中科大功能金属材料课件第8章 纳米金属材料

第八章纳米金属材料纳米及纳米科技的提出纳米金属材料的性能及制备方法纳米材料的应用一、纳米及纳米科技的提出纳米金属材料纳米（nanometer），是一个长度单位，单位符号为nm。1nm=10-3μm=10-6mm=10-9m.纳米材料分为两个层次，即纳米超微粒子与纳米固体材料。纳米超微粒子，指的是粒子尺寸为1～100nm的超微粒子；纳米固体材料，指的是由纳米超微粒子制成的固体材料。一般来说，纳米科技是研究纳米尺度范畴内原子、分子和其他类型的物质运动和变化的科学。而在同样尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术称为纳米技术。一、纳米及纳米科技的提出纳米金属材料按纳米结构被约束的空间维数纳米材料可分为四种：（1）零维的纳米原子团簇（2）一维纤维纳米结构，长度显著大于宽度（3）二维层状纳米结构，长度和宽度尺寸比厚度大的多（4）三维的纳米固体二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料1、纳米金属材料的性能（1）表面效应

巨大的比表面积导致键态严重失配，出现许多活性中心，表面台阶及粗糙程度增加，表面出现非化学平衡，非整数配位的化学价，导致纳米体系的化学性质与化学平衡体系出现很大差别。因此具有很高的活性。（2）小尺寸效应

当纳米尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态相干长度等特征尺寸相当或更小时，其周期性边界被破坏，其声、光、电、磁、热力学等性能呈现出新奇的现象，与传统材料有极大差异。二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料由于尺寸变小，比表面积显著增加而产生的物理性能的变化如下：一是特殊的光学性质:金属超微粒对光的发射率很低，一般低于1%，大约有几纳米就可消光.二是特殊的热学性质:通常大尺寸金属的熔点是固定的，超细化后却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm量级时尤为显著。三是特殊的磁学性质：20nm的纯铁粒子的矫顽力是大块铁的1000倍；但当尺寸再减小时，其矫顽力而有时下降到零，表现出超顺磁性。四是特殊的力学性质:二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料（3）宏观量子隧道效应

近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料2、纳米材料的制备表7.1一些常用的纳米材料的制备方法二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料（1）气相冷凝法

最早采用的方法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料（2）非晶晶化法（3）高能球磨法非晶晶化法制备纳米材料的前提是将原料用急冷技术制成非晶薄带或薄膜，然后控制退火条件，如退火时间和退火温度，使非晶全部或部分晶化，生成晶粒尺寸保持在纳米级。其特点是界面无孔隙，不存在孔洞、气隙等缺陷，样品的界面结构致密而洁净。而且工艺简单，易于控制，便于大量生产。利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属和合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料（4）溶胶－凝胶法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。将易于水解的金属化合物（无机盐或金属醇盐）在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化，再经干燥、烧结等处理，制得所需得纳米材料。三、纳米金属材料的应用纳米金属材料1、钴高密度磁记录材料利用纳米钴粉记录密度高、矫顽力高（可达119.4KA/m）、信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。

2、纳米金属粉体对电磁波有特殊的吸收作用金属纳米粉体对电磁波有特殊的吸收作用。铁、钴、氧化锌粉末及碳包金属粉末可作为军事用高性能毫米波隐形材料、可见光--红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。三、纳米金属材料的应用纳米金属材料4、高效催化剂3、表面涂层材料由于纳米铝、铜、镍有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层。此技术可应用于微电子器件的生产铜及其合金、锌及锌合金的纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。纳米镍粉具有极强的催化效果，可用于有机物氢化反应、汽车尾气处理等。

三、纳米金属材料的应用纳米金属材料导磁浆料。利用纳米铁粉的高饱和磁化强度和高磁导率的特性，可制成导磁浆料，用于精细磁头的粘结结构等。

纳米导向剂。一些纳米颗粒具有磁性，以其为载体制成导向剂，可使药物在外磁场的作用下聚集于体内的局部，从而对病理位置进行高浓度的药物治疗，特别适于癌症、结核等有固定病灶的疾病导电浆料。