纳米材料简介 纳米(nano meter,nm)：是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微 米。大约是三、四个原子的宽度。 纳米科学(nano-science)：研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功 能的科学。 纳米科学技术(nano-tecnology)：是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器 件的科学技术。它以现代科学技术为基础，是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理 分子生物学)和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结 合的产物。在纳米尺寸进行材料合成与控制能够以前所未有的方式得到新的材料性能和器 件特性，纳米科学技术将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材科学、纳米 机械学等。纳米科学技术将使人们迈入一个奇妙的世界。 纳米材料和纳米粒子 纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础， 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺 寸在1~100m间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和 宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系 统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒 (纳米级)后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化 学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 几种典型的纳米材料及应用： 按照材料的形态，可将其分四种： 纳米颗粒型材料 纳米固体材料 纳米膜材料 纳米磁性液体材料
纳米（nano meter，nm）： 是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微 米。大约是三、四个原子的宽度。 纳米科学（nano-science）： 研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功 能的科学。 纳米科学技术（nano-tecnology ）：是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器 件的科学技术。 它以现代科学技术为基础，是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、 分子生物学）和现代技术（计算机技术、 微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结 合的产物。 在纳米尺寸进行材料合成与控制能够以前所未有的方式得到新的材料性能和器 件特性， 纳米科学技术将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材科学、纳米 机械学等。 纳米科学技术将使人们迈入一个奇妙的世界。 纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺 寸在 1～100nm 间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和 宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系 统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒 （纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化 学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 几种典型的纳米材料及应用： 按照材料的形态，可将其分四种: 纳米颗粒型材料 纳米固体材料 纳米膜材料 纳米磁性液体材料
纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗 粒的形态称为纳米颗粒 型材料。这种纳米颗粒 型材料的表面积大大增 加，表面结构发生较大 的变化。与表面状态有 关的吸附、催化以及扩 research 散等物理化学性质有明 processes CIN I 显改变。纳米颗粒型材料在催化领域有很好的前景。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性颗粒作为磁记录介质。磁记录密度日益提高，促使酸 记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉(20纳米左右的超微磁性颗粒)制成 的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比 等优点。 1991年春的海湾战争，美国执行空袭任务的F一117八型隐身战斗机，其机身外表所包覆的 红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能 力。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加1%重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃科的燃烧热 可增加1倍。此外，超细、高纯陶瓷超微颗粒是精密陶瓷必需的原料。因此超微颗粒在国防 国民经济各领域均有广泛的应用。 纳米固体材料：纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成 型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。 纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米 将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高1014~1016倍，从而使得纳米材料具有 高韧性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，但又具有脆性和难以加工等缺点， 纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性，改善脆性， 复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭 喷气口的耐高温材料：金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、强度高、韧性好、 耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原材料。例如， 材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属
纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗 粒的形态称为纳米颗粒 型材料。这种纳米颗粒 型材料的表面积大大增 加，表面结构发生较大 的变化。与表面状态有 关的吸附、催化以及扩 散等物理化学性质有明 显改变。纳米颗粒型材料在催化领域有很好的前景。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性颗粒作为磁记录介质。磁记录密度日益提高，促使磁 记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20 纳米左右的超微磁性颗粒）制成 的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比 等优点。 1991 年春的海湾战争，美国执行空袭任务的 F－117A 型隐身战斗机，其机身外表所包覆的 红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒，它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能 力。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加 l %重量比的超微铝或镍颗粒，每克燃料的燃烧热 可增加 l 倍。此外，超细、高纯陶瓷超微颗粒是精密陶瓷必需的原料。因此超微颗粒在国防、 国民经济各领域均有广泛的应用。 纳米固体材料：纳米固体材料通常指由尺寸小于 15 纳米的超微颗粒在高压力下压制成 型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。 纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如 5 纳米颗粒所构成的固体每立方厘米 将含 1019 个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高 1014～1016 倍，从而使得纳米材料具有 高韧性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，但又具有脆性和难以加工等缺点， 纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性，改善脆性. 复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有 20 %超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭 喷气口的耐高温材料；金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、强度高、韧性好、 耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原材料。例如， 材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属
的复合体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用于温差达1000℃的航天飞机 隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起米的新型材料，预期在 医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿。人造器官，可制成复合的电磁功能材料、光学 材料等。 颗粒膜材料：颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜，通常选用两种在高 温互不相溶的组元制成复合靶材，在基片上生成复合膜，当两组份的比例大致相当时。就生 成迷阵状的复合膜，因此改变原始靶材中两种组份的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒 大小与形态，从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜，改变组成比例可使膜的导电性质 从金属导电型转变为绝缘体。 颗粒膜材料有诸多应用。例如作为光的传感器，金颗粒膜从可见光到红外光的范围内，光的 吸收效率与波长的依赖性甚小，从而可作为红外线传感元件。硅、磷、硼颗粒膜可以有效地 将太阳能转变为电能：氧化锡颗粒膜可制成气体-湿度多功能传感器，通过改变工作温度， 可以用同一种膜有选择地检测多种气体。颗粒膜传感器的优点是高灵敏度、高响应速度、高 精度、低能耗和小型化，通常用作传感器的膜重量仅为0.5微克，因此单位成本很低。 纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散 于一定基液中，而构成稳定的具有性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有 其他液体所没有的磁控特性。常用的磁性液体采用铁氧体微颗粒制成，它的饱和磁化强度大 致上低于0.4特。目前研制成功的由金属磁性微粒制成的磁性液体，其饱和磁化强度可比前 者高4倍。磁性液体的用途十分广泛
的复合体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用于温差达 1000°C 的航天飞机 隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起来的新型材料，预期在 医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿。人造器官，可制成复合的电磁功能材料、光学 材料等。 颗粒膜材料:颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜，通常选用两种在高 温互不相溶的组元制成复合靶材，在基片上生成复合膜，当两组份的比例大致相当时。就生 成迷阵状的复合膜，因此改变原始靶材中两种组份的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒 大小与形态，从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜，改变组成比例可使膜的导电性质 从金属导电型转变为绝缘体。 颗粒膜材料有诸多应用。例如作为光的传感器，金颗粒膜从可见光到红外光的范围内，光的 吸收效率与波长的依赖性甚小，从而可作为红外线传感元件。硅、磷、硼颗粒膜可以有效地 将太阳能转变为电能；氧化锡颗粒膜可制成气体-湿度多功能传感器，通过改变工作温度， 可以用同一种膜有选择地检测多种气体。颗粒膜传感器的优点是高灵敏度、高响应速度、高 精度、低能耗和小型化，通常用作传感器的膜重量仅为 0.5 微克，因此单位成本很低。 纳米磁性液体材料：磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散 于一定基液中，而构成稳定的具有性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有 其他液体所没有的磁控特性。常用的磁性液体采用铁氧体微颗粒制成，它的饱和磁化强度大 致上低于 0.4 特。目前研制成功的由金属磁性微粒制成的磁性液体，其饱和磁化强度可比前 者高 4 倍。磁性液体的用途十分广泛