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什么是納米材料?納米材料有什么特性?

發布時間:2017-08-30 09:49:01

什么是納米材料?

納米材料如今已逐漸滲透到我們的生活中,對于納米材料,普通大眾都尚沒有較深入的認識和了解,然而納米材料的應用已經不足為奇,比如納米涂料、納米洗護用品、納米防水劑等等。

什么是納米材料

那么什么是納米材料呢?納米級結構的材料簡稱為納米材料,由于納米材料是近幾年開始被關注和應用的材料,所以也理解為納米結構的新材料,廣義上是指三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍超精細顆粒材料的總稱。

根據2011年10月18日歐盟委員會通過的定義,納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀或團塊狀天然或人工材料,這一基本顆粒的一個或多個三維尺寸在1納米至100納米之間,并且這一基本顆粒的總數量在整個材料的所有顆??倲抵姓?0%以上。

納米材料具有一定的獨特性,當物質尺度小到一定程度時,則必須改用量子力學取代傳統力學的觀點來描述它的行為,當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時,其粒徑雖改變為1000倍,但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨,所以二者行為上將產生明顯的差異。


納米材料的結構

納米結構是以納米尺度的物質單元為基礎,按一定規律構筑或營造的一種新體系。

納米陣列體系

已有的研究結果對納米陣列體系的研究集中在由金屬納米微?;虬雽w納米微粒在一個絕緣的襯底上整齊排列所形成的二位體系上。

二維納米材料陣列

介孔組裝體系

納米微粒與介孔固體組裝體系由于微粒本身的特性,以及與界面的基體耦合所產生的一些新的效應,也使其成為了研究熱點,按照其中支撐體的種類可將它劃分為無機介孔復合體和高分子介孔復合體兩大類,按支撐體的狀態又可將它劃分為有序介孔復合體和無序介孔復合體。

介孔組裝納米材料

薄膜嵌鑲體系

在薄膜嵌鑲體系中,對納米顆粒膜的主要研究是基于體系的電學特性和磁學特性而展開的。美國科學家利用自組裝技術將幾百只單壁納米碳管組成晶體索“Ropes”,這種索具有金屬特性,室溫下電阻率小于0.0001Ω/m;將納米三碘化鉛組裝到尼龍-11上,在X射線照射下具有光電導性能,利用這種性能為發展數字射線照相奠定了基礎。

納米薄膜



納米材料的特性與應用


表面與界面效應

指納米晶體粒表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。表現為直徑減少,表面原子數量增多。

納米材料表面原子直徑越小則數量越多

超微顆粒的表面具有很高的活性,在空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意識地控制氧化速率,使其緩慢氧化生成一層極薄而致密的氧化層,確保表面穩定化。利用表面活性,金屬超微顆??赏蔀樾乱淮母咝Т呋瘎?、貯氣材料和低熔點材料。  


小尺寸效應

當納米微粒尺寸與光波波長,傳導電子的德布羅意波長及超導態的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當或更小時,它的周期性邊界被破壞,從而使其聲、光、電、磁,熱力學等性能呈現出“新奇”的現象。隨著顆粒尺寸的量變,在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言,尺寸變小,同時其比表面積亦顯著增加,從而產生如下性質: 

1、特殊的光學性質

所有的金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小,顏色愈黑,銀白色的鉑(白金)變成鉑黑,金屬鉻變成鉻黑。

金屬超微顆粒狀態都呈現黑色

金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色


由此可見,金屬超微顆粒對光的反射率很低,通??傻陀趌%,大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個特性可以制造高效率的光熱、光電轉換材料,以很高的效率將太陽能轉變為熱能、電能。另外還有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等。

2、特殊的熱學性質

固態物質在其形態為大尺寸時,其熔點是固定的,超細微化后卻發現其熔點將顯著降低,當顆粒小于10納米量級時尤為顯著。超微顆粒熔點下降的性質對粉末冶金工業具有一定的吸引力。  

3、特殊的磁學性質  

在研究納米材料過程中科學家發現鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒,使這類生物在地磁場導航下能辨別方向,具有回歸的本領。

磁性納米材料

小尺寸的磁性超微顆粒與大塊材料顯著不同。大塊的純鐵矯頑力約為 80安/米,而當顆粒尺寸減小到 2×10-2微米以下時,其矯頑力可增加1000倍。若進一步減小其尺寸,大約小于 6×10-3微米時,其矯頑力反而降低到零,呈現出超順磁性。

利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性,已作成高儲存密度的磁記錄磁粉,大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性,人們已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。

4、特殊的力學性質

美國學者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明,人的牙齒之所以具有很高的強度,是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3~5倍。金屬—陶瓷復合納米材料則可在更大的范圍內改變材料的力學性質,其應用前景十分寬廣。  
超微顆粒的小尺寸效應還表現在超導電性、介電性能、聲學特性以及化學性能等方面。

碳納米管強度是鋼材的300倍

碳納米管是一種新型的超級材料,它的強度可以達到鋼材的300倍


量子尺寸效應

當粒子的尺寸達到納米量級時,費米能級附近的電子能級由連續態分裂成分立能級。當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時,會出現納米材料的量子效應,從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化。

費米能級結構

能級結構

量子尺寸效應: 當粒子的尺寸下降到某個值時,金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級的現象和半導體微粒存在不連續的最高被占據分子軌道和最低未被占據分子軌道能級之間的能隙變寬現象。

納米粉末中由于每一粒子組成原子少,表面原子處于不安定狀態,使其表面晶格震動的振幅較大,所以具有較高的表面能量,造成超微粒子特有的熱性質,也就是造成熔點下降,同時納米粉末將比傳統粉末容易在較低溫度燒結,而成為良好的燒結促進材料。 


宏觀量子隧道效應

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應,它們可以穿過宏觀系統的勢壘而產生變化,這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。

宏觀量子隧道效應

宏觀量子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壘高度時,該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來,人們發現一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應,稱為宏觀的量子隧道效應。


上述的小尺寸效應﹑表面效應﹑量子尺寸效應﹑宏觀量子隧道效應和介電限域應都是納米微粒和納米固體的基本特征,這一系列效應導致了納米材料在熔點﹑蒸氣壓﹑光學性質﹑化學反應性﹑磁性﹑超導及塑性形變等許多物理和化學方面都顯示出特殊的性能。它使納米微粒和納米固體呈現許多奇異的物理﹑化學性質。

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