纳米材料研究现状及应用前景

1、纳米材料研究现状及应用前景摘要：文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、 纳米复合材料和纳米结构的制备方法，综述了纳米材料的性能和目前主要应用领 域，并简单展望了纳米科技在未來的应用。关键词：纳米材料；纳米材料制备；纳米材料性能；应用0引言口从1984年德国科学家gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳 米微粒以来，纳米材料的制备、性能和应用等各方而的研究取得了重大进展。纳 米材料的研究已从最初的单相金屈发展到了合金、化合物、金屈无机载体、金属 冇机载体和化合物无机载体、化合物冇机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等 一维材料，制备方法及应用领域日新月异。纳

2、米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基 本单元构成的材料，包括纳米粉体（零维纳米材料，又称纳米粉末、纳米微粒、 纳米颗粒、纳米粒了等）、纳米纤维（一维纳米材料）、纳米薄膜（二维纳米材 料）、纳米块体（三维纳米材料）、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一 种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于屮间物态的固体颗粒，一般指粒度在 loonm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最 、技术最成熟，是制备其他 纳米材料的基础。纳米粉体可用于：高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体 材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材 料、微电子封装材料、光屯子材

3、料、先进的电池电极材料、太阳能屯池材料、高 效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料、抗癌制剂 等。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料，如纳米碳管，可用于微 导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料、新型激光或发 光二极管材料等。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄膜是纳米颗粒粘在一起, 中间冇极为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。 可用于气体催化材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器 材料、超导材料等。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到 的纳米品粒材料，主要用途为超高强度材料、智能金屈材

4、料等。纳米复合材料 包括纳米微粒与纳米微粒复合（00复合）、纳米微粒与常规块体复合（03复 合）、纳米微粒与薄膜复合（02复合）、不同材质纳米薄膜层状复合（22复合） 等。纳米复合材料可利用已知纳米材料奇特的物理、化学性能进行设计，貝有优 良的综合性能，可应用于航空、航天及人们日常生产、生活的各个领域。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休系。这些 物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及 纳米尺寸的孔洞等。我国于20世纪80年代末开始进行纳米材料的研究，近年来，在纳米材料基础 研究领域，取得了重大的进展，已能采用多种方法制备金属与

5、合金氧化物、氮化 物、碳化物等化合物纳米粉体，研制了相应的设备，做到了纳米微粒的尺寸可控, 并研制了纳米薄膜和纳米块体。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表而 吸附和脱附、纳米复合等许多方面有所创新。成功地研制出致密度高、形状复杂、 性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化错晶粒在拉伸疲劳中应力集中 区出现超犁性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面 做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁爛变超过 金屈gd；发展了非品完全品化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金屮 的反常hall-petch效应等。1纳米材料制备技术现状纳米粉体、纳米纤维、

6、纳米薄膜、纳米块体、纳米复合材料和纳米结构等纳 米材料的制备方法有的相同，有的不相同，冇的原理上相同，但工艺上冇显著的 茅异。关于纳米材料的制备方法方面的文献较多，各种制备方法的工艺过程、特 点及适用范围在相关的文献中均有较详细的介绍，bl9j，限于篇幅，此处不再赘 述，仅将各类纳米材料的制备方法分类归纳于表1至表6屮。表1纳米粉体材料的制备方法气相法液相法固相法电阻加热法雾化水解法热分解法高频感应加热法共沉淀法固体反应法等离子体合成法均相沉淀法火花放电法电了束加热法无机盐水解法溶出法激光合成法金属醇盐水解法高能球磨法通电加热蒸发法喷雾干燥法表2纳米纤维材料的制备方法纳米纤维材料类型制备方法纳

7、米碳管电弧法、碳氢化合物催化分解法、等离子体 法、激光法、等离子体增强热流体化学蒸气 分解沉积法、固体酸催化裂解法、微孔模板纳米棒、丝、线法、液氮放电法、热解聚合物法、火焰法激光烧蚀法、激光沉积法、蒸发冷凝法、气 固生长法、溶液液相固相法、选择电沉 积法、模板法、聚合法、金属有机化合物气相同轴纳米电缆外延为晶体气液固生长法相结合、溶胶 凝胶与碳热还原法、纳米尺度液滴外延法电弧放电法、激光烧蚀法、气液固共晶 外延法、多孔氧化铝模板法、溶胶凝胶与碳热还原及蒸发凝聚法表3纳米薄膜材料的制备方法制备方法实例溶胶凝胶法电沉积法高速超微粒了沉积法等离子体化学气相沉积技术 溅射镀膜法化学气相沉积法惰性气体蒸

8、发法纳米mgo薄膜、纳米cu膜、纳米fe3o4薄膜 cds、cdsc 薄膜纳米多层膜、陶瓷冇机膜、颗粒膜、各种金属纳米薄膜 纳米镶嵌复合膜、多层复合膜、硅系纳米复合薄膜si/s io2纳米镶嵌复合薄膜、铜高聚物纳米镶嵌膜 各种氧化物、氟化物、碳化物纳米复合膜 银钠米膜、纳米孔洞金属网络膜表4纳米块体材料的制备方法纳米块体材料类型制备方法纳米金属与合金材料惰性气体蒸发原位加压制备法、高能球磨法结 合加压成块法、非晶晶化法、高压高温固相淬 火法、人槊性变形方法、赠性变形加循环相变方 法、脉冲电流总接品化法、深过冷总接品化法表5纳米复合材料的制备方法纳米复合材料类型制备方法无机纳米复合材料溶胶凝胶法

9、、高能球磨法、化学气相沉积法、溅射法、无机晶体生长法、辐射 合成法、机械融合法、非均相沉淀法、溶 剂非溶剂析晶法有机无机纳米复合材料溶胶凝胶法、插层复合法、辐射合成 法、纳米粒子直接分散法、纳米微粒原 位生成法、前驱体法、lb膜技术聚合物聚合物 纳米复合材料溶液共混共沉淀法、电化学合成法、原位聚合法、模板聚合法表6纳米结构的制备方法纳米结构类型制备方法纳米结构自组装和 分子口组装体系胶态晶体法、固态高分子膜模板法、单分子膜 模板法、简单冇机分了模板法、生物分了模板 法、混合模板法、金属胶体口组装法、多孔纳米 结构自组织合成、分子自组织合成法人工纳米结构组装体系按人类的意志，利用各种物理和化学的

10、方法 （如表1至表5中列出的各种方法）人为地将 纳米尺度的物质单元组装、排列构成一维、二 维或三维的纳米结构体系，如纳米有序阵列体 系、介孔复合体系等。2纳米材料的性能0】-12，13212.1纳米材料的力学和热学性能纳米材料由于其独特的结构，因而与常规材料相比，在力学和热学上表现 出一些奇异的特性。实验表明，粒径达的铁的强度为常规材料的数倍，英硕 度是常规材料的近千倍。长期以来，为解决陶瓷在常温下的易碎问题不断寻找陶 瓷增韧技术，如今纳米陶瓷的出现轻而易举地解决了这个难题。实验证明，纳米 tio2在800-1000热处理后，其断裂韧性比常规tio2多晶和单-晶都高，而其在常温 下的塑性形变竟

11、高达100%。屮科院金屈研究所曾成功地将纳米铁经反复锻压， 其形变高达300%。廿前各种发动机采用的材料都是金属，而人们一直期槊能用性能优异的高强 陶瓷取代金属，这也是未来发动机发展的方向。而纳米陶瓷的出现为人们打开了 希望之门。纳米陶瓷的超高强度，优杲的韧塑性使其取代金属用来制作机械构件 成为可能。中科院上海硅酸盐研究所制成的纳米陶瓷在800下具冇良好的弹性。纳米微粒由丁颗粒小，表面原了比例高，表面能高，表面原了近邻配位不全, 化学活性大，因而其烧结温度和熔点都冇不同程度的下降。常规a12o3烧结温度 在1650以上，而在一定的条件下，纳米a12o3可在1200左右烧结。利用纳米材料 的这一

12、特性，可以在低温下烧结一些高熔点材料，如sic, wc, bc等。另一方 而，由于纳米微粒具有低温烧结，流动性大，烧结收缩大的特性，可以作为烧 结过程的活性剂，起到加速烧结过程，降低烧结温度，缩短烧结时间的作用。有 人曾作过实验，在普通鸭粉中加入0.1%-0.5%的纳米镰粉，其烧成温度从3000降 到1200-1300o复相材料由于不同相的熔点及相变温度不同而烧结困难，但纳米 粒子的小尺寸效应和表面效应，不仅使各相熔点降低，各相转变温度也会降低。 在低温下就能烧结成性能良好的复相材料。纳米固体低温烧结特性还被广泛用于 电了线路衬底，低温蒸镀印刷和金屈陶瓷的低温接合等。此外，利用纳米微粒构成的海

13、绵体状和轻烧结体可制成多种用途的器件，广 泛应用于各种过滤器、活性电极材料、化学成分探测器和热变换器，例如备受人 们关注的汽车尾气净化器。有报道说，以色列科学家成功地用a12o3制备出耐高 温的保温泡沫材料，其气孔率高达94%,能承受1700的高温。2.2纳米材料的光学特性纳米粒子的一个明显特征是尺寸小。当纳米粒子的粒径与超导相干波玻 尔半径以及电子的徳布罗意波长相当、其至更小时，其量子尺寸效应将十分显著, 使得纳米材料呈现出与众不同的光学特性。纳米材料对可见光具有反射率低、吸收率高的特性。一般來说，大块金属都 具有不同颜色的光泽。但实验证明，金属纳米微粒几乎都呈黑色。如钳金纳米粒 子反射率仅

14、有1%,这表明它们对可见光的低反射率、高吸收率导致粒子变黑。由丁体积效应，能级间距的增大和纳米的量子限域效应，纳米粒子对光的吸收还 表现出蓝移现象。利用纳米材料的这一特性，制成紫外吸收材料，可用作半导体 器件的紫外线过滤器。还口j在稀土荧光粉中掺入纳米粉，吸收掉fi光灯发射出的 有害紫外线。将其应用在纺织物屮，与粘胶纤维相混合，制成的功能粘胶纤维， 具有抗紫外线、抗电磁波和抗可见光的特性，可用来制做宇航服。2.3纳米材料的化学活性、敏感性化学催化剂是一种不断接受热源使化学反应稳定进行的功能材料。催化剂的 作用主要有以下几个方面:一是提高反应速度和效率，缩短反应时间；二是改善 反应的条件，如降低

15、反应温度、压强、真空度等；三是在决定反应的路径方面, 使化学反应按预计的方向进行，即具有选择性。从以上不难看岀，人们总是期望 单位质量催化剂表面能同时接纳尽可能多的反应物，纳米微粒的表面积效应恰好 符合了这一点。而且纳米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子台阶，此外原子 表面悬键多，反应活性大。这些都有利于加速化学反应，提高催化剂的反应活性。 例如采用纳米ni作为火箭固休燃料的催化剂，燃烧率可提高100倍。纳米材料不 仅能极大捉高催化剂的催化活性，而冃述表现出令人惊异的化学选择性。这在冇 机化学工业上有着广阔的应用前景，可用來提高原料的利用率，降低生产成木。 如在环辛二烯加氢生成环辛烯的反应中，

16、常规的ni催化剂选择性仅为24,而采用 粒径为30nm的ni吋选择性提高到210,是原来的9倍。纳米微粒具有大的比表面积，高的表面活性以及与气体相互作用强等特性, 导致纳米微粒对周围环境的变化十分敏感。如光、温度、湿度、气氛、压强的微 小变化都会引起其表面或界面离了价态和电了迁移的变化。这正满足了传感器功 能上所要求的灵敏度高、响应速度快以及检测范围广的要求。目前科学家已发现 多种纳米材料对一些特定的物质具有敏感反应。2.4纳米材料的电学、磁学效应超顺磁性是纳米微粒的一大磁学特性。当纳米微粒尺寸小到一定临界值时， 其磁化率就不再服从经典的居里一外斯定律而进入超顺磁状态。科学家认为纳米 微粒岀现

17、超顺磁性，其原因在于粒径小于临界值，各向杲性能减小到与热运动能 可比拟时，磁化方向就不在同定的一个异磁方向。异磁方向作无规律的变化，这 就导致了超顺磁化的出现。磁性液体止是利用纳米微粒的这一特性而制成的。磁 液体是由具冇超顺磁性的强磁性微颗粒包一层长链冇机分子的界面活性剂，弥散 于一定的基液屮形成的胶体，具有固体的强磁性和液体的流动性，在工业废液处 理方面有着独特的优势和广阔的应用前景。纳米微粒进入临界尺寸呈现出超顺磁性，但在粒径大丁临界尺寸时，却表现 出高的矫顽力。另外，当纳米粒了的尺寸小到一定值时，每个粒了就是一个单磁 畴，实际上就成为永久磁铁。具冇上述两种特性的磁性纳米粉是未來磁记录材料

18、 的发展趋势。磁记录材料发展的总趋势是大容量、高密度、高速度和低成本。例 如，要求记录材料具备毎lcm2记录信息1000万条以上，这就要求每条信息记录 在几个平方微米内，只冇纳米的尺寸才能达到这一点。磁性纳米材料具冇尺寸小、 单磁畴结构、矫顽力高等特性，使得制作的磁记录材料具有稳定性好、图象清晰、 信噪比高、失真十分小等优点。fi本松下电器公司已成功研制出纳米磁记录材料, 我国也开展了这方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。3纳米材料的主要应用22h27借助于纳米材料的各种特殊性质，科学家们在各个研究领域都取得了性的突 破，这同吋也促进了纳米材料应用的越来越广泛化。3.1特殊性能材料的生产

19、材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材 料的小尺寸效应（即体积效应）使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体 （如sic、wc、bc等），且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于 纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以 它乂可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结 温度。例如普通磚粉需在3 000°c高温时烧结，而当掺入0.1%-0.5%的纳米鎳粉 后，烧结成形温度可降低到1200°c-1311°co复合材料的烧结由于不同材料的熔 点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成

20、复合材料是比较困难的。纳米材料的 小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温 下就能进行固相反应，得到烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的 陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常 小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、 性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具冇塑性强、駛度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的 性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这 些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生 重耍作用。3.2生物医学中的纳米技术应用从蛋白质、dna、rna

21、到病毒，都在l-100nm的尺度范围，从而纳米结构 也是牛命现象中基本的东西。细胞中的细胞器和其它的结构单元都是执行某种功 能的“纳米机械”，细胞就象一个个“纳米车间”，植物屮的光合作用等都是“纳 米工厂”的典型例了。遗传基因序列的门组装排列做到了原了级的结构精确，神 经系统的信息传递和反馈等都是纳米科技的完美典范。生物合成和生物过程已成 为启发和制造新的纳米结构的源泉，研究人员正效法生物特性来实现技术上的纳 米级控制和操纵。纳米微粒的尺寸常常比生物体内的细胞、红血球还要小，这就 为医学研究提供了新的契机。目前已得到较好应用的实例有：利用纳米sio2微 粒实现细胞分离的技术，纳米微粒，特别是纳

22、米金（au）粒子的细胞内部染色，表 面包覆磁性纳米微粒的新型药物或抗体进行局部定向治疗等。正在研制的生物芯片包描细胞芯片、蛋口质芯片（生物分子芯片）和基因芯片 （即dna芯片）等，都具有集成、并行和快速检测的优点，已成为纳米生物工程 的前沿科技。将直接应用于临床诊断，纱物开发和人类遗传诊断。植入人体后可 使人们随时随地都可享受医疗，而且可在动态检测中发现疾病的先兆信息，使早 期诊断和预防成为可能。纳米生物材料也可以分为两类，一类是适合于生物体内 的纳米材料，如各式纳米传感器，用于疾病的早期诊断、监测和治疗。各式纳米 机械系统可以快速地辨别病区所在，并定向地将药物注入病区而不伤害正常的组 织或清

23、除心脑血管中的血栓、脂肪沉积物，甚至可以用其乔噬病毒，杀死癌细胞。 另一类是利用生物分子的活性而研制的纳米材料，它们可以不被用于生物体，而 被用于其它纳米技术或微制造。3.3纳米生物计算机开发生物计算机的主要原材料z是生物工程技术产生的蛋口质分了，并以此作 为生物芯片。在这种芯片中，信息以波的形式传播，其运算速度要比当今最新一 代计算机快10倍以至几万倍，能量消耗仅相当于普通计算机的几亿分之一，存 贮信息的空间仅占百亿分之一。由于蛋白质分子能自我组合，再生新的微型电路, 从而使得生物计算机具冇生物体的一些特点，如能发挥生物本身的调节机能、自 动修复芯片上发生的故障，还能使其模仿人脑的机制等。世

24、界上第一台生物计算 机是曲美国于1994年11月首次研制成功的。科学家们预言，实用的生物分子计算机将于今后几年问世，它将对未来世界 产生重大影响。制造这类计算机离不开纳米技术。生物纳米计算机和纳米机器人 的结合体则是另一类更高层次上的可以进行人机对话的装置，它一旦研制成功， 有可能在1秒钟完成数十亿次操作，届时人类的劳动方式将产生彻底的变革。廿前纳米科学技术正处在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界 为之震动，并引起关心未来发展的全世界科学家的思索。人们正注视着纳米科学 技术领域不断涌现出的奇异现彖和新进展，这一领域前景i-分诱人。它与其它学 科相互渗透和交叉，可以形成许多新的学科或学

25、科群，其有关发展将对经济建设、 国防实力、科技发展乃至整个社会文明进步产生巨大影响。3.4新的国防科技革命纳米技术将对国防军事领威带来革命性的彩响。例如：纳米电子器件将用于 虚拟训练系统和战场上的实时联系；对化学、生物、核武器的纳米探测系统；新 型纳米材料可以提高常规武器的打击与防护能力；由纳米微机械系统制造的小型 机器人可以完成特殊的侦察和打击任务；纳米卫星可用一枚小型运载火箭发射千 百颗，按不同轨道组成卫星网，监视地球上的每一个角落，使战场更加透明。而 纳米材料在隐身技术上的应用尤其引人注目。在雷达隐身技术屮，超高频(shf, ghz)段电磁波吸波材料的制备是关键。纳米材料止被作为新一代隐

26、身材料加以 研制。曲于纳米材料的界面组元所占比例大，纳米颗粒表面原子比例高，不饱和 键和悬挂键增多。大量悬挂键的存在使界面极化，吸收频带展宽。高的比表面积 造成多重散射。纳米材料的量子尺寸效应使得电子的能级分裂，分裂的能级间距 正处丁微波的能量范围，为纳米材料创造了新的吸波通道。纳米材料屮的原子、 电了在微波场的辐照下，运动加剧，增加电磁能转化为热能的效率，从而提高对 屯磁波的吸收性能。美国研制的“超黑粉"纳米吸波材料对雷达波的吸收率达 99%,法国最近研制的coni纳米颗粒被覆绝缘层的纳米复合材料，在2-7ghz 范围内，其和儿乎均大于6。最近国外正致力于研究可覆盖厘米波、 毫米波

27、、红外、可见光等波段的纳米复合材料，并捉出了单个吸收粒子匹配设计 机理，这样可以充分发挥单位质量损耗层的作用。纳米材料在具备良好的吸波功 能的同时，普遍兼备了薄、轻、宽、强等特点。纳米材料中的硼化物、碳化物， 铁氧体，包括纳米纤维及纳米碳管在隐身材料方面的应用都将大有作为。3.5其他领域除此z外，纳米材料还在诸如海水净化、航空航天、环境能源、微电了学等其他 领域也冇着逐渐广泛的应用，纳米材料在这些领域都在逐渐发挥着光和热。4纳米材料的应用前景展望在未来的几十年中，纳米技术将逐步渗透到科学技术的各个领域，并在很大 程度上改变人们的生产和生活观念。纳米技术将影响的几个领域i ,0j u ,2j ，

28、9j - 22.(1) 海水脱盐净化技术。由于人口的快速增长，预计到2025年，全球将有48个 国家、32%的人口而临着缺水的困境。而解决缺水困难的根本出路就是海水 脱盐净化技术，碳纳米管的发现及纳米技术的发展为这一技术提供了一种可 能的发展方向。(2) 照明系统。在照明屮用于制造发光二极管的半导体将逐渐在纳米尺寸范围内制作，在纳米尺度上制作的发光二极管的效率现在己经可以与可见光谱上口 炽光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低发热特性，将很快在展览、 汽车照明灯、普通照明以及指示器中获得广泛应用。(3) 医学和生物领域。纳米技术将使适用于制药的化学物质的数量增加约1倍；可用尺寸为50-100

29、nm的纳米颗粒对肿瘤部位进行治疗，因为更大的粒子无 法穿过肿瘤上的小孔，纳米颗粒却能轻松进入肿瘤内部；纳米技术将使癌症在仅冇少量癌细胞出现的早期即被检出。(4) 微电了和计算机。纳米结构的微处理器的效率将提高100万倍，并实现兆兆比特的存储器，研制量子计算机和光子计算机。(5) 环境和能源。利用纳米技术发展绿色能源和环境处理技术，减少污染和恢复被破坏的环境；制备孔径lnm的纳米孔材料作为催化剂的载体，用以消除水 和空气屮的污染；成倍捉高太阳能电池的能量转换效率等。利用纳米材料特 殊的磁、光、电等性质，还可以开发出无以计数的新型材料，21世纪的纳米 材料必将在微电子、信息、能源、环保、通讯、航空

30、航天、工农业生产以及 人们的日常生活等领域屮发挥出巨大的作用，从而促进生产力的提高，推 动社会的发展。5参考文献1 moc m, li y h, liu y s.applied phsics lett ers,1998,83(8): 4389.2 张修庆,朱心昆，颜丙勇等.材料科学与工程j. 2001, 19(2) :95.3 黄钧声,任山.材料科学与工程j. 2001, 19( 2): 76.4 刘维平，黄庆梅.材料科学与工艺j. 1998, 6(1): 100.5 eckert j, halzer j c, krill c e. j appl phys, 1993, 73(6) :2794.6 陈春霞,钱思明，宫峰飞等.材料研究学报j.2000, 14(3):335.7 kommann x, lindberg h, berglund la. pol