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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Physics
标  题: 纳米材料及其应用前景《转贴》
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Jun 25 18:18:45 2003)

1 引 言
　　诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加

以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生

丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。
　　纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小

于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个

或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程

序也没有短程序的无序结构。
　　1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物

质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到

纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际

纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元

层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极

大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶

态均不同的一种新的结构状态。
　　在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒

中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的

能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、

光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同

样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒

子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。

一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个

比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。
　　纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为

是21世纪最具有前途的科研领域。

2 纳米材料的特性
2. 1 纳米材料的表面效应
　　纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧

增大后所引起的性质上的变化。如下图所示：


表面原子数与粒径的关系

　　从图中可以看出，粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，

表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面

原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定

下来，故具有很高的化学活性。

2. 2 纳米材料的体积效应
　　由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就

不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效

应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面

附近电子能级状态分布而提出的。久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是

受尺寸限制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级，并认为相

邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为：

δ=4EF/3N ∞ V-1 ∞ 1/d3
　　其中 N为一个金属纳米粒子的总导电电子数，V为纳米粒子的体积；EF为费米能级
随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大，从而使能隙变宽

，金属导体将变为绝缘体。

2. 3 纳米材料的量子尺寸效应
　　当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散

能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分

子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于

分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线

性，特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长，德布罗意波长，超导态

的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米

微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。

如光吸收显著增加，超导相向正常相转变，金属熔点降低，增强微波吸收等。利用等离子

共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，制造具有一定

频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐型飞机等。
　　由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提

高。其结构颗粒对光，机械应力和电的反应完全不同于微米或毫米级的结构颗粒，使得纳

米材料在宏观上显示出许多奇妙的特性，例如：纳米相铜强度比普通铜高5倍；纳米相陶瓷

是摔不碎的，这与大颗粒组成的普通陶瓷完全不一样。纳米材料从根本上改变了材料的结

构，可望得到诸如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模

复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径

。

3 纳米技术的应用及其前景
3.1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用
　　陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。

但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。

随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷

具有象金属一样的柔韧

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