納米材料的基本概念和性質(zhì)匯總課件

第一章納米材料的基本概念與性質(zhì)第一章納米材料的基本概念與性質(zhì)1基本內(nèi)容一、納米材料的基本概念二、納米材料的基本性質(zhì)基本內(nèi)容一、納米材料的基本概念二、納米材料的基本性質(zhì)2一、納米材料的基本概念從狹義上說：納米材料就是關(guān)于原子團簇、納米顆粒、納米碳管、納米線、納米薄膜和納米固體材料的總稱。從廣義上說：：

納米材料應(yīng)該是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成納米尺寸水平的材料。一、納米材料的基本概念從狹義上說：31、原子團簇（atomiccluster）定義：幾個至幾千個原子或離子通過物理或化學(xué)力結(jié)合，組成相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨所含的原子數(shù)目而變化的聚集體，簡稱團簇。原子團簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形成規(guī)整的晶體。絕大多數(shù)原子團簇的結(jié)構(gòu)不清楚，已知有線狀、層狀、管狀、球狀等等。1、原子團簇（atomiccluster）定義：幾個至幾千4團簇的研究是多學(xué)科的交叉化學(xué)物理合成化學(xué)化學(xué)動力學(xué)晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)原子簇化學(xué)原子、分子物理非晶態(tài)表面物理晶體生長其它星際分子礦巖成因燃燒煙粒等團簇的研究是多學(xué)科的交叉化學(xué)物理合成化學(xué)原子、分子物理其5原子團簇的分類金屬團簇，如Nan，Nin等一元原子團簇非金屬團簇碳簇，如C60，C70等非碳簇，如B，P，S簇二元原子團簇：包括InnPm，AgnSm等多元原子團簇：包括Vn(C6H6)m等原子簇化合物：原子團簇與其他分子以配位化學(xué)鍵結(jié)合形成的化合物

按原子種類數(shù)目：原子團簇的分類金屬團簇，如Nan，Nin等一元原子團簇非金6按結(jié)合方式：范德華力：He、Ne、Ar、Ke、Xe離子鍵：LiF、NaCl、CuBr、CsI化學(xué)鍵：C60、金屬原子團簇特點：尺寸：空間尺度為幾個埃到幾百埃的范圍存在形式：不同于單個原子、分子，也不同于固體液體，介于兩者之間產(chǎn)生條件：作為原子聚集體，多產(chǎn)生于非平衡條件按結(jié)合方式：范德華力：He、Ne、Ar、Ke、Xe離子7富勒烯：一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯：一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，82、納米微粒定義：顆粒尺寸為納米量級的超微顆粒，它的尺度大于原子團簇，小于通常的微粉，一般在1-100nm之間。2、納米微粒定義：顆粒尺寸為納米量級的超微顆粒，它的尺度大9特性：

小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)應(yīng)用：

光、電、磁、敏感和催化材料吸波材料防輻射材料高韌性陶瓷材料等特性：小尺寸效應(yīng)應(yīng)用：光、電、磁、敏感和催化材料103、碳納米管、納米棒、納米線碳納米管是納米材料的一支新軍。它由純碳元素組成，是由類似石墨六邊形網(wǎng)格翻卷而成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。3、碳納米管、納米棒、納米線碳納米管是納米材料的一支新軍。11

碳納米管的性質(zhì)：

導(dǎo)電率是銅的1萬倍強度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸熔點是已知材料中最高的

碳納米管的應(yīng)用：

纖維材料隱身材料平面顯示材料微電子器件等碳納米管的性質(zhì)：導(dǎo)電率是銅的1萬倍碳納米管的應(yīng)用：纖124、納米薄膜與納米涂層定義：含有納米粒子和原子團簇的薄膜、納米尺寸厚度的薄膜、納米粒子復(fù)合涂層或多層膜。4、納米薄膜與納米涂層定義：含有納米粒子和原子團簇的薄膜、13

鑲嵌有原子團的功能薄膜會在基質(zhì)中呈現(xiàn)出調(diào)制摻雜效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于大原子-超原子膜材料，具有三維特征。特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)：納米厚度的信息存儲薄膜具有超高密度功能，這類集成器件具有驚人的信息處理能力；納米磁性多層膜具有典型的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磁性材料的飽和化強度的減小或增強。鑲嵌有原子團的功能薄膜會在基質(zhì)中呈現(xiàn)出調(diào)制摻雜效應(yīng)，該結(jié)145、納米固體材料定義：具有納米特征結(jié)構(gòu)的固體材料稱為納米固體材料。例如，由納米顆粒壓制燒結(jié)而成的三維固體，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為顆粒和界面雙組元；原子團簇堆亞成塊體后，保持原結(jié)構(gòu)而不發(fā)生結(jié)合長大反應(yīng)的固體等。5、納米固體材料定義：具有納米特征結(jié)構(gòu)的固體材料稱為納米固15納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴散系數(shù)要比大塊材料高1014～1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。應(yīng)用：含有20％超微鉆顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料。金屬鋁中含進少量的陶瓷超微顆粒，可制成重量輕、強度高、韌性好、耐熱性強的新型結(jié)構(gòu)材料。超微顆粒亦有可能作為漸變（梯度）功能材料的原材料。例如，材料的耐高溫表面為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷與金屬的復(fù)合體，使其間連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達1000℃的航天飛機隔熱材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5nm顆粒166、納米復(fù)合材料定義：納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相（其中，至少在一維為納米級大?。?fù)合而成的復(fù)合材料。這些固相可以是晶質(zhì)、非晶質(zhì)、半晶質(zhì)或兼而有之。也可以是有機物、無機物或二者兼有。6、納米復(fù)合材料定義：納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相17納米復(fù)合材料的特點：

可綜合發(fā)揮各組分間協(xié)同效能

性能的可設(shè)計性可按需加工材料的形狀納米復(fù)合材料的性質(zhì)：同步增韌、增強效應(yīng)。無機填充材料具有剛性，有機材料具有韌性，納米無機材料對有機材料的復(fù)合改性，可在發(fā)揮無機材料增強效果的同時起到增韌的效果。

新型功能高分子材料。納米復(fù)合材料以納米級水平平均分散在復(fù)合材料中，可以直接或間接地達到具體功能的目的，比如高效催化劑、紫外光屏蔽等。

強度大、彈性模量高。加入很少量的納米材料即可使聚合物復(fù)合材料的強度、剛度、韌性得到明顯的提高，且材料粒度越細，復(fù)合材料的強度、彈性模量就越高。

阻隔性能。層狀無機納米材料可以在二維方向上阻隔各種氣體的滲透，所以具有良好的阻燃、氣密作用。

納米復(fù)合材料的特點：可綜合發(fā)揮各組分間協(xié)同效能性能的可18納米復(fù)合材料的應(yīng)用：

超導(dǎo)材料

納米復(fù)合功能陶瓷

納米復(fù)合隱身材料

醫(yī)用納米機器人

納米醫(yī)用載體

納米復(fù)合抗老化塑料

納米復(fù)合抗菌塑料納米復(fù)合材料的應(yīng)用：超導(dǎo)材料納米復(fù)合功能陶瓷納米復(fù)19二、納米材料的基本性質(zhì)1、小尺寸效應(yīng)2、表面效應(yīng)3、量子尺寸效應(yīng)4、量子隧道效應(yīng)小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。二、納米材料的基本性質(zhì)1、小尺寸效應(yīng)2、表面效應(yīng)3、量子尺寸201、小尺寸效應(yīng)

由于納米顆粒的尺寸、體積極小，所包含的原子、電子數(shù)目很少，因此許多現(xiàn)象不能用通常含有無數(shù)個原子的大塊物質(zhì)的性質(zhì)加以說明。隨著納米顆粒尺寸不斷減小的量變，在一定條件下將引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變，這種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)。

對于超微顆粒而言，尺寸變小，比表面積顯著增加，導(dǎo)致材料的力、熱、光、電、磁等特性與普通顆粒相比出現(xiàn)很大變化。1、小尺寸效應(yīng)由于納米顆粒的尺寸、體積極小，所包含的21

特殊的力學(xué)性質(zhì)：當(dāng)納米顆粒構(gòu)成固體時，由于界面急劇增多，界面上的原子排列相對混亂、易于遷移，界面在外力的作用下易變形，使材料表現(xiàn)出甚佳的韌性及延展性。

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，其熔點是固定的，超細微化后其熔點卻顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm時，變化尤為顯著，這主要是由于有大量原子處于能量相對較高的界面中，顆粒熔化時所需增加的內(nèi)能比塊體材料熔化時所需增加的內(nèi)能要小得多，從而使納米固體的熔點較低。如塊狀金的熔點為1064℃，粒度為10nm時熔點也有1037℃，但當(dāng)粒度降為2nm時，其熔點就只有327℃了

；塊狀銀的熔點為670℃，但當(dāng)尺寸降為5～

10nm時，其熔點降至570℃。特殊的力學(xué)性質(zhì)：當(dāng)納米顆粒構(gòu)成固體時，由于界面急劇增多22特殊的熱學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）超細銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用所料；采用超細銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。2）在鎢顆粒中附加0.1%～

0.5%重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200～

1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。特殊的熱學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）超細銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進行低23特殊的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）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。2）人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為由納米磷酸鈣構(gòu)成的牙釉具有高強度和高硬度，其硬度僅次于金剛石。3）德國薩爾大學(xué)格萊德和美國啊貢國家實驗室席格先后研究成功納米陶瓷氟化鈣和二氧化鈦，在室溫顯示良好的韌性，在180度經(jīng)受彎曲并不產(chǎn)生裂紋。特殊的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而24

特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)超微顆粒的尺寸與光波波長（幾百納米）相當(dāng)時，顆粒對光的吸收將極大增強、光反射顯著下降（通?？傻陀?%），幾個納米厚的集合體就能完全消光，產(chǎn)生高效的光熱、光電轉(zhuǎn)換。利用這一特性可以制備高品質(zhì)的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，可以高效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎碗娔堋?/p>

納米顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在聲學(xué)特性、介電性能、超導(dǎo)電性以及化學(xué)性能等方面。特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)超微顆粒的尺寸與光波波長（幾百納米）252、表面效應(yīng)

納米顆粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米顆粒的減小而大幅度地增加，顆粒的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米顆粒物理化學(xué)性質(zhì)的變化，此即為納米顆粒的表面效應(yīng)。納米粒子尺寸（nm）包含總原子數(shù)表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

2、表面效應(yīng)納米顆粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納26表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系圖表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系圖27

表面原子特點：

表面原子所處環(huán)境與內(nèi)部原子不同，它周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，所以納米顆粒粒徑減小的結(jié)果，導(dǎo)致其表面積、表面原子數(shù)、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大，使納米顆粒呈現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。例如，金屬的納米粒子在空氣中會燃燒；無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應(yīng)；金屬納米粒子的氧化速率與表面積成正比。

高表面活性的利用：表面吸附儲氫制備高效催化劑實現(xiàn)低熔點材料表面原子特點：例如，金屬的納米粒子在空氣中會燃燒；無機的283、量子尺寸效應(yīng)納米材料中電子能級分布顯著地不同于大塊晶體材料中的電子能級分布。在大塊晶體中，電子能級準連續(xù)分布，形成一個個晶體能帶。金屬晶體中電子未填滿整個導(dǎo)帶，在熱擾動下，金屬晶體中的電子可以在導(dǎo)帶各能級中較自由的運動，所以金屬晶體表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電及導(dǎo)熱性。在納米材料中由于至少存在一個維度為納米尺寸，在這一維度中，電子相當(dāng)于被限制在一個無限深的勢阱中，電子能級由準連續(xù)分布能級轉(zhuǎn)變?yōu)榉至⒌氖`態(tài)能級。當(dāng)離散的能級間距大于熱能、靜電能、靜磁能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，將導(dǎo)致金屬納米微粒的熱、電、磁、光以及超導(dǎo)性與宏觀物體有顯著的不同，呈現(xiàn)出一系列反常的特性，此即為金屬納米微粒的量子尺寸效應(yīng)。3、量子尺寸效應(yīng)納米材料中電子能級分布顯著地不同于大塊晶體29

相鄰電子能級間距和顆粒直徑的關(guān)系：式中，δ為相鄰的電子能級間距；N為一個超微粒的總導(dǎo)電電子數(shù)；V為超微粒體積；EF為費米能級例如，宏觀狀態(tài)下的金屬Ag是導(dǎo)電率最高的導(dǎo)體，但粒徑小于20nm的Ag微粒在1K的低溫下卻變成了絕緣體，這是由于其能級間距變大，低溫下的熱擾動不足以使電子克服能隙的阻隔而移動，電阻率增大，從而使金屬良導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體。相鄰電子能級間距和顆粒直徑的關(guān)系：式中，δ為相鄰的電子能30

對于任何一種材料，都存在一個臨界顆粒大小的限制，小于該尺寸的顆粒將表現(xiàn)出量子尺寸效應(yīng)。除導(dǎo)體變?yōu)榘雽?dǎo)體、絕緣體以外，納米微粒的比熱、磁矩等性質(zhì)將與其所含電子數(shù)目的奇偶性有關(guān)，如：含有偶數(shù)電子的顆粒具有抗磁性，含有奇數(shù)電子的顆粒具有順磁性（電子自旋磁矩的抵消情況不同）。納米金屬顆粒的電子數(shù)一般不易改變，因為當(dāng)其半徑接近10nm時，增加或減少一個電子所需要作的功（約0.1eV）比室溫下的熱擾動能值（kBT）要大。當(dāng)設(shè)法改變納米微粒所含的電子數(shù)目時就可以改變其物性。對于任何一種材料，都存在一個臨界顆粒大小的限制，小于該尺314、宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。在制造半導(dǎo)體集成電路時，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長時，電子就通過隧道效應(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0.25微米。4、宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒32第一章納米材料的基本概念與性質(zhì)第一章納米材料的基本概念與性質(zhì)33基本內(nèi)容一、納米材料的基本概念二、納米材料的基本性質(zhì)基本內(nèi)容一、納米材料的基本概念二、納米材料的基本性質(zhì)34一、納米材料的基本概念從狹義上說：納米材料就是關(guān)于原子團簇、納米顆粒、納米碳管、納米線、納米薄膜和納米固體材料的總稱。從廣義上說：：

納米材料應(yīng)該是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成納米尺寸水平的材料。一、納米材料的基本概念從狹義上說：351、原子團簇（atomiccluster）定義：幾個至幾千個原子或離子通過物理或化學(xué)力結(jié)合，組成相對穩(wěn)定的微觀或亞微觀聚集體，其物理和化學(xué)性質(zhì)隨所含的原子數(shù)目而變化的聚集體，簡稱團簇。原子團簇的形狀可以是多種多樣的，它們尚未形成規(guī)整的晶體。絕大多數(shù)原子團簇的結(jié)構(gòu)不清楚，已知有線狀、層狀、管狀、球狀等等。1、原子團簇（atomiccluster）定義：幾個至幾千36團簇的研究是多學(xué)科的交叉化學(xué)物理合成化學(xué)化學(xué)動力學(xué)晶體化學(xué)結(jié)構(gòu)化學(xué)原子簇化學(xué)原子、分子物理非晶態(tài)表面物理晶體生長其它星際分子礦巖成因燃燒煙粒等團簇的研究是多學(xué)科的交叉化學(xué)物理合成化學(xué)原子、分子物理其37原子團簇的分類金屬團簇，如Nan，Nin等一元原子團簇非金屬團簇碳簇，如C60，C70等非碳簇，如B，P，S簇二元原子團簇：包括InnPm，AgnSm等多元原子團簇：包括Vn(C6H6)m等原子簇化合物：原子團簇與其他分子以配位化學(xué)鍵結(jié)合形成的化合物

按原子種類數(shù)目：原子團簇的分類金屬團簇，如Nan，Nin等一元原子團簇非金38按結(jié)合方式：范德華力：He、Ne、Ar、Ke、Xe離子鍵：LiF、NaCl、CuBr、CsI化學(xué)鍵：C60、金屬原子團簇特點：尺寸：空間尺度為幾個埃到幾百埃的范圍存在形式：不同于單個原子、分子，也不同于固體液體，介于兩者之間產(chǎn)生條件：作為原子聚集體，多產(chǎn)生于非平衡條件按結(jié)合方式：范德華力：He、Ne、Ar、Ke、Xe離子39富勒烯：一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，橢圓狀或管狀結(jié)構(gòu)存在的物質(zhì)，都可以被叫做富勒烯。富勒烯：一種碳的同素異形體。任何由碳一種元素組成，以球狀，402、納米微粒定義：顆粒尺寸為納米量級的超微顆粒，它的尺度大于原子團簇，小于通常的微粉，一般在1-100nm之間。2、納米微粒定義：顆粒尺寸為納米量級的超微顆粒，它的尺度大41特性：

小尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)宏觀量子隧道效應(yīng)應(yīng)用：

光、電、磁、敏感和催化材料吸波材料防輻射材料高韌性陶瓷材料等特性：小尺寸效應(yīng)應(yīng)用：光、電、磁、敏感和催化材料423、碳納米管、納米棒、納米線碳納米管是納米材料的一支新軍。它由純碳元素組成，是由類似石墨六邊形網(wǎng)格翻卷而成的管狀物，它一般為多層，直徑為幾納米至幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。3、碳納米管、納米棒、納米線碳納米管是納米材料的一支新軍。43

碳納米管的性質(zhì)：

導(dǎo)電率是銅的1萬倍強度是鋼的100倍而重量只有鋼的七分之一像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸熔點是已知材料中最高的

碳納米管的應(yīng)用：

纖維材料隱身材料平面顯示材料微電子器件等碳納米管的性質(zhì)：導(dǎo)電率是銅的1萬倍碳納米管的應(yīng)用：纖444、納米薄膜與納米涂層定義：含有納米粒子和原子團簇的薄膜、納米尺寸厚度的薄膜、納米粒子復(fù)合涂層或多層膜。4、納米薄膜與納米涂層定義：含有納米粒子和原子團簇的薄膜、45

鑲嵌有原子團的功能薄膜會在基質(zhì)中呈現(xiàn)出調(diào)制摻雜效應(yīng)，該結(jié)構(gòu)相當(dāng)于大原子-超原子膜材料，具有三維特征。特殊的物理和化學(xué)性質(zhì)：納米厚度的信息存儲薄膜具有超高密度功能，這類集成器件具有驚人的信息處理能力；納米磁性多層膜具有典型的周期性調(diào)制結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致磁性材料的飽和化強度的減小或增強。鑲嵌有原子團的功能薄膜會在基質(zhì)中呈現(xiàn)出調(diào)制摻雜效應(yīng)，該結(jié)465、納米固體材料定義：具有納米特征結(jié)構(gòu)的固體材料稱為納米固體材料。例如，由納米顆粒壓制燒結(jié)而成的三維固體，結(jié)構(gòu)上表現(xiàn)為顆粒和界面雙組元；原子團簇堆亞成塊體后，保持原結(jié)構(gòu)而不發(fā)生結(jié)合長大反應(yīng)的固體等。5、納米固體材料定義：具有納米特征結(jié)構(gòu)的固體材料稱為納米固47納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5nm顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴散系數(shù)要比大塊材料高1014～1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。應(yīng)用：含有20％超微鉆顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料。金屬鋁中含進少量的陶瓷超微顆粒，可制成重量輕、強度高、韌性好、耐熱性強的新型結(jié)構(gòu)材料。超微顆粒亦有可能作為漸變（梯度）功能材料的原材料。例如，材料的耐高溫表面為陶瓷，與冷卻系統(tǒng)相接觸的一面為導(dǎo)熱性好的金屬，其間為陶瓷與金屬的復(fù)合體，使其間連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達1000℃的航天飛機隔熱材料。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5nm顆粒486、納米復(fù)合材料定義：納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相（其中，至少在一維為納米級大?。?fù)合而成的復(fù)合材料。這些固相可以是晶質(zhì)、非晶質(zhì)、半晶質(zhì)或兼而有之。也可以是有機物、無機物或二者兼有。6、納米復(fù)合材料定義：納米復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的固相49納米復(fù)合材料的特點：

可綜合發(fā)揮各組分間協(xié)同效能

性能的可設(shè)計性可按需加工材料的形狀納米復(fù)合材料的性質(zhì)：同步增韌、增強效應(yīng)。無機填充材料具有剛性，有機材料具有韌性，納米無機材料對有機材料的復(fù)合改性，可在發(fā)揮無機材料增強效果的同時起到增韌的效果。

新型功能高分子材料。納米復(fù)合材料以納米級水平平均分散在復(fù)合材料中，可以直接或間接地達到具體功能的目的，比如高效催化劑、紫外光屏蔽等。

強度大、彈性模量高。加入很少量的納米材料即可使聚合物復(fù)合材料的強度、剛度、韌性得到明顯的提高，且材料粒度越細，復(fù)合材料的強度、彈性模量就越高。

阻隔性能。層狀無機納米材料可以在二維方向上阻隔各種氣體的滲透，所以具有良好的阻燃、氣密作用。

納米復(fù)合材料的特點：可綜合發(fā)揮各組分間協(xié)同效能性能的可50納米復(fù)合材料的應(yīng)用：

超導(dǎo)材料

納米復(fù)合功能陶瓷

納米復(fù)合隱身材料

醫(yī)用納米機器人

納米醫(yī)用載體

納米復(fù)合抗老化塑料

納米復(fù)合抗菌塑料納米復(fù)合材料的應(yīng)用：超導(dǎo)材料納米復(fù)合功能陶瓷納米復(fù)51二、納米材料的基本性質(zhì)1、小尺寸效應(yīng)2、表面效應(yīng)3、量子尺寸效應(yīng)4、量子隧道效應(yīng)小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及量子隧道效應(yīng)都是納米微粒與納米固體的基本特性。二、納米材料的基本性質(zhì)1、小尺寸效應(yīng)2、表面效應(yīng)3、量子尺寸521、小尺寸效應(yīng)

由于納米顆粒的尺寸、體積極小，所包含的原子、電子數(shù)目很少，因此許多現(xiàn)象不能用通常含有無數(shù)個原子的大塊物質(zhì)的性質(zhì)加以說明。隨著納米顆粒尺寸不斷減小的量變，在一定條件下將引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變，這種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)。

對于超微顆粒而言，尺寸變小，比表面積顯著增加，導(dǎo)致材料的力、熱、光、電、磁等特性與普通顆粒相比出現(xiàn)很大變化。1、小尺寸效應(yīng)由于納米顆粒的尺寸、體積極小，所包含的53

特殊的力學(xué)性質(zhì)：當(dāng)納米顆粒構(gòu)成固體時，由于界面急劇增多，界面上的原子排列相對混亂、易于遷移，界面在外力的作用下易變形，使材料表現(xiàn)出甚佳的韌性及延展性。

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，其熔點是固定的，超細微化后其熔點卻顯著降低，當(dāng)顆粒小于10nm時，變化尤為顯著，這主要是由于有大量原子處于能量相對較高的界面中，顆粒熔化時所需增加的內(nèi)能比塊體材料熔化時所需增加的內(nèi)能要小得多，從而使納米固體的熔點較低。如塊狀金的熔點為1064℃，粒度為10nm時熔點也有1037℃，但當(dāng)粒度降為2nm時，其熔點就只有327℃了

；塊狀銀的熔點為670℃，但當(dāng)尺寸降為5～

10nm時，其熔點降至570℃。特殊的力學(xué)性質(zhì)：當(dāng)納米顆粒構(gòu)成固體時，由于界面急劇增多54特殊的熱學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）超細銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進行低溫?zé)Y(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用所料；采用超細銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。2）在鎢顆粒中附加0.1%～

0.5%重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000℃降低到1200～

1300℃，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導(dǎo)體管的基片。特殊的熱學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）超細銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進行低55特殊的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）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。2）人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為由納米磷酸鈣構(gòu)成的牙釉具有高強度和高硬度，其硬度僅次于金剛石。3）德國薩爾大學(xué)格萊德和美國啊貢國家實驗室席格先后研究成功納米陶瓷氟化鈣和二氧化鈦，在室溫顯示良好的韌性，在180度經(jīng)受彎曲并不產(chǎn)生裂紋。特殊的力學(xué)性質(zhì)應(yīng)用實例：1）陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而56

特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)超微顆粒的尺寸與光波波長（幾百納米）相當(dāng)時，顆粒對光的吸收將極大增強、光反射顯著下降（通常可低于1%），幾個納米厚的集合體就能完全消光，產(chǎn)生高效的光熱、光電轉(zhuǎn)換。利用這一特性可以制備高品質(zhì)的光熱、光電轉(zhuǎn)換材料，可以高效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎碗娔堋?/p>

納米顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在聲學(xué)特性、介電性能、超導(dǎo)電性以及化學(xué)性能等方面。特殊的光學(xué)性質(zhì)：當(dāng)超微顆粒的尺寸與光波波長（幾百納米）572、表面效應(yīng)

納米顆粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米顆粒的減小而大幅度地增加，顆粒的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米顆粒物理化學(xué)性質(zhì)的變化，此即為納米顆粒的表面效應(yīng)。納米粒子尺寸（nm）包含總原子數(shù)表面原子所占比例（%）103×1042044×1034022.5×1028013099納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系

2、表面效應(yīng)納米顆粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納58表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系圖表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系圖59

表面原子特點：

表面原子所處環(huán)境與內(nèi)部原子不同，它周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，所以納米顆粒粒徑減小的結(jié)果，導(dǎo)致其表面積、表面原子數(shù)、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大，使納米顆粒呈現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。例如，金屬的納米粒子在空氣中會燃燒；無機的納米粒子暴露在空氣中