納米材料專題
幾種典型的納米材料簡介
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納米材料按照材料的形態(tài)，可將其分四種：納米顆粒型材料；納米固體材料；納米膜材料；納米磁性液體材料。
納米顆粒型材料
應(yīng)用時直接使用納米顆粒的形態(tài)稱為納米顆粒型材料。被稱為第四代催化劑的超微顆粒催化劑，利用甚高的比表面積與活性可以顯著地提高催化效率，例如，以粒徑小于0．3微米的鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒為主要成分制成的催化劑可使有機(jī)物氯化的效率達(dá)到傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍；超細(xì)的鐵微粒作為催化劑可以在低溫將二氧化碳分解為碳和水，超細(xì)鐵粉可在苯氣相熱分解中起成核作用，從而生成碳纖維。
錄音帶、錄像帶和磁盤等都是采用磁性顆粒作為磁記錄介質(zhì)。隨著社會的信息化，要求信息儲存量大、信息處理速度高，推動著磁記錄密度日益提高，促使磁記錄用的磁性顆粒尺寸趨于超微化。目前用金屬磁粉（20納米左右的超微磁性顆粒）制成的金屬磁帶、磁盤，國外已經(jīng)商品化，其記錄密度可達(dá)4'106～4'107位/厘米（107～108位/英寸），即每厘米可記錄4百萬至4千萬的信息單元，與普通磁帶相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等優(yōu)點。
超細(xì)的銀粉、鎳粉輕燒結(jié)體作為化學(xué)電池、燃料電池和光化學(xué)電池中的電極，可以增大與液體或氣體之間的接觸面積，增加電池效率，有利于電池的小型化。超微顆粒的輕燒結(jié)體可以生成微孔過濾器。例如，超微鎳顆粒所制成的微孔過濾器平均孔徑可達(dá)10納米，從而可用于氣體同位素、混合稀有氣體、有機(jī)化合物的分離和濃縮，也可用于發(fā)酵、醫(yī)藥和生物技術(shù)中。
磁性超細(xì)微粒作為藥劑的載體，在外磁場的引導(dǎo)下集中于病患部位，利于提高藥效，這方面的研究國內(nèi)外均在積極地進(jìn)行。采用超微金顆粒制成金溶膠，接上抗原或抗體就能進(jìn)行免疫學(xué)的間接凝集試驗，可用于快速診斷。如將金溶膠妊娠試劑加入孕婦尿中，未妊娠呈無色，妊娠則呈顯著紅色，僅用0．5克金即可制備1萬毫升的金溶膠，可測1萬人次，其判斷結(jié)果清晰可靠。有一種超微顆粒乳劑載體，極易和游散于人體內(nèi)的癌細(xì)胞溶合，若用它來包裹抗癌藥物，可望制成克癌導(dǎo)彈。
在化學(xué)纖維制造工序中摻入銅、鎳等超微金屬顆粒，可以合成導(dǎo)電性的纖維，從而制成防電磁輻射的纖維制品或電熱纖維，亦可與橡膠、塑料合成導(dǎo)電復(fù)合體。
1991年春的海灣戰(zhàn)爭，美國執(zhí)行空襲任務(wù)的F－117A型隱身戰(zhàn)斗機(jī)，其機(jī)身外表所包覆的紅外與微波隱身材料中亦包含有多種超微顆粒，它們對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力。在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加l％重量比的超微鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加l倍。此外，超細(xì)、高純陶瓷超微顆粒是精密陶瓷必需的原料。因此超微顆粒在國防、國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。
納米固體材料
納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。
納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構(gòu)成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴(kuò)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。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優(yōu)點，但又具有脆性和難以加工等缺點，納米陶瓷在一定的程度上卻可增加韌性，改善脆性。
如將納米陶瓷退火使晶粒長大到微米量級，又將恢復(fù)通常陶瓷的特性，因此可以利用納米陶瓷的范性對陶瓷進(jìn)行擠壓與軋制加工，隨后進(jìn)行熱處理，使其轉(zhuǎn)變?yōu)橥ǔＬ沾?，或進(jìn)行表面熱處理，使材料內(nèi)部保持韌性，但表面卻顯示出高硬度、高耐磨性與抗腐蝕性。電子陶瓷發(fā)展的趨勢是超薄型（厚度僅為見微米），為了保證均質(zhì)性，組成的粒子直徑應(yīng)為厚度的1％左右，因此需用超微顆粒為原材料。隨著集成電路、微型組件與大功率半導(dǎo)體器件的迅速發(fā)展，對高熱導(dǎo)率的陶瓷基片的需求量日益增長，高熱導(dǎo)率的陶瓷材料有金剛石、碳化硅、氮化鋁等，用超微氮化鋁所制成的致密燒結(jié)體的導(dǎo)熱系數(shù)為100～220瓦／（K·米），較通常產(chǎn)品高2 5～5．5倍。用超微顆粒制成的精細(xì)陶瓷有可能用于陶瓷絕熱渦輪復(fù)合發(fā)動機(jī)，陶瓷渦輪機(jī)，耐高溫、耐腐蝕軸承及滾球等。
復(fù)合納米固體材料亦是一個重要的應(yīng)用領(lǐng)域。例如含有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(jìn)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，使其間的成分緩慢連續(xù)地發(fā)生變化，這種材料可用于溫差達(dá)1000°C的航天飛機(jī)隔熱材料、核聚變反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)材料。漸變功能材料是近年來發(fā)展起來的新型材料，預(yù)期在醫(yī)學(xué)生物上可制成具有生物活性的人造牙齒、人遺骨。人造器官，可制成復(fù)合的電磁功能材料、光學(xué)材料等。
納米膜材料
顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜，通常選用兩種在高溫互不相溶的組元制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜，當(dāng)兩組份的比例大致相當(dāng)時。就生成迷陣狀的復(fù)合膜，因此改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。對金屬與非金屬復(fù)合膜，改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。
顆粒膜材料有諸多應(yīng)用。例如作為光的傳感器，金顆粒膜從可見光到紅外光的范圍內(nèi)，光的吸收效率與波長的依賴性甚小，從而可作為紅外線傳感元件。鉻一三氧化二鉻顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，可以有效地將太陽光轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?；硅、磷、硼顆粒膜可以有效地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽谎趸a顆粒膜可制成氣體一濕度多功能傳感器，通過改變工作溫度，可以用同一種膜有選擇地檢測多種氣體。顆粒膜傳感器的優(yōu)點是高靈敏度、高響應(yīng)速度、高精度、低能耗和小型化，通常用作傳感器的股重量僅為0．5微克，因此單位成本很低。超微顆粒雖有眾多優(yōu)點，但在工業(yè)上尚未形成較大的規(guī)模，其主要原因是價格較高，兩顆粒膜的應(yīng)用則不受價格因素的影響，這是超微顆粒實用化的很重要方向。
納米磁性液體材料
磁性液體是由超細(xì)微粒包覆一層長鍵的有機(jī)表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的具有磁性的液體。它可以在外磁場作用下整體地運動，因此具有其他液體所沒有的磁控特性。常用的磁性液體采用鐵氧體微顆粒制成，它的飽和磁化強度大致上低于0．4特。目前研制成功的由金屬磁性微粒制成的磁性液體，其飽和磁化強度可比前者高4倍。國外磁性液體已商品化，美、日、英等國均有磁性液體公司，供應(yīng)各種用途的磁性液體及其器件。磁性液體的用途十分廣泛。
（1）旋轉(zhuǎn)軸動態(tài)密封旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動部分的動態(tài)密封一直是工程界較為困難的課題。磁性液體用于旋轉(zhuǎn)軸的動態(tài)密封是較為理想的一種方式。用環(huán)狀的靜磁場將磁性液體約束于被密封的轉(zhuǎn)動部分，形成液體的O環(huán)，可以進(jìn)行真空、加壓、封水、封油等情況下的動態(tài)密封，目前已廣泛用于機(jī)械、電子、儀器、宇航、化工、船舶等領(lǐng)域，如計算機(jī)硬盤轉(zhuǎn)軸處的防塵密封，單晶爐轉(zhuǎn)軸處的真空密封及X光機(jī)轉(zhuǎn)靶部分的密封等。
（2）提高揚聲器輸出功率為了增進(jìn)揚聲器中青圈的散熱，可在音圈部分填充磁性液體，由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高5～6倍，從而使德在相同結(jié)構(gòu)的情況下，使揚聲器的輸出功率增加1倍。
（3）各種阻尼器件如在步進(jìn)電機(jī)中滴加磁性液體，就可阻尼步進(jìn)電機(jī)的余振，使步進(jìn)電機(jī)平滑地轉(zhuǎn)動。用磁性液體所構(gòu)成的減震器可以消除極低頻率的振動。
（4）分離不同比重的非磁性金屬與礦物物體在磁性液體中的浮力是隨著磁性液體的磁化狀態(tài)而改變的，因此可采用一梯度磁場，控制磁場的強弱就可以分離不同比重的非磁性金屬與礦物。磁性液體的可能應(yīng)用面十分廣，如射流印刷用的磁性墨水、超聲波發(fā)生器、X射線造影劑（代替鋇劑）、磁控閥門、磁性液體研磨、磁性液體的光學(xué)與微波器件、磁性顯示器、火箭和飛行器用的加速計、磁性液體發(fā)電機(jī)、定位潤滑劑等
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