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关于纳米材料的一些知识 1984年德国H．Gleiter首先研制出纳米微粒，并由纳米级超细微粒压制烧结，得到一种人工凝聚态固体，这是一种新型的固体材料，称为纳米材料，即指材料的晶粒和晶界等显微结构都能达到纳米级尺度的材料。 纳米微粒一般在1~100 nm之间，其粒度介于原子簇和超细微粒间，处于宏观物体和微观粒子交界的过渡区域，因而具有许多既不同于宏观物体、又不同于微观粒子的特性。从结构上看，纳米固体中包含纳米级粒度的颗粒组元及颗粒间的界面组元。由于颗粒极小，使得界面组元的占总量的比例显著增加。例如，当纳米微粒直径为5 nm时，材料中的界面组元体积约占总体积的50％，即组成材料的原子约有一半是分布在界面上。这些原子排列的无序度、混乱度均较传统的晶态与非晶态为高，因而界面组元的结构既与晶体(特征是“长程有序”)，也与非晶体 (“长程无序、短程有序”)不同，而是一种长、短程均无序的“类气体”的固体结构。 正是从上述的结构特征出发，纳米固体具有与晶态、非晶态和原子簇等不同的物理—化学特性。这些新特性来源于两个方面，即表面效应与体积效应。 表面效应是指微粉的粒径越小，其总表面积越大；表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大。如当粒径为10 nm(总原子数为3×104)时，表面原子数／总原子数=0.20；而当粒度减小到l nm(总原子数为30)时，这一比值急剧上升到0.991表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同，具有很大的活性；晶粒的微粒化随着这种活性的表面原子增多，使其表面能也大大增加。这对纳米微粉的扩散、烧结等动力学过程和熔点都有较大的影响。 体积效应主要表现在两个方面：一是物质体积的缩小虽不会引起物质物性基本参量的变化，但会使那些与体积有关的物性发生变化，如磁体的磁畴变小，半导体中电子的自由路程变短，等等；二是物质一般具有由无限个原子组成的物质属性，而纳米粒子则表现出有限个原子集合体的特性。如金属固体中的连续能带是由近于无限的电子能级组成，称为能带；但在纳米粒子中电子的数量是有限的，因而能带是不连续的，这是造成电子的自旋配置和光吸收等异常物性的原因。纳米微粒在低温下几乎没有热阻，导热性极好；光吸收好，粒径小于100 nm的金属超微粉末，大部分呈黑色，随着粒子的微细化，金属超导临界温度Tc逐渐提高，等等。 目前制备纳米微粒的方法有物理法、化学法和综合方法三大类。物理法中包括蒸发冷凝法、机械研磨法、离子溅射法、低温等离子体法等。近年来，研磨法中的高能球磨法制备纳米材料有了新的进展。1988年，日本首先报道利用该法制备A1-Fe纳米晶体材料，找到了一条制备纳米材料实用化的途径。实践证明，高能球磨法易使体心立方和密集六方结构的纯金属制成纳米晶体结构，而具有面心立方结构的金属，则较难形成这类晶体。高能球磨法还可较易制得若干高熔点和互不相溶系统(包括室温和液态时)的亚稳相金属的纳米结构。化学方法主要有水解法、水热法和熔融法等，其中以盐类水解法用得较多。例如烷氧基金属有机化合物(如Ti(OC2H5)4等)的水解，通常要经历水解、缩聚两个主要过程，缩聚中金属氢氧化物经脱水而形成无机网络，生成的水和醇从系统中挥发而造成网络的多孔性。这样得到的一般是低黏度的溶胶，将其放置于模具中成型或成膜后，溶胶中颗粒逐渐交联而形成三维结构的网络，开始了溶胶的胶凝化过程：溶胶的黏度明显增大，最终成为坚硬的玻璃体。如在适当的黏度下对凝胶进行抽丝，则可得到纤维状材料。此外，还需对凝胶进行陈化、干燥等处理，以避免开裂现象出现。这一过程，通称“溶胶—凝胶法”(Sol-gel法)。综合方法主要有：激光诱导化学沉淀法、等离子加强化学沉淀法。 目前常用的方法是蒸发冷凝加原位加压法。这种方法是在一个装有加热器和冷却棒的超真空密封室内充入低压稀有气体(如He或厶r)，将初始材料置人坩埚内，由加热器加热，令其蒸发，初始材料原子与稀有气体原子相互碰撞并沉积于冷阱上，形成粒度为几纳米的松散粉末。将其收集在专门的装置中，施加5～10 MPa的压力即可制得纳米材料。Fe、Cu、Au和Pd等纳米晶体材料的平均晶粒粒度在5~10 nm间，其密度可达理论密度的80％～90％!如同时蒸发数种初始材料，则可制得复合纳米固体。 纳米材料有奇特的物理、化学和生物学的性质。最引人注目的是纳米材料的熔点特别低。例如，块状的金熔点是1064℃，而纳米金的熔点只有330℃，降低了734℃；又如纳米级银微粉的熔点由块状银的962℃降低为100℃。这一特性不仅可使低温条件下烧结成合金(粉末冶金)成为现实，而且可望将一般互不相溶的金属冶炼成合金；制成质量轻、韧性好等特殊性能的超级钢g特种合金。对于需要在高温烧结的材料，如SiC、WC和BN等制成纳