• 正在加载中...
  • 纳米材料

    纳米级结构材料简称为纳米材料,广义上是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义,纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料,这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间,并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。纳米材料具有一定的独特性,当物质尺度小到一定程度时,则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时,其粒径虽改变为1000倍,但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名: 纳米材料 英文名: nanomaterials
    韩文: 나 노 재료 日文: ナノ材料
    类别: 基本单元构成的材料

    目录

    发展前景/纳米材料 编辑

    纳米材料纳米材料
    自中科院合肥物质科学研究院(固体物理所)的“安徽纳米材料及应用产业技术创新战略联盟”成立以来,在开展纳米材料及其应用产品产业化共性关键技术研究,推进联盟组织化、制度化、规范化运行,探索新型产学研结合机制,培育产业集群等方面开展了卓有成效的工作。前瞻产业研究院资料显示,联盟成立至今的一年多时间内,共联合在研开发项目6项,投入研究开发经费2493万元,申请发明专利12项,发表学术论文14篇,2项成果通过安徽省科技成果鉴定。联盟成员单位已达到23家。 

    《中国纳米材料行业发展前景与投资预测分析报告前瞻》数据显示“纳米复合聚氨酯合成革材料的功能化”和“纳米材料在真空绝热板材中的应用”2项合作项目取得较大进展。具有负离子释放功能且释放量可达2000以上的聚氨酯合成革符合生态环保合成革战略升级方向,日前正待开展中试放大研究。 

    该产品的成功研发及进一步产业化将可辐射带动300多家同行企业的产品升级换代。联盟制备出的纳米复合绝热芯材导热系数可控制为低达4.4mW/mK。该产品已经在企业实现了中试生产,正在建设规模化生产线。 

    联盟将重点研究开发阻燃型高效真空绝热板及其在建筑外墙保温领域的应用研发和产业化,该技术的开发将进一步促进我国建筑节能环保技术水平的提升,带动安徽纳米材料产业进入高速发展期。

    定义/纳米材料 编辑

    纳米材料涂层已经成为现代人生活用品中常见的事物纳米材料涂层已经成为现代人生活用品中常见的事物

    纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material),纳米材料广义上是三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或者由该尺度范围的物质为基本结构单元所构成的超精细颗粒材料的总称。

    一般认为纳米材料应该包括两个基本条件:一是材料的特征尺寸在1-100纳米之间,二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 

    根据2011年10月18日欧盟委员会通过的纳米材料的定义,纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料,这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间,并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。[1]

    [1]

    发展/纳米材料 编辑

    1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼预言,人类可以用小的机器制作更小的机器,最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品,这是关于纳米科技最早的梦想。

    1984年德国物理学家制得了只有几个纳米大小的超细粉末,包括各种金属无机化合物有机化合物的超细粉末。

    1991年,美国科学家成功地合成了碳纳米管,并发现其质量仅为同体积钢的1/6,强度却是钢的10倍,因此称之为“超级纤维”。这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。

    1999年,纳米产品的年营业额达到500亿美元。

    结构/纳米材料 编辑

    纳米材料纳米材料

    纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑或营造的一种新体系。

    纳米阵列体系

    已有的研究结果对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。

    介孔组装体系

    纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性,以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应,也使其成为了研究热点,按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类,按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。

    薄膜嵌镶体系

    在薄膜嵌镶体系中,对纳米颗粒膜的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体索“Ropes”,这种索具有金属特性,室温下电阻率小于0.0001Ω/m;将纳米三碘化铅组装到尼龙-11上,在X射线照射下具有光电导性能,利用这种性能为发展数字射线照相奠定了基础。

    技术指标/纳米材料 编辑

    熔点:2010℃-2050 ℃

    沸点:2980 ℃

    相对密度(水=1):3.97-4.0

    特性与应用/纳米材料 编辑

    表面与界面效应

    纳米线纳米线

    指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。表现为直径减少,表面原子数量增多。

    超微颗粒的表面具有很高的活性,在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃,可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率,使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层,确保表面稳定化。利用表面活性,金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂、贮气材料和低熔点材料。  

    小尺寸效应

    当纳米微粒尺寸与光波波长,传导电子的德布罗意波长及超导态的相干长度、透射深度等物理特征尺寸相当或更小时,它的周期性边界被破坏,从而使其声、光、电、磁,热力学等性能呈现出“新奇”的现象。随着颗粒尺寸的量变,在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言,尺寸变小,同时其比表面积亦显著增加,从而产生如下性质: 

    1、特殊的光学性质

    所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小,颜色愈黑,银白色的铂(白金)变成铂黑,金属铬变成铬黑。由此可见,金属超微颗粒对光的反射率很低,通常可低于l%,大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以制造高效率的光热、光电转换材料,以很高的效率将太阳能转变为热能、电能。另外还有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。

    2、特殊的热学性质

    固态物质在其形态为大尺寸时,其熔点是固定的,超细微化后却发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。 

    3、特殊的磁学性质 

    纳米材料纳米材料

    在研究纳米材料过程中科学家发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒,使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。

    小尺寸的磁性超微颗粒与大块材料显著不同。大块的纯铁矫顽力约为 80安/米,而当颗粒尺寸减小到 2×10-2微米以下时,其矫顽力可增加1000倍。若进一步减小其尺寸,大约小于 6×10-3微米时,其矫顽力反而降低到零,呈现出超顺磁性。

    利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性,已作成高储存密度的磁记录磁粉,大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性,人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

    4、特殊的力学性质

    美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明,人的牙齿之所以具有很高的强度,是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬3~5倍。金属—陶瓷复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质,其应用前景十分宽广。 
    超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。[2]

    [2]

    量子尺寸效应

    当粒子的尺寸达到纳米量级时,费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时,会出现纳米材料的量子效应,从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。

    纳米粉末中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不安定状态,使其表面晶格震动的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料。 

    宏观量子隧道效应

    微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应,它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化,这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。[3]

    [3]

    分类方法/纳米材料 编辑

    纳米材料纳米材料

    纳米材料的分类方法主要有以下几种:

     

    按材质

    纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。

    按纳米的尺度在空间的表达特征

    纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料(如纳米线、棒、丝、管和纤维等)、二维纳米材料(如纳米膜、纳米盘、超晶格等)、纳米结构材料即纳米空间材料(如介孔材料等)。

    按形态

    纳米材料可分为纳米粉末材料、纳米纤维材料、纳米膜材料、纳米块体材料、,以及纳米液体材料(如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等)。 

    按功能

    纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料、纳米环保材料等。

    制备与合成/纳米材料 编辑

    纳米材料纤维纳米材料纤维

    材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为两步过程和一步过程。

     

    两步过程

    将预先制备的孤立纳米颗粒结成块体材料。

    制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以“惰性气体冷凝法”最具代表性。

    一步过程

    将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。[4]

    研究进展/纳米材料 编辑

    中国取得纳米材料成果如下:

    定向纳米碳管阵列的合成

    由中国科学院物理研究所解思深研究员等完成。他们利用化学气相法高效制备出孔径约20纳米,长度约100微米的碳纳米管。并由此制备出纳米管阵列,其面积达3毫米×3毫米,碳纳米管之间间距为100微米。

    氮化镓纳米棒的制备

    由清华大学范守善教授等完成。他们首次利用碳纳米管制备出直径3~40纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒,并提出碳纳米管限制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作,在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。

    准一维纳米丝和纳米电缆

    由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成。他们利用碳热还原、溶胶-凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术,首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO2纳米电缆。

    催化热解法制成纳米金刚石

    中国科学技术大学钱逸泰等完成。他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应,以此制备出了金刚石纳米粉。[5]

    碳纳米管分散开发智能纺织品

    碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,具有优异的力学、电学性能,应用前景广阔,但技术工艺上受制于碳纳米材料的前处理分散程度。新材料与产业技术北京研究院(MITBJ)利用专利技术制备出高品质碳纳米管单分散液(浓度可达10%,稳定度远胜同类产品)。通过传统染织工艺实现了对各类纤维表面的均匀涂覆,开发出多种高导电性、可加热用的碳纳米染织纤维。材料各项性能指标达到国家标准。同时与高校合作,新材料与产业技术北京研究院(MITBJ)碳纳米分散成果在产品应用上再上新台阶。[6]

    纳米材料的发展现状/纳米材料 编辑

    纳米技术基础理论研究和新材料开发等应用研究都得到了快速的发展,并且在传统材料、医疗器材、电子设备、涂料等行业得到了广泛的应用。在产业化发展方面,除了纳米粉体材料在美国、日本、中国等少数几个国家初步实现规模生产外,纳米生物材料、纳米电子器件材料、纳米医疗诊断材料等产品仍处于开发研制阶段。

    二维纳米/纳米材料 编辑

    澳大利亚科学家研制出一种由氧化钼晶体制成的新型二维纳米材料,有可能给电子工业带来革命,使“纳米”一词不再停留于营销概念而成为现实。[6]在材料学中,厚度为纳米量级的晶体薄膜通常被视作二维的,即只有长宽,厚度可忽略不计,称为二维纳米材料。新研制出的这种材料厚度仅有11纳米,它有着独特的性质,电子在其内部能以极高速度运动。[6]科学家说,他们是从另一种奇妙的新材料——石墨烯得到启发的。石墨烯是单层碳原子网,是人类已知的最薄材料,电子在其中也能高速运动。但石墨烯缺乏能隙,用它制造的晶体管无法实现电流开关。氧化钼材料本身拥有能隙,将它制成类似石墨烯的薄片后,既支持电子高速运动,其半导体特性又适合制造晶体管

    研究成果/纳米材料 编辑

    纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术,其潜在的重要性毋庸置疑,一些发达国家都投入大量的资金进行研究工作。如美国最早成立了纳米研究中心,日本文教科部把纳米技术,列为材料科学的四大重点研究开发项目之一。在德国,以汉堡大学美因茨大学为纳米技术研究中心,政府每年出资6500万美元支持微系统的研究。在国内,许多科研院所、高等院校也组织科研力量,开展纳米技术的研究工作,并取得了一定的研究成果,主要如下:

    定向纳米碳管阵列的合成,由中国科学院物理研究所解思深研究员等完成。他们利用化学气相法高效制备出孔径约20纳米,长度约100微米的碳纳米管。并由此制备出纳米管阵列,其面积达3毫米×3毫米,碳纳米管之间间距为100微米。

    氮化镓纳米棒的制备,由清华大学范守善教授等完成。他们首次利用碳纳米管制备出直径3~40纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒,并提出碳纳米管限制反应的概念。并与美国斯坦福大学戴宏杰教授合作,在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长。

    准一维纳米丝和纳米电缆,由中国科学院固体物理研究所张立德研究员等完成。他们利用碳热还原、溶胶-凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等新技术,首次合成了碳化钽纳米丝外包绝缘体SiO2纳米电缆。

    用催化热解法制成纳米金刚石,由山东大学的钱逸泰等完成。他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应,以此制备出了金刚石纳米粉。

    但是,同国外发达国家的先进技术相比,我们还有很大的差距。德国科学技术部曾经对纳米技术未来市场潜力作过预测:他们认为到2000年,纳米结构器件市场容量将达到6375亿美元,纳米粉体、纳米复合陶瓷以及其它纳米复合材料市场容量将达到5457亿美元,纳米加工技术市场容量将达到442亿美元,纳米材料的评价技术市场容量将达到27.2亿美元。并预测市场的突破口可能在信息、通讯、环境和医药等领域。

    总之,纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点,正如钱学森院士所预言的那样:"纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的特点,会是一次技术革命,从而将是21世纪的又一次产业革命。"

    2011年10月19日欧盟委员会通过了对纳米材料的定义,之后又对这一定义进行了解释。根据欧盟委员会的定义,纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料,这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间,并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。

    1纳米等于十亿分之一米。在纳米尺度上,一些材料具有很多特殊功能。纳米材料已在人们的工作和生活中得到广泛应用

    在欧盟委员会通过的纳米材料定义中,为什么限定基本颗粒大小在1纳米至100纳米之间?欧盟委员会认为,已知的大多数纳米材料的基本组成颗粒都在这一范围内,当然超出这一范围的材料也有可能具有纳米材料的特点。这一规定是为了使标准明确。

    为什么要求纳米材料的基本颗粒总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50%以上?欧盟委员会认为,纳米颗粒比例过低会淹没整个材料的纳米特性,50%是一个比较合适的比例。另外,用纳米颗粒的数量比例而不是用质量比例作为纳米材料的衡量标准,更能体现纳米材料的特点。因为一些纳米材料密度很低,在质量比例较小的情况下已经能显现出明显的纳米材料特点。

    为什么纳米材料包括天然材料?欧盟委员会认为,纳米材料应按照基本组成颗粒的大小来定义,不管它是天然的还是人造的。实际上一些天然材料也具有人造纳米材料的特点。

    为什么把具有纳米结构的材料排除在纳米材料之外?欧盟委员会认为,尽管这种材料也具有纳米材料的特点,但还无法对纳米结构进行明确定义,因而不具有可操作性。
    为什么含纳米材料的产品不是纳米材料?欧盟委员会认为,纳米材料是原材料或者原材料的混合物,当它与其他材料制成产品后,已经与其他材料形成新的材料,因而制得的产品就不再是纳米材料了。

    不过,欧盟委员会也承认,这一定义还有不完善之处,并因此决定在2014年根据科技的发展和定义的实际实施情况修订这一定义。(转自新华网)

    制备方法/纳米材料 编辑

    (1)惰性气体下蒸发凝聚法。通常由具有清洁表面的、粒度为1-100nm的微粒经高压成形而成,纳米陶瓷还需要烧结。国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料,包括金属和合金,陶瓷、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料。我国也成功的利用此方法制成金属、半导体、陶瓷等纳米材料。

    (2)化学方法:1水热法,包括水热沉淀、合成、分解和结晶法,适宜制备纳米氧化物;2水解法,包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分离法等。

    (3)综合方法。结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法。其他一般还有球磨粉加工、喷射加工等方法。

    五大效应/纳米材料 编辑

    体积效应

    当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波相当或更小时,周期性的边界条件将被破坏,磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等都较普通粒子发生了很大的变化,这就是纳米粒子的体积效应。纳米粒子的以下几个方面效应及其多方面的应用均基于它的体积效应。例如,纳米粒子的熔点可远低于块状本体,此特性为粉粉冶金工业提供了新工艺;利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质,可以改变颗粒尺寸,控制吸收的位移,制造具有一种频宽的微波吸收纳米材料,用于电磁屏蔽,隐形飞机等。
    表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

    从表可以看出,随粒径减小,表面原子数迅速增加。另外,随着粒径的减小,纳米粒子的表面积、表面能的都迅速增加。这主要是粒径越小,处于表面的原子数越多。表面原子的晶体场环境和结合能与内部原子不同。表面原子周围缺少相邻的原子,有许多悬空键,具有不饱和性质,易于其他原子想结合而稳定下来,因而表现出很大的化学和催化活性。

    量子尺寸

    粒子尺寸下降到一定值时,费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立能级的现象称为量子尺寸效应。Kubo采用一电子模型求得金属超微粒子的能级间距为:4Ef/3N
    式中Ef为费米势能,N为微粒中的原子数。宏观物体的N趋向于无限大,因此能级间距趋向于零。纳米粒子因为原子数有限,N值较小,导致有一定的值,即能级间距发生分裂半导体纳米粒子的电子态由体相材料的连续能带随着尺寸的减小过渡到具有分立结构的能级,表现在吸收光谱上就是从没有结构的宽吸收带过渡到具有结构的吸收特性。在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子一系列特性,如高的光学非线性,特异的催化和光催化性质等。

    量子隧道

    微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应,它们可以穿越宏观系统的势垒产生变化,故称为宏观的量子隧道效应。用此概念可定性解释超细镍微粒在低温下保持超顺磁性等。

    介电限域

    纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中,粒子被空气﹑聚合物﹑玻璃和溶剂等介质所包围,而这些介质的折射率通常比无机半导体低。光照射时,由于折射率不同产生了界面,邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面甚至纳米粒子内部的场强比辐射光的光强增大了。这种局部的场强效应,对半导体纳米粒子的光物理及非线性光学特性有直接的影响。对于无机-有机杂化材料以及用于多相反应体系中光催化材料,介电限域效应对反应过程和动力学有重要影响。

    上述的小尺寸效应﹑表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域应都是纳米微粒和纳米固体的基本特征,这一系列效应导致了纳米材料在熔点﹑蒸气压﹑光学性质﹑化学反应性﹑磁性﹑超导及塑性形变等许多物理和化学方面都显示出特殊的性能。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理化学性质。


    添加视频 | 添加图册相关影像

    参考资料
    [1]^引用日期:2011-10-19
    [2]^引用日期:2011-10-19
    [3]^引用日期:2011-10-19
    [4]^引用日期:2011-10-19
    [5]^引用日期:2011-10-19
    [6]^引用日期:2015-05-22

    互动百科的词条(含所附图片)系由网友上传,如果涉嫌侵权,请与客服联系,我们将按照法律之相关规定及时进行处理。未经许可,禁止商业网站等复制、抓取本站内容;合理使用者,请注明来源于www.baike.com。

    登录后使用互动百科的服务,将会得到个性化的提示和帮助,还有机会和专业认证智愿者沟通。

    互动百科用户登录注册
    此词条还可添加  信息模块

    WIKI热度

    1. 编辑次数:43次 历史版本
    2. 参与编辑人数:22
    3. 最近更新时间:2015-05-23 08:23:29