成為納米材料的研究首先需要攻克的難題之一。

一、納米材料的特殊性質(zhì)

1.力學(xué)性質(zhì)。納米微晶材料有很大的表面積/體積比，雜質(zhì)在界面的濃度便大大降低，因此提高了材料的力學(xué)性能，由此可見晶界對于物質(zhì)的力學(xué)性能有這重大影響。高韌、高硬度、高強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)應(yīng)用的經(jīng)典方向。具有納米結(jié)構(gòu)的材料強(qiáng)度會(huì)與粒徑成反比，晶界純度的提高和晶粒尺寸的減小，可以提高陶瓷類材料的反應(yīng)活性及降低燒結(jié)的溫度。納米材料的位錯(cuò)密度比較低，位錯(cuò)的滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯(cuò)圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后的位錯(cuò)塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納米材料中的位錯(cuò)滑移和增殖不會(huì)發(fā)生，這就是納米晶強(qiáng)化效應(yīng)。據(jù)報(bào)道，不少納米陶瓷和金屬的硬度均高于普通材料的4-5倍以上。與硬度相對應(yīng)，納米銷的屈服應(yīng)力的強(qiáng)度也比普通的鈀高出5倍。研究結(jié)果表明，納米材料的彈性范圍被大幅度展寬，屈服應(yīng)力被大幅度提髙。

2.磁學(xué)性質(zhì)。磁性金屬和合金一般都會(huì)有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻現(xiàn)象就是指在一定磁場下電阻改變的一種現(xiàn)象。納米多層膜系統(tǒng)的巨磁電阻效應(yīng)會(huì)比普通磁頭高出一倍以上，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當(dāng)高的靈敏度和低噪音。納米巨磁電阻材料的磁電阻與外界磁場間存在著近似的線形關(guān)系，可用作新型的磁傳感器材料。r-Fe2O3高分子納米復(fù)合材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數(shù)也比傳統(tǒng)粗晶材料低得多，因此磁性比FeBO3和FeF3等透明磁體至少高1個(gè)數(shù)量級，而對紅外波段的吸收系數(shù)要比傳統(tǒng)的粗晶材料低三個(gè)數(shù)量級，即使有透光性略低的缺點(diǎn)，但可廣泛在磁光材料、磁光系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

3.電學(xué)性質(zhì)。由于晶界面上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類型的粗晶材料，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)和庫企堵塞效應(yīng)制成的納米電子器件則具有超高速、超容量、超微型、低能耗的特點(diǎn)，由于納米桂薄膜中存在著大量的純凈界面，其導(dǎo)電機(jī)制以晶粒界面陷阱模型為主要途徑，類似于多晶薄膜的傳導(dǎo)機(jī)制，納米微晶材料的電導(dǎo)率明顯地高于同成分的晶態(tài)或非晶態(tài)材料的電導(dǎo)率，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。

二、納米材料的種類

1.納米微粒。納米微粒是指線度處于1-lOOnm之間的粒子聚合體，它是處于該幾何尺寸范圍的各種粒子聚合體的總稱。納米微粒的形態(tài)并不局限于球形，還有片狀、針狀、棒狀、網(wǎng)狀、星狀等。一般認(rèn)為，微觀粒子聚合體的線度小于1nm時(shí)被稱為簇，而通常所說的微粉的線度又在微米級。納米微粒的線度恰好正處于這兩者之間，所以又常被稱作超微粒。

2. 納米固體。納米固體是指由納米微粒聚集而成的凝聚體。從幾何形態(tài)的角度可將納米固體劃分為納米塊狀材料、納米薄膜材料和納米纖維材料。這幾種形態(tài)的納米固體又可稱作納米結(jié)構(gòu)材料。

3.納米組裝體系。由人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料的體系稱為納米組裝體系，也叫納米尺度的圖案材料。它是以納米微粒以及其組成的納米絲和管作為基本單元，在一維、二維和三維空間進(jìn)行組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。納米微粒、絲、管可以是有序或無序的排列，其特點(diǎn)是能按照人們的意愿進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得整個(gè)體系具有人們所期望的特性，因而該領(lǐng)域被認(rèn)為是材料學(xué)、化學(xué)和物理學(xué)的重要前沿課題。

三、納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.在催化劑方面的應(yīng)用。納米微粒由于尺寸小，表面所占的體積百分?jǐn)?shù)也大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子的配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加。納米顆粒因表面積大、表面活性中心多等優(yōu)勢，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。納米粒子用作催化劑，可大大提高反應(yīng)效率、控制反應(yīng)速度，甚至使得原來不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度會(huì)提高10-15倍。納米微粒作為催化劑應(yīng)用的較多的是半導(dǎo)體光催化劑，特別是在有機(jī)物的制備方面。

2.在精細(xì)化工方面的應(yīng)用。精細(xì)化工是一個(gè)巨大的工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品數(shù)量繁多、用途廣泛，并且會(huì)影響到人類生活的方方面面。納米材料在性能上的優(yōu)越性無疑也會(huì)給精細(xì)化工帶來福音，并顯示出它的獨(dú)特魅力。在塑料、棵膠、涂料等精細(xì)化工領(lǐng)域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米Si02，就可以提高橡膠的抗紫外輯射和紅外反射能力。普通橡膠中加入納米Al2O3和Si02，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且其彈性也明顯優(yōu)于其他用白炭黑作填料的橡膠。在塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的韌性和強(qiáng)度，而且其致密性和防水性也會(huì)相應(yīng)提高。納米管在作纖維增強(qiáng)材料方面也有著潛在的應(yīng)用前景。

3.在傳感材料方面的應(yīng)用。納米粒子具有高活性、高比表面積、特殊的物理性質(zhì)及超微小性等特征，是適合用作傳感器材料的最有前途的材料。外界環(huán)境的改變會(huì)迅速引起納米粒子表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子運(yùn)輸?shù)淖兓?，因此利用其電阻的顯著變化可做成傳感器，其特點(diǎn)是靈敏度高、響應(yīng)速度快、選擇性優(yōu)良。

四、結(jié)語

納米材料是一種新型的材料，它具有廣闊的應(yīng)用前景。研究表明，納米材料有其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，具體表現(xiàn)在：一是有體效應(yīng)，即由于納米級的材料體積小、質(zhì)量輕；二是有表面和界面效應(yīng)，即由于組成納米材料的基本單元的微粒子表面原子的不穩(wěn)定性和納米材料的界面組成的氣體樣結(jié)構(gòu)而引出的效應(yīng)。這兩種效應(yīng)互相影響、互相制約，某一種具體的宏觀特異性質(zhì)可能會(huì)是二者共同作用的結(jié)果。

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