什么是新能源材料
9页1、纳米材料发展的三个阶段第一阶段(4990年以前)主要是在实验宗探索用各种于段制备各种材料的纳米颗粒体, 合成块体(包括薄膜),研究评估表征的方法,探索纳米材料不 同丁常规材料的特殊性能。对纳米颗粒和纳米块体材料结构的研 究在80年代末期一度形成热潮。研究的对象一般局限在单材料和 单相材料,国际上通常把这类纳米材料称纳米品一或纳米相材料。第二阶段(4994年前)人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、 化学和力学性能,设计纳米复合材料,通常采用纳米微粒与纳米 微粒复合,纳米微粒与常规块体复合及发展复合材料的合成及物 性的探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段(从4 994年到现在)纳米组装体系、人匸组装合成的纳米结构的材料体系越來越受 到人们的关注,正在成为纳米材料研究的新的热点。三、纳米材料的特性纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、 化学特性,如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电, 原來绝缘的二氧化硅、晶体等,在某一纳米级界限时开始 导电。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、 表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的效 应:表面效应、小
2、尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧 道效应。1、表面效应用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10-3微米) 进行电视摄像,观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间 的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面 体等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是种准固体。 在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了 “沸腾” 状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性, 这时微颗粒具有稳定的结构状态。超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅 速氧化而燃烧。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代 的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。2、小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。(1)特殊的光学性质当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时,即失去了原有的富 贵光泽而呈黑色。事实上,所有的金属在超微颗粒状态都呈现为 黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的钳(白金)变成钳黑,金 属珞变成銘黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通 常可低于1 %,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性 可以作为高效率的光热、光电等转换材料,可以高效
3、率地将太阳 能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外 隐身技术等。(2)特殊的热学性质固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微 化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为 显著。例如,金的常规熔点为1064CC,当颗粒尺寸减小到10纳 米尺寸时,则降低27C, 2纳米尺寸时的熔点仅为327C左右; 银的常规熔点为670C,而超微银颗粒的熔点可低于100Co因 此,超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结,此时元件的 基片不必釆用耐高温的陶瓷材料,甚至可用塑料。釆用超细银 粉浆料,可使膜厚均匀,覆盖面积大,既省料又具高质量。日 本川崎制铁公司釆用0. 11微米的铜、線超微颗粒制成导电浆 料可代替耙与银等贵金属。(3)特殊的力学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性,然而由纳米超微颗粒压制 成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的 界面,界面的原子排列是相当混乱的,原子在外力变形的条件 下很容易迁移,因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性,使陶 瓷材料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米材料在 室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明,人的牙齿之
4、所以 具有很高的强度,是因为它是由礎酸钙等纳米材料构成的。呈 纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一 陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性 质,其应用前景十分宽广。费米势能微粒中的原子数3、暑于尺寸妾卷4JE 金属纳米晶粒的能级间距为:8 = 厶37V宏观物休:7V8 0电子处于连续变化的能带上,光谱为连续光谱。纳米晶粒:“较小 他6有确定值电子处于分离的能级上,光谱为线状光谱。纳米晶粒能级问问距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场 能或者磁场能比平均的能级间距还小时,就会呈现一系列写宏观 物体截然不同的反常特性,称之为量子尺寸效应。例如,导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体,磁矩的 大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关,比热亦会反常变化, 光谱线会产牛向短波长力向的移动,这就是量子尺寸效应的宏 观表现。274、宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这势垒。电子具有粒子性又具有 波动性,因此存在隧道效应。近年来,人们发现一些宏观物理,如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出 隧道效应,称之
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