Material 版 (精华区)

发信人: hiltler (大力水手), 信区: Material
标  题: 纳米材料几个热点领域的新进展 
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月10日12:46:24 星期天), 站内信件

一、纳米组装体系的设计和研究
　　目前的研究对象主要集中在纳米阵列体系；纳米嵌镶体系；介孔与纳米颗粒复合体
系和纳米颗粒膜。目的是根据需要设计新的材料体系，探索或改善材料的性能，目标是
为纳米器件的制作进行前期准备，如高亮度固体电子显示屏，纳米晶二极管，真空紫外
到近红外特别是蓝、绿、红光控制的光致发电和电子发光管等都可以用纳米晶作为主要
的材料，国际上把这种材料称为“量子”纳米晶，目前在实验室中已设计出的纳米器件
有Si-SiO2的发光二极管，Si掺Ni的纳米颗粒发光二极管，用不同纳米尺度的CdSe做成红
、绿、蓝光可调谐的二极管等。介孔与纳米组装体系和颗粒膜也是当前纳米组装体系重
要研究对象，主要设计思想是利用小颗粒的量子尺寸效应和渗流效应，根据需要对材料
整体性能进行剪裁、调整和控制达到常规不具备的奇特性质，这方面的研究将成为世纪
之交乃至下一个世纪引人注目的前沿领域。纳米阵列体系的研究目前主要集中在金属纳
米颗粒或半导体纳米颗粒在一个绝缘的衬底上整齐排列的二维体系。
　　纳米颗粒与介孔固体组装体系近年来出现了新的研究热潮。人们设计了多种介孔复
合体系，不断探索其光、电及敏感活性等重要性质。这种体系一个重要特点是既有纳米
小颗粒本身的性质，同时通过纳米颗粒与基体的界面隅合，又会产生一些新的效应。整
个体系的特性与基体的孔洞尺寸，比表面以及小颗粒的体积百分比数有密切的关系。可
以通过基体的孔洞将小颗粒相互隔离，使整个体系表现为纳米颗粒的特性；也可以通过
空隙的连通，利用渗流效应使体系的整体性质表现为三维块体的性质。这样可以根据人
们的需要组装多种多样的介孔复合体。目前，这种体系按支撑体的种类可划分为：无机
介孔和高分子介孔复合体两大类。小颗粒可以是：金属、半导体、氧化物、氮化物、碳
化物。按支撑体的状态也可分为有序和无序介孔复合体。
　　二、高性能纳米结构材料的合成
　　对纳米结构的金属和合金重点放在大幅度提高材料的强度和硬度，利用纳米颗粒小
尺寸
效应所造成的无位错或低位错密度区域使其达到高硬度、高强度。纳米结构铜或银的块
体材料的硬度比常规材料高50倍，屈服强度高12倍；对纳米陶瓷材料，着重提高断裂韧
性，降低脆性，纳米结构碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-S
iO2+Al2O3的复合材料，断裂韧性比常规材料提高4-5倍，原因是这类纳米陶瓷庞大体积
百分数的界面提供了高扩散的通道，扩散蠕变大大改善了界面的脆性。
　　三、纳米添加使传统材料改性
　　在这一方面出现了很有应用前景的新苗头，高居里点、低电阻的PTC陶瓷材料，添加
少量纳米二氧化铣可以降低烧结温度，致密速度快，减少Pb的挥发量，大大改善了PTC陶
瓷的性能，尺度为60nm的氧化锌压敏电阻、非线性阀值电压为100V／cm，而4mm的氧化锌
，阀值电压为4kV／cm，如果添加少量的纳米材料，可以将阀值电压进行调制，其范围在
100V~30kV之间，可以根据需要设计具有不同阀值电压的新型纳米氧化锌压敏电阻，三氧
化二铝陶瓷基板材料加入3％--5％的27nm纳米三氧化二铝，热稳定性提高了2——3倍，
热导系数提高10％——15％。纳米材料添加到塑料中使其抗老化能力增强，寿命提高。
添加到橡胶可以提高介电和耐磨特性。纳米材料添加到其他材料中都可以根据需要，选
择适当的材料和添加量达到材料改性的目的，应用前景广阔。
　　四、纳米涂层材料的设计与合成
　　这是近1—2年来纳米材料科学国际上研究的热点之一，主要的研究聚集在功能涂层
上，包括传统材料表面的涂层、纤维涂层和颗粒涂层，在这一方面美国进展很快，80nm
的二氧化锡及40nm的二氧化钦、20nm的三氧化二铬与树脂复合可以作为静电屏蔽的涂层
，80nm的BaTiO3可以作为高介电绝缘涂层，40nm的Fe3O4可以作为磁性涂层，80nm的Y2O
3可以作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高，用于红外窗口材料。近年来人们根据纳米
颗粒的特性又设计了紫外反射涂层，各种屏蔽的红外吸收涂层、红外涂层及红外微波隐
身涂层，在这个方面的研究逐有上升的趋势，目前除了设计所需要的涂层性能外，主要
的研究集中在喷涂的方法，大部分研究尚停留在实验室阶段，日本和美国在静电屏蔽涂
层、绝缘涂层工艺上有所突破，正在进入工业化生产的阶段。
　　五、纳米颗粒表面修饰和包覆的研究
　　这种研究主要是针对纳米合成防止颗粒长大和解决团聚问题进行的，有明确的应用
背景。美国已成功地在ZrO2纳米颗粒表面包覆了Al2O3在纳米Al2O3表面包覆了ZrO2，Si
O2表面的有机包覆，TiO2表面的有机和无机包覆都已在实验室完成。包覆的小颗粒不但
消除了颗粒表面的带电效应，防止团聚，同时，形成了一个势垒，使它们在合成烧结过
程中（指无机包覆）颗粒不易长大。有机包覆使无机小颗粒能与有机物和有机试剂达到
浸润状态。这为无机颗粒掺入高分子塑料中奠定了良好的基础。这些基础研究工作，推
动了纳米复合材料的发展。美国在实验室中已成功的把纳米氧化物表面包覆有机物的小
颗粒添加到塑料中，提高了材料的强度和熔点。同时防水能力增强，光透射率有所改善
。若添加高介电纳米颗粒，还可增强系统的绝缘性。在封装材料上有很好的应用前景。


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