納米材料的分類和（hé）特性講解

納（nà）米材料（liào）的分類和特性講解

一、納米材料的分類
納米材料的分類方法很多，按其結構可分（fèn）為：晶粒（lì）尺寸在三個方向都（dōu）在幾個納米範圍內的稱為三（sān）維納（nà）米材（cái）料；具有層狀結構的稱為二維（wéi）納（nà）米材料；具有纖維結構的稱（chēng）為一維納米（mǐ）材料；具（jù）有原子簇和（hé）原子束結構的稱為零維（wéi）納米材料(見圖 10.10)。按化學組成可分為納米金屬、納米晶體（tǐ）、納米（mǐ）陶瓷、納米玻璃、納米高（gāo）分子、納米複合材料（liào）等（děng）。按材料物性可分為納米（mǐ）半導體、納米磁性材（cái）料、納（nà）米非線（xiàn）性材料、納米鐵電體、納米超導材料、納米熱電材料等。按材料用（yòng）途可分為納米電子材料、納（nà）米生物醫用（yòng）材料、納（nà）米（mǐ）敏感材料、納米（mǐ）光電子材料、納米儲能材料等。

二、納米材料的特性（xìng）
納米材料具有特殊的結構，由於組成（chéng）納米材料的超微粒尺度屬納米量級，這一量級大大接近於材料的基本結構——分子甚（shèn）至於原子，其界（jiè）麵原子數量比例極大，一般（bān）占（zhàn）總原子（zǐ）數的 50%左右，納米微粒的微小尺寸和高比（bǐ）例（lì）的表麵原子數導致了它的量子（zǐ）尺寸效應和其他一些特殊的物理性質。不論這種超微（wēi）顆粒由晶態或（huò）非晶態物質組成，其界麵（miàn）原子的結構都既不（bú）同於長程有序的（de）晶體，也不同於長（zhǎng）程無序、短程有序的類似氣體固體結構，因此，一些研（yán）究（jiū）人員又把納米（mǐ）材料稱之為晶態、非晶態之外的“第三態固體材（cái）料”。
1、基本物理效應
1) 小尺寸效應
當超細微粒的尺寸與光（guāng）波（bō）波長、德（dé）布羅意波長以及超導態的相（xiàng）幹長度（dù）或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將（jiāng）被破壞，非晶（jīng）態納米微粒的顆（kē）粒表麵層附（fù）近（jìn）原子密度減少，導致聲、光、電磁、熱力學等物性呈現新的小尺寸效應。小尺寸效應的表現首先是納米微（wēi）粒的熔點發生改變（biàn），普通金屬金的熔點（diǎn）是 l337K，當金的顆粒尺寸減小到 2nm 時，金微粒（lì）的熔（róng）點（diǎn）降到 600K；納米銀的熔點可降低到 100℃。
由於納米微粒的尺寸比可見光的波長還小，光在納米材（cái）料（liào）中傳播的周期性被破壞，其光學性質就會呈現與普通材（cái）料不同的情形。光吸收顯著增加並產生吸收峰的等離子共（gòng）振頻移，磁有序態向無序態轉變等，例如，金屬由於光反射顯現各（gè）種（zhǒng）顏色，而金屬納米微粒都呈黑色，說明它們對光的均勻吸（xī）收性、吸收峰的位置和峰的半高寬都與粒子半徑的倒數有關。利用這一性質，可以通過控製顆粒尺寸製造出具有一定頻寬（kuān）的微波吸收納米材料，可用於（yú）磁波屏蔽、隱形（xíng）飛機等（děng）。
2) 表麵效應
表麵效應是指納米粒子表麵（miàn）原子與總（zǒng）原子數之比。納米微（wēi）粒尺寸小，表麵能高，位於表麵的原子占相當大（dà）的比例，隨著粒徑的減小，表麵原子數迅速增（zēng）加，原子配位不足和高的表麵能，使這些表麵原子具有高（gāo）的（de）活性（xìng），極不穩定，很容易與其他原（yuán）子結合。配位越不足的原子，越不穩定，極易轉（zhuǎn）移到配位數（shù）多的位置上，表麵原子（zǐ）遇（yù）到其他原子很快結（jié）合，使其穩定（dìng）化，這就是活性原（yuán）因。這種表（biǎo）麵原子（zǐ）的活性（xìng），不但引起納（nà）米（mǐ）粒子表麵輸送和構型的變化，同（tóng）時也會引起表麵電子自旋構象和電子能（néng）級的變化，例如，化學惰性的金屬鉑在製成納米（mǐ）微粒（lì）後也變得不穩定，使其成為（wéi）活性極（jí）好的催化劑，金屬納米粒子在空中（zhōng）會燃燒，無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附（fù）氣體，並與氣體進行反應。
3) 量子尺寸效應
是指（zhǐ）粒子尺寸（cùn）下降到極（jí）值時，體積縮小，粒子內的原子數減少而造成的效應。日本科學家久保(Kubo)給量（liàng）子尺寸下的定（dìng）義是：當粒子尺寸降到最小值時，出現費米能級附近的電（diàn）子能級由準連續變為不連續離散分（fèn）布的現象，以及納米半導體存在不連續（xù）的最高被占據分子軌道和最低未被占據的分子軌道能級而使能隙變寬的現象，這時就會出現（xiàn）明顯的量子效應，導（dǎo）致納米微粒的磁、光、聲、熱、電等性能與（yǔ）宏觀（guān）材料的特性有明顯的不同（tóng）。例如，納米微粒對於紅外吸收表現出靈敏的量子尺寸效應（yīng）；共振吸收的（de）峰比普通材料尖銳得多；比熱容（róng）與溫度的關係也呈非線性關係（xì）。此外，微粒的磁化率、電導率、電容率等參數也因此具有特有的變化規律。例如，金屬普（pǔ）遍是良導體，而納米（mǐ）金屬在低溫（wēn）下都是呈（chéng）現電絕緣體，PbTiO3、BaTiO3 和 SrTiO3 通常情況下（xià）是鐵電體（tǐ），但它們的納米微粒是順電體；無極性的氮化矽陶瓷，在納米態時卻會出現極性材料（liào）才有的壓電（diàn）效應。
4) 宏觀量（liàng）子隧道效應
微觀粒子具有穿越勢壘的能（néng）力稱為隧道效應。納（nà）米粒子（zǐ）的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿（chuān）越宏觀的勢壘而產生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。它的研（yán）究對基礎研究及實際應用都具有（yǒu）重要意義，它限定了（le）磁盤等（děng）對信息存儲的極限，確定了現代微（wēi）電子器（qì）件進（jìn）一步微型化的極限，由於納米材料本身所具有（yǒu）的這些基本特性（xìng）使它的應用領域十分廣闊。
2. 擴散及燒結性能
由於（yú）在納米結構材料（liào）中有著大量的界麵，這些界麵（miàn）為（wéi）原子提供了短程擴散（sàn）途徑，因此納米結構材料具有較高的擴（kuò）散率，使一些通常較高溫度才能形成的穩定或介穩（wěn）相在較低溫度下就可以存在（zài），另外也可使納（nà）米結構材料的燒結溫度大大降低(所謂燒結溫度是指把粉末先加壓成形（xíng），然後在低於熔點的溫度（dù）下使這些粉末（mò）互相結合，密度接近（jìn）於材料的理論密度的溫度)。

3. 超塑性
材料在特定條件下可產生非常大的塑性變（biàn）形而不斷裂的特性被稱為超塑性(通常指在拉伸情況下)或超延展性(軋（zhá）製（zhì）條件下)。對於金屬或陶瓷多晶材料，其產生（shēng）條件是高溫(通（tōng）常高於熔（róng）點的一半)和穩定的細晶組織。超（chāo）塑性是（shì）指在斷裂前產生很大的伸長量，其機製目前還在爭議之中，但從（cóng）實驗現象中可以得出晶界和擴散率在這一過程中（zhōng）起著重要作用。如陶瓷材料（liào）在高溫時具有（yǒu）超塑性，可以通過使晶粒的尺寸降到納（nà）米級來實現其室溫超塑性。
4. 力學性能
由（yóu）於納米晶體材料有很大的表麵積/體積比，雜質在（zài）界麵的濃度便大大降低，從而（ér）提高了材料（liào）的力學性（xìng）能。由（yóu）於納米材料晶（jīng）界原子間隙的（de）增加和氣孔的（de）存在，使其彈性模量減小了 30%以上。此外（wài），由於晶粒減小（xiǎo）到納米（mǐ）量級，使納（nà）米（mǐ）材料的（de）強度和（hé）硬（yìng）度比粗晶材料高 4～5倍（bèi）。與傳統（tǒng）材料相比，納米結構材料的（de）力學性能有顯（xiǎn）著的變化，一些材料的強度（dù）和硬度（dù）成倍的提高（gāo），這方麵還沒有形成比較係統的理論。
5. 光學（xué）性能
納米（mǐ）金屬粉末（mò）對電磁波有特殊的吸收作用，可（kě）作為軍用高性能毫米波隱形材料、紅外線隱（yǐn）形材料和結構式隱形材料以及手機輻射屏蔽材料（liào）。
6. 電學性能
由（yóu）於晶（jīng）界上原子體積分數的增大，納（nà）米材料的電阻高於同（tóng）類粗晶材料。納米半導體的介電行為(介電常數、介電損耗)及壓電特性同常規（guī）的半導體材料有（yǒu）很大的不同。如納米（mǐ）半導體材料的介電常（cháng）數隨（suí）測量（liàng）頻率減少呈明（míng）顯（xiǎn）上升（shēng）趨勢，另外其界麵存（cún）在大量的懸鍵，導致其界麵電荷分布發生變化，形成局域電偶極矩（jǔ）。
7. 磁學性質
由於改變原子（zǐ）間距可以影響材料的（de）鐵磁（cí）性，因此納米材料的磁飽和（hé）量 Me 和鐵磁轉（zhuǎn）變溫度將降低，如 6nm Fe 的 Me 為 130 cm ?g?1、而（ér）正常α ? Fe 多晶材料為 220 cm ?g?1、Fe 基金屬玻璃態為 215 cm ?g?1。納米（mǐ）材料另一個重要的磁學性質是磁(致)熱的(magnetocaloric)效應，指的（de）是如果在非磁或弱磁基體中包含很（hěn）小的磁微粒，當其處於磁（cí）場中時，微粒的磁旋方向會與磁場（chǎng）相匹配，因而增加了磁有序（xù）性，降低了自旋係統的磁熵。如果此過程是絕熱的，自旋熵將隨晶（jīng）格熵的增加而減小，且樣品溫度升高，這是一個（gè）可逆過程。
8. 其他性質
納米材料的比熱大於同類粗晶和非晶材料，Cp 的增加與界麵結構有（yǒu）關，界麵結構越開（kāi）放，Cp 的增加幅度就越大，這是由於界麵原子耦合變弱的（de）結果。由（yóu）於納（nà）米材料原子在其晶界上高度彌散分布，因此納米材料的彌散性要強於同類單晶或多晶材料，這對諸如材料的蠕變等一係列性質有著重要的（de）影（yǐng）響。近年來（lái）報道了（le）一些納（nà）米（mǐ）材料的腐（fǔ）蝕行為。由於納米材（cái）料具有精細晶粒和均勻結構，因此納米材料受到的是均勻（yún）的腐蝕，而粗晶材（cái）料多為晶（jīng）界腐蝕。

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