定義:
材料的基本結(jié)構(gòu)單元至少有一維處于納米尺度范圍(一般在11100nm),并由此具有某些新特性的材料(1微米=1000納米)。
納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料(nanometermaterial),是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米~100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度,它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且,其尺度已接近光的波長(zhǎng),加上其具有大表面的特殊效應(yīng),因此其所表現(xiàn)的特性,例如:熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等,往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。
材料分類:
納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最為成熟,是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。
。1)納米粉末
又稱為超微粉或超細(xì)粉,一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒,是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。可用于:高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料;微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進(jìn)的電池電極材料;太陽(yáng)能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用于陶瓷發(fā)動(dòng)機(jī)等);人體修復(fù)材料;抗癌制劑等。
。2)納米纖維
指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料?捎糜冢何(dǎo)線、微光纖(未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件)材料;新型激光或發(fā)光二極管材料等。靜電紡絲法是制備無(wú)機(jī)物納米纖維的一種簡(jiǎn)單易行的方法。
(3)納米膜
納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起,中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜?捎糜冢簹怏w催化(如汽車尾氣處理)材料;過(guò)濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導(dǎo)材料等。
。4)納米塊體
納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為:超高強(qiáng)度材料;智能金屬材料等。
發(fā)展歷程:
1861年,隨著膠體化學(xué)的建立,科學(xué)家們開(kāi)始了對(duì)直徑為1~100nm的粒子體系的研究工作。
真正有意識(shí)的研究納米粒子可追溯到20世紀(jì)30年代的日本的為了軍事需要而開(kāi)展的“沉煙試驗(yàn)”,但受到當(dāng)時(shí)試驗(yàn)水平和條件限制,雖用真空蒸發(fā)法制成了世界第一批超微鉛粉,但光吸收性能很不穩(wěn)定。
到了20世紀(jì)60年代人們開(kāi)始對(duì)分立的納米粒子進(jìn)行研究。1963年,Uyeda用氣體蒸發(fā)冷凝法制的了金屬納米微粒,并對(duì)其進(jìn)行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)(Saarland University)的Gleiter以及美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegal相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形,燒結(jié)得到了納米微晶體塊,從而使得納米材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。
1990年7月在美國(guó)召開(kāi)了第一屆國(guó)際納米科技技術(shù)會(huì)議(International Conference on Nanoscience&Technology),正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。
自20世紀(jì)70年代納米顆粒材料問(wèn)世以來(lái),從研究?jī)?nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個(gè)階段:
第一階段(1990年以前):主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體,研究評(píng)估表征的方法,探索納米材料不同于普通材料的特殊性能;研究對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料,國(guó)際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。
第二階段(1990~1994年):人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學(xué)特性,設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料,復(fù)合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。
第三階段(1994年至今):納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。國(guó)際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。