第七章納米材料

1、納米金屬材料納米金屬材料 納米及納米科技的提出納米及納米科技的提出 納米金屬材料的性能及制備方法納米金屬材料的性能及制備方法 納米材料的應(yīng)用納米材料的應(yīng)用 一、納米及納米科技的提出一、納米及納米科技的提出納米金屬材料 納米（納米（nanometernanometer），為長度單位，單位符號為），為長度單位，單位符號為n nm m。 1nm=10(-3)m=10(-6)mm=10(-9)m.1nm=10(-3)m=10(-6)mm=10(-9)m. 氫原子直徑：氫原子直徑：0.1nm0.1nm 一般金屬原子直徑：一般金屬原子直徑：0.3-0.4nm0.3-0.4nm 人發(fā)直徑：人發(fā)直徑：50-8

2、050-80微米微米 細(xì)胞直徑：細(xì)胞直徑： 5000nm5000nm（5 5微米）微米） 人類對客觀世界的認(rèn)知存在3個(gè)領(lǐng)域: 宏觀領(lǐng)域、微觀領(lǐng)域和介觀領(lǐng)域 納米科學(xué)技術(shù)（納米科技）：納米科學(xué)技術(shù)（納米科技）： 在納米尺寸范圍內(nèi)認(rèn)識和改造白然，通 過直接操作和安排原子、分子以制造新的 物質(zhì)。 納米科技是研究由尺寸在0.1100 nm之 間的物質(zhì) 組成的體系的運(yùn)動規(guī)律、相互作 用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問題的科 學(xué)技術(shù)。 如果我們對物體微小規(guī)模（如果我們對物體微小規(guī)模（small scale)small scale)上的上的 排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到排列加以某種控制的話，我們就能

3、使物體得到 大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能大量的異乎尋常的特性，就會看到材料的性能 產(chǎn)生豐富的變化。產(chǎn)生豐富的變化。 納米科技的發(fā)展過程納米科技的發(fā)展過程-由幻想到現(xiàn)實(shí)由幻想到現(xiàn)實(shí) “I would like to describe a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done in principle.” - Richard P. Feyneman, on December 29th 1959, at the annual meeting of the Amer

4、ican Physical Society 1962年，日本東京大學(xué)的物理學(xué)家久保亮武(Ryogo Kubo)教授在研究金屬粒子理論時(shí)提出了金屬超微粒中電子 能級具有類似孤立原子中的能級的不連續(xù)性觀點(diǎn)。久保效應(yīng)久保效應(yīng) 1974年，日本東京理科大學(xué) 谷口紀(jì)男教授首次使用“納納 米技術(shù)米技術(shù)” 描述精細(xì)機(jī)械加工，來強(qiáng)調(diào)當(dāng)時(shí)的微米科技己不足 以滿足工業(yè)界的要求，需要有新的技術(shù)和新的精度標(biāo)準(zhǔn)。 1981年，德國博士生C比尼格(Gerd Binnig)在H羅勒 爾(Heinrich Roher)教授的指導(dǎo)下，在瑞士蘇黎世的IBM實(shí)驗(yàn) 室里做“導(dǎo)體間的電子隧道效應(yīng)問題”博士論文研究時(shí)發(fā)明 了看得見原子的

5、掃描隧道顯微鏡(STM)，實(shí)現(xiàn)了人類直接 “看”到單個(gè)原子的愿望：這是邁向納米技術(shù)重要的里程碑。 比尼格和羅勒爾也因此獲得了1986年的諾貝爾物理獎。 1984年，德國薩爾蘭大學(xué)的物理學(xué)家格萊特(H Gliter)等， 首次采用惰性氣體蒸發(fā)冷凝法制備了具有清潔表面作用的納 米Fe等金屬粉末，然后在真空室巾原位加壓制得納米固體， 從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。 1985年，英國Sussex大學(xué)的克羅脫(H. kroto)教授以 及美國得克薩斯州Rice大學(xué)的斯麥利(RSmalley)教授和 R科爾(Kurl)教授等人，采用激光加熱石墨蒸發(fā)并在甲苯中 形成直徑大約是1nm的C60足球烯分子，于

6、是在全世界興 起了C60的研究熱潮。他們?nèi)艘虼硕@得1996年的諾貝 爾化學(xué)獎。 1987年7月，美園阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的Siegel博土在美國紐 約召開的界面科學(xué)與工程學(xué)術(shù)會議上首次報(bào)告納米Ti02多 晶陶瓷具有良好的韌性，這一突破性進(jìn)展造成第一次世界 性納米熱潮。 1989年，美國 IBM，阿爾馬登(AImaden)研究中心的愛格 勒(D. MEigler)和施維仁(E KSchweizer)博士成功地用 掃描隧道顯微鏡在鎳 (110)表面移動氙原子，對單個(gè)原子 進(jìn)行重排，將35個(gè)氙原子排布成了世界上最小的IBM商標(biāo)， 實(shí)現(xiàn)了人類另一個(gè)幻想直接操縱單個(gè)原子。原理上這 也是實(shí)現(xiàn)了費(fèi)曼的設(shè)想：按

7、人的意愿排布一個(gè)個(gè)原子來構(gòu) 建納米器件。從此，人類邁向納米技術(shù)的征途真正開始了。 1991年，日本NEC公司筑波研究所的飯島澄男 (Sumio Iijima)發(fā)現(xiàn)了碳納米管，它是由石墨碳原子層彎曲 順成的碳管，直徑一般為幾個(gè)納米到幾十個(gè)納米，管壁厚 度為幾個(gè)納米。碳納米管的質(zhì)量是相同體積鋼的16，而 強(qiáng)度卻是鋼的10倍，于是，碳納米管立刻成為納米研究熱 點(diǎn)之一。 2000年1月21日，當(dāng)時(shí)的美國總統(tǒng)克林頓在加州理工 學(xué)院正式宣布一項(xiàng)新的國家計(jì)劃國家納米技術(shù)推進(jìn)計(jì) 劃，指出納米技術(shù)對保持美國科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的領(lǐng)先地位 非常重要。美國政府這一舉措引起了世界范同的廣泛關(guān)注， 新一輪科技競爭從此拉開序幕

8、。 納米科技的內(nèi)涵納米科技的內(nèi)涵 制高點(diǎn)制高點(diǎn) 納米電子學(xué)納米電子學(xué)納米加工納米加工納米生物納米生物 基基 礎(chǔ)礎(chǔ) 納米材料納米材料納米材料納米材料 基基 礎(chǔ)礎(chǔ)納米物理納米物理納米化學(xué)納米化學(xué)納米力學(xué)納米力學(xué) 納米技術(shù)納米技術(shù) 醫(yī)療藥物醫(yī)療藥物 環(huán)境能源環(huán)境能源 宇航交通宇航交通 生物農(nóng)業(yè)生物農(nóng)業(yè) 電子器件電子器件 計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī) 國家安全國家安全 新材料新材料 制制 造造 傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè) 納米科技對關(guān)鍵問題的影響納米科技對關(guān)鍵問題的影響 Medical nanoscale robots Medical nanoscale robots is currently in the pilot pha

9、se, big to a few millimeters long, small to a few microns in diameter; But certainly, the next few years, nanoscale robots will lead to a revolution in medicine. Many engineers, scientists and doctors think, medical nanoscale robots have unlimited potential-and one of the most likely include: treatm

10、ent of atherosclerosis, anti-cancer, remove blood clot, clean the wound, help blood coagulation, dispel parasites, treat gout, crushing kidney stones, artificial insemination and the cell activation energy, make the person not only keep healthy, and prolong life. 醫(yī)用納米機(jī)器人目前還處在試驗(yàn)階段，大到長幾毫米，小到直徑醫(yī)用納米機(jī)器人目

11、前還處在試驗(yàn)階段，大到長幾毫米，小到直徑 幾微米；但可以肯定的是，未來幾年內(nèi)，納米機(jī)器人將會帶來一場醫(yī)幾微米；但可以肯定的是，未來幾年內(nèi)，納米機(jī)器人將會帶來一場醫(yī) 學(xué)革命。學(xué)革命。 許多工程師、科學(xué)家和醫(yī)生都認(rèn)為，醫(yī)用納米機(jī)器人有著無限的許多工程師、科學(xué)家和醫(yī)生都認(rèn)為，醫(yī)用納米機(jī)器人有著無限的 潛力潛力而其中最有可能的包括：治療動脈粥樣硬化、抗癌、去除血而其中最有可能的包括：治療動脈粥樣硬化、抗癌、去除血 塊、清潔傷口、幫助凝血、祛除寄生蟲、治療痛風(fēng)、粉碎腎結(jié)石、人塊、清潔傷口、幫助凝血、祛除寄生蟲、治療痛風(fēng)、粉碎腎結(jié)石、人 工授精以及激活細(xì)胞能量，使人不僅保持健康，而且延長壽命。工授精以及激

12、活細(xì)胞能量，使人不僅保持健康，而且延長壽命。 Figure described in the is a nanoscale robots is going into the red blood cells 圖中描述的是一個(gè)納米機(jī)器人正在進(jìn)入紅細(xì)胞 2010年年5月，美國哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家成功研制出一種由月，美國哥倫比亞大學(xué)的科學(xué)家成功研制出一種由 脫氧核糖核酸脫氧核糖核酸(DNA)分子構(gòu)成的納米蜘蛛機(jī)器人，它們能夠跟隨分子構(gòu)成的納米蜘蛛機(jī)器人，它們能夠跟隨 DNA的運(yùn)行軌跡自由地行走、移動、轉(zhuǎn)向以及停止，并且它們能的運(yùn)行軌跡自由地行走、移動、轉(zhuǎn)向以及停止，并且它們能 夠自由地在二維物體的表面

13、行走。這種納米蜘蛛機(jī)器人只有夠自由地在二維物體的表面行走。這種納米蜘蛛機(jī)器人只有4納米納米 長長(一納米為一米的十億分之一一納米為一米的十億分之一)，比人類頭發(fā)直徑的十萬分之一，比人類頭發(fā)直徑的十萬分之一 還小。還小。 雖然之前的納米機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了行走功能，但不會超過雖然之前的納米機(jī)器人也實(shí)現(xiàn)了行走功能，但不會超過3步。步。 而納米蜘蛛機(jī)器人卻能行進(jìn)而納米蜘蛛機(jī)器人卻能行進(jìn)100納米距離，相當(dāng)于納米距離，相當(dāng)于50步?？茖W(xué)家通步?？茖W(xué)家通 過編程，讓其能夠沿著特定的軌道運(yùn)動；這一進(jìn)展的強(qiáng)大之處在過編程，讓其能夠沿著特定的軌道運(yùn)動；這一進(jìn)展的強(qiáng)大之處在 于：一旦被編程，納米蜘蛛機(jī)器人就能夠自動完

14、成任務(wù)，而不需于：一旦被編程，納米蜘蛛機(jī)器人就能夠自動完成任務(wù)，而不需 要人為介入。他們認(rèn)為：納米蜘蛛機(jī)器人可以用于醫(yī)療事業(yè)，以要人為介入。他們認(rèn)為：納米蜘蛛機(jī)器人可以用于醫(yī)療事業(yè)，以 幫助人類識別并殺死癌細(xì)胞以達(dá)到治療癌癥的目的，還可以幫助幫助人類識別并殺死癌細(xì)胞以達(dá)到治療癌癥的目的，還可以幫助 人們完成外科手術(shù)，清理動脈血管垃圾等。人們完成外科手術(shù)，清理動脈血管垃圾等。 Nano spider robot Nano spider robot duplicate another robot, and then be dyed green, and toward the red target

15、mobile 納米蜘蛛機(jī)器人復(fù)制出了另一個(gè)機(jī)器人，繼而被染成綠色，并朝紅色目標(biāo)移動 納米材料指基本單位的尺寸為納米材料指基本單位的尺寸為1-100nm1-100nm之間的材料，之間的材料， 納米材料可分為納米材料可分為四種四種： （1 1）零維的納米原子團(tuán)簇）零維的納米原子團(tuán)簇 （2 2）一維纖維納米結(jié)構(gòu)，長度顯著大于寬度）一維纖維納米結(jié)構(gòu)，長度顯著大于寬度 （3 3）二維層狀納米結(jié)構(gòu)，長度和寬度尺寸比厚）二維層狀納米結(jié)構(gòu)，長度和寬度尺寸比厚 度大的多度大的多 （4 4）三維的納米固體）三維的納米固體 納米金屬材料納米金屬材料 盧柯盧柯，男，男，漢族漢族，生于，生于1965年年5月，月， 九三

16、學(xué)社社員。原籍九三學(xué)社社員。原籍河南河南汲縣，生于汲縣，生于甘甘 肅肅華池。研究生學(xué)歷，工學(xué)博士學(xué)位，華池。研究生學(xué)歷，工學(xué)博士學(xué)位， 著名材料科學(xué)著名材料科學(xué)專家專家，中國科學(xué)院院士，中國科學(xué)院院士， 中國科學(xué)院金屬研究所原所長、中國科學(xué)院金屬研究所原所長、研究員研究員， 上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長。上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院院長。 主要從事金屬納米材料及亞穩(wěn)材料等研主要從事金屬納米材料及亞穩(wěn)材料等研 究。究。 個(gè)人經(jīng)歷： 1981.081985.09，在南京理工大學(xué)金屬材料及熱處理專業(yè)學(xué)習(xí)； 1985.091988.08，中國科學(xué)院金屬研究所材料學(xué)專業(yè)碩士研究生，師從已故中科

17、院院士王景唐先生； 1988.081990.01，中國科學(xué)院金屬研究所材料學(xué)專業(yè)博士研究生； 1990.011993.01，中國科學(xué)院金屬研究所助理研究員、副研究員； 1991.91993.3，公派德國馬普金屬研究所高級訪問學(xué)者（期間1993年1月，晉升 中國科學(xué)院金屬研究所研究員）； 1995年1月開始聘任中國科學(xué)院金屬研究所博士生導(dǎo)師； 1997.72001.2，快速凝固非平衡合金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任； 2001.22001.7，沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室主任； 2001.72005.2，中國科學(xué)院金屬研究所所長； 2003年11月增選為 中國科學(xué)院院士（年僅38歲）； 納米納米“鼻祖鼻

18、祖”高度評價(jià)：高度評價(jià)： 2000年，盧柯在極具影響力的科學(xué)雜志上發(fā)表了第一 篇論文。這篇論文受到了世界同行的高度好評。 納米材料“鼻祖”葛萊特教授認(rèn)為，盧柯課題組的這項(xiàng)工 作發(fā)現(xiàn)了納米金屬銅在室溫下具有超塑延展性而沒有加工 硬化效應(yīng)，延伸率高達(dá)5100%是“本領(lǐng)域的一次突破，它 第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的”。 2004年4月16日，科學(xué)雜志發(fā)表了盧柯課題組的最新 成果。科學(xué)雜志的評審人認(rèn)為，這是一個(gè)十分重要的突破 ，是其他任何強(qiáng)化技術(shù)無法達(dá)到的。它“再次用極為漂亮的實(shí) 驗(yàn)結(jié)果演示，通過在納米尺度上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以從本質(zhì)上優(yōu)化 材料的性能和功用”。自然雜志的評價(jià)是一個(gè)疑問句“

19、在一個(gè)被認(rèn)為不可能的事情里怎么還會做出東西來？”15 1.金屬納米材料。納米材料的制備與加工， 微觀結(jié)構(gòu)的表 征， 力學(xué)性能， 物理性能， 熱穩(wěn)定性， 以及相變。 2. 非晶態(tài)合金。非晶態(tài)合金的晶化， 玻璃轉(zhuǎn)變， 壓力對 熱穩(wěn)定性的影響。 3. 非平衡加工。快速凝固與快速加熱， 嚴(yán)重塑性變形， 壓穩(wěn)相變（熱力學(xué)與動力學(xué)研究）。 4. 低維材料的熔化與過熱。納米顆粒， 納米粒子結(jié)構(gòu)， 多層薄膜， 計(jì)算機(jī)模擬。 王中林，1982年本科畢業(yè)于西北電訊工程 學(xué)院（現(xiàn)西安電子科技大學(xué)），物理學(xué)博士， 美國物理學(xué)會會員，佐治亞理工學(xué)院最年輕 的終身校董事教授，2006年晉升為佐治亞理 工學(xué)院工學(xué)院杰出講席

20、教授。 現(xiàn)任佐治亞理工學(xué)院終身教授，西安電子科技大學(xué)榮譽(yù)教 授，華中科技大學(xué)-武漢光電國家實(shí)驗(yàn)室海外主任，北京大 學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料與納米技術(shù)系首屆系主任，中國科學(xué)院外 籍院士1，中科院研究生院博士生導(dǎo)師。王中林主要從事 材料科學(xué)和納米科學(xué)研究。他在納米材料可控生長、表征和 應(yīng)用等多方面取得了多項(xiàng)有國際重要影響力的原創(chuàng)性研究成 果。西安電子科技大學(xué)名譽(yù)教授。 1.納米能源技術(shù)納米能源技術(shù) 王中林研究小組2006年發(fā)明了納米發(fā)電機(jī)，2007年成功研發(fā)出 由超聲波驅(qū)動的可獨(dú)立工作的直流納米發(fā)電機(jī)，2008年研發(fā)出可 以利用衣料來實(shí)現(xiàn)發(fā)電的“發(fā)電衣”的原型發(fā)電機(jī)。納米發(fā)電機(jī) 研究已成為國際納米科技在微

21、型能源研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。 2.氧化鋅納米的合成、表征、機(jī)理和應(yīng)用氧化鋅納米的合成、表征、機(jī)理和應(yīng)用 長期進(jìn)行氧化鋅納米結(jié)構(gòu)的研究，使得氧化鋅成為除碳納米管 和硅納米線外納米技術(shù)中又一重要材料體系。 3.納米傳感器和新型器件的原理和應(yīng)用納米傳感器和新型器件的原理和應(yīng)用 王中林基于納米級壓電和半導(dǎo)體性能的巧妙耦合提出了納米壓 電電子學(xué) (nanopiezotronics)的概念，即利用壓電效應(yīng)所產(chǎn)生的電 場來調(diào)制和控制載流子運(yùn)動的原理來制造新型的器件，首次制造 出壓電場效應(yīng)三級管，壓電二極管。王中林發(fā)表了600篇期刊學(xué)術(shù) 論文，45篇書章節(jié)，28項(xiàng)美國和中國專利，4 本專著和20本編輯 書籍及會議文

22、集，其中有15篇發(fā)表在Science，Nature及 其子刊物上，論文被引用達(dá)31,000 次以上。 國際納米技術(shù)領(lǐng)軍人物、哈佛大學(xué)教授Charles Lieber說“該工作極其令人振 奮，它提出了解決納米技術(shù)中一個(gè)關(guān)鍵問題的方案，那就是如何為許多研究組發(fā) 明的納米器件提供電力的問題。王教授利用他先創(chuàng)的氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化 為電能，在這個(gè)問題上他顯示了巨大的創(chuàng)造性。” Y. Qin, X. Wang, Z. L. Wang， Microfibrenanowire hybrid structure for energy scavenging, Nature 451, 809-813 (14

23、February 2008 ) 二、納米金屬材料的性能及制備二、納米金屬材料的性能及制備納米金屬材料 1 1、納米金屬材料的性能、納米金屬材料的性能 （1 1）宏觀量子隧道效應(yīng)）宏觀量子隧道效應(yīng) （2 2）小尺寸效應(yīng)）小尺寸效應(yīng) （3 3）表面效應(yīng)）表面效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng) 近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀物理量，如微 顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通磁通 量等顯示出隧道效應(yīng)量等顯示出隧道效應(yīng)，稱之為宏觀的量子，稱之為宏觀的量子 隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)。 量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是 未來

24、微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它 確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極確立了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極 限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要限，當(dāng)微電子器件進(jìn)一步微型化時(shí)必須要 考慮上述的量子效應(yīng)?？紤]上述的量子效應(yīng)。 例如，在制造例如，在制造半導(dǎo)體半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電集成電路時(shí)，當(dāng)電 路的尺寸接近路的尺寸接近電子電子波長時(shí)，電子就通過隧波長時(shí)，電子就通過隧 道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作， 經(jīng)典電路的極限尺寸大概在經(jīng)典電路的極限尺寸大概在025微米。微米。 目前研制的量子共振隧穿晶體管就是利用目前研制的量子

25、共振隧穿晶體管就是利用 量子效應(yīng)制成的新一代器件。量子效應(yīng)制成的新一代器件。 當(dāng)微觀粒子的當(dāng)微觀粒子的總能量總能量小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒 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)。質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。 特殊的光學(xué)性質(zhì)特殊的光學(xué)性質(zhì) 當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去 了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所

26、有的金屬在了原有的富貴光澤而呈黑色。事實(shí)上，所有的金屬在 超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑， 銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由 此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻?于于l，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特，大約幾微米的厚度就能完全消光。利用這個(gè)特 性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高 效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔?。此外又有可能?yīng)效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、?/p>

27、能。此外又有可能應(yīng) 用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。 特殊的熱學(xué)性質(zhì)特殊的熱學(xué)性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微 化后卻發(fā)現(xiàn)其化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于，當(dāng)顆粒小于10納米量級時(shí)尤為納米量級時(shí)尤為 顯著。顯著。 例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064，當(dāng)顆粒尺寸減小到，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米納米 尺寸時(shí)，則降低尺寸時(shí)，則降低27，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327左右；銀左右；銀 的常規(guī)熔點(diǎn)為的常規(guī)熔點(diǎn)為670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于

28、，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100。 因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí) 元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用 超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì) 量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引量。超微顆粒熔點(diǎn)下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引 力。例如，在鎢顆粒中附加力。例如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒重量比的超微鎳顆粒 后，可使燒結(jié)溫度從后，可使燒結(jié)溫度

29、從3000降低到降低到12001300，以致可在，以致可在 較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。 特殊的磁學(xué)性質(zhì)特殊的磁學(xué)性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以 及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在及生活在水中的趨磁細(xì)菌等生物體中存在 超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo)超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導(dǎo) 航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性 超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個(gè)生物磁羅盤，生活 在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的在水中的趨磁細(xì)菌依靠它游向營養(yǎng)

30、豐富的 水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨 磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為磁細(xì)菌體內(nèi)通常含有直徑約為 210-2微微 米的磁性氧化物顆粒。米的磁性氧化物顆粒。 小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同，小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著的不同， 大塊的純鐵矯頑力約為大塊的純鐵矯頑力約為 80安米，而當(dāng)顆粒尺寸安米，而當(dāng)顆粒尺寸 減小到減小到 210-2微米以下時(shí)，其矯頑力可增加微米以下時(shí)，其矯頑力可增加1千千 倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于倍，若進(jìn)一步減小其尺寸，大約小于 610-3微米微米 時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性。時(shí)，其矯頑力反而降低到零

31、，呈現(xiàn)出超順磁性。 利用磁性超微顆粒具有利用磁性超微顆粒具有高矯頑力高矯頑力的特性，已作成的特性，已作成 高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁 盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用盤、磁卡以及磁性鑰匙等。利用超順磁性超順磁性，人們，人們 已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。已將磁性超微顆粒制成用途廣泛的磁性液體。 特殊的力學(xué)性質(zhì)特殊的力學(xué)性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超 微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。 因?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排

32、列是相因?yàn)榧{米材料具有大的界面，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，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)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材 料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米料具有新奇的力學(xué)性質(zhì)。美國學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米 材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明， 人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪兹说难例X之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪?酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳酸鈣等納米材料構(gòu)成的。呈納米晶粒的金屬要比傳 統(tǒng)的

33、粗晶粒金屬硬統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合倍。至于金屬一陶瓷等復(fù)合 納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)， 其應(yīng)用前景十分寬廣。其應(yīng)用前景十分寬廣。 超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介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。電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 球形顆粒的表面積與直徑的平方成正比，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（表面積體積）與直

34、徑成反比。隨著顆粒直 徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原徑變小，比表面積將會顯著增大，說明表面原 子所占的百分?jǐn)?shù)將會顯著地增加。對直徑大于子所占的百分?jǐn)?shù)將會顯著地增加。對直徑大于 0.1微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小微米的顆粒表面效應(yīng)可忽略不計(jì)，當(dāng)尺寸小 于于 0.1微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚微米時(shí)，其表面原子百分?jǐn)?shù)激劇增長，甚 至至1克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)克超微顆粒表面積的總和可高達(dá)100米米2，這，這 時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。時(shí)的表面效應(yīng)將不容忽略。 超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分 不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金超微

35、顆不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆 粒進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒粒進(jìn)行電視攝像，實(shí)時(shí)觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒 有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會自動形成有固定的形態(tài)，隨著時(shí)間的變化會自動形成 各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面各種形狀（如立方八面體，十面體，二十面 體多晶等），它既不同于一般固體，又不同體多晶等），它既不同于一般固體，又不同 于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電于液體，是一種準(zhǔn)固體。在電子顯微鏡的電 子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了子束照射下，表面原子仿佛進(jìn)入了“沸騰沸騰” 狀態(tài)，尺寸大于狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒納米后才看不到這種顆粒 結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，

36、這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時(shí)微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié) 構(gòu)狀態(tài)。構(gòu)狀態(tài)。 超微顆粒的表面具有很高的活性，在超微顆粒的表面具有很高的活性，在 空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要空氣中金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如要 防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控防止自燃，可采用表面包覆或有意識地控 制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄制氧化速率，使其緩慢氧化生成一層極薄 而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。而致密的氧化層，確保表面穩(wěn)定化。 利用表面活性，金屬超微顆?？赏衫帽砻婊钚?，金屬超微顆?？赏?為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低為新一代的高效催化劑和貯氣材料以及低 熔點(diǎn)材料。熔點(diǎn)材料。 金屬

37、金屬為導(dǎo)體，在低溫時(shí)納米金屬微粒由于為導(dǎo)體，在低溫時(shí)納米金屬微粒由于量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)會會 呈現(xiàn)電絕緣性；呈現(xiàn)電絕緣性； 一般一般PbTiO3，BaTiO3和和SrTiO3等是典型鐵電體，但當(dāng)其等是典型鐵電體，但當(dāng)其 尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級就會變成順電體；鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米尺寸進(jìn)入納米數(shù)量級就會變成順電體；鐵磁性的物質(zhì)進(jìn)入納米 尺度（尺度（5nm）時(shí)，由多疇變成單疇，于是顯示極強(qiáng)順磁效應(yīng)；）時(shí)，由多疇變成單疇，于是顯示極強(qiáng)順磁效應(yīng)； 當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時(shí)，已不當(dāng)粒徑為十幾納米的氮化硅微粒組成了納米陶瓷時(shí)，已不 具有典型共價(jià)鍵特征，界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性，在交流電下具

38、有典型共價(jià)鍵特征，界面鍵結(jié)構(gòu)出現(xiàn)部分極性，在交流電下 電阻很小；電阻很小； 化學(xué)惰性極高的金屬鉑制成納米粒子（鉑黑）后，卻成為化學(xué)惰性極高的金屬鉑制成納米粒子（鉑黑）后，卻成為 活性極好的催化劑；活性極好的催化劑； 金屬由于光反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種美麗的顏色，而金屬的納金屬由于光反射現(xiàn)象呈現(xiàn)出各種美麗的顏色，而金屬的納 米粒子光反射能力顯著降低，通?？傻陀诿琢Ｗ庸夥瓷淠芰︼@著降低，通?？傻陀?%，由于小尺寸和，由于小尺寸和 表面效應(yīng)表面效應(yīng)使納米粒子對光吸收表現(xiàn)極強(qiáng)能力；使納米粒子對光吸收表現(xiàn)極強(qiáng)能力； 由納米粒子組成的納米固體在較寬譜范圍顯示出對由納米粒子組成的納米固體在較寬譜范圍顯示出對 光的

39、均勻吸收性，納米復(fù)合多層膜在光的均勻吸收性，納米復(fù)合多層膜在717GHz頻率的吸頻率的吸 收峰高達(dá)收峰高達(dá)14dB，在，在10dB水平的吸收頻寬為水平的吸收頻寬為2GHz； 顆粒為顆粒為6nm的納米的納米Fe晶體的斷裂強(qiáng)度較之多晶晶體的斷裂強(qiáng)度較之多晶Fe提提 高高12倍；納米倍；納米Cu晶體自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的晶體自擴(kuò)散是傳統(tǒng)晶體的1016至至1019 倍，是晶界擴(kuò)散的倍，是晶界擴(kuò)散的103倍；倍； 納米金屬納米金屬Cu的的比熱比熱是傳統(tǒng)純是傳統(tǒng)純Cu的兩倍；納米固體的兩倍；納米固體 Pd熱膨脹提高一倍；熱膨脹提高一倍； 納米納米Ag晶體作為稀釋致冷機(jī)的熱交換器效率較傳統(tǒng)晶體作為稀釋致冷機(jī)的熱

40、交換器效率較傳統(tǒng) 材料高材料高30%； 納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的納米磁性金屬的磁化率是普通金屬的20倍，而飽和倍，而飽和 磁矩磁矩是普通金屬的是普通金屬的1/2。 二、納米金屬材料的性能及制備二、納米金屬材料的性能及制備納米金屬材料 2 2、納米材料的制備、納米材料的制備 表表7.1 7.1 一些常用的納米材料的制備方法一些常用的納米材料的制備方法 二、納米金屬材料的性能及制備二、納米金屬材料的性能及制備納米金屬材料 （1 1）氣相冷凝法）氣相冷凝法 最早采用的方法最早采用的方法 用真空蒸發(fā)、加熱、用真空蒸發(fā)、加熱、 高頻感應(yīng)等方法使原高頻感應(yīng)等方法使原 料氣化或形成等粒子料氣化或形成

41、等粒子 體，然后驟冷。體，然后驟冷。 其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶 組織好、粒度可控，組織好、粒度可控， 但技術(shù)設(shè)備要求高。但技術(shù)設(shè)備要求高。 二、納米金屬材料的性能及制備二、納米金屬材料的性能及制備納米金屬材料 （2 2）非晶晶化法）非晶晶化法 （3 3）高能球磨法）高能球磨法 非晶晶化法制備納米材料的前提是將原料用急冷技非晶晶化法制備納米材料的前提是將原料用急冷技 術(shù)制成非晶薄帶或薄膜，然后控制退火條件，如退術(shù)制成非晶薄帶或薄膜，然后控制退火條件，如退 火時(shí)間和退火溫度，使非晶全部或部分晶化，生成火時(shí)間和退火溫度，使非晶全部或部分晶化，生成 晶粒尺寸保持在納米級。晶粒尺寸保持在納米

42、級。 其特點(diǎn)是界面無孔隙，不存在孔洞、氣隙等缺陷，其特點(diǎn)是界面無孔隙，不存在孔洞、氣隙等缺陷， 樣品的界面結(jié)構(gòu)致密而潔凈。而且工藝簡單，易于樣品的界面結(jié)構(gòu)致密而潔凈。而且工藝簡單，易于 控制，便于大量生產(chǎn)?？刂疲阌诖罅可a(chǎn)。 利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動或振動，使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)烈利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動或振動，使硬球?qū)υ线M(jìn)行強(qiáng)烈 的撞擊、研磨和攪拌，把金屬和合金粉末粉碎為納的撞擊、研磨和攪拌，把金屬和合金粉末粉碎為納 米級微粒的方法。米級微粒的方法。 二、納米金屬材料的性能及制備二、納米金屬材料的性能及制備納米金屬材料 （4 4）溶膠凝膠法）溶膠凝膠法 采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合 金或復(fù)合材料的納米粒子。金或復(fù)合材料的納米粒子。 其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒 分布不均勻。分布不均勻。 其特點(diǎn)反應(yīng)物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，其特點(diǎn)反應(yīng)