纳米及其优异性能汇总.ppt

第二节 纳米材料 及其优异性能 狭义：颗粒尺寸在纳米量级（1～100nm）的超细材料，它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。 广义：在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1～100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 2.1 纳米材料的综合特性 当材料的尺寸进入纳米量级时，材料就具有其原先材料所不具备的三大效应： 1．体积效应（小尺寸效应） 体积效应又称小尺寸效应。当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，光吸收、电磁、化学活性、催化等性质和普通材料相比发生很大变化，这就是纳米粒子的体积效应。 用途： 纳米粒子的体积效应不仅大大扩充了材料的物理、化学特性范围，而且为实用化拓宽了新的领域。例如纳米尺度的强磁性颗粒可制成磁性信用卡；纳米材料的熔点远低于其原先块状材料的熔点，这为粉末治金提供了新工艺等。 2．表面（或界面）效应 纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。 粒子半径的减小 ↓ 表面积急剧变大 ↓ 表面原子数迅速增加 ↓ 表面原子周围缺少相邻的原子，具有不饱和性质 ↓ 大大增强了纳米粒子的化学活性，纳米材料的原子扩散路径增多。 用途 纳米金属粒子室温下在空气中便可强烈氧化而发生燃烧等等。 纳米材料的许多特性是和其表面与界面的效应有关的。 3．宏观量子隧道效应 隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越该势垒的能力称为隧道效应。 纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。 用途 纳米镍晶粒在低温下能继续保持超顺磁性。 宏观量子隧道效应限定了磁盘等对信息存储的极限，确定了现代微电子器件进一步微型化的极限。 2.2 纳米粒子及其性能 1 化学成分 无机、有机和有机／无机复合粒子。 无机纳米微粒包括金属与非金属（半导体、陶瓷、铁氧体等），有机纳米微粒主要是高分子和纳米药物。 2 原子排列的对称性和有序程度 晶态、非晶态、准晶态。 3 纳米粒子的形状及其表面形貌 表面有原子台阶； 壳层结构——表面层结构不同于内部完整的结构（包括键态、电子态、配位数等）； 体相结构也受到尺寸制约，而不同于常规材料的结构； 结构还与制备方法有关。 4 化学结合力性质 几乎所有的纳米级材料（粒子）都部分地失去了其常规的化学结合力性质，表现出混杂性。 由于材料的结合力性质与原子间距有关，而纳米级材料（粒子）内部的原子间距与相应的常规材料不同，其结合力性质也就相应地发生变化，表现出尺寸依赖性。 5 按粒径尺寸分类 超细粉 20～100nm 超微细粉 ～20nm ▲ 纳米粒子统称超微粉、超微颗粒。 6 纳米粒子奇异的物理化学特性及应用 B 存在蓝移现象，纳米微粒的吸收带移向短波长方向，出现了常规材料所不具备的新的发光现象。 用途：提高激光光盘的存储密度，增加光纤通信量，激光打印的清晰度，解决三原色的问题，并实现大屏幕的彩色显示。 2）热学性能 熔点显著降低，烧结温度和晶化温度也均比常规粉体低 。 热膨胀可调，因此可将具有不同热膨胀系数的材料连接 。 2.3 纳米纤维 1 定义： 在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线（管）状材料，通常是直径或管径或厚度为纳米尺度而长度较大。 2 应用： 随着微电子学和显微加工技术的发展，使纳米纤维有可能在纳米导线、开关、线路、高性能光导纤维及新型激光或发光二极管材料等方面发挥极大的作用，是未来量子计算机与光子计算机中最有潜力的重要元件材料。 （1）纳米丝、纳米线、纳米棒 实心的准一维纳米材料，长度比直径通常要大得多，可以是宏观量级。纳米丝、纳米线、纳米棒三者之间的区分并不严格，通常将长径比（长度与直径的比值）较大的称为纳米丝，长径比较小的称为纳米棒，有人将分界限尺度定为1um。习惯上将半导体或金属的纳米线称为量子线。 （2）纳米碳管 由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管状壳层结构。管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。