納米材料的重要性

羅錦潔

摘 要：綜述了納米材料的研究概況，對(duì)納米材料的結(jié)構(gòu)、性能、表面納米化等進(jìn)行了介紹，并初步探討了納米材料存在的問題，對(duì)其未來(lái)發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：納米材料；金屬材料；超微粒子；納米化

中圖分類號(hào)：TB383.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.029

諾貝爾物理獎(jiǎng)獲得者RichardP.Feynman早在40年前就曾預(yù)言，如果能在一個(gè)很小的范圍內(nèi)對(duì)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行控制，那么材料的性能就能產(chǎn)生豐富的變化，時(shí)至今日，納米材料已受到越來(lái)越多的關(guān)注。隨著科技的不斷發(fā)展，在材料的發(fā)展進(jìn)程中，人類生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)其性能的要求與現(xiàn)有材料的性能越來(lái)越不能滿足人類生產(chǎn)的需求，特別是在一些特殊的工況中，因此，對(duì)新技術(shù)，新材料的開發(fā)與應(yīng)用成為一個(gè)急需解決的問題。

1 納米材料

在長(zhǎng)度單位上，我們定義1 nm為10-9 m，而納米材料是由1～100 nm的超微粒子組成的超微顆粒材料，這些超微粒子在形成固態(tài)前需要經(jīng)過燒結(jié)、壓制等一系列材料成型的方法。與傳統(tǒng)材料相比，納米材料具有強(qiáng)度高、韌性好、耐摩擦、耐高溫等許多優(yōu)點(diǎn)，如果進(jìn)一步對(duì)納米材料進(jìn)行復(fù)合，還能提高材料硬度、耐熱性和抗震性等性能。在對(duì)新型納米材料的研究和開發(fā)中，人類的腳步從來(lái)沒有停止過，現(xiàn)如今，研究的尺度可在幾個(gè)納米之下不斷提升材料的性能，但是這種性能的提升是有限度的，不是無(wú)止境的。目前我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中研制出的納米材料，由于受到制備工藝繁雜、費(fèi)用高和材料外形尺寸等一些因素的制約，無(wú)法實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，所以在現(xiàn)實(shí)生活中，納米材料還無(wú)法得到普及和應(yīng)用。

2 納米材料的性能

在宏觀的世界中，物質(zhì)本身具有的物理特性與該物質(zhì)本身的尺寸無(wú)關(guān)，但是當(dāng)物質(zhì)顆粒的尺寸為1～100 nm，能通過一定的方式方法壓制成固體或沉積膜時(shí)，物質(zhì)本身的固有特性就會(huì)發(fā)生質(zhì)的變化，會(huì)產(chǎn)生許多特殊的物理現(xiàn)象，這表明了納米材料的性能具有特殊性，而科學(xué)上把這種現(xiàn)象叫作“納米效應(yīng)”，并總結(jié)了納米材料的三大效應(yīng)，分別是表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。

2.1 表面效應(yīng)

材料學(xué)上定義納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增加所引起的性質(zhì)上的變化的現(xiàn)象為納米材料的表面效應(yīng)，隨著粒徑的減小，原子所占的體積比明顯增大。例如，當(dāng)納米粒子的尺寸為1 nm時(shí)，表面原子所占比例達(dá)到90%以上，這個(gè)時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)，納米粒徑的表面幾乎都由原子集中組成，納米粒子的表面原子數(shù)增加，使得其原子配備數(shù)出現(xiàn)差額，導(dǎo)致原子的表面能增高，而原子和原子之間為了穩(wěn)定，會(huì)產(chǎn)生互相結(jié)合的現(xiàn)象，從而具有很高的物化活性。

2.2 小尺寸效應(yīng)

物質(zhì)中粒子尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)，粒徑尺寸減小使得比表面積增加，從而使物質(zhì)產(chǎn)生特殊的性質(zhì)，主要有：①特殊的力學(xué)性能，即高硬度、優(yōu)良的耐磨性能和韌性。許多單質(zhì)金屬在納米的狀態(tài)下，硬度提升3～8倍，比如已作為納米涂層和切削材料的WC-Co，與普通材料相比，其硬度、耐磨性和韌性明顯增加。②金屬納米材料的飽和磁化曲線會(huì)隨著粒徑尺寸的減小顯示出較高的矯頑力，納米晶Fe的飽和磁化強(qiáng)度將比普通材料降低約40%，這種納米晶Fe的磁交互作用不但限于晶粒單體，還可以沖破界面，使上百個(gè)晶粒重新磁化排列。③熱學(xué)性能變化。納米金屬粒子的熔點(diǎn)明顯比微米晶體材料低，比如常態(tài)金的熔點(diǎn)為1 064 ℃，而納米金的熔點(diǎn)僅為327 ℃左右。④特殊的光學(xué)性能。粒徑尺寸越小，對(duì)光的反射率會(huì)越低，從而使納米金屬對(duì)光的吸收率顯著增加，一些金屬超微顆粒達(dá)到一定的厚度時(shí)，可以產(chǎn)生消光的作用。

2.3 宏觀量子隧道效應(yīng)

納米超微粒子能級(jí)間的間距將隨粒徑尺寸減小而增大，當(dāng)熱能、電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能等比平均的能級(jí)間距小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱為量子尺寸效應(yīng)。例如，當(dāng)原本具有導(dǎo)電性能的金屬細(xì)化成超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，比熱也會(huì)出現(xiàn)與常規(guī)相反的變化。

3 材料表面納米化

材料表面結(jié)構(gòu)和性能對(duì)一些特殊環(huán)境是非常敏感的，比如高速摩擦、交變疲勞、酸堿度高的工況。研究表明，大多數(shù)材料在使用過程中，其失效往往起源于材料表面，如果我們?cè)黾悠浔砻嫘阅埽娱L(zhǎng)失效期限，那么就一定能進(jìn)一步增加它的服役時(shí)間，而納米材料從誕生起就賦予了普通材料所不能媲美的許多特殊性能，所以在對(duì)材料表面進(jìn)行納米化是未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。納米化能在提高和改善材料表面性能的同時(shí)，延長(zhǎng)零件的服役壽命。與其他納米化技術(shù)相比較，材料表面納米化僅僅是針對(duì)表層制備出相應(yīng)要求厚度的納米層，具有成本低、納米層與基體不易脫落分離、對(duì)材料及設(shè)備要求不高、易普及等眾多優(yōu)點(diǎn)，而目前制備三維大尺寸納米晶體材料的技術(shù)存在的一定困難，表面納米化技術(shù)巧妙地克服了這個(gè)問題，目前材料表面納米化主要著眼于工程金屬材料，將納米材料的優(yōu)異性能與傳統(tǒng)工程金屬材料相結(jié)合，材料表面納米化在我們的生產(chǎn)、生活及工業(yè)應(yīng)用上具有非常高的價(jià)值。

我國(guó)對(duì)納米材料的研究始于20世紀(jì)80年代末，經(jīng)過多年的努力，已經(jīng)取得了一些高水平、有國(guó)際影響力的成果，但是仍需進(jìn)一步深化研究納米金屬材料及其實(shí)用化。如何實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、高質(zhì)量的納米金屬量產(chǎn)化，如何研制出更多新型金屬納米材料，如何保證納米材料在使用過程中保持結(jié)構(gòu)功能穩(wěn)定等，這些問題需要我們?cè)诂F(xiàn)有的工作水平上投入更多的人力、物力，使我國(guó)在這塊研究領(lǐng)域上走得更高、更遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)

[1]陳麗文，崔冰艷，百葉飛.大塑形變形技術(shù)制備納米/超細(xì)晶材料[J].中國(guó)水運(yùn)，2007，07（03）：60-61.

〔編輯：王霞〕

Abstract： The research overview of nanomaterials， nanomaterials structure， properties， surface nanocrystallization were introduced and discussed the problems of nanomaterials carried out its future development prospects.

Key words： nanomaterials； metal materials； ultrafine particles； nanocrystallization