纳米材料的背景、意义.pdf

纳米知识介绍1990 年 7 月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生 纳米 纳米是一种长度单位， 1 纳米=1× 10-9米，即 1 米的十亿分之一，单位符号 为 nm纳米技术 纳米技术是在单个原子、 分子层次上对物质的种类、 数量和结构形态进行精 确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和相互作用， 并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技术其最终目标是 人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品 纳米技术的发展大致可以划分为3 个阶段： 第一阶段 (1990 年即在召开“ Nano 1”以前 ) 主要是在实验室探索各种纳米 粉体的制备手段， 合成纳米块体 ( 包括薄膜 ) ，研究评估表征的方法， 探索纳米材 料的特殊性能研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料 第二阶段 (1990 年～1994 年) 人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合 (0-0 复合)， ?纳米微粒与常规块体复合 (0-3 复合)， ?纳米复合薄膜 (0-2 复合) 第三阶段 ( 从 1994 年至今 )纳米组装体系研究。

它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、 管等为基本单元在一维、 二维和三维空间组装排列成具有纳米结构 的体系的研究纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100 纳米或者由他们形成的材料 就称为纳米材料纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁 学、热学和力学等方面的性质图 1 纳米颗粒材料SEM图一、 纳米材料的基本特性由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也 正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料 特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特 性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用科学家们和 工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材 料特性促进了科技进步和发展1、 力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题具有纳米结构 的材料强度与粒径成反比纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖 符合 Frank-Reed 模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增 殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增 殖不会发生， 这就是纳米晶强化效应。

金属陶瓷作为刀具材料已有50 多 年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难 以有大的提高应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强 度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用2、 热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的 值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能3、 电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材 料，甚至发生尺寸诱导金属 ——绝缘体转变（ SIMIT ）利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、 超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件2001 年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。

随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路4、 磁学性质 当代计算机硬盘系统的磁记录密度超过1.55Gb/cm2 ，在这情况下， 感应法读出磁头和普通坡莫合金磁电阻磁头的磁致电阻效应为3%， 已不 能满足需要，而纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可以用于信 息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音目前巨磁电 阻效应的读出磁头可将磁盘的记录密度提高到1.71Gb/cm2 同时纳米巨 磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作 新型的磁传感材料高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率， 对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系 数至少比传统粗晶材料低3 个数量级， 磁性比 FeBO3 和 FeF3 透明体至 少高 1 个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用纳米结构 以纳米尺度的物质单元为基础， 按一定规律构筑或营造的新体系它不仅具 有纳米物质单元的性能，还存在由结构组合而产生的新的特性 Gleiter认为纳米材料是其晶粒中原子的长程有序排列和无序界面成分的组合， 纳米材料具有大量界面，晶界原子达15% 一 50% 。

可以利用 TEM 、X射线、中子衍 射和一些其它方法来表征纳米材料及其结构对于纳米材料晶界的结构有三种不 同的理论 : （1） Gleiter的完全无序说[3]这种假说认为纳米晶粒间界具有较为开 放的结构，原子排列具有随机性，原子间距较大，原子密度低，既无长程有序， 又无短程有序2）Seagel 的有序说[4]有序说认为晶粒间界处含有短程有序的 结构单元，晶粒间界处原子保持一定的有序度，通过阶梯式移动实现局部能量的 最低状态 ;（3）叶恒强、吴希俊的有序无序说[5]该理论认为纳米材料晶界结构 受晶粒取向和外场作用等一些因素的限制，在有序和无序之间变化二、 纳米材料的主要应用 借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性 的突破，这同时也促进了纳米材料应用的越来越广泛化1、 特殊性能材料的生产 材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域高熔点材料的烧 结纳米材料的小尺寸效应(即体积效应 )使得其在低温下烧结就可获得质 地优异的烧结体 (如 SiC、WC、BC 等)，且不用添加剂仍能保持其良好的 性能另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、 烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加 快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。

例如普通钨粉需在3 000℃ 高温时烧结，而当掺入0.1%～0.5%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低 到 1 200℃～1 311℃ 复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度 各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的纳米材料的小尺 寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在 低温下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料纳米陶瓷材料 的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的 由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可 用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷纳米陶瓷具有塑 性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高 矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓 应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作2、 生物医学中的纳米技术应用 从蛋白质、 DNA 、RNA 到病毒，都在1-100nm 的尺度范围，从而 纳米结构也是生命现象中基本的东西细胞中的细胞器和其它的结构单 元都是执行某种功能的“纳米机械” ，细胞就象一个个“纳米车间” ，植 物中的光合作用等都是“纳米工厂”的典型例子。

遗传基因序列的自组 装排列做到了原子级的结构精确，神经系统的信息传递和反馈等都是纳 米科技的完美典范生物合成和生物过程已成为启发和制造新的纳米结 构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳米级控制和操纵 纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就为医学研 究提供了新的契机 目前已得到较好应用的实例有： 利用纳米 SiO2 微粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳米金(Au)粒子的细胞内部染 色，表面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等 正在研制的生物芯片包括细胞芯片、蛋白质芯片(生物分子芯片 )和基因 芯片(即 DNA 芯片)等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳 米生物工程的前沿科技将直接应用于临床诊断，药物开发和人类遗传 诊断植入人体后可使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测 中发现疾病的先兆信息，使早期诊断和预防成为可能纳米生物材料也 可以分为两类， 一类是适合于生物体内的纳米材料，如各式纳米传感器， 用于疾病的早期诊断、监测和治疗各式纳米机械系统可以快速地辨别 病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组织或清除心脑血 管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。

另一 类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体， 而被用于其它纳米技术或微制造3、 纳米生物计算机开发 生物计算机的主要原材料之一是生物工程技术产生的蛋白质分子， 并以此作为生物芯片在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速 度要比当今最新一代计算机快10 倍以至几万倍， 能量消耗仅相当于普通 计算机的几亿分之一，存贮信息的空间仅占百亿分之一由于蛋白质分 子能自我组合，再生新的微型电路，从而使得生物计算机具有生物体的 一些特点， 如能发挥生物本身的调节机能、自动修复芯片上发生的故障， 还能使其模仿人脑的机制等世界上第一台生物计算机是由美国于1994 年 11月首次研制成功的 科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来 世界产生重大影响制造这类计算机离不开纳米技术生物纳米计算机 和纳米机器人的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装 置，它一旦研制成功，有可能在1 秒钟完成数十亿次操作，届时人类的 劳动方式将产生彻底的变革 目前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全 世界为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。

人们正注 视着纳米科学技术领域不断涌现出的奇异现象和新进展，这一领域前景 十分诱人它与其它学科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学 科群，其有关发展将对经济建设、国防实力、科技发展乃至整个社会文 明进步产生巨大影4、 新的国防科技革命 纳米技术将对国防军事领域带来革命性的影响例如：纳米电子器 件将用于虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的 纳米探测系统；新型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由 纳米微机械系统制造的小型机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳 米卫星可用一枚小型运载火箭发射千百颗，按不同轨道组成卫星网，监 视地球上的每一个角落，使战场更加透明而纳米材料在隐身技术上的 应用尤其引人注目在雷达隐身技术中，超高频(SHF，GHz)段电磁波 吸波材料的制备是关键纳米材料正被作为新一代隐身材料加以研制 由于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱 和键和悬挂键增多大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽高的比表面积造成多重散射纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分 裂，分裂的能级间距正处于微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸 波通道纳米材料中的原子、电子在微波场的辐照下，运动加剧，增加 电磁能转化为热能的效率，从而提高对电磁波的吸收性能。

美国研制的 “超黑粉”纳米吸波材料对雷达波的吸收率达99％，法国最近研制的 CoNi 纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7GHz 范围内，其 m￠ 和 m￠￠几乎均大于 6最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、毫米波、 红外、可见光等波段的纳米复合材料，并提出了单个吸收粒子匹配设计 机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用纳米材料在具备良好 的吸波功能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点纳米材料中的 硼化物、碳化物，铁氧体，包括纳米纤维及纳。