納米材料的特性及制備

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1、納米材料的特性及制備主商要：1992年國際納米材料會議對納米材料定義如下：一相任一維的尺寸達(dá)到100nm以下的材料為納米材料［1】。因此，納米材料是由尺度在1?100nm的微小顆粒組成的體系，由于獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和奇異性能，納米材料引起了科學(xué)界的極大關(guān)注，成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，其領(lǐng)域涉及物理、化學(xué)、生物、微電子等諸多學(xué)科。美國自1991年開始把納米技術(shù)列入“政府關(guān)鍵技術(shù)”，我國的自然科學(xué)基金等各種項(xiàng)目和研究機(jī)構(gòu)都把納米材料和納米技術(shù)列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。由于納米材料的形貌和尺寸對其性能有著重要的影響，因此，納米材料形貌和尺寸的控制合

2、成是非常重要的。本文將對納米材料的特性及其制備進(jìn)行簡單介紹。關(guān)鍵詞：納米材料；材料特性：制備方法：應(yīng)用前景近十幾年來，隨著高尖端技術(shù)的快速發(fā)展，關(guān)于高性能新型納米材料的丌發(fā)促使人們對固體微粒的制備、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了廣泛深入的研究隨著物質(zhì)的超微化，納米材料表面電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，產(chǎn)生Y宏觀物體所不具冇的四大效應(yīng)小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，使得其具冇傳統(tǒng)材料所不其備的一系列優(yōu)異的力、磁、電、光學(xué)和化學(xué)等宏觀特性，從而使其作為一種新型材料在宇航、電子、冶金、化工、生物和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，因而

3、使得納米材料的研究成為當(dāng)今世界材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理、化學(xué)等領(lǐng)域屮的一個熱門課題［2'一、納米材料的特性納米材料指的是顆粒尺寸為1?lOOnm的粒子組成的新型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效應(yīng)，它具有常規(guī)飢晶材料不具備的特殊性能。（一）小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超細(xì)微粒的尺、r與光波波長、德介羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或史小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電磁、熱力學(xué)等待性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。例如:光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有

4、序態(tài)向磁無序態(tài)的轉(zhuǎn)變；超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變等［5］。（二）表面效應(yīng)：納米微粒尺寸小，表而能高，位于表而原子占相當(dāng)大的比例。隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加。這是由于粒徑小，表面積急劇變大所致。由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表而能，使這些表而原子具冇高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其它原子結(jié)合。例如：金屬的納米粒子在空氣中會燃燒，無機(jī)的納米?？兆颖┞对诳諝忮鴷讲⑴c氣體進(jìn)行反應(yīng)。（三）量子尺寸效應(yīng)：當(dāng)粒子尺、r卜*降到某一值時，金屬費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象以及納米半異體微粒存在不連續(xù)的

5、最高被心據(jù)分子軌道和最低軌道能級而使能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺、j?效應(yīng)直接解釋了納米粒子特別的熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量以及超導(dǎo)態(tài)的凝聚能等一系列的與宏觀特性冇著顯著不同的特性［6］。（四）宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具冇貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來,人們發(fā)現(xiàn)了一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度，量子和干器件中的磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對基礎(chǔ)研究及實(shí)用都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息貯存的吋間極限。量了?尺、』?效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會是未來微電了?器件

6、的基礎(chǔ)，或蕎它確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微化的極限。當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時，必須?？紤]上述的量子效應(yīng)［7］。（五）納米材料奇特的物理性能：1.奇特的光學(xué)特性：一是寬頻帶強(qiáng)吸收:納米粒了對光的反射率很低，吸收率很強(qiáng)導(dǎo)致粒子變黑。二是藍(lán)移現(xiàn)象：納米微粒的吸收帶普遍向短波方向移動。三是納米微粒出現(xiàn)了常規(guī)材料不出現(xiàn)的新的發(fā)光現(xiàn)象。由于在納米結(jié)構(gòu)材料中有大的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。因此，與單晶材料相比，納米結(jié)構(gòu)其宥較高的擴(kuò)散率。較高的擴(kuò)散率對蠕變、超塑性等力學(xué)性能冇顯著影響，同時可以在較低的溫度對材料進(jìn)行冇效的摻雜，可

7、以在較低溫度使不混溶金屬形成新的合金和。增強(qiáng)的擴(kuò)散能力產(chǎn)生的另一個結(jié)果是可以使納米材料的燒結(jié)溫度大大降低［8］。納米微粒物性的一個最大特點(diǎn)是與顆粒尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。由于納米微粒的小尺、r使其具宥了一系列的奇特的物理性質(zhì)，從而給納米材料的應(yīng)用打開了一個廣闊的天地［9］。二、納米材料的合成與制備方法物理制備方法1.機(jī)械法機(jī)械法冇機(jī)械球磨法、機(jī)械粉碎法以及超重力技術(shù)。機(jī)械球磨法無需從外部供給熱能，通過球磨讓物質(zhì)使材料之間發(fā)生界面反應(yīng)，使大晶粒變?yōu)樾【Я?，得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。利用金屬羰基粉高能球

8、磨法獲得納米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機(jī)械粉碎法是利用各種超微粉機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉，尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術(shù)利用超重力旋轉(zhuǎn)床高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的相當(dāng)于重力加速度上百倍的離心加速度，使和問傳質(zhì)和微觀混合得到極大的加