1、第二節第二節 納米材料納米材料 及其優異性能及其優異性能 狹義：顆粒尺寸在納米量級（狹義：顆粒尺寸在納米量級（1 1100nm100nm）的超細材料，它的尺寸大于原）的超細材料，它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，處在原子簇子簇而小于通常的微粉，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域。和宏觀物體交界的過渡區域。 廣義：在三維空間中至少有一維處在廣義：在三維空間中至少有一維處在納米尺度范圍（納米尺度范圍（1 1100nm100nm）或由他們）或由他們作為基本單元構成的材料。作為基本單元構成的材料。納米材料的定義納米材料的定義 1 1）納米粉體材料納米粉體材料 由納米粒子構成的松散集合體；由納米粒子構

2、成的松散集合體； 2 2）納米塊體材料納米塊體材料 納米粉體經過一定的壓制工藝制成的具有高致納米粉體經過一定的壓制工藝制成的具有高致密度的材料密度的材料，如納米陶瓷、納米金屬與合金等；如納米陶瓷、納米金屬與合金等； 3 3）納米薄膜材料納米薄膜材料 將納米粒子制成薄膜或將納米粒子分散到其他將納米粒子制成薄膜或將納米粒子分散到其他的薄膜（如有機膜）中進而形成的多層膜的薄膜（如有機膜）中進而形成的多層膜。 4 4）納米復合材料納米復合材料 將納米粒子分散到高分子、常規陶瓷或金屬中將納米粒子分散到高分子、常規陶瓷或金屬中。 納米材料的分類納米材料的分類零維零維在空間三維尺度均為納在空間三維尺度均為納

3、米尺度，米尺度， 如納米尺度顆粒、原如納米尺度顆粒、原子團簇等；子團簇等；一維一維在空間有兩維處于納米在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等；管等；二維二維在三維空間中有一維在在三維空間中有一維在納米尺度，如超薄膜、多層膜等納米尺度，如超薄膜、多層膜等納米薄膜。納米薄膜。納米材料的納米材料的基本基本組成組成單元單元2.1 2.1 納米材料的綜合特性納米材料的綜合特性 當材料的尺寸進入納米量級時，當材料的尺寸進入納米量級時，材料就具有其原先材料所不具備的材料就具有其原先材料所不具備的三大效應：三大效應： 體積效應（小尺寸效應）體積效應（小尺寸效應） 表面

4、（或界面）效應表面（或界面）效應 宏觀量子隧道效應宏觀量子隧道效應1 1體積效應（小尺寸效應）體積效應（小尺寸效應） 體積效應又稱小尺寸效應。當納米粒體積效應又稱小尺寸效應。當納米粒子的尺寸與傳導電子的德布羅意波長以子的尺寸與傳導電子的德布羅意波長以及超導態的相干波長等物理尺寸相當或及超導態的相干波長等物理尺寸相當或更小時，其周期性的邊界條件將被破壞，更小時，其周期性的邊界條件將被破壞，光吸收、電磁、化學活性、催化等性質光吸收、電磁、化學活性、催化等性質和普通材料相比發生很大變化，這就是和普通材料相比發生很大變化，這就是納米粒子的納米粒子的。 用途用途： 納米粒子的體積效應不僅大大擴充納米粒子

5、的體積效應不僅大大擴充了材料的物理、化學特性范圍，而且為了材料的物理、化學特性范圍，而且為實用化拓寬了新的領域。例如納米尺度實用化拓寬了新的領域。例如納米尺度的強磁性顆粒可制成磁性信用卡；納米的強磁性顆粒可制成磁性信用卡；納米材料的熔點遠低于其原先塊狀材料的熔材料的熔點遠低于其原先塊狀材料的熔點，這為粉末治金提供了新工藝等。點，這為粉末治金提供了新工藝等。 2表面（或界面）效應表面（或界面）效應 納米粒子納米粒子表面原子與總原子數之比表面原子與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。質上的變化。 粒子半徑的減小粒子半徑的減小 表面積急劇變大表

6、面積急劇變大 表面原子數迅速增加表面原子數迅速增加 表面原子周圍缺少相鄰的原子，具有不表面原子周圍缺少相鄰的原子，具有不飽和性質飽和性質 大大增強了納米粒子的化學活性，納米大大增強了納米粒子的化學活性，納米材料的原子擴散路徑增多。材料的原子擴散路徑增多。用途用途 納米金屬粒子室溫下在空氣納米金屬粒子室溫下在空氣中便可強烈氧化而發生燃燒等等。中便可強烈氧化而發生燃燒等等。 納米材料的許多特性是和其納米材料的許多特性是和其表面與界面的效應有關的。表面與界面的效應有關的。 3 3宏觀量子隧道效應宏觀量子隧道效應 隧道效應是基本的量子現象之隧道效應是基本的量子現象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢一，即

7、當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越該勢壘壘高度時，該粒子仍能穿越該勢壘的能力稱為隧道效應。的能力稱為隧道效應。 納米粒子的磁化強度等也具有納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀系統隧道效應，它們可以穿越宏觀系統的勢壘而產生變化，這被稱為納米的勢壘而產生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。粒子的宏觀量子隧道效應。 用途用途 納米鎳晶粒在低溫下能繼續保持超納米鎳晶粒在低溫下能繼續保持超順磁性。順磁性。 宏觀量子隧道效應限定了磁盤等對宏觀量子隧道效應限定了磁盤等對信息存儲的極限，確定了現代微電子信息存儲的極限，確定了現代微電子器件進一步微型化的極限。器件進一步微型化

8、的極限。2.2 2.2 納米粒子及其性能納米粒子及其性能1 化學成分化學成分 無機、有機和有機無機復合粒子。無機、有機和有機無機復合粒子。 無機納米微粒包括金屬與非金屬（半導無機納米微粒包括金屬與非金屬（半導體、陶瓷、鐵氧體等），有機納米微粒體、陶瓷、鐵氧體等），有機納米微粒主要是高分子和納米藥物。主要是高分子和納米藥物。 2 原子排列的對稱性和有序程度原子排列的對稱性和有序程度 晶態、非晶態、準晶態。晶態、非晶態、準晶態。3 3 納米粒子的形狀及其表面形貌納米粒子的形狀及其表面形貌 表面有原子臺階；表面有原子臺階； 殼層結構殼層結構表面層結構不同于內表面層結構不同于內部完整的結構（包括鍵態、

9、電子態、配部完整的結構（包括鍵態、電子態、配位數等）；位數等）； 體相結構也受到尺寸制約，而不同體相結構也受到尺寸制約，而不同于常規材料的結構；于常規材料的結構； 結構還與制備方法有關。結構還與制備方法有關。4 4 化學結合力性質化學結合力性質 幾乎所有的納米級材料（粒子）幾乎所有的納米級材料（粒子）都部分地失去了其常規的化學結合都部分地失去了其常規的化學結合力性質，表現出力性質，表現出。 由于材料的結合力性質與原子間由于材料的結合力性質與原子間距有關，而納米級材料（粒子）內距有關，而納米級材料（粒子）內部的原子間距與相應的常規材料不部的原子間距與相應的常規材料不同，其結合力性質也就相應地發生

10、同，其結合力性質也就相應地發生變化，表現出變化，表現出。 5 5 按粒徑尺寸分類按粒徑尺寸分類 超細粉超細粉 2020100nm100nm 超微細粉超微細粉 20nm20nm 納米粒子統稱超微粉、超微顆粒。納米粒子統稱超微粉、超微顆粒。 6 6 納米粒子奇異的物理化學特性及納米粒子奇異的物理化學特性及應用應用1 1）光學性能光學性能A A 對可見光的極低反射率和強吸收率。對可見光的極低反射率和強吸收率。粒子尺寸越小，光的吸收越強烈。粒子尺寸越小，光的吸收越強烈。用途：用途：納米金屬用于制作紅外線檢測元納米金屬用于制作紅外線檢測元件和隱身飛機的雷達波吸收材料。件和隱身飛機的雷達波吸收材料。B B

11、 存在存在藍移藍移現象，納米微粒的吸收帶移現象，納米微粒的吸收帶移向短波長方向，出現了常規材料所不向短波長方向，出現了常規材料所不具備的新的發光現象。具備的新的發光現象。 用途用途：提高激光光盤的存儲密度，增提高激光光盤的存儲密度，增加光纖通信量，激光打印的清晰度，加光纖通信量，激光打印的清晰度，解決三原色的問題，并實現大屏幕的解決三原色的問題，并實現大屏幕的彩色顯示。彩色顯示。2）熱學性能熱學性能 熔點顯著降低，燒結溫度和晶化熔點顯著降低，燒結溫度和晶化溫度也均比常規粉體低溫度也均比常規粉體低 。 熱膨脹可調，因此可將具有不同熱膨脹可調，因此可將具有不同熱膨脹系數的材料連接熱膨脹系數的材料連

12、接 。3）磁學性能磁學性能 納米磁性微粒具有較高的磁化率和矯頑納米磁性微粒具有較高的磁化率和矯頑力、較低的飽和磁矩和磁耗。納米磁性金力、較低的飽和磁矩和磁耗。納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的屬的磁化率是普通金屬的2020倍，而飽和磁倍，而飽和磁矩是普通金屬的一半。矩是普通金屬的一半。 物質的磁性、磁疇結構隨材料幾何尺物質的磁性、磁疇結構隨材料幾何尺寸減小發生變化。納米微粒尺寸小到一定寸減小發生變化。納米微粒尺寸小到一定臨界值時具有超順磁特性，矯頑力趨于零。臨界值時具有超順磁特性，矯頑力趨于零。 用用 途途 納米粒子作永久性磁體材料和納米粒子作永久性磁體材料和磁流體，作磁記錄材料則可以提高磁流體

13、，作磁記錄材料則可以提高信噪比、改善圖像質量。信噪比、改善圖像質量。 4 4）化學活性）化學活性 納米粒子的比表面積大，表面原子納米粒子的比表面積大，表面原子數很多，使得納米材料具有較高的化學數很多，使得納米材料具有較高的化學活性。許多納米金屬微粒室溫下在空氣活性。許多納米金屬微粒室溫下在空氣中就會被強烈氧化而燃燒。中就會被強烈氧化而燃燒。用途：用途：A A 無機材料的納米粒子做成無機材料的納米粒子做成氣敏元件氣敏元件，對，對不同氣體進行檢測，將增進氣敏元件的靈不同氣體進行檢測，將增進氣敏元件的靈敏度。敏度。B B 化學催化劑。化學催化劑。納米粒子具有無細孔、無納米粒子具有無細孔、無其他成份、

14、能自由選擇組份、使用條件溫其他成份、能自由選擇組份、使用條件溫和、使用方便等優點。納米復合材料可用和、使用方便等優點。納米復合材料可用于汽車尾氣中排放出的于汽車尾氣中排放出的SOSO2 2、COCO的消除。的消除。C C 光催化活性光催化活性是半導體納米粒子非常獨是半導體納米粒子非常獨特的性能，引起科技界與產業界的高度特的性能，引起科技界與產業界的高度重視。半導體納米粒子在紫外光照射下，重視。半導體納米粒子在紫外光照射下，可有效地將有機污染物完全催化氧化成可有效地將有機污染物完全催化氧化成二氧化碳、水、氯離子等無機物。二氧化碳、水、氯離子等無機物。 TiOTiO2 2作為光催化劑，具有活性高、

15、安作為光催化劑，具有活性高、安全、無污染等優點，是最有開發前景的全、無污染等優點，是最有開發前景的綠色環保催化劑之一，并正在有機廢水綠色環保催化劑之一，并正在有機廢水處理、空氣凈化、殺菌除臭中扮演越來處理、空氣凈化、殺菌除臭中扮演越來越重要的角色，其應用也越來越廣泛。越重要的角色，其應用也越來越廣泛。 2.3 2.3 納米纖維納米纖維 1 1 定義定義： 在材料的三維空間尺度上有兩維處于在材料的三維空間尺度上有兩維處于納米尺度的線（管）狀材料，通常是直納米尺度的線（管）狀材料，通常是直徑或管徑或厚度為納米尺度而長度較大。徑或管徑或厚度為納米尺度而長度較大。2 2 應用應用： 隨著微電子學和顯微

16、加工技術的發展，隨著微電子學和顯微加工技術的發展，使納米纖維有可能在納米導線、開關、使納米纖維有可能在納米導線、開關、線路、高性能光導纖維及新型激光或發線路、高性能光導纖維及新型激光或發光二極管材料等方面發揮極大的作用，光二極管材料等方面發揮極大的作用，是未來量子計算機與光子計算機中最有是未來量子計算機與光子計算機中最有潛力的重要元件材料。潛力的重要元件材料。 （1 1）納米絲、納米線、納米棒）納米絲、納米線、納米棒 實心的準一維納米材料，長度比直實心的準一維納米材料，長度比直徑通常要大得多，可以是宏觀量級。納徑通常要大得多，可以是宏觀量級。納米絲、納米線、納米棒三者之間的區分米絲、納米線、納

17、米棒三者之間的區分并不嚴格，通常將長徑比（長度與直徑并不嚴格，通常將長徑比（長度與直徑的比值）較大的稱為納米絲，長徑比較的比值）較大的稱為納米絲，長徑比較小的稱為納米棒，有人將分界限尺度定小的稱為納米棒，有人將分界限尺度定為為1um。習慣上將半導體或金屬的納米。習慣上將半導體或金屬的納米線稱為量子線。線稱為量子線。 （2 2）納米碳管）納米碳管 由單層或多層石墨片卷曲而成的無由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫納米級管狀殼層結構。管直徑一般為縫納米級管狀殼層結構。管直徑一般為幾個納米到幾十個納米，管壁厚度僅為幾個納米到幾十個納米，管壁厚度僅為幾個納米，像鐵絲網卷成的一個空心圓幾個納米，像鐵絲網卷成

18、的一個空心圓柱狀柱狀“籠形管籠形管”。 性能：雖然成分和石墨一樣，碳納米管性能：雖然成分和石墨一樣，碳納米管韌性很高，導電性極強，兼具金屬性和韌性很高，導電性極強，兼具金屬性和半導體性。強度比鋼高半導體性。強度比鋼高100倍，比重只倍，比重只是鋼的是鋼的1/6。被稱為。被稱為“超級纖維超級纖維”。 用途十分誘人：可制成極好的微細探用途十分誘人：可制成極好的微細探針、導線和性能頗佳的增強材料。它針、導線和性能頗佳的增強材料。它使壁掛電視成為可能，并可能制成替使壁掛電視成為可能，并可能制成替代硅芯片的納米芯片從而引發計算機代硅芯片的納米芯片從而引發計算機行業革命。行業革命。 （3 3）納米電纜）納

19、米電纜 由多種物質組成的同軸納米線狀結由多種物質組成的同軸納米線狀結構。構。“內芯內芯”是納米絲，外面包覆著厚是納米絲，外面包覆著厚度為納米級的絕緣層，其幾何結構類似度為納米級的絕緣層，其幾何結構類似于普通的同軸電纜。于普通的同軸電纜。 用途：納米電纜的研制成功，將為人類用途：納米電纜的研制成功，將為人類制造肉眼看不見的微型器件和微型機器制造肉眼看不見的微型器件和微型機器人發揮重要作用。人發揮重要作用。 2.4 2.4 納納米薄膜米薄膜 1 1 定義定義 由尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）由尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構成的薄膜以及每層厚度在納米量級單構成的薄膜以及每層厚度在納米量級單層或多層膜，有時也稱為納米晶粒薄膜層或多層膜，有時也稱為納米晶粒薄膜和納米多層膜。其性能強烈依賴于晶粒和納米多層膜。其性能強烈依賴于晶粒（顆粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度（顆粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多層膜的結構及多層膜的結構 。2 2 分類分類1 1），納米薄膜可，納米薄膜可分為分為顆粒膜與致密膜顆粒膜與致密膜。 顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。極為細小的間隙的薄膜。 致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的連續薄膜。級的