纳米材料的发展及其展望.pdf

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1、纳米材料的发展及其展望周少红(南京地质学校,南京210008)甘树才陈博(长春科技大学应用理学院,长春130026)摘要介绍了纳米材料的研究现状及特点。对纳米组装材料、纳米结构材料、纳米添加材料、纳米涂层材料和纳米颗粒的表面修饰和包覆等纳米材料的研究进行了评述,并对21世纪纳米材料的发展新动向提出展望。关键词纳米微粒纳米结构材料团簇1纳米材料的发展概况人类对物质的认识分为两个层次:一是宏观,另一个就是微观。人们对宏观物质的研究已经很深入,研究历史也较悠久。微观物质的研究到了20世纪80年代出现了团簇科学,成为凝聚态物理研究的热点。团簇是1 nm以下的原子聚合体,它是由几个到几百个原子构成的。1

2、985年Kroto发现C60和C70是由20个六边形和12个五边形构成的封闭球形。这种结构不同于金刚石和石墨的结构,进一步研究得出碳原子团簇的幻数为20、24、28、32、36、50、60和70时,具有稳定结构。团簇的研究正处在原子物理、凝聚态物理、量子化学、表面科学和材料科学等多学科的交叉领域,因此而构成现在的团簇物理学。第一作者简介周少红女25岁讲师工业分析专业已发表“离子交换分离荧光法测定地质样品中微量铌等”论文收稿日期19990104在团簇物理研究中,人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系,那就是纳米体系。这个体系通常研究的范畴为1100 nm,纳米微粒就是这个体系

3、中的典型代表。由于纳米微粒的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使得纳米微粒具有不同于常规固体的新特性,因而成为材料科学、物理学及化学等学科的前沿焦点。1990年7月在美国巴尔基摩召开了第一届国际纳米科学技术会议(N anoScience and Technology简称N ST),正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世。纳米材料科学的诞生标志着材料科学已进入了一个新时代,人们对客观世界的认识又前进了一大步。1994年10月在德国斯图加特大学召开第二届国际纳米材料学术会议,大会收到论文287篇,对高强度、高韧度和高硬度纳米材料、纳米磁性材料和纳米功能材料的现状及发展趋势和对纳米材料界

4、面结构描述的理论及见解进行了全面总结。1996年7月在美国夏威夷召开了第三届国际纳米材料学术会议。从1994年到1996年有关纳米材料科技的学术论文每年以20%的速度增加,仅在国际上权威期刊(按影响因子超过3.0计数)上发表的纳米材料科学的论文每期都有相当的数量。专利到1996年比90年代初增加2倍。纳米材料研究发展速度如此之快,对相关各个领域影响之深,出乎人们意料之外。特别是纳米材料的应用研究已影响到许多产业,逐渐渗透到传统工业和高科技企业。美国自1994年以来,每年召开一次大型的纳米材料商业会议。由政府牵头,由科学家、企业家和商业家参加,共同商讨纳米材料的应用和开发。日本也有纳米材料的商品

5、出售。面对这种形势,我国高科技领域在“八五”和“九五”研究计划第18卷第3期1999年9月世界地质WORLD GEOLOGYVol118No13Sep11999 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.中,也提到重要位置上来,同信息科学和海洋资源开发一起作为下个世纪的重要产业。目前,纵观纳米材料研究的世界形势,美国、日本、德国、俄罗斯、荷兰、加拿大等国的纳米材料研究处于领先地位,中国虽然起步较晚,但也步入世界先进的行列。2纳米材料研究的内容及特点纳米材料分为纳米微粒和纳米固体,纳米微粒指单个纳米尺

6、寸的超微粒子,纳米微粒的集合体称为纳米粉末或超微粉。纳米固体是由纳米微粒聚集而成的新型凝聚体,它包括二维的纳米薄膜和三维的纳米块体。纳米材料研究的内容包括两个方面1,2:(1)系统地研究纳米材料的性能、微观结构和波谱特性。通过和常规材料对比,找出纳米材料特殊的规律,建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论,发展完善纳米材料科学体系。(2)发展新型纳米材料。纳米尺寸的合成为发展新材料提供了新途径,这就大大地丰富了纳米材料制备科学。目前,世界上的材料有100万余种,而天然的材料只占约5%。这就是说人工合成材料在材料科学发展中占有重要地位。纳米尺度的合成为人们设计新型材料尤其是合成复合材料打开了大门。

7、领域纳米微粒的特性,人们可以采用纳米微粒和纳米微粒的复合(0-0复合);纳米微粒与常规块体材料的复合(0-3复合);纳米微粒与纳米薄膜的复合(0-2复合)。这样人们可以把过去难以实现的有序相与无序相、晶体与金属玻璃、铁磁相与反铁磁相、铁电相与顺电相结合在一起,制成有特殊性能的新型材料。纳米材料研究的特点有:(1)纳米材料研究的内涵不断扩大。1994年以前主要研究集中在纳米颗粒以及由它们组成的薄膜与块体。此后纳米材料研究对象又涉及到纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料。这种结构的出现,丰富了纳米材料研究的内涵,为镶嵌、组装纳米材料提供新的机遇。(2)纳米材料的研究范围不断拓宽。1990年以前,纳米结构

8、材料仅仅包括纳米微粒及纳米固体,现在纳米结构材料的含义还包括纳米组装体系。该体系除了包含纳米微粒组元,还有支撑它们的具有纳米尺度空间的基体。(3)基础研究和应用研究出现并行发展的新局面。纳米材料的应用成为人们关注的热点,应用研究已初具规模,在全球范围内,纳米材料及其相应产品在国际市场上所创造的经济效益每年以20%的速度增长。与此同时,纳米材料的基础研究也日趋深入、系统,对纳米功能材料的机制等理论研究得到发展和完善。3纳米材料的研究现状353.1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、纳米镶嵌体系、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

9、善材料的性能,目标是为了制作纳米的器件。如高亮度的固体电子显示屏、纳米晶二极管、真空紫外到近红外的光致发光和电子发光二极管都可以用纳米晶作为主要的材料。目前在实验室已设计出的纳米器件有Si-Si O2的发光二极管,Si掺N i的纳米颗粒发光二极管以及用不同纳米尺度CdSe制作的红蓝绿光可调发光二极管等。介孔与纳米组装体系和纳米颗粒膜也是当前纳米组装体系重要的研究对象,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材料不具备的奇特性质。人们在纳米颗粒与介孔固体组装的研究中,设计了多种介孔复合体系,不断探索其光、电及敏感活性等功能。介孔复合体系

10、101第3期 周少红等:纳米材料的发展及其展望 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.是根据纳米颗粒本身的特性,通过纳米颗粒与基体的界面耦合而产生新的效应,使整个体系既能表现出纳米颗粒的特性,又能表现出三维块体材料的特性。这样可根据实际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分为无机介孔和有机高分子介孔复合体两大类。小颗粒是金属、半导体、氧化物、氮化物及碳化物,支撑体有无序介孔复合体和有序介孔复合体。这方面的研究将成为21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

11、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准体系。研究目标是电的开关效应、光的开关效应以及光学非线性效应和光致发光、电致发光特性。研究此种体系的关键是试样的获得。纳米颗粒膜主要是研究体系中的电磁学特性。美国科学家研究金属颗粒在膜中的体积百分比对纳米颗粒膜体系电导的变化,当金属颗粒的体积百分比达到某一临界值时,电导增加14个数量级。颗粒膜的磁性质主要研究它的巨磁阻(GM R)效应,目前这种颗粒膜的GM R效应主要在Co(N i,Fe)?A g(Cr)等体系上进行研究。虽然这种体系的GM R效应还不如多层膜系统,但是,由于制作工艺简单,仍有诱人的前景。3.2合成高性能纳米结构材料对纳

12、米结构的金属和合金材料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和低位错密度区域使其达到高硬度和高强度。纳米结构的铜或钯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。纳米结构的SiC的断裂韧性比常规材料提高100倍,nZrO2+A l2O3、nSi O2+A l2O3复合材料的断裂韧性比常规材料提高45倍。原因是这类纳米陶瓷材料庞大体积百分数的界面提供了高扩散通道,扩散蠕变大大改善了界面的脆性。3.3纳米添加传统材料的改性纳米添加对传统材料的改性出现了具有应用前景的新苗头。高居里点、低电阻的陶瓷材料,添加少量纳米T

13、 i O2可降低其烧结温度,致密速度快,减少Pb的挥发量,大大改善了陶瓷的性能。尺度为60 nm的ZnO压敏电阻,非线性阀值电压为100V?cm,而4mZnO阀值电压为4 kV?cm,如果添加少量纳米ZnO材料,可将阀值电压调节到100V30 kV之间,根据需要设计具有不同阀值电压的新型纳米ZnO压敏电阻。A l2O3陶瓷基板材料加入3%5%的27nmA l2O3,热稳定性提高了23倍,热导系数提高10%15%。纳米材料添加到塑料中,可增强其抗老化能力,提高使用寿命。添加到橡胶中可提高介电和耐磨特性。纳米材料添加到其他材料中,均能达到改性目的。3.4合成纳米涂层材料纳米涂层材料是近几年纳米材料

14、科学在国际上研究的热点之一,主要聚焦在功能涂层上,包括传统材料表面的涂层,纤维涂层和颗粒涂层,这方面美国进展很快。80 nm的Si O2和40 nmT i O2、20 nm Cr2O3与树脂复合可作为静电屏蔽涂层;80 nm的BaT i O3可作介电绝缘涂层;40 nm的Fe3O4可作磁性涂层;80 nmY2O3可以作红外屏蔽涂层,反射热效率很高,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、用于各种屏蔽的红外吸收涂层和微波隐身涂层。这些研究呈上升趋势,目前除了设计研究涂层性能外,主要研究喷涂的方法。日本和美国在静电涂层和绝缘涂层工艺上有所突破,正在进入工业化生产阶段。2

15、01 世界地质1999年 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.3.5纳米颗粒表面修饰和包覆研究纳米颗粒表面修饰和包覆主要是为了防止纳米合成中颗粒长大和团聚问题而进行的应用研究。美国成功地在ZrO2纳米颗粒表面包覆了A l2O3。在纳米A l2O3表面包覆了ZrO2,Si O2表面进行有机包覆和T i O2表面的有机及无机包覆都已在实验室完成。包覆的小颗粒消除了颗粒表面的带电效应,达到防止团聚的目的。同时,包覆的颗粒又形成一个势垒,使它们在合成烧结过程中无机包覆的小颗粒不易长大。有机包覆可使无机

16、小颗粒能与有机物及有机试剂达到浸润状态,这为无机颗粒掺入高分子材料中奠定了良好基础。美国已把纳米氧化物表面包覆的小颗粒添加到塑料中,提高材料的强度和熔点,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,在封装材料上有应用前景。4展望当前,在纳米材料制备技术研究中的一个重要趋势就是加强控制工程的研究,这包括颗粒尺寸、表面形状和微结构的控制。由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对某一材料的贡献大小是很难区分的。这些效应究竟在起有利作用,还是在起不利作用都难以判断。这不仅给某些现象的解释带来困难,而且也给设计新型纳米结构材料带来不利因素

17、。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制每一种效应对纳米材料结构与性能的作用,是控制工程亟待解决的问题。国际上近年来,纳米控制材料工程研究课题有以下几个方面:一是纳米颗粒的表面改性,通过纳米微粒的表面包覆异性物质和表面修饰可以改变表面带电状态、表面结构和粗糙度;二是通过纳米微粒在多孔基体中的分布状态(连续分布还是孤立分布)来控制量子尺寸效应和渗流效应;三是通过设计纳米丝、纳米管和纳米阵列体系(包括有序阵列和无序阵列)来获得所需特性。我国著名科学家钱学森在1991年曾预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点,会是一次技术革命,从而将是21世纪又一次产业革命”。今天纳米材料

18、科学的飞快进展正在把这个预言化为现实。人们已经能够制备包含几十个原子的纳米微粒,并把它们作为基本结构单元,适当排列形成零维的原子点、一维的量子线、二维的量子膜和三维的纳米固体,创造出组成相同,性能奇异的各种纳米材料。这对生产力的发展将产生深远影响,并有可能从根本上解决人类面临的能源、交通、环保及健康等一系列问题。参考文献1张立德,牟季美.纳米材料学.沈阳:辽宁科技出版社,19942牟季美,张立德.纳米复合材料发展趋势.物理,1996,25(1):313杨剑,滕凤恩.纳米材料综述.材料导报,1997,11(2):64张立德.纳米材料研究的现状和发展趋势.物理,1995,24(8):4705张立德

19、.纳米材料研究的现状和发展趋势.96中国材料研讨会论文集(功能材料?-2).北京:化学工业出版社,1997301第3期 周少红等:纳米材料的发展及其展望 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.Evolution and Prospects for NanoMaterialsZhou Shaohong(N anjing Geolog ical S chool,N anjing210008)Gan Shucai,Chen Bo(Changchun U niversity of S cience an

20、d T echnology,Changchun130026)AbstractThis paper review s the developement and status of nanomaterial,evolutesthe research results of nano structure,nano-added,nano-coating and the surface w ithmodified or packed of nano particle,and forecasts the future of nano material in 21th centu2ry.Key wordsna

21、no particle,nano structure material,cluster(上接95页)(2)适用性强,即能适应一定口径范围的测斜,可配备上面提到的测斜保证器;(3)重复性能好,即具有多点测斜性质,可连续在不同井段测斜;(4)自动化程度好:要求电脑控制、数字显示或结果打印;(5)使用维修方便,成本低。总之,鉴于目前大口径测斜仪短缺的现状,开发大口径测斜仪势在必行。参考文献1肖圣泗编著.钻孔弯曲测量.北京:地质出版社,19892李世忠主编.钻探工艺学(上册).北京:地质出版社,19923国家地质总局编.钻探技术手册(上册).北京:地质出版社,1989Quality Exam inat

22、ion M ethods and Problemof Large D iameter Pile HoleL i Guom in,Sun Youhong,M a Xin(Changchun U niversity of S cience and T echnology,Changchun130026)AbstractThis paper discusses the i mportance of exam ine large diameter pile hole,analyzes current exam ining methods and problem of large diameter pile hole and puts for2w ard methods to solve the problem.Key wordslarge diameter pile hole,quality exam ination,tilt measurement401 世界地质1999年 1995-2004 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.