无机材料的研究与应用初探33.docx

纳米材料浅述 关键词 纳米技术.新型材料。一 引言随着科学技术的不断发展，新材料新技术在不断涌现并大量应用到科技和生活的各个方面，无机材料在其中占据重要地位。人们把能源、材料和信息看成是现代文明的三大支柱, 材料是人类社会赖以生存和进步的物质基础。同时能源和信息的发展很大程度上却是依赖于材料的进步，新材料的技术水平标志着一个国家的现代化水平。新型材料指新近开发的、具有优异性能的材料,新材料是高科技的一部分,同时它又为高科技服务,是许多高技术的基础。其有以下特点：新材料是一种知识、技术、资金密集的一类新兴产业产品,是大量研究工作的结晶,是固体物理、固体化学、有机化学、冶金学、陶瓷学等多学科交叉的结果, 即近20多年形成的材料科学的新成就新型材料的发展与新技术密切相关,是多种学科互相交叉和互相渗透的结果,因而其品种多,式样杂, 更新换代快。同时，新型无机材料对新技术和高技术具有十分关键的作用,没有新材料就没有发展高新技术的物质基础,因而, 所有发达国家都把新型材料的研究与开发放在特别重要的地位。目前, 纳米材料在新型无机非金属材料中具有重要定位。 二 纳米材料特性及其应用 纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料指由极细晶粒组成, 特征维度尺寸在纳米量级(1 100nm)的固态材料由于极细的晶粒, 大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等;纳米材料与同组成的微米晶体( 体相) 材料相比,在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能。1.随着信息技术的飞速发展需要小体积和大容量的记录介质。而传统的磁记录技术成为发展的瓶颈。而纳米多层膜可以用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，从而广泛的应用于光磁系统、光磁材料中。2.在力学材料方面，高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比，纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增值符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。在实际应用上采用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天等高科技领域和人们的日常生活中。3.传统的电子和半导体技术发展到今天的大规模和超大规模集成电路已经存在相互干扰和功耗发热等许多矛盾。由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属绝缘体转变。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，利用纳米技术发展大规模集成电路材料。用碳纳米管制成的纳米晶体管，由碳纳米管组成的逻辑电路，这样可以使大规模集成电路发展到一个全新的阶段。4.纳米材料由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。其比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如：Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，能够有效地将太阳光能转换为热能而应用于新能源领域。5.在人工智能等方面传感器起着越来越重要的作用，特别是近几年传感器技术更是日新月异。这一类用于信息感知和采集的材料主要是(非化学计量的) 复合氧化物,以及其它复合物半导体陶瓷，这类材料千变万化,性能各异, 功能多样通过控制材料的微细结构,采用超细粉技术,以提高气敏元件的灵敏性和选择性。这类传感元器件灵敏度高、结构简单、使用方便、价格便宜、可集成化, 在常温下可用于可燃性气体报警、火灾和烟雾报警、汽车尾气检测与处理等。科学家们称, 纳米开发将引起一场世界性的产业革命,堪与18世纪的工业革命相媲美。纳米碳管,其直径仅为1. 4nm, 5万根这种碳管并排起来相当于头发丝那样粗细, 其强度是钢的100倍，纳米材料具有体材料不具备的许多特殊性能。利用纳米材料的特殊性能制成的各种无机非金属材料(其它纳米材料也一样) 将在日常生活和高科技领域内具有广泛的应用前景。例如纳米SiO2 光学纤维对波长大于600nm的光的传输损耗小于10dB/km,此值比SiO2 体材料的光传输损耗小许多倍; 利用纳米材料对紫外光的吸收特性而制作的日光灯管不仅可以减少紫外光对人体的损害, 而且可以提高灯管的使用寿命;作为光存储材料时, 纳米材料的存储密度明显高于体材料;应用纳米技术制造的新型电脑, 比当前的微型电脑更小。 将纳米硅基陶瓷粉涂在飞机上,可以成功避开雷达的监测; 采用超细镍粉作火箭燃烧料,燃烧效率可提高1倍。 三 纳米材料发展趋势1 纳米材料在新材料领域的发展中具有极其重要的作用通过纳米材料各种谱学方面的研究, 探讨和揭示纳米材料结构上的特点, 如不连续能带结构, 杂质能级等,建立模型, 从理论上探讨其光学特性产生的根源; 树立功能意识, 利用诸如表面修饰手段,通过人工合成,以获得具有特殊性能和用途的纳米复合材料, 如新型的磁传感器材料、新型焊接材料、各种敏感材料、抗紫外线型化纤、抗菌抑菌除臭型化纤、抗红外线型化纤、导电型化纤用超微粉体材料等。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发展。2 无机纳米微粒- 高分子复合材料的广泛应用无机纳米微粒- 高分子复合材料综合了无机、高分子和纳米材料的优良特性,将会形成重要的多功能材料, 具有良好的机械、光、电和磁等功能这类材料并不是无机相与聚合物的简单加合, 而是由无机相和聚合物在纳米至亚微米范围内结合形成, 两相界面间存