納米材料特性及其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用

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1、納米材料特性及其在環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的應(yīng)用材紡學(xué)院高材082林允博摘要：納米材料是指晶粒尺寸為納米級(jí)(10-9米)的超細(xì)材料。納米技術(shù)作為一種最具有市場應(yīng)用潛力的新興科學(xué)技術(shù),它將成為眾多技術(shù)的創(chuàng)新動(dòng)力。本文概述了納米材料的形態(tài)、特殊性質(zhì)以及納米材料的應(yīng)用，以使大家更清楚地認(rèn)識(shí)納米材料,并了解其在環(huán)保領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與前景。關(guān)鍵詞：納米;納米技術(shù);前景;環(huán)境保護(hù)1納米材料概述著名的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者Feyneman在20世紀(jì)60年代曾預(yù)言如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化他所說的材料

2、就是現(xiàn)在的納米材料。納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)納米材料是納米技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)其相應(yīng)發(fā)展起來的納米技術(shù)則被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域所謂納米科學(xué)是指研究納米尺寸范圍在0.1100nm之內(nèi)的物質(zhì)所具有的物理化學(xué)性質(zhì)和功能的科學(xué)而納米科技其實(shí)就是一種用單個(gè)原子分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)它以納米科學(xué)為理論基礎(chǔ)，進(jìn)行制造新材料新器件研究新工藝的方法。1984年德國薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國阿貢試驗(yàn)室的Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到納米微晶塊體，從而使

3、納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來說，它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。在納米材料中，界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。2、納米顆粒的基本性征2.1表面效應(yīng)球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比,其體積與直徑的立方成正比,故其比表面積(表面積/體積)與直徑成反比。超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的,若用高倍率電子顯微鏡對(duì)金超微顆粒(直徑為2.1~3μ

4、m)進(jìn)行電視攝像,實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài),隨著時(shí)間的變化會(huì)自動(dòng)形成各種形狀(如立方八面體、十面體、二十面體等)的晶型,它既不同于一般固體,又不同于液體,是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電子束照射下,表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰”狀態(tài),尺寸大于10μm后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性,這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。超微顆粒的表面具有很高的活性,在空氣中金屬顆粒會(huì)迅速氧化而燃燒。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意識(shí)地控制氧化速率,使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層,確保表面穩(wěn)定化。利用表面活性,金屬超微顆?？赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎┖唾A氣材料以及低熔點(diǎn)

5、材料。2.2小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變,在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒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)。對(duì)超微顆粒而言,尺寸變小,同時(shí)其比表面積亦顯著增加,從而產(chǎn)生特殊的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)、超導(dǎo)電性、介電性能以及化學(xué)性能等一系列新奇的性質(zhì)。3、納米材料的形態(tài)3.1納米顆粒型材料應(yīng)用時(shí)直接使用納米顆粒的形態(tài)稱為納米顆粒型材料被稱為第4代催化劑的超微顆粒催化劑,利用甚高的比表面積與活性可以顯著地提高催化效率,例如,以粒徑小于0.3μm的鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒為主要分制成的催化劑可使有機(jī)物氯化的效率達(dá)到傳統(tǒng)鎳催化劑的10

6、倍;超細(xì)的鐵微粒作為催化劑可以在低溫將二氧化碳分解為碳和水,超細(xì)鐵粉可在苯氣相熱分解中起成核作用,從而生成碳纖維。3.2納米固體材料納米固體材料通常指由尺寸小于15nm的超微顆粒在高壓力下壓制成型,或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面,如5nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個(gè)晶界,原子的擴(kuò)散系數(shù)要比大塊材料高10141016倍,從而使得納米材料具有高韌性。如將納米陶瓷退火使晶粒長大到微米量級(jí),又將恢復(fù)通常陶瓷的特性,因此可以利用納米陶瓷的范性對(duì)陶瓷進(jìn)行擠壓與軋制加工,隨后進(jìn)行熱處理,使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥?/p>

7、常陶瓷,或進(jìn)行表面熱處理,使材料內(nèi)部保持韌性,但表面卻顯示出高硬度高耐磨性與抗腐蝕性。電子陶瓷發(fā)展的趨勢是超薄型(厚度僅為幾μm),為了保證均質(zhì)性,組成的粒子直徑應(yīng)為厚度的1%左右,因此需用超微顆粒為原材料。3.3納米顆粒膜材料顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜,通常選用兩種在高溫互不相溶的組元制成復(fù)合靶材,在基片上生成復(fù)合膜,當(dāng)兩組分的比例大致相當(dāng)時(shí)。就生成迷陣狀的復(fù)合膜,因此改變?cè)及胁闹袃煞N組分的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài),從而控制膜的特性。對(duì)金屬與非金屬復(fù)合膜,改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體顆粒膜

8、材料有諸多應(yīng)用例如作為光的傳感器,金顆粒膜從可見光到紅外光的范圍內(nèi)