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纳米材料简单介绍

工科0970巴聪

2009-10-3

摘要
本文是对纳米材料给出一个简单的介绍，文章将介绍纳米材料的概念、特点、用途，并介绍几种常用纳米材料。大部分材料源于因特网，我主要完成一些搜集整理工作，并提出一些自己的见解。本文主要目的是让读者对纳米材料有一个大致的了解。

（二）关键词
纳米材料，纳米技术，性质，应用

（三）引言
有人曾经预测在21世纪纳米技术将成为超过网络技术和基因技术的“决定性技术”，由此纳米材料将成为最有前途的材料。世界各国相继对之投入巨资进行研究，美国从2000年启动了国家纳米计划。
纳米也正在逐步走入我们每个人的生活中，每天都能在不同的媒体上看到这样或那样的字样来介绍纳米材料，本文将简单介绍纳米材料的性质和应用。

正文
目前普遍对纳米材料的定义是结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间的超微颗粒及其致密的聚集体，以及由纳米微晶所构成的材料。
由于它的尺寸已经非常小（接近电子的相干长度），强相干所带来的自组织使得这类材料的性质发生很大变化。其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面（对超微颗粒而言，尺寸变小，其比表面积亦显著增加，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米）的特殊效应，同时超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子（这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子）。因此会表现一些特性，例如光学、磁性、熔点、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
1）光学特性：当黄金被分割到纳米尺度时，会失去原有的光泽而呈黑色。类似的，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。而且尺寸越小，颜色愈黑，而与原本颜色没有关系。这是由于纳米尺度下微粒直径远小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用，导致金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％。几微米这种涂料就能完全消光，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能，利用这个特性纳米材料可以作为高效率的光热、光电等转换材料。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。纳米材料也因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。
2）磁性：大块的纯铁矫顽力（使磁化至技术饱和的永磁体的B降低至零所需要的反向磁场强度称为矫顽力）约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2′10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6′10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。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。
3）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，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缘故。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。由于其具有较高的表面能量，还造成了造成熔点下降，例如金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到10纳米尺寸时，则降低27℃，2纳米尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。也是上述原因，纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。例如，在钨颗粒中附加0.1％～0.5％重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200～1300℃，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。
4）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，甚至发生绝缘体转变。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。
5）力学特性：具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。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。例如氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不