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纳米晶材料概述

放大字体  缩小字体发布日期:2013-04-07  浏览次数:2444
核心提示:纳米微粒通常是指1nm—100nm范围内的固体粒子,可以是非晶体、微晶聚合体或微单晶(纳米晶是指在纳米范围内的单晶固体粒子),微粒尺寸上的变化和限制将会产生新的物理和化学现象。

一、纳米概念

纳米微粒通常是指1nm—100nm范围内的固体粒子,可以是非晶体、微晶聚合体或微单晶(纳米晶是指在纳米范围内的单晶固体粒子),微粒尺寸上的变化和限制将会产生新的物理和化学现象。纳米材料微粒正好处于从单个原子到块体材料的过渡区。当纳米材料微粒接近lOnm或更小时,其形状可为球形、椭球形或多面体形状,从而具有不同的高对称性,通常被称为纳米颗粒;而纳米材料的尺寸在一个或两个方向逐渐增大时,它可能变为一维的棒或线,或者是二维的圆盘或平面,具有对称性,它们分别被称为纳米线、纳米管或纳米薄膜。

纳米薄膜,是指由尺寸在纳米量级的晶粒构成的薄膜或将纳米晶粒镶嵌于薄膜中,构成的复合膜或共沉积形成的复合镀层,或者每层厚度在纳米量级的单层或多层膜,有时也称为纳米晶粒薄膜和纳米多层膜。其性能强烈依赖于晶粒的尺寸、膜的厚度、表面粗糙度以及多层膜的结构。与普通薄膜相比,纳米薄膜具有许多独特的性能,如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应、催化效应、光敏效应、高密磁效应等,因而越来越受到人们的重视。

纳米薄膜的应用类型,可分为以下几种:纳米磁性膜、光学膜、气敏膜、润滑膜、耐蚀膜、耐高温膜以及纳米多孔膜等。

二、纳米技术

纳米技术是基础科学的一部分。我们知道化学是研究原子和分子的,它研究物质的尺寸普遍小于1nm(<1nm)领域,而凝聚态物理是研究原子或分子排列的尺寸,通常大于100nm(>100nm)的物质,那么在以上两个领域之间存在一个断层,这个断层是研究1nm至100nm(1nm—100nm)之间的粒子。这就是纳米技术研究的范围,也就是研究大约每个由10-106个原子或分子构成的粒子形成的领域。

纳米晶材料的制备方法

纳米材料的组成一般分为两种类型:一类是由纳米粒子组成的,另一类纳米材料是在纳米粒子间有较多的孔隙或无序原子或另一种材料。或者纳米粒子镶嵌在另一种基质材料中,就属于第二类称为复合材料,由于纳米材料在光学、电学、催化、敏感等方面具有很多特殊性能,因此得到广阔的:

应用。

(一)纳米材料的制备方法

目前,约有200多种方法能制取不同形式的纳米结构材料,最基本的可归纳为以下五种类型:

(1)气相法(如物理或化学气相沉积、惰性气体凝聚等);

(2)液相法(如快速固化、雾化等);

(3)固相法(如机械研磨、非晶态初始晶化等);

(4)化学法(如溶胶、凝胶法、沉积法等);

(5)电化学法(如电沉积法、复合电沉积法、化学镀法等)。

(二)电化学法制备纳米材料的优点

(1)电沉积层具有独特的高密度和低孔隙率,结晶组织取决于电沉积参数。通过控制电流、电压、电解液组分和工艺参数,就能精确地控制膜层的厚度、化学组分、晶粒组织、晶粒大小和孔隙率等;

(2)适合于制备纯金属纳米晶膜、合金膜及复合材料膜等各种类型膜层;

(3)电沉积过程,过电势是主要推动力,容易实现、工艺灵活、易转化;

(4)可在常温常压下操作,节约了能源,避免了高温引入的热应力;

(5)电沉积易使沉积原子在单晶基质上外延生长,易得到较好的外延生长层;

(6)有很好的经济性和较高的生产率,初始投资低。

四、纳米材料的特性

当超微米粒子尺寸不断减小,在一定条件下,会引起材料宏观物理、化学、机械等性质上的变化,通常称为小尺寸效应。另外,由于纳米微粒尺寸小,表面能高,这称为纳米微粒的表面效应,它是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比,随着纳米粒子尺寸的减小,而大幅度的增加,于是粒子的表面能和表面张力也随着增加,从而引起纳米粒子的性质变化。

由于纳米晶材料组成和结构的特殊性,其性能比传统材料有明显的改善和提高,尤其是具有超硬度、超模量效应等的特殊性。

(一)纳米材料的力学性能

目前对力学性能研究较多的是纳米材料的硬度、韧性和耐磨性等。

1.硬度

材料的硬度对于材料系统的粒度和成分有比较强烈的依赖性,另一影响因素是组分材料的相对含量,见图4—9—1。

2.韧性

膜层结构对材料的韧性影响较大,膜层材料的组分含量是影响的主要因素。多层膜也可以提高材料的韧性,明显改善其性能。

3.耐磨性

纳米膜材料的耐磨性比通常的材料要高,这与晶粒的大小、晶体结构、晶粒界面以及纳米多层膜邻层界面上的位错、滑移障碍比传统材料大而多。因此,滑移阻力比传统材料大。

(二)纳米晶材料的光学性能

晶粒尺寸变化对硬度的影响

图4—9—1晶粒尺寸变化对硬度的影响

纳米超微粒膜具有特殊的紫外-可见光吸收光谱。当黄金(Au)被细分到小于光波之长的尺寸时(即为几百纳米),会失去原有的光泽而呈现为黑色,实际上所有金属呈超微粒子时均为黑色,尺寸越小,色泽越黑。银白色的白金(Pt)变为铂黑,银变为银黑,镍变为镍黑等。这表明金属超微粒对光的反射率很低,一般低于1%。大约有几百纳米的厚度即可消光,利用此特性可制作高效光热、光电转换材料,可高效地将太阳能转化为热、电能。此外,又可作红外敏感元件、红外隐身材料等。

(三)纳米材料的电学性能

常规的导体(如金属),当尺寸减小到纳米数量级时,其电学性能发生很大变化。研究表明,材料的导电性与材料颗粒的临界尺寸有关,当材料颗粒大于临界尺寸,将遵守常规电阻与温度的关系,当材料尺寸小于临界尺寸时,它可能失掉材料原本的电性能。

(四)纳米材料的磁学特性

人们发现蝴蝶、蜜蜂和鸽子等生物中存在超微磁性颗粒,这些动物在磁场中能辨别方向,具有回归的本领。磁性微粒就像是一个生物罗盘,生活在水中的超微细菌依靠它可游向营养丰富的水底。研究表明这些生物体内的磁颗粒是大小为20nm的磁性氧化物,小尺寸超微粒子的磁性比大块材料要强许多倍,20nm的纯铁粒子的矫顽力是大块铁的l000倍,但当尺寸在减少到6nm时,其矫顽力反而又下降到零,表现出所谓超顺磁性。利用超微粒子具有高矫顽力的性质,已做成高储存密度的磁记录粉,用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等,利用超顺磁性人们已研究出应用广泛的磁流体,用于密封等。

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