康 永,柴秀娟

(1陜西金泰氯堿化工有限公司技術(shù)中心,陜西榆林,718100; 2陜西金泰氯堿化工有限公司,陜西榆林,718100)

納米材料的性能研究進(jìn)展

康 永1,柴秀娟2

(1陜西金泰氯堿化工有限公司技術(shù)中心,陜西榆林,718100; 2陜西金泰氯堿化工有限公司,陜西榆林,718100)

納米材料具有的獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì),使人們意識(shí)到它的發(fā)展可能給物理、化學(xué)、材料、生物、醫(yī)藥等學(xué)科的研究帶來(lái)新的機(jī)遇。納米材料的應(yīng)用前景十分廣闊。本文綜述了納米材料的性能、制備技術(shù)以及應(yīng)用領(lǐng)域。

納米材料;納米磁性材料;納米陶瓷材料;納米吸波材料

納米材料又稱為超微顆粒材料,納米粒子也叫超微顆粒,是指尺寸在 1～100nm間的粒子,是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域,從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看,這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng),是一種典型人介觀系統(tǒng),它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)[1]。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒 (納米級(jí))后,它將顯示出許多奇異的特性,即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同[2]。

1 納米材料的特性[3-10]

1.1 表面效應(yīng)

球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比,其體積與直徑的立方成正比,故其比表面積 (表面積/體積)與直徑成反比。隨著顆粒直徑的變小比表面積將會(huì)顯著地增加。例如粒徑為 10nm時(shí),比表面積為 90m2/g;粒徑為 5nm時(shí),比表面積為180m2/g;粒徑下降到 2nm時(shí),比表面積猛增到450m2/g。粒子直徑減小到納米級(jí),不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加,而且納米粒子的表面積、表面能都會(huì)迅速增加。這主要是因?yàn)樘幱诒砻娴脑訑?shù)較多,表面原子的晶場(chǎng)環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同所引起的。表面原子周圍缺少相鄰的原子,有許多懸空鍵,具有不飽和性質(zhì),易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái),故具有很大的化學(xué)活性,晶體微?；橛羞@種活性表面原子的增多,其表面能大大增加。這種表面原子的活性不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和構(gòu)型變化,同時(shí)也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。

1.2 小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸的量變,在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言,尺寸變小,同時(shí)其比表面積亦顯著增加,從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì): (1)特殊的光學(xué)性質(zhì); (2)特殊的熱學(xué)性質(zhì); (3)特殊的磁學(xué)性質(zhì); (4)特殊的力學(xué)性質(zhì)。超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

1.3 量子尺寸效應(yīng)

微粒尺寸下降到一定值時(shí),費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí),吸收光譜闕值向短波方向移動(dòng),這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。

1.4 宏觀量子隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一,即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí),該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。近年來(lái),人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng),他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化,故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。

納米材料具有極佳的力學(xué)性能,如高強(qiáng)、高硬和良好的塑性。金屬材料的屈服強(qiáng)度和硬度隨著晶粒尺寸的減小而提高。同時(shí),不犧牲塑性和韌性。納米材料的表面效應(yīng)和量子尺寸效應(yīng)對(duì)納米材料的光學(xué)特性有很大的影響。如,它的紅外吸收譜頻帶展寬,吸收譜中的精細(xì)結(jié)構(gòu)消失,中紅外有很強(qiáng)的光吸收能力。納米材料的顆粒尺寸越小,電子平均自由程越短,偏離理想周期場(chǎng)愈加嚴(yán)重,使得其導(dǎo)電性特殊。當(dāng)晶粒尺寸達(dá)到納米量級(jí),金屬會(huì)顯示非金屬特征。納米材料與常規(guī)材料在磁結(jié)構(gòu)方面的很大差異,必然在磁學(xué)性能表現(xiàn)出來(lái)。當(dāng)晶粒尺寸減小到臨界尺寸時(shí),常規(guī)的鐵磁性材料會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判?甚至處于超順磁狀態(tài)。納米材料的比表面積很大,因此它具有相當(dāng)高的化學(xué)活性,在催化等敏感和響應(yīng)等性能方面顯得尤為突出。

2 幾種典型納米材料[11-16]

2.1 納米顆粒型材料

納米顆粒型材料也稱納米粉末,一般指粒度在100nm以下的粉末或顆粒。由于尺寸小,比表面積大和量子尺寸效應(yīng)等原因,它具有不同于常規(guī)固體的新特性。

用途:高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料、微芯片導(dǎo)熱基與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極材料、太陽(yáng)能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復(fù)材料和抗癌制劑等。

2.2 納米固體材料

納米固體材料通常指由尺寸小于 15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型,或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。

2.3 納米膜材料

納米薄膜是指尺寸在納米量級(jí)的晶粒 (或顆粒)構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜。

2.4 納米磁性液體材料

磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長(zhǎng)鍵的有機(jī)表面活性劑,高度彌散于一定基液中,而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場(chǎng)作用下整體地運(yùn)動(dòng),因此具有其它液體所沒(méi)有的磁控特性。

2.5 碳納米管

碳納米管為黑色粉末狀,是由類似石墨的碳原子六邊形網(wǎng)格所組成的管狀物,它一般為多層,直徑為幾納米至幾十納米,長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米甚至數(shù)毫米。碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu),意味著它有好的性能。它在一維方向上的強(qiáng)度可以超過(guò)鋼絲強(qiáng)度,它還有其他材料所不具備的性能:非常好的導(dǎo)電性能、導(dǎo)熱性能和電性能。碳納米管自身的獨(dú)特性能,決定了這種新型材料在高新技術(shù)諸多領(lǐng)域有著誘人的應(yīng)用前景。在電子方面,利用碳納米管奇異的電學(xué)性能,可將其應(yīng)用于超級(jí)電容器、場(chǎng)發(fā)射平板顯示器、晶體管集成電路等領(lǐng)域。在材料方面,可將其應(yīng)用于金屬、水泥、塑料、纖維等諸多復(fù)合材料領(lǐng)域。它是迄今為止最好的貯氫材料,并可作為多類反應(yīng)的催化劑的優(yōu)良載體。在軍事方面,可利用它對(duì)波的吸收、折射率高的特點(diǎn),作為隱身材料廣泛應(yīng)用于隱形飛機(jī)和超音速飛機(jī)。在航天領(lǐng)域,利用其良好的熱學(xué)性能,添加到火箭的固體燃料中,從而使燃燒效率更高。

3 納米材料的制備技術(shù)[17-20]

“納米材料”這一概念在 20世紀(jì) 80年代初正式形成[4],它現(xiàn)已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),而其制備科學(xué)在當(dāng)前的納米材料研究中占據(jù)著極為關(guān)鍵的地位。人們一般將納米材料的制備方法劃分為物理方法和化學(xué)方法兩大類。

3.1 物理方法

3.1.1 真空冷凝法

用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體,然后驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控,但技術(shù)設(shè)備要求高。

3.1.2 物理粉碎法

通過(guò)機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、成本低,但產(chǎn)品純度低,顆粒分布不均勻。

3.1.3 機(jī)械球磨法

采用球磨方法,控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純?cè)?、合金或?fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡(jiǎn)單、成本低,但產(chǎn)品純度低,顆粒分布不均勻。

3.2 化學(xué)方法

3.2.1 溶膠-凝膠法

溶膠-凝膠法廣泛應(yīng)用于金屬氧化物納米粒子的制備。前驅(qū)物用金屬醇鹽或非醇鹽均可。方法實(shí)質(zhì)是前驅(qū)物在一定條件下水解成溶膠,再制成凝膠,經(jīng)干燥納米材料熱處理后制得所需納米粒子。

溶膠-凝膠法可以大大降低合成溫度。用無(wú)機(jī)鹽作原料,價(jià)格相對(duì)便宜。

3.2.2 水熱法

水熱法是在高壓釜里的高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境中,采用水作為反應(yīng)介質(zhì),使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解,反應(yīng)還可進(jìn)行重結(jié)晶。水熱技術(shù)具有兩個(gè)特點(diǎn),一是其相對(duì)低的溫度,二是在封閉容器中進(jìn)行,避免了組分揮發(fā)。水熱條件下粉體的制備有水熱結(jié)晶法、水熱合成法、水熱分解法、水熱脫水法、水熱氧化法、水熱還原法等。近年來(lái)還發(fā)展出電化學(xué)熱法以及微波水熱合成法。前者將水熱法與電場(chǎng)相結(jié)合,而后者用微波加熱水熱反應(yīng)體系。與一般濕化學(xué)法相比較,水熱法可直接得到分散且結(jié)晶良好的粉體,不需作高溫灼燒處理,避免了可能形成的粉體硬團(tuán)聚。

3.2.3 溶劑熱合成法

用有機(jī)溶劑代替水作介質(zhì),采用類似水熱合成的原理制備納米微粉。非水溶劑代替水,不僅擴(kuò)大了水熱技術(shù)的應(yīng)用范圍,而且能夠?qū)崿F(xiàn)通常條件下無(wú)法實(shí)現(xiàn)的反應(yīng),包括制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。

苯由于其穩(wěn)定的共軛結(jié)構(gòu),是溶劑熱合成的優(yōu)良溶劑,最近成功地發(fā)展成苯熱合成技術(shù),溶劑加壓熱合成技術(shù)可以在相對(duì)低的溫度和壓力下制備出通常在極端條件下才能制得的、在超高壓下才能存在的亞穩(wěn)相。

3.2.4 微乳液法

微乳液通常是由表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類)、油類 (通常為碳?xì)浠衔?組成的透明的、各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。微乳液中,微小的“水池”為表面活性劑和助表面活性劑所構(gòu)成的單分子層包圍成的微乳顆粒,其大小在幾至幾十個(gè)納米間,這些微小的 “水池”彼此分離,就是“微反應(yīng)器”。它擁有很大的界面,有利于化學(xué)反應(yīng)。這顯然是制備納米材料的又一有效技術(shù)。

與其它化學(xué)法相比,微乳法制備的粒子不易聚結(jié)、大小可控、分散性好。運(yùn)用微乳法制備的納米微粒主要有以下幾類:(1)金屬,如 Pt、Pd、Rh、Ir、Au、Ag、Cu等; (2)硫化物 CdS、PbS、CuS等;(3)N i、Co、Fe等與B的化合物;(4)氯化物AgC l、AuC l3等;(5)堿土金屬碳酸鹽,如 Ca-CO3、BaCO3、SrCO3;(6)氧化物 Eu2O3、Fe2O3、B i2O3及氫氧化物A l(OH)3等。

3.2.5 高溫燃燒合成法

利用外部提供必要的能量誘發(fā)高放熱化學(xué)反應(yīng),體系局部發(fā)生反應(yīng)形成化學(xué)反應(yīng)前沿 (燃燒波),化學(xué)反應(yīng)在自身放出熱量的支持下快速進(jìn)行,燃燒波蔓延整個(gè)體系。反應(yīng)熱使前驅(qū)物快速分解,導(dǎo)致大量氣體放出,避免了前驅(qū)物因熔融而粘連,減小了產(chǎn)物的粒徑。體系在瞬間達(dá)到幾千度的高溫,可使揮發(fā)性雜質(zhì)蒸發(fā)除去。

例如,以硝酸鹽和有機(jī)燃料經(jīng)氧化還原反應(yīng)制備 Y摻雜的 10nm ZrO2粒子,采用檸檬酸鹽/醋酸鹽/硝酸鹽體系,所形成的凝膠在加熱過(guò)程中經(jīng)歷自點(diǎn)燃過(guò)程,得到超微 La0.84Sr0.16M nO3粒子。在合成氮化物、氫化物時(shí),反應(yīng)物為固態(tài)金屬和氣態(tài)N2、H2等,反應(yīng)氣滲透到金屬壓坯空隙中進(jìn)行反應(yīng)。如采用鈦粉坯在 N2中燃燒,獲得的高溫來(lái)點(diǎn)燃鎂粉坯合成出M g3N2。

3.2.6 模板合成法

利用基質(zhì)材料結(jié)構(gòu)中的空隙作為模板進(jìn)行合成。結(jié)構(gòu)基質(zhì)為多孔玻璃、分子篩、大孔離子交換樹(shù)脂等。例如將納米微粒置于分子篩的籠中,可以得到尺寸均勻、在空間具有周期性構(gòu)型的納米材料。Herron等 Na-Y將型沸石與 Cd(NO)3溶液混合,離子交換后形成 Cd-Y型沸石,經(jīng)干燥后與N2S氣體反應(yīng),在分子篩八面體沸石籠中生成 CdS超微粒子。南京大學(xué)采用氣體輸運(yùn)將 C60引入 13X分子篩與水滑石分子層間,并可以將 N i置換到 Y型沸石中去,觀察到 C60Y光致光譜由于 N i的摻入而產(chǎn)生藍(lán)移現(xiàn)象。

3.2.7 電解法

此法包括水溶液電解和熔鹽電解兩種。用此法可制得很多用通常方法不能制備或難以制備的金屬超微粉,尤其是負(fù)電性很大的金屬粉末。還可制備氧化物超微粉。采用加有機(jī)溶劑于電解液中的滾筒陰極電解法,制備出金屬超微粉。滾筒置于兩液相交界處,跨于兩液相之中。當(dāng)滾筒在水溶液中時(shí),金屬在其上面析出,而轉(zhuǎn)動(dòng)到有機(jī)液中時(shí),金屬析出停止,而且已析出之金屬被有機(jī)溶液涂覆。當(dāng)再轉(zhuǎn)動(dòng)到水溶液中時(shí),又有金屬析出,但此次析出之金屬與上次析出之金屬間因有機(jī)膜阻隔而不能聯(lián)結(jié)在一起,僅以超微粉體形式析出。用這種方法得到的粉末純度高,粒徑細(xì),而且成本低,適于擴(kuò)大和工業(yè)生產(chǎn)。

4 納米技術(shù)及納米材料的應(yīng)用[21-31]

由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等使得它們?cè)诖拧⒐?、電、敏感性等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性。因此納米微粒在磁性材料、電子材料、光學(xué)材料、高致密度材料的燒結(jié)、催化、傳感、陶瓷增韌等方面有廣闊的應(yīng)用前景。

4.1 陶瓷增韌

陶瓷材料在通常情況下呈脆性,由納米粒子壓制成的納米陶瓷材料有很好的韌性。因?yàn)榧{米材料具有較大的界面,界面的原子排列是相當(dāng)混亂的,原子在外力變形的條件下很容易遷移,因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與延展性。

4.2 磁性材料方面的應(yīng)用

(1)磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象,所謂磁電阻是指在一定磁場(chǎng)下電阻改變的現(xiàn)象,人們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場(chǎng)下電阻急劇減小,一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高 10余倍。巨磁電阻效應(yīng)是近 10年來(lái)發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。(2)磁性液體的主要特點(diǎn)是在磁場(chǎng)作用下可以被磁化,可以在磁場(chǎng)作用下運(yùn)動(dòng),但同時(shí)它又是液體,具有液體的流動(dòng)性。在靜磁場(chǎng)作用下,磁性顆粒將沿著外磁場(chǎng)方向形成一定有序排列的團(tuán)鏈簇,從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。當(dāng)光波、聲波在其中傳播時(shí)(如同在各向異性的晶體中傳播一樣),會(huì)產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應(yīng)、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。此外,磁性液體在靜磁場(chǎng)作用下,介電性質(zhì)亦會(huì)呈現(xiàn)各向異性。這些有別于通常液體的奇異性質(zhì),為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 (3)納米微晶軟磁材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展,其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎?yīng)用的各方面,如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開(kāi)關(guān)、傳感器等,它將成為鐵氧體的有力競(jìng)爭(zhēng)者。新近發(fā)現(xiàn)的納米微晶軟磁材料在高頻場(chǎng)中具有巨磁阻抗效應(yīng),又為它作為磁敏感元件的應(yīng)用開(kāi)辟了新的領(lǐng)域。 (4)研制納米復(fù)合稀土永磁材料,通常軟磁材料的飽和磁化強(qiáng)度高于永磁材料,而永磁材料的磁晶各向異性又遠(yuǎn)高于軟磁材料,如將軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內(nèi)進(jìn)行復(fù)合,就有可能獲得兼?zhèn)涓唢柡痛呕瘡?qiáng)度、高矯頑力二者優(yōu)點(diǎn)的新型永磁材料。微磁學(xué)理論表明,稀土永磁相的晶粒尺寸只有低于 20nm時(shí),通過(guò)交換糯合才有可能增大剩磁值。 (5)巨磁阻抗效應(yīng)是磁性材料交流阻抗隨外磁場(chǎng)發(fā)生急劇變化物特性,這種現(xiàn)象在軼磁衍料很容易出現(xiàn),例如 Co基非品、鐵基納米微晶以及 N iFe坡莫合金均觀察到強(qiáng)的巨磁阻抗效應(yīng)磁場(chǎng)較低,工作溫度為室溫以上,這對(duì)巨磁阻抗材料的應(yīng)用十分有利,加上鐵基納米品成本低,因而利用納米材料巨磁阻抗效應(yīng)制成的磁傳感器已在實(shí)驗(yàn)室問(wèn)世。例如,用鐵基納米晶巨磁阻抗材料研制的磁敏開(kāi)關(guān)具有靈敏度高、體積小,響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn),可廣泛用于自動(dòng)控制、速度和位置測(cè)定、防盜報(bào)警系統(tǒng)和汽車導(dǎo)航、點(diǎn)火裝置等。

4.3 納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用

催化劑在許多化學(xué)化工領(lǐng)域中起著舉足輕重的作用,它可以控制反應(yīng)時(shí)間、提高反應(yīng)效率和反應(yīng)速度。大多數(shù)傳統(tǒng)的催化劑不僅催化效率低,而且其制備是憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行,不僅造成生產(chǎn)原料的巨大浪費(fèi),使經(jīng)濟(jì)效益難以提高,而且對(duì)環(huán)境也造成污染。納米粒子表面活性中心多,為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑,可大大提高反應(yīng)效率,控制反應(yīng)速度,甚至使原來(lái)不能進(jìn)行的反應(yīng)也能進(jìn)行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應(yīng)速度提高 10～15倍。

4.4 納米材料在光學(xué)方面的應(yīng)用

納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性,如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過(guò)程中的能量損耗等,都與納米微粒的尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系。研究表明,利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制成的各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實(shí)驗(yàn)室階段,有的得到了推廣應(yīng)用。下面簡(jiǎn)要介紹各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用。

4.4.1 紅外反射材料

高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強(qiáng)照明,但是電能的 69%轉(zhuǎn)化為紅外線,這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉,僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來(lái)照明。同時(shí),燈管發(fā)熱也會(huì)影響燈具的壽命。如何提高發(fā)光效率,增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題,納米微粒的誕生為解決這個(gè)問(wèn)題提供了一個(gè)新的途徑。20世紀(jì) 80年代以來(lái),人們用納米 SiO2和納米 TiO2微粒制成了多層干涉膜,總厚度為微米級(jí),襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁,結(jié)果不但透光率好,而且有很強(qiáng)的紅外線反射能力。有人估計(jì)這種燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r(shí),可節(jié)省約 15%的電。

4.4.2 優(yōu)異的光吸收材料

納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對(duì)某種波長(zhǎng)的光吸收帶有藍(lán)移現(xiàn)象。納米微粒粉體對(duì)各種波長(zhǎng)光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個(gè)特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹(shù)脂中制成膜,這種膜對(duì)紫外有吸收能力依賴于納米粒子的尺寸和樹(shù)脂中納米粒子的摻加量和組分。目前,對(duì)紫外吸收好的幾種材料有:30～40nm的 TiO2納米粒子的樹(shù)脂膜; Fe2O3納米微粒的聚酯樹(shù)脂膜。前者對(duì) 400nm波長(zhǎng)以下的紫外光有極強(qiáng)的吸收能力,后者對(duì) 600nm以下的光有良好的吸收能力,可用作半導(dǎo)體器件的紫外線過(guò)濾器。

4.4.3 隱身材料

由于納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng),因此納米微粒材料對(duì)這種波的透過(guò)率比常規(guī)材料要強(qiáng)得多,這就大大減少波的反射率,使得紅外探測(cè)器和雷達(dá)接收到的反射信號(hào)變得很微弱,從而達(dá)到隱身的作用;另一方面,納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大 3～4個(gè)數(shù)量級(jí),對(duì)紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多,這就使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)強(qiáng)度大大降低,因此很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo),起到了隱身作用。

4.5 納米科技在其他方面的應(yīng)用

4.5.1 醫(yī)學(xué)

使用納米技術(shù)能使藥品生產(chǎn)過(guò)程越來(lái)越精細(xì),并在納米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品。將藥物儲(chǔ)存在碳納米管中,并通過(guò)一定的機(jī)制來(lái)激發(fā)藥劑的釋放,則可控藥劑有希望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。納米材料粒子將使藥物在人體內(nèi)的傳輸更為方便,用數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進(jìn)入人體后可主動(dòng)搜索并攻擊癌細(xì)胞或修補(bǔ)損傷組織。使用納米技術(shù)的新型診斷儀器只需檢測(cè)少量血液,就能通過(guò)其中的蛋白質(zhì)和DNA診斷出各種疾病。

4.5.2 家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用,可用作電冰霜、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

4.5.3 電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)

可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲(chǔ)容量為目前芯片上千倍的納米材料級(jí)存儲(chǔ)器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后,可以縮小成為“掌上電腦”。

4.5.4 紡織工業(yè)

在合成纖維樹(shù)脂中添加納米 SiO2、納米 ZnO、納米 SiO2復(fù)配粉體材料,經(jīng)抽絲、織布,可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝,可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品,可制得滿足國(guó)防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。

4.5.5 機(jī)械工業(yè)

采用納米材料技術(shù)對(duì)機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理,可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。

5 小結(jié)

納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué),主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時(shí)代,為此,國(guó)家科委、中科院將納米技術(shù)定位為 “21世紀(jì)最重要、最前沿的科學(xué)”。納米材料的應(yīng)用涉及到各個(gè)領(lǐng)域,在機(jī)械、電子、光學(xué)、磁學(xué)、化學(xué)和生物學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。納米科學(xué)技術(shù)的誕生,將對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,并有可能從根本上解決人類面臨的許多問(wèn)題,特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問(wèn)題。21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性,設(shè)計(jì)出各種新型的材料和器件。通過(guò)納米材料科學(xué)技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性,增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品,具備了形成 21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長(zhǎng)點(diǎn)的基礎(chǔ)。

[1]張立德編.納米材料[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2000.

[2]王中林編.納米材料表征[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[3]薛增泉編.納米科技探索[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002.

[4]李鳳生編.納米/微米復(fù)合技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2002.

[5]李道華,喻永紅.納米材料的合成技術(shù)及其研究進(jìn)展[J].西昌學(xué)院學(xué)報(bào),2004,1:59-63.

[6]王天赤,路嬪,車丕智,等.納米材料的特性及其在催化領(lǐng)域的應(yīng)用[J].哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,4:501-504.

[7]魏方芳.納米材料的研究及應(yīng)用[J].化學(xué)工程與裝備,2007,3:38-40.

[8]王斌,王榕妹,王俊卿,等.分子印跡材料研究進(jìn)展 [J].化學(xué)研究與應(yīng)用,2010,2: 129-135.

[9]楊鋼,胡超,王昌,等.超大塑性變形的研究進(jìn)展一塊體納米材料性能 [J].特鋼技術(shù), 2008,3(14):1-7.

[10]羅雁波.納米材料性能及其應(yīng)用前景[J].云南冶金,2001,3(30):33-37.

[11]杜峰.A l摻雜 ZnO納米顆粒的制備及工藝參數(shù)[J].南京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2010,2(32): 11-15.

[12]彭冬生,謝長(zhǎng)生.納米固體的MOCVD法制備及結(jié)構(gòu)性能的研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2003,6 (17):47-49.

[13]肖迎紅,楊俊顏,David C.Martin,等.納米結(jié)構(gòu)膜的制備及其在導(dǎo)電聚合物電化學(xué)聚合中的應(yīng)用 [J].電子元件與材料,2003,11 (22):50-52.

[14]于紅,孫振亞.自組裝單層 SO3H/SiO2納米膜材料對(duì)五氯酚的吸附性能研究[J].納米科技,2009,2(6):13-16.

[15]王西明,李永穩(wěn),曾利霞,等.納米磁性液體材料的研究進(jìn)展 [J].咸陽(yáng)師范學(xué)院學(xué)報(bào), 2007,6(22):26-30.

[16]周永生,杜高輝,許并社,等.化學(xué)氣相沉積法合成碳納米管及其導(dǎo)電性能研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2010,6(24):26-28.

[17]張利,蔣薈.納米材料的制備技術(shù)及其在航空領(lǐng)域的應(yīng)用展望[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2001,3:385-388.

[18]許志云.納米材料的制備技術(shù)研究[J].武漢科技學(xué)院學(xué)報(bào),2007,8(20):44-47.

[19]孫蘭萍,許暉.無(wú)機(jī)納米材料的制備技術(shù)及其進(jìn)展 [J].化工裝備技術(shù),2006,3(27): 9-12.

[20]朱雯,張明.模板電化學(xué)合成納米材料的研究進(jìn)展 [J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(bào),2010,1: 31-35.

[21]范景蓮,徐浩翔,黃伯云,等.金屬-A l2O3陶瓷基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[J].粉末冶金材料科學(xué)與工程,2002,3: 200-206.

[22]朱敏,何海龍,馬立超,等.納米材料在反艦導(dǎo)彈隱身設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2004,1:168-170.

[23]阮圣平,索輝,張景超,等.鋇鐵氧體納米復(fù)合材料的制備及其微波吸收性能的研究[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2000,2: 566-568.

[24]成云平,王淑華,武文革,等.納米材料在陶瓷刀具中的應(yīng)用現(xiàn)狀 [J].超硬材料工程, 2006,4:41-44.

[25]馬小藝,陳海斌.納米材料在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用與前景展望 [J].中國(guó)醫(yī)藥導(dǎo)報(bào), 2006,32:13-15.

[26]黎先財(cái),賴志華,羅來(lái)濤,等.納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用 [J].化學(xué)世界,2003,10: 554-557.

[27]張汝冰,劉宏英,李鳳生,等.納米材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用及研究進(jìn)展[J].化工新型材料,1999,5:255-228.

[28]陳海珍,陳建勇.蒙脫土納米材料在紡織絲綢上應(yīng)用[J].絲綢,2002,5:36-38.

[29]張邦維.納米材料物理基礎(chǔ)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[30]張昊.納米磁性復(fù)合體光催化材料制備、表征及應(yīng)用研究[D].天津:天津大學(xué),2005.

[31]陳金媛,高鵬飛.磁性納米 TiO2/Fe3O4復(fù)合材料的制備及光催化降解性能[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2004,20(62):2093-2097.

The Research Progress on Proper ties of Nanometer Materials

KANG Yong1,CHAI Xiu-juan2
(1 The Research Center of Shanxi Jintai Chlor-alkali Chemical Co.Ltd.,Yulin 718100,Shanxi, China;2 Shanxi Jintai Chlor-alkali Chemical Co.Ltd.,Yulin 718100,Shanxi,China)

The development of the uniquel physical and chemical properties of nanometer materials will take a new opportunty for the physics、chemistry、materials、biology and pharmaceutical field' research. The application prospect of nanometer materials was very wide. The property of nanometer materials、p reparation technology and application fields was summarized in this paper

nanometer materials;nano-magnetic materials;nano-ceramic materials;microwave absorbing nano-materials

TQ 11

2010-06-28