纳米材料的分类及特性

纳米材料的分类及特性 纳米材料的分类及特性 1959 年美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者费因曼教授R P. feyn-man曾指出“如果有一天人类能够按意志安排一个原子和分子那将会产生什么奇迹”今天这个美好的愿望已经成为现实目前人类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三维纳米固体创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特性能这就是面向21 世纪的纳米科学技术。近20 年以来人类已经发现在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质也不同于微观体系的奇异现象这就是现在迅速发展的纳米科学技术Nano Science and Technology。 纳米材料的研究最初源于19 世纪60 年代对胶体微粒的研究20 世纪60 年代后研究人员开始有意识的通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。1984 年德国萨尔布吕肯的格莱特Gleiter教授把粒径为6nm 的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料开创纳米材料学之先河。20 世纪90 年代以来准一维纳米材料的研制一直是纳米科技的前沿领域。目前美国在合成、化学和生物方面处于领先日本在器件和结构方面具有优势欧洲在弥散、涂覆和新型仪器方面实力较强。 “纳米”nanometer是一种度量单位1 纳米为百万分之一毫米即1毫微米也就是十亿分之一米约相当于45 个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100 纳米以下的微小结构。所谓纳米材料是指粒子尺寸在纳米量级1nm100 nm 的超细材料又称作为超细粉体。其纳米基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。纳米材料的奇异性是由于其构成基本单元的尺寸及其特殊的界面、 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 面结构所决定的。如果按维数纳米材料的基本单元可以分为以下三类零维指在空间三维尺度均在纳米尺度如纳米尺度颗粒、原子团族等一维指在空间中有二维尺度处于纳米尺度如纳米丝、纳米棒、纳米管等二维指在空间中有一维处于纳米尺度如超薄膜、超晶格等。因为这些单元往往具有量子性质故零维、一维和二维的基本单元又有量子点、量子线和量子阱之称。 纳米材料的分类方法很多按其结构可分为晶粒尺寸在三个方向都在几个纳米范围内的称为三维纳米材料具有层状结构的称为二维纳米材料具有纤维结构的称为一维纳米材料具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料见图10.10。按化学组成可分为纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳米高分子、纳米复合材料等。按材料物性可分为纳米半导体、纳米磁性材料、纳米非线性材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电材料等。按材料用途可分为纳米电子材料、纳米生物医用材料、纳米敏感材料、纳米光电子材料、纳米储能材料等。 纳米材料的特性: 纳米材料具有特殊的结构由于组成纳米材料的超微粒尺度属纳米量级这一量级大大接近于材料的基本结构——分子甚至于原子其界面原子数量比例极大一般占总原子数的50左右纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。不论这种超微颗粒由晶态或非晶态物质组成其界面原子的结构都既不同于长程有序的晶体也不同于长程无序、短程有序的类似气体固体结构因此一些研究人员又把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态固体材料”。 1. 基本物理效应 1 小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时晶体周期性的边界条件将被破坏非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减少导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的熔点发生改变普通金属金的熔点是l337K当金的颗粒尺寸减小 到2nm 时金微粒的熔点降到600K纳米银的熔点可降低到100?。由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小光在纳米材料中传播的周期性被破坏其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移磁有序态向无序态转变等例如金属由于光反射显现各种颜色而金属纳米微粒都呈黑色说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。利用这一性质可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。 2 表面效应 表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比。纳米微粒尺寸小表面能高位于表面的原子占相当大的比例随着粒径的减小表面原子数迅速增加原子配位不足和高的表面能使这些表面原子具有高的活性极不稳定很容易与其他原子结合。配位越不足的原子越不稳定极易转移到配位数多的位置上表面原子遇到其他原子很快结合使其稳定化这就是活性原因。这种表面原子的活性不但引起纳米粒子表面输送和构型的变化同时也会引起表面电子自旋构象和电子能级的变化例如化学惰性的金属铂在制成纳米微粒后也变得不稳定使其成为活性极好的催化剂金属纳米粒子在空中会燃烧无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体并与气体进行反应。 3 量子尺寸效应 是指粒子尺寸下降到极值时体积缩小粒子内的原子数减少而造成的效应。日本科学家久保Kubo给量子尺寸下的定义是当粒子尺寸降到最小值时出现费米能级附近的电子能级由准连续变为不连续离散分布的现象以及纳米半导体存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级而使能隙变宽的现象这时就会出现明显的量子效应导致纳米微粒的磁、光、声、热、电等性能与宏观材料的特性有明显的不同。例如纳米微粒对于红外吸收表现出灵敏的量子尺寸效应共振吸收的峰比普通材料尖锐得多比热容与温度的关系也呈非线性关系。此外微粒的磁化率、电导率、电容率等参数也因此具有特有的变化规律。例如金属普遍是良导体而纳米金属在低温下都是呈现电绝缘体PbTiO3、BaTiO3和SrTiO3通常情况下是铁电体但它们的纳米微粒是顺电体无极性的氮化硅陶瓷在纳米态时却会出现极性材料才有的压电效应。 4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越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。它的研究对基础研究及实际应用都具有重要意义它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由于纳米材料本身所具有的这些基本特性使它的应用领域十分广阔。 2. 扩散及烧结性能 由于在纳米结构材料中有着大量的界面这些界面为原子提供了短程扩散途径因此纳米结构材料具有较高的扩散率使一些通常较高温度才能形成的稳定或介稳相在较低温度下就可以存在另外也可使纳米结构材料的烧结温度大大降低所谓烧结温度是指把粉末先加压成形然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合密度接近于材料的理论密度的温度。 3. 超塑性 材料在特定条件下可产生非常大的塑性变形而不断裂的特性被称为超塑性通常指在拉伸情况下或超延展性轧制条件下。对于金属或陶瓷多晶材料其产生条件是高温通常高于熔点的一半和稳定的细晶组织。超塑性是指在断裂前产生很大的伸长量其机制目前还在争议之中但从实验现象中可以得出晶界和扩散率在这一过程中起着重要作用。如陶瓷材料在高温时具有超塑性可以通过使晶粒的尺寸降到纳米级来实现其室温超塑性。 4. 力学性能 由于纳米晶体材料有很大的表面积/体积比杂质在界面的浓度便大大降低从而提高了材料的力学性能。由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在使其弹性模量减小 了30以上。此外由于晶粒减小到纳米量级使纳米材料的强度和硬度比粗晶材料高45倍。氪巢牧舷啾纳米结构材料的力学性能有显著的变化一些材料的强度和硬度成倍的提高这方面还没有形成比较系统的理论。 5. 光学性能 纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料和结构式隐形材料以及手机辐射屏蔽材料。 6. 电学性能 由于晶界上原子体积分数的增大纳米材料的电阻高于同类粗晶材料。纳米半导体的介电行为介电常数、介电损耗及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同。如纳米半导体材料的介电常数随测量频率减少呈明显上升趋势另外其界面存在大量的悬键导致其界面电荷分布发生变化形成局域电偶极矩。 7. 磁学性质 由于改变原子间距可以影响材料的铁磁性因此纳米材料的磁饱和量e M 和铁磁转变温度将降低如6nm Fe的Me为130 cm-μg-1而正常α-Fe多晶材料为220 cm-μg-1Fe 基金属玻璃态为215 cm-μg-1。纳米材料另一个重要的磁学性质是磁致热的magnetocaloric效应指的是如果在非磁或弱磁基体中包含很小的磁微粒当其处于磁场中时微粒的磁旋方向会与磁场相匹配因而增加了磁有序性降低了自旋系统的磁熵。如果此过程是绝热的自旋熵将随晶格熵的增加而减小且样品温度升高这是一个可逆过程。 8. 其他性质 纳米材料的比热大于同类粗晶和非晶材料Cp 的增加与界面结构有关界面结构越开放Cp的增加幅度就越大这是由于界面原子耦合变弱的结果。由于纳米材料原子在其晶界上高度弥散分布因此纳米材料的弥散性要强于同类单晶或多晶材料这对诸如材料的蠕变等一系列性质有着重要的影响。近年来报道了一些纳米材料的腐蚀行为。由于纳米材料具有精细晶粒和均匀结构因此纳米材料受到的是均匀的腐蚀而粗晶材料多为晶界腐蚀. 文章来源五创高频机电 www.fivejd.com