现代新型材料与纳米材料

现代新型材料与纳米材料NewMaterialsandNanometer Materials 2 材料科学与工程学院纳米材料与新材料课程组 2 第二讲纳米材料 1 3 人类科技始终朝两个目标发展 向越来越大 越来越远的宏观世界进军 向世界的广度进军 探索宇宙的起源和进化 向越来越小 越来越深的微观世界发展 向原子 原子核 基本粒子的微观层次不断探索物质起源和结构 哈勃望远镜 引言 扫描电镜 创生之柱 4 19世纪末 人们证明原子不是物质最小粒子 1919年 卢瑟福发现质子的存在 1932年 查德威克发现中子 20世纪50年代 格拉泽将亚原子粒子加速到光速 这些粒子碰撞质子后 质子分裂为一群新粒子 新粒子从碰撞点扩散时会留下一个极其微小的气泡 科学家无法看到粒子本身 却可看到这些气泡的踪迹 1977年 费米实验室发现下夸克 目前 人们大力寻找希格斯玻色子 5 2012年7月4日 欧洲核子研究中心宣布发现一个新粒子 与希格斯玻色子有吻合之处 或者 至少是0自旋 衰变产物等特性和希格斯玻色子一模一样的新粒子 这是物理学在2012年最大的进展 如果没有希格斯玻色子 世界没有静质量 所有的基本粒子都以光速运动 不可能形成原子 分子和原子核 宇宙中不会有各式各样的星球 更不会出现生命 6 在向两个极端目标前进中 人们蓦然回首 发现对原子 分子和宏观物体之间的中间领域 即纳米领域还尚未完全认识和开拓 纳米领域出现许多既不同于宏观体系 也不同于微观体系的物理性能 纳米材料 7 人类社会进入 知识社会 科学家在新材料和新加工技术的开发中创造新的社会文明 信息时代 由电子材料 光子材料 激光材料等组成 Co超级存储材料 太空时代 由航空航天材料 高聚物 复合材料等组成 航天密封用氢化丁腈橡胶 生命复制时代 由医学材料 生物材料 转基因技术 克隆技术等开启 基因测序 黄金大米 超导时代 低碳时代 智能时代 新能源时代 由光伏材料 热电材料 聚变材料等组成 太阳能光伏电池 8 在信息 航空 生命等高科技领域背后 人们都可以发现纳米材料和纳米技术的身影 目前 纳米领域是与人类关系最密切的物质层次 纳米技术的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子 分子水平 人类社会也从 毫米文明 微米文明 迈向 纳米文明 毫米文明 微米文明 纳米文明 9 以纳米技术为代表的新兴科技将给人类带来第三次工业革命 推动信息 材料 能源 环境 生物 农业 国防等领域的技术创新 给传统产业带来极大变革 为人类创造新材料 新产品 彻底改变人们的生活习惯和生产模式 纳米技术是21世纪科技发展的领头羊 10 纳米及纳米材料定义 11 1 纳米的定义纳米 nanometer 是一种几何尺寸度量单位 简写为nm 1nm 10 3 m 10 6mm 10 9m1纳米是1米的10亿分之一 人类DNA形态 方框边长为10nm 12 在原子物理中使用的其他一些微观尺度计量单位 1nm 10埃米 1nm 1000皮米 picometer 1pm 1000飞米 femtometer 1fm 1000阿米 attometer 氢原子直径约为1 1nm约为10个氢原子排列的长度 纳米是一个极小的尺寸单位 C H化合物中的原子排列方框边长为1nm 13 约130亿光年 人类已观察到的宇宙大致范围约10亿光年 可看到银河系的全貌约1000亿千米 可看到冥王星的完整轨道约1万千米 可分辨地球的一部分 将人类研究的物质世界的尺度大小进行比较 14 1千米 可分辨城市的建筑排列10米 可看清足球场上的人1厘米 可分辨皮肤表面皱纹局部100微米 可分辨人体细胞 大小约17微米 1微米 可看到聚集的染色体100纳米 可分辨染色体1纳米 可分辨DNA分子结构100皮米 可看到电子云笼罩下的原子轮廓 15 100飞米 可整体分辨原子核10飞米 可看清原子核的质子和中子1飞米 可分辨组成质子和中子的夸克100阿米 可进一步看清夸克 纳米尺寸的量度人的身高10 25亿nm人头发的直径60000 80000nm血液中的红血球6000 9000nm细菌2000 3000nm病毒尺寸几十nm 16 在纳米材料发展初期 纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体 现在 广义地 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围内 0 100nm 或以它们作为基本单元构成的材料 纳米材料的定义 17 按维数 纳米材料的基本单元可分为 零维 空间三继尺度均在纳米尺度 如纳米颗粒 原子团簇等 一维 空间两维处于纳米尺度 如纳米丝 纳米棒 纳米管等 二维 三维空间中有一维在纳米尺度 如超薄膜 多层膜 超晶格等 这些单元具有量子性质 对零维 一维和二维的基本单元分别有量子点 量子线和量子阱之称 纳米Au颗粒Janaetal Adv Mater 2001 13 1389 纳米氧化钴颗粒 纳米Au线 Fe2O3纳米带及其组装的阵列Wen etal J Phys Chem B2005 109 215 2013年 浙江大学将含石墨烯和碳纳米管的水溶液在低温下冷冻干燥 保留骨架 研制出全碳气凝胶 成功刷新 最轻材料 的纪录 密度是空气的1 6 0 16mg cm3 是迄今为止最轻的材料 19 熟悉的纳米材料 20 最早的人工纳米材料 纳米碳黑墨就是含纳米碳黑的复合材料 我国很早掌握了纳米碳黑制备方法 用光滑陶瓷在蜡烛火焰上方收集烟雾 冷凝后变成很细的碳粉 这种碳粉实际就是纳米碳黑 不但是制墨的原料 而且还可用做染料 古代松烟制墨图 21 长沙马王堆西汉墓出土的帛画 使用墨作为颜料 历经2000多年仍然色泽清晰 新石器时代的陶器纹饰 碳黑形成的黑色纹饰清晰可见 唐褚遂良摹兰亭序局部 距今已1400多年 纳米碳黑的应用 22 制墨的碳黑越细 书写的毛笔字色泽越细腻 附着力越强 可保持较长时间不褪色 徽墨用纳米级的松烟炱 烟凝结成的黑灰 即所谓 精烟徽墨 树胶 少量香料及水份制成 中华文化源远流长 是否同我们的祖先最早懂得使用碳纳米材料有必然联系呢 乾隆御咏各花诗十色墨 御制西湖十景诗彩硃墨 23 人工纳米涂层 中国古代铜镜表面的防锈层 经检验为纳米SnO颗粒构成的一层薄膜 湖北江陵出土的勾践剑到今天仍然锋利 没有锈蚀 这也归功于剑身表面的纳米氧化物涂层 虽然当时人们并不知道涂层是由肉眼看不到的纳米颗粒构成 但却懂得使用它们来保护自己的工具 勾践剑 铜镜 24 硅藻土是一种天然的纳米多孔材料 硅藻土壳壁由SiO2组成 壳缝为125nm左右 对壳壁上点纹 线纹观察后发现 它们都是整齐排列的小孔 直径在20 100nm 提纯改性后的硅藻土在城市污水处理等方面具有巨大用途 硅藻土的微观结构 污水处理 天然纳米材料 硅藻土 25 生物中的纳米结构和纳米材料 生物多样性及复杂性的来源 不但取决于组成的原子和分子 还取决于这些原子和分子在纳米尺度上的结构 以及纳米尺度上的生命运动规律 自然界中早就存在纳米微粒和纳米结构 只是我们没有注意到而已 26 自洁的荷花 爱莲说 出淤泥而不染 濯清涟而不妖 古人已发现荷叶具有很强的自洁作用 其表面不粘附泥土和水珠 荷叶的干净清爽 很大程度上衬托出荷花的美丽 毕竟西湖六月中 风光不与四时同 接天莲叶无穷碧 映日荷花别样红 27 荷叶叶面具有较强的疏水性 洒在叶面上的水会自动聚集成水珠 水珠的滚动把落在叶面上的尘土 污泥粘吸 滚出叶面 使叶面始终保持干净清爽 这就是 荷叶自洁效应 荷叶自洁效应 28 荷叶为什么能出污泥而不染 从荷叶的基本化学成分来看 荷叶是由叶绿素 纤维素 淀粉等多糖类的碳水化合物组成 拥有丰富的 OH NH3等极性基团 这些极性基团在自然环境中很容易吸附水分或污渍 用传统的化学分子极性理论来解释是行不通的 29 有些科普书这样解释 由于荷叶上有细毛 水不能吸附在荷叶上 荷叶上有细毛这一点 凭手感就能察觉 但其表面根本达不到机械学意义上的粗糙度 从机械学的粗糙度来解释也不行 30 德国科学家经过长期观察研究 揭开了荷叶自洁的奥秘 在荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的微结构 在显微镜下可看到 荷叶叶面上布满着一个个隆起的 山包 山包 的平均大小约为10微米 平均间距约12微米 荷叶叶面微观结构 100微米 31 这些 山包 又是由许多直径为200nm左右的突起组成的 这样就在 微米结构 上再叠加 纳米结构 在荷叶的表面形成了密密麻麻分布的无数的 小山 小突起放大后到的纳米结构 荷叶表面的AFM图谱 32 荷叶自洁效应 尺寸远大于 小山 的灰尘落在叶面上时 只能同叶面 山包 的凸顶形成点接触 不能进入荷叶内部 小山之间由空气填充 形成纳米级气垫 隔绝了水滴 测试显示 叶面的微 纳米结构使叶面对水的浸润角超过150 形成超疏水表面 水滴在自身表面张力作用下形成球状 水球在滚动中吸附灰尘 并滚出叶面 33 在制备具有荷叶效应的自清洁超疏水表面材料上 已取得很有意义的进展 中科院化学所通过低温水热反应制备出具有低表面能的类荷叶微 纳米复合结构氧化钛薄膜 在紫外光照射下 实现光诱导超疏水 超亲水的可逆转变 形成 光开关 研究结果发表Angew Chem 2005 44 5115 5118 水滴在氧化钛纳米纤维薄膜经紫外光诱导前以及后的光学显微镜照片 34 恋家的蜜蜂 蜂窝由许多规整的六边形蜂房组成 蜜蜂居住在其中 科学家发现 每只蜜蜂都有属于自己的蜂房 虽然每个蜂房的形状几乎完全相同 但蜜蜂相互之间不会 走 错房间 六边形的蜂房 采蜜的蜜蜂 35 英国科学家发现蜜蜂的腹部存在磁性纳米粒子 这种磁性颗粒一方面具有指南针功能 蜜蜂利用这种 罗盘 来确定周围环境在自己头脑里的图像并判明方向 为其活动导航 另一方面具有存储器功能 当蜜蜂靠近自己的蜂房时 它们把周围环境的图像储存起来 外出采蜜归来就启动这种记忆 实质就是把自己储存的图像与所看到的图像进行对比和移动 当两个图像完全一致时 它们就明白又回家了 36 顽固的牙齿 人类和动物的牙齿是由定向排布的纳米羟基磷灰石纤维与胶质基体复合而成 这种具有纳米结构的材料硬度很大 相当耐磨 极耐腐蚀 此外 动物的某些骨骼 筋 软骨 皮以及部分昆虫的表皮等也都是纳米复合材料 牙齿微观形貌 蓝田遗址中发现的牙齿 37 通过对自然界中的纳米材料和纳米结构进行研究 可以得到相当大的启发 能否模仿荷叶表面的结构 制造出应用于生活的各种各样的疏水材料 能否从生物体内的纳米磁性粒子得到启发 为我们设计纳米尺度的新型导航器提供有益依据 要达到上述目的 必须要了解纳米材料 了解它们的独特性能 生物中的纳米结构和纳米材料小结 38 纳米材料与技术的发展史 孕育萌生阶段 1861年 随着胶体化学的建立 科学家开始对直径为1 100nm的粒子系统进行研究 但当时化学家们并没有意识到这个尺寸范围是人们认识世界的一个新层次 只是从化学角度将其作为宏观体系的中间环节进行研究 核壳结构的胶体微球 溶胶凝胶法制备的SiO2胶体微球 40 1959年12月29日 在加州理工学院发表题为 Thereisaplentyofroomsatthebottoms 的演说 思索 如果有一天可以按人的意志安排一个个原子 将会产生怎样的奇迹 并指出用这种方法制备的材料将具有特殊性能 著名物理学家 诺贝尔物理奖 1965年 获得者 理查德 费曼 纳米概念的提出 41 1962年 Kubo 久保 发现金属超微粒子与块体材料的热性质不同 并针对金属超微颗粒费米面附近的电子能级状态分布提出了著名的久保理论 推动实验物理学向纳米尺度的微粒进行探索 1963年 人们发展了气体冷凝法 即金属蒸汽通过在纯净的惰性气体中蒸发和冷凝 获得干净的金属超微粒 并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究 42 1974年 日本学者首次提出 Nanotechnology 纳米科技 一词 1981年 德国科学家H Gleiter提出 Nanostructureofsolids 纳米固体 概念 发展出具有纳米晶尺寸和大量界面的各种材料 2012年 南京理工大学先期投入1 5亿元 成立格莱特纳米科技研究所 在纳米陶瓷与纳米晶材料 纳米自组装结构与器件等尖端领域进行研究 打造全球领先的纳米材料技术研发团队和基地 43 1981年 IBM瑞士苏黎世实验室的G Binning教授和H Rohrer博士发明了扫描隧道电子显微镜 ScanningTunnelingMicroscopy 简称STM STM设备外貌和原理图 44 STM是目前进行表面分析最精密的仪器之一 横向分辨率可达0 1nm 纵向分辨率达到0 01nm 可以直接观察原子 还具有操纵原子的功能 使理查德 费曼的预言仅过了22年就成为现实 代表纳米科技的诞生 是科学史上一个巨大进步 两位发明人也因此获得1984年诺贝尔物理奖 Omicron低温超高真空STM 45 探索研究阶段 STM的诞生将人类推进到纳米材料探索研究阶段 IBM的科学家利用STM直接操作原子 在镍板上将35个氙原子按自己的意志安排组合成 IBM 宇样 46 1984年 格莱特教授用惰性气体蒸发法制备了具有清洁界面的纳米Pd Cu Fe粉等 粒径在6nm左右 原位加压成纳米固体 并提出了纳米材料界面结构模型 使纳米材料的研究跨入新阶段 发现CaF2纳米离子晶体和TiO2纳米陶瓷在室温下表现出良好的韧性 找到陶瓷增韧的新途径 47 1985年 科罗托等用激光加热蒸发石墨 在甲苯中形成碳的团簇 分析发现C60和C70的新谱线 其中C60具有高稳定的新奇结构 C60由60个碳原子构成一个32面 20个六边形和12个五边形 的足球式中空球形分子 直径为0 7nm C60极大丰富了人们对碳的认识 成为第三代碳晶体 C60微观结构 48 1990年7月 第一届国际纳米科学技术学术会议在美国巴尔的摩召开 正式提出纳米材料学 纳米生物学 纳米电子学和纳米机械学等概念 标志着纳米科学作为相对独立学科的诞生 1991年 IBM用STM快速重复在Ni表面同一位置 拾起 和 放下 一个氙原子 创造速度为二百亿分之一秒的单原子开关 为原子计算机开关器件诞生创造条件 利用STM进行原子表面修饰和单原子操纵 49 1991年 美国海军实验室预计一种碳纳米管的结构 当时认为近期内不可能合成 同年 日本筑波大学NEC实验室的饭岛澄男用高分辨电镜观察到了碳纳米管 单壁碳纳米管存在三种类型的结构 单臂纳米管 锯齿形纳米管和手性纳米管 这种结构与常规碳的同素异构体 金刚石结构和石墨层状结构完全不向 a 单臂 b 锯齿 c 手性 50 多层碳纳米管是由几个到几十个单壁碳纳米管同轴组成 管间距在0 34nm左右 51 1993年 中科院真空物理实验室用STM在Si表面上开展原子操纵研究 通过针尖与样品之间的相互作用 把硅晶体表面的原子拨出 形成 中国 字样 中科院化学所用STM在石墨晶体表面刻写中国地图 线条宽度为纳米级 这些技术在高密度信息储存 纳米电子器件 量子器件等方面具有非常重要的应用 标志着我国在国际纳米科技领域占有一席之地 52 应用开发阶段 1994年 MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程概念 在纳米材料研究的基础上进行纳米合成 纳米添加等 发展新型材料 改性传统材料 扩大纳米材料应用范围 形成基础和应用研究并行的新阶段 该阶段特点 更强调按人们意志设计 组装和创造新体系 更有目的地使该体系具有人们希望的特性 人们开始以纳米颗粒或纳米丝 纳米管为基本单元 在一维 二维和三维空间组装具有纳米结构的体系 如人造超原子体系 介孔组装体系 有序阵列等 53 1997年 清华大学范守善教授制备出直径为3 50nm 长度达微米级的GaN纳米棒 首次把GaN制备成一维纳米晶体 提出碳纳米管限制反应的概念 1999年 他与斯坦福大学戴宏杰教授合作 实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生长 54 1997年 四川大学开始纳米人工骨研究 将纳米羟基磷灰石与聚酰胺形成复合体 纳米羟基磷灰石含量调节到人骨所含比例 60 形成高强柔韧的复合仿生生物活性材料 具有优异的生物相容性 制成的纳米人工骨能与自然骨形成生物性骨融合 人工骨 55 1998年 中科大钱逸泰院士用催化还原热解法 从四氯化碳制备出纳米金刚石粉 被美国著名的 化学与工程师新闻 杂志誉为 稻草变黄金 CCl4结构 金刚石结构 56 1999年 巴西和美国科学家用碳纳米管制备了世界上最小的 秤 将电流通入碳纳米管 观测碳纳米管的振动频率 将纳米颗粒放在碳纳米管上 重复进行上述实验 由于系统重量发生变化 碳纳米管的振动频率也随之发生相应变化 由此测算纳米颗粒的重量 称量精度达到十忆分之一克 一个病毒的重量 57 2000年 中科院金属所卢柯小组利用非晶完全晶化制备致密纳米合金 该方法已与惰性气体蒸发 原位加压法和高能球磨法成为制备金属纳米材料的三种主要方法之一 发现纳米铜的室温超塑延展性 获得的纳米金属铜室温压延伸率高达5000 展示出无空隙纳米材料的变形机制 0 200 600 2000 5100 58 日本科学家己成功将硅原子组成一个 金字塔 首次实现原子三维空间立体搬迁 2015年 南开大学和美国阿贡实验室等合作 首次获得单原子厚度的二维硼材料 硼烯 因其优越的电学 力学 热学属性 或将成为继石墨烯之后又一种 神奇纳米材料 钱学森 纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点 将是21世纪的产业革命 Mannixetal Synthesisofborophenes Anisotropic two dimensionalboronpolymorphs Science 2015 350 1513 1516 59 铁磁性碳材料普通的碳元素组成的材料通常不会出现磁性 这是由于其中的电子通过共价键结合成对 电子的总自旋磁矩为零 净磁矩不可能存在 一旦从石墨的表面移除一个碳原子 通过共价键结合的电子对平衡会被打破 单个电子就产生了局部净磁矩 纳米碳材料奇特的物理性质 60 通过离子辐射 移除石墨材料表面的单个原子 制造一个个原子空位 使石墨中产生局部磁矩 相关论文发表在PhysicalReviewLetters上 该技术可用于制造革新性的非金属磁体 石墨磁体制造成本低廉 而且具有重量轻 弹性好等优势 可应用于自旋电子学研究 利用不成对的电子自旋 开发新一代电子设备 a 17 17nm2STMtopography measuredat6K showingthegraphitesurfaceaftertheArionirradiation c 3Dviewofasingleisolatedvacancy Phys Rev Lett 104 096804 2010 61 碳纳米管中的电子只能沿纳米管的轴向运动 径向运动受到限制 经计算 1 3的碳纳米管具有金属性 其余具有半导体性质 碳纳米管具有良好的导电性能 其电导率高于Cu 石墨烯是导电性能最好的材料 石墨烯是目前最好的导热材料 碳纳米管活性很高 普通的闪光就能使其燃烧 具有独特的电学性质 具有优异的导热性能 62 具有十分优良的力学性能 碳纳米管质量只有相同体积钢的六分之一 抗张强度却比钢高100倍 比钛高10倍 杨氏模量达1012Pa左右 同时还具有好的可弯曲性 石墨烯是最强韧的材料 硬度超过钻石 具有极好的可弯折性 具有极好的可扭曲性 63 纳米尺度电子元件设计可在两个共轴的纳米管或纳米管结的基础上实现 元件同时具有金属和半导体性质 石墨烯和纳米碳管的导热性能使它们成为今后计算机芯片的热点 还可用于发动机 火箭等的各种高温部件的防护材料 巨大应用前景 碳纳米管和石墨烯 64 碳纳米管可用于电子探针 北京大学将单壁碳纳米管组装在金属表面 获得性能良好的STM探针 石墨烯具有优异的导电性 电子在其中的运动速度达到光速的1 300 远超过电子在一般导体中的运动速度 掺入1 的石墨烯 塑料就具备良好的导电性 65 碳纳米管和石墨烯具有优异的力学性能可用作复合材料的增强剂 用做防磨涂料 润滑剂等 纳米管可在分子程度上与树脂均匀混合 形成高强度树脂 用于制作小型精密机械用树胶齿轮 也可用于制作不易破损的树胶基片 瑞士BMC自行车 只有主轴为铝合金 其余车架组件皆采用含碳纳米管的复合材料 车架重不到一公斤 具有高的刚性与强度 CNTs增强的复合材料微观结构WenjunMa LuqiLiu SishenXie etal NanoLetters 2009 9 8 2855 2861 66 石墨烯和碳纳米管强度高 重量轻 最有前途的用途是制作太空升降机的缆绳 缆绳长度是从太空下垂到地面的距离 目前世界上除了纳米碳材料 没有任何材料能够支撑这种长度缆绳的自重 太空梯 C纳米索线 67 2010年 美国LiftPort公司与美国宇航局合作 希望在10年内建成从地球通往月球的 太空天梯 天梯一端固定在地球上 另一端固定在地球同步轨道的大卫星上 利用太阳能或激光能等驱动太空梯沿缆绳上下运动 最大挑战在于能否用超轻 超强的纳米碳材料造出数万公里长的缆绳 68 碳纳米管中空结构可作为模板合成纳米复合材料 也可作为微型试管 模具等 将低熔点金属用电子束蒸发后凝聚在开口CNT上 虹吸作用使金属熔体进入中空部 形成纳米丝 金属熔盐进入管中后 还原后可得金属 CNT复合材料 CNT与氧化物一起焙烧 获得纳米尺度的碳化物丝 将第二种物质封存在空间中 诱导出现新的结构和行为 69 碳纳米管的特殊结构在燃料电池和化工催化上有很大用途 空腔是很好的贮氢场所 中科院金属所制备了高度取向的单壁碳纳米管带和绳 发现其具有4 的储氢特性 很大的比表面积 由其形成的有序纳米孔洞厚膜可用于锂离子电池 填充催化金属或合金后可用于化工催化 H2原子和C纳米管 70 纳米碳材料的出现丰富了材料研究的内涵 为合成组装新型纳米材料提供了新的发展和机遇 71 纳米材料的特性 72 小尺寸效应 超细微粒的尺寸与光波波长 德布罗意波长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 材料的电 磁 声 光 热和力学等物性呈现新的变化 称为小尺寸效应 纳米粒子尺寸小 界面所占体积可与粒子本身所占体积相比拟 界面已成为纳米材料基本构成之一 对材料性能产生重要影响 73 电学性能的变化 银是优异的导体 10 15nm的银微粒电阻突然升高 失去金属特征而成为半导体 典型的共价键结构的氮化硅 二氧化硅等 当尺寸达到15 20nm时电阻却大大下降 热学性能的变化 熔点大幅降低 块状金为1337K 而2nm的金熔点为600K 常规氧化铝烧结温度在1973K 2073K 纳米氧化铝可在1423K至1673K烧结致密 常规氮化硅烧结温度高于2073K 纳米氮化硅烧结温度可降低300 400K 74 磁学性能的变化 常规Fe块体矫顽力低于12 6A m 呈现软磁性 粒径为16nm时 5 5K时矫顽力达127kA m 室温下仍保持80kA m 呈永磁性 粒径为5nm时 呈超顺磁性 矫顽力趋近零 小尺寸下 磁晶各向异性能减小到与热运动能可相比拟 磁化方向不再固定在一个易磁化方向上 呈现超起伏 出现超顺磁性 超顺磁性效应 75 力学性能变化 小尺寸效应对陶瓷韧化十分重要 纳米碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍 具有良好韧性和延展性的金属 纳米化后的块体可大幅提高强度 如纳米Cu或Pd的块体材料的硬度比常规材料提高50倍 屈服强度提高12倍 增韧陶瓷 Ding Y Kim Y J Erlebacher J AdvancedMaterials 2004 16 21 1897 1900 纳米多孔金 76 利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质 可以改变颗粒尺寸 控制吸收边的位移 制造具有一定频宽的微波吸收材料 用于电磁波屏蔽 隐形飞机等 隐形飞机 77 表面效应 纳米微粒表面原子数随粒径减小大幅增加 由于表面原子所处晶场环