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纳米固体材料的特性及应用 摘要 本文阐述了纳米固体材料的概念及历史，说明了纳米固体材料的结构和由它引起的特性，介绍了纳米固体材料的各种应用。 关 键 词：纳米固体材料 特性 应用 纳米材料是目前材料科学研究的一个热点, 是21 世纪最有前途的领域。由于纳米材料具有特异的光、电、磁、热、声、力、化学等性能, 广泛应用于宇航、国防工业、磁记录材料、计算机工程、环境保护、化工、医药、建材、生物工程和核工业等领域, 其市场前景相当广阔。 目前我国从事纳米材料生产的企业有100 多家, 并建立了几个纳米材料研究基地, 有关科研部门和生产企业还对纳米复合塑料、纳米涂料、纳米橡胶和纤维的改性以及纳米材料在能源和环保等方面的应用进行了深入的研究和开发, 并取得一定的成果。近年来一些重大的研究成果不断问世, 如成功合成世界最长的碳纳米管, 制成性能优良的纳米扫描显微镜, 合成出高质量的储氢碳纳米材料等, 具有国际领先水平。我国已能生产铁、镍、锌、银、铜、铝、钴等金属纳米粉和氧化物粉末以及陶瓷粉末等30 多种, 有些产品已达国际先进水平。中国科学院化学研究所工程塑料国家重点实验室用天然粘土矿物蒙脱土作为分散相, 成功开发以聚酰胺、聚酯、聚乙烯、聚苯乙烯、环氧树脂、聚氨酯等为基材的一系列纳米材料, 并实现了部分纳米塑料的工业化生产。 纳米材料一般分为：纳米微粒、纳米薄膜（多层膜和颗粒膜）、纳米固体。 其中纳米固体材料是一类有广阔应用前景的新型材料,它是由纳米量级的超细微粒压制烧结而成的人工凝聚态固体。这种材料具有新型的固态结构,其性质与处于晶态或非晶态的同种材料大不一样,因此将它称为纳米固体材料。1963年，日本名古屋大学教授田良二首先用蒸发冷凝法获得了表面清洁的纳米粒子。1984年，由德国H.格莱特教授领导的小组首先研制成第一批人工金属固体（Cu、Pa、Ag和Fe）。同年美国阿贡实验室研制成TiO2纳米固体。20世纪80年代末，合金、半导体和陶瓷离子晶体等人工纳米固体相继问世。纳米固体材料具有全新的“类气态”结构，性能十分奇特。如纳米固体铁的断裂应力比常规铁材料一下子提高了近12倍；纳米固体铜又比一般铜材料的热扩散增强了近一倍。更为奇怪的是，普通状态下呈脆性的陶瓷，在纳米固体材料中却能被弯曲，其塑性形变竟然高达100%……来自太空的陨石和海底的锰结核中，都有超细微粒成分。人和动物的牙齿之所以特别坚硬，也与构成它们的物质是纳米尺度的超细微粒密切相关…… 纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高1014～1016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。由于纳米粒子特有的结构，纳米粒子或纳米固体表现出一系列奇异而独特的性质，例如：①颗粒为6纳米的铁晶体，其断裂强度比普通多晶铁提高约12倍。普通陶瓷在常温下很脆，而纳米陶瓷不仅强度高，而且具有良好的韧性。②纳米金属的比热容比是普通金属的2倍，热膨胀率提高1～2倍。纳米晶体熔化时具有所谓准熔化相的中间相变过程。纳米铜晶体的自扩散率是普通点阵扩散的106～1019倍，这与纳米固体中存在较大空隙有关。③金属是电的良导体，纳米态下可能变为绝缘体。无极性的氮化硅是典型的共价键结构和绝缘体，在纳米态下不再是共价键结构，而且具有很强的极性，其高频交流电导急剧增大。一些典型的铁电体（见电介质物理学）在纳米态下变为顺电体。④铁磁性物质在纳米态下矫顽力几乎增大1000倍，但当尺寸减小到5纳米时，磁有序向磁无序转变，铁磁性消失变为顺磁性（见磁介质）。磁性金属的磁化率和饱和磁化强度均有很大改变。⑤纳米固体在较宽的波长范围内显示出对光的均匀吸收，几十纳米厚的薄膜相当于几十微米厚的普通材料的吸收效果。普通金属对光的反射率很高，而纳米金属微粒的反射率显著下降，通常低于1％。因等离子共振频率随粒子尺寸而变，当粒子尺寸改变时，对微波的吸收峰将发生频移。 固体的许多性能，在很大程度上取决于原子近邻间的状况。纳米固体的结构和原子排列的特殊性必将使其与结构相关的性能发生相当大的变化。纳米晶体物质的性能与通常的大晶粒多晶物质作比较，其差异是远远大于由晶态到非晶态的结构变化所引起性质的变化。 不同的化学组分在原子尺度的合金，是被限制在相图上所允许的范围内，即严格限制于一些在固态或熔融态中能互溶的化学成分之间。而大多数化学组分却是不互溶的……但是对于纳米固体，二元甚至多元的复合材料，可以通过把不同化学成分的超细微粒压制成多晶固体来获得，而不必考虑组成部分是否互溶。这样获得的纳米相复合材料，还不是在原子尺度上的合金，而是在纳米微粒尺度上的合金。但是如果微粒的尺寸达到有限几个原子间隙的大小时，两类合金的差异就大为缩小了。 由较大颗粒制备的常规材料中，相邻颗粒界面上的固态反应，由于参与反应的物质的颗粒和层厚较大，界面附近的原子与体内原子数量量比很小。所以，只能引起固体局部结构性质的改变。而纳米固体中存在的浓度极大且具有高度无序结构的界面，使得内部原子输运出现异常现象，导致自扩散系数的剧烈增大。加之纳米尺度的层厚及粒度使反应的距离变短，使相邻微粒之间的固态反应在较低的温度下就能进行。这将足以使纳米固体材料的界面组元中实现原子的混合，形成各种不同的亚稳相，实现材料的整体转变。这样，人们就有可能按预定的目的来改造和设计材料的性能。除了自扩散外，纳米固体中的量子隧道效应还使电子输运反常，某些合金的电导率可下降百倍以上，而其电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降，甚至出现负值。 纳米固体在较宽的频谱范围内，显示出对电磁波均匀的吸收性能……“隐身飞机”需在其外壳包上某种吸波材料（又称隐身材料）。而几十纳米的纳米固体薄膜的吸收效果，与比它厚1000倍的现有吸波材料相同。 纳米陶瓷TiO2在常温下具有很好的韧性和延展性能。由于其高纯度的边界及小尺寸的晶粒，可在较低温度下烧结，并大大改善其性能。室温下的纳米陶瓷TiO2在压实中已结合得很好。当烧结温度高于500℃时就迅速增稠，而晶粒尺度却仅有微小增加。所以它能在比大晶粒样品低600℃的温度下达到类似于普通陶瓷的硬度……在冷加工成形后，可使之转变到常规陶瓷。若采用表面退火的办法，就能制成一种表面保持常规陶瓷的硬度和稳定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷…… 利用纳米粒子的高度活性可制备活性极高的催化剂，应用较多的是半导体光催化剂, 特别是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒, 可近似地看成是一个短路的微型电池, 用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时, 半导体纳米粒子吸收光产生电子——空穴对。在电场作用下, 电子与空穴分离,分别迁移到粒子表面的不同位置, 与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。 纳米铝粉是一种纳米金属催化剂, 因粒径小, 烃类与催化剂的混合接触充分, 传质效果好。无锡威孚吉大应用开发研究所, 投入资金约500 万元, 进行纳米铝粉应用于改进三元催化剂的研究和开发。同时公司还将纳米技术应用于汽车尾气净化, 应用前景较乐观。武汉塑料工业集团股份有限公司以中科院化学所工程塑料国家重点实验室为技术依托, 建设两条纳米材料生产线, 制造高性能聚合物/ 粘土纳米复合材料。该材料具有高强度、耐热、高阻隔及自熄灭性等优点, 在汽车、电子、建材、包装等领域有较大的应用潜力。另外, 江苏五菱常泰纳米材料股份有限责任公司也进行纳米材料及其产品的研究、制造及营销。江苏和陕西等地也分别建成纳米氧化锌生产线。 在火箭固体燃料中掺入铝的纳米微粒，可提高燃烧效率若干倍。利用铁磁纳米材料具有很高矫顽力的特点，可制成磁性信用卡、磁性钥匙，以及高性能录像带等。利用纳米材料等离子共振频率的可调性可制成隐形飞机的涂料。纳米材料的表面积大，对外界环境（物理的和化学的）十分敏感，在制造传感器方面是有前途的材料，目前已开发出测量温度、热辐射和检测各种特定气体的传感器。在生物和医学中也有重要应用。 Nano solid material properties and applications Tiansainan Chemistry engineering of Beijing Institute of Petrochemical Technology Beijing 1026174；化092 090040 This paper expounds the concept and nano solid materials history, explained the structure of solid materials and nanotechnology caused by its characteristics, this paper introduces the application of nano solid materials. 参考文献 （1）文斋;纳米科技发展史[N];北京科技报;2000年 本文来源：https://www.dywdw.cn/8ce7e02358fb770bf78a55b5.html
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2023-02-22
![[纳米材料与纳米技术论文]纳米技术的应用论文](/static/wddqxz/img/rand/103.jpg)
