纳米材料及应用综述

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1、纳米材料及应用综述蔡春波摘要：纳米材料是当今材料学科发展领域最重要的前沿研究课题，本文详细介绍纳米材 料的范围、定义、四个基本效应以及介绍了纳米材料与传统材料的区别及在涂料、催化和精 细化工及陶瓷、电子学等方面的应用，最后对纳米材料技术的发展进行了展望方面的具体应 用情况。关键词：纳米材料发展应用Abstract: Nano materials is the most important development of materials research, the frontiers of nanometer materials is introduced in detail in this

2、paper, the definition and scope of four basic effects and introduces the nanometer material and the difference between traditional materials and coatings, catalysis and fine chemical industry and ceramics, electronics, etc, the application of nanometer materials technology development prospects of s

3、pecific application.Key word: Nano materials development application1. 引言纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级（10-9米）的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于 通常的微粒，一般为100 102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或 几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序 也没有短程序的无序结构。1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯 物质的纳米细粉。Gleite;在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形

4、，烧结得 到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国 际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元 层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大 比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构原子排列互不相同， 界面周围的晶格结构互不相关，从而构.在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒 中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能 级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电

5、性、超导性、光学 乃至热力学性能的改变。纳米相材料和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原 子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料 中的基本颗粒直径不到l00nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900 个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一 条300多米长的帆船跟整 个地球的比例。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为 是21世纪最具有前途的科研领域。2. 纳米材料的构成：纳米是一个尺度的度量，1nm=10-9m，纳米来命名材料是在20世纪80年代。纳米材料是 指在

6、三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（小于100nm）或由它们作为基本单元构成的 材料。它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处原子簇和宏观物体交界的过渡区域；是近 年来发展起来的新型结构的材料。它与晶体和非晶态材料不同。晶态的基本特征是长程有序， 非晶态的基本特征是长程无序，短程有序。纳米态的基本特征是中程有序原子与类“气态状” 原子并存。纳米材料由2种结构组元构成:晶体组元和界面组元。晶体组元由所有晶粒中的原 子组成，这些原子都严格位于晶格位置上；界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这 些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。超微晶粒内部的有序原子与超微晶粒的界面无序原 子各占薄膜总原子数的

7、50%。界面结构由相邻晶粒的相对取向和边界的倾角决定。如果晶粒 取向是随机的，则纳米材料所有晶粒间界面将具有不同的结构，此结构由不同的原子间距表 征。所有晶界的原子间距不同，从统计意义来说，不具有择优的原子间距，这些界面的平均 结果将导致各种可能的原子间距取值，从这个意义上说，可以认为界面的结构既不具有晶体 的长程序，也不具有非晶态的短程序；但从另一意义上说，界面原子是由晶粒表面原子组成， 所以这些原子又具有某种特殊的序。因此，界面原子处于一种特殊的状态，是一种物质新态 一纳米态。研究纳米材料是德国物理学家H.Gleiter1运用逆向思维的一个结果。长期以来 人们视具有完整空间点阵结构的实体是

8、晶体材料的主体，而把空间点阵中的空位、替位原子、 间隙原子、相界、位错和晶界看作晶体材料中的缺陷。而他设想：把“缺陷”作为主体，研 制出一种晶界占有相当大体积比的材料，那么世界将会怎样？经过四年的不懈工作，他终于 在1984年研制成功黑色金属粉末。实验表明，任何金属颗粒，当其尺寸在纳米量级时都呈黑 色，尽管各种块状金属各具色彩。3. 纳米材料特性：一般在宏观领域中，某种物质固体的理化特性与该固体的尺度大小无关。当物质颗粒小 于100 nm时，物质本身的许多固有特性均发生质的变化。这种现象称为“纳米效应”。纳米 材料具有三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。3.1表面效应纳米材料的表

9、面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧 增大后所引起的性质上的变化。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径 降到1 nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳 米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结 合而稳定下来，故具有很高的化学活性。3.2小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺 寸变小，比表面积增加，从而产生一系列新奇的性质：1）特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的 金属在超微颗粒状态都呈现为

10、黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常 可低于l %，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近纳米尺度时，出 现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米A12O3等对大气中紫外光很强的吸收性。2）热学性质的改变：固态物质超细微化后其熔点显著降低。当颗粒小于10 ni*级时尤 为显著。例如，金的常规熔点为1064CC，当颗粒尺寸减小到2 nm尺寸时的熔点仅为327C左 右；银的常规熔点为670 C，而超微银颗粒的熔点可低于100C。3）特殊的磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力 约为80A/m，而当颗粒尺寸减小到20 nm以下时，其

11、矫顽力可增加1千倍，当颗粒尺寸约小于 6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性， 已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已 将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。4）特殊的力学性质：纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度比常态提高 5倍；纳米金属比常态金属硬35倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因为纳米材料具有大 的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳 的韧性与一定的延展性。氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。3.3宏观量子隧道效应对超微颗粒而言，大块材

12、料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺 寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏 观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变 成绝缘体，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的 宏观表现。一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧 道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，称之为宏观量子隧道效应。这一效应与 量子尺寸效应，确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时 必须要考虑上述的量子效应。4. 纳米材料的制备方法介

13、绍：4.1物理合成法1）喷雾法喷雾法是将溶液通过各种物理手段雾化，再经物理、化学途径而转变为超细 微粒子。2）喷雾干燥法将金属盐溶液送入雾化器,由喷嘴高速喷入干燥室获得金属盐的微粒， 收集后焙烧成超微粒子，如铁氧体的超微粒子可采用此种方法制备。3）喷雾热解法金属盐溶液经压缩空气由贲嘴喷出而雾化，喷雾后生成的液滴大小随着 喷嘴而改变,液滴受热分解生成超微粒子。例如，将Mg（NO3）2-Al（NO3）3的水溶液与甲醇混合喷 雾热解（T=800 C）合成镁铝尖晶石，产物粒径为几十纳米。等离子喷雾热解工艺是将相应溶 液喷成雾状送入等离子体尾焰中，热解生成超细粉末。等离子体喷雾热解法制得的二氧化锆 超细

14、粉末分为两级:平均尺寸为2050 nm的颗粒及平均尺寸为1 mm的球状颗粒。4）冷冻-干燥法冷冻干燥法将金属盐的溶液雾化成微小液滴，快速冻结为粉体。加入冷 却剂使其中的水升华气化，再焙烧合成超微粒。在冻结过程中，为了防止溶解于溶液中的盐发 生分离，最好尽可能把溶液变为细小液滴。常见的冷冻剂有乙烷、液氮。5）反应性球磨法反应性球磨法克服了气相冷凝法制粉效率低、产量小而成本高的局 限。一定粒度的反应粉末（或反应气体）以一定的配比置于球磨机中高能粉磨,同时保持研磨 体与粉末的重量比和研磨体球径比并通入氩气保护。例如固体所采用球磨法制备出纳米合金 WSi2、MoSi等。应性机械球磨法应用于金属氮化物合

15、金的制备。室温下将金属粉在氮气流中 球磨，制得Fe-N、TiN和AlTa纳米粒子。6）气流粉碎技术气流粉碎技术是采用高速的超音速气流加速固体物料并使其互相撞 击或与靶撞击事物料粉碎的技术,采用气流粉碎的加工效率较高特别是对超硬的材料经过 优化设计的气流粉碎设备，可以使物料在粉碎时不接触其它物质如粉碎舱的壁等，因而对粉 料的污染可以减到最小。4.2 化学合成法1）等离子体制备纳米粉末技术等离子体作为物质存在的一种基本形态,由于在地球上 很难自然存在，通常条件下，人们使电流通过气体，这样就可以使气体这个良好的绝缘体携带 充分的电荷，从而形成“电击穿”，产生等离子体。带电的气体可以是氧化性气体、还原

16、性气 体和中性气体等。热等离子体作为高温气体具有高电导率、热导率高粘度和高温度梯度， 材料处于等离子体中，将迅速分解成自由原子、离子和电子，这种处于高激发态的物质通过“淬冷，导致具有独特性质的超细粉体和晶体的核化与生长。天然气加空气的燃烧产物与空 气电弧加热器在不同的工作温度条件下加热效率的比较电弧加热器的加热效率可几倍于用 天然气的加热效率,这样就可以弥补电能与一次能源的差价。2）化学气相沉淀法一种或数种反应气体通过热、激光、等离子体等而发生化学反应析 出超微粉的方法,叫做化学气相沉积法。由于气相中的粒子成核及生长的空间增大，制得的产 物粒子细，形貌均一，交具有良好的单分散度，而制备常常在封

17、闭容器中进行，保证了粒子具 有更高的纯度CVD技术更多的应用于陶瓷超微粉的制备，如AlN,SiN,SiC,其中源材料为气体 或易于气化，沸点低的金属化合物。3）共沉淀法在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂，使金属离子完全沉淀的方法称为 共沉淀法。共沉淀法可制备BaTiO3、PbTiO3等PZT系电子陶瓷及ZrO2等粉体。以CrO2为晶种的 草酸沉淀法，制备了La、Ca、Co、Cr掺杂氧化物及掺杂BaT-iO3等。以Ni（NO3）2 - 6H2O溶液为 原料、乙二胺为络合剂,NaOH为沉淀剂，制得Ni（OH） 2超微粉，经热处理后得到NiO超微粉。4）均匀沉淀法 在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的

18、物质，使溶液中的沉淀均匀出现, 称为均匀沉淀法。本法克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀 性。5）溶剂热合成法用有机溶剂代替水作介质,采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。 非水溶剂代替水，不仅扩大了水热技术的应用范围，而且能够实现通常条件下无法实现的反 应,包括制备具有亚稳态结构的材料。6）溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。前驱物用金属醇 盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材料 热处理后制得所需纳米粒子。7）水热法制备纳米粉末技术水热法是一种在密闭容器内完成的湿化学方法，与溶胶凝 胶法、共沉淀法等其它湿

19、化学方法的主要区别在于温度和压力。水热法研究的温度范围在水 的沸点和临界点（3740之间，但通常使用的是130250C之间，相应的水蒸汽压是0.34MPa。 与溶胶凝胶法和共沉淀法相比，其最大优点是一般不需高温烧结即可直接得到结晶粉末，从 而省去了研磨及由此带来的杂质。所得粉末的粒度范围通常为0.川m至几p m,有些可以几十 纳米，且一般具有结晶好、团聚少、纯度高、粒度分布窄以及多数情况下形貌可控等特点。8）微乳化技术一般情况下，将2种互不相溶液体在表面活性剂作用下形成的热力学稳 定的、各向同性、外观透明或半透明、粒径l100nm的分散体系称为微乳液。相应地把制备 微乳液的技术称之为微乳化技术

20、（MET）。微乳体系中,用来制备纳米粒子的一般是W/O型体系， 该体系一般由有机溶剂、水溶液。活性剂、助表面活性剂4个组分组成。常用的有机溶剂多 为C6C8直链烃或环烷烃;表面活性剂一般有AOT2一乙基己基磺基琥珀酸钠。AOS、SDS（十 二烷基硫酸钠）、SDBS（十六烷基磺酸钠）阴离子表面活性剂、CTAB（十六烷基三甲基漠化铵） 阳离子表面活性剂、TritonX（聚氧乙烯醚类）非离子表面活性剂等;助表面活性剂一般为中等 碳链C5C8的脂肪酸。W/O型微乳液中的水核中可以看作微型反应器（Microreactor）或称为纳 米反应器,反应器的水核半径与体系中水和表面活性剂的浓度及种类有直接关系。

21、一种反应 物在增溶的水核内,另一种以水溶液形式（例如水合肼和硼氢化钠水溶液）与前者混合。水相 内反应物穿过微乳液界面膜进入水核内与另一反应物作用产生晶核并生长产物粒子的最终 粒径是由水核尺寸决定的。例如,铁,镍,锌纳米粒子的制备就是采用此种体系。5. 纳米材料的应用：5.1在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效 率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成 生产原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中 心多，为其作催化剂提供了必要条件。纳米粒用作催化剂，可大大提高反应效

22、率，有效控制 反应速度。纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面。 分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导 体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子一空穴对。在电场作用下， 电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反 应。光催化反应涉及到许多反应类型，如醇与烃的氧化、无机离子氧化还原、有机物催化脱 氢和加氢、氨基酸合成、固氮反应、水净化处理、水煤气变换等，其中有些是多相催化难以 实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物，例如纳米级的Ti02，既有较 高的光

23、催化活性，又能耐酸碱，对光稳定、无毒且便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳 选择。纳米Ti02粉末可采用气相水解法、气相氧化法、胶溶法、低温热分解法等方法进行制 备。利用纳米TIO:的光催化活性，纳米Ti02粉末可与其他物质混合而制成环保催化剂，发挥 光催化降解性能。纳米Ti02粉末粒径小，电子一空穴在体内复合的几率小，光倒七活剂很高。 已有文章报道，选用硅胶为载体，制得了催化活性较高的Ti02/ Si02负载型光催化剂。Ni或 CuZn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂 或镍催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600降至室温。用纳米微粒作催

24、化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未来催化科学的重要研究 课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。5.2在涂料方面的应用表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供了良好的机遇，使得 材料的功能化具有极大的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料可获得纳米复合体系 涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层， 结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性;功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而 获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热、阻燃涂层，耐腐蚀、 装饰涂层等;功能涂层有消光、光反射、光

25、选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性 的电学涂层，氧敏、湿敏、气敏的敏感特性涂层等。在涂料中加人纳米材料，可进一步提高 其防护能力，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到 杀菌保洁作用。日本松下公司已研制出具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有 Fe2O3、Ti02和ZnO等。这些具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物 高的导电特性，因而能起到静电屏蔽作用，而且氧化物纳米微粒的颜色不同，这样还可以通 过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。纳米材料 的颜色不仅随粒径而变，还具有随角变色效应。在汽车的装

26、饰喷涂业中，将纳米Ti02添加在 汽车、轿车的金属闪光面漆中，能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果，从而使传统汽车面漆 旧貌换新颜。纳米涂层具有良好的应用前景，将为涂层技术带来一场新的技术革命，也将推 动复合材料的研究开发与应用。5.3在精细化工方面的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛，并且影响到人类生活的各 个方面。纳米材料的功能性无疑也会给精细化工带来革命，并显示它的独特魅力。在橡胶、 塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中加人纳米Si02,可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力。纳米A1203和Si02 加人到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介

27、电特性，而且弹性也明显优于用白炭黑作填 料的橡胶。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料的强度和韧性，而且致密性和防水性 也相应提高。国外已将纳米Si02作为添加剂加人到密封胶和粘合剂中，使其密封性和粘合性 都大为提高。此外，纳米材料在纤维改性、有机玻璃制造方面也都有很好的应用。在有机玻 璃中加人经过表面修饰处理的Si02，可使有机玻璃抗紫外线辐射而达到抗老化的目的;而加 人A1203，不仅不影响玻璃的透明度，而且还会提高玻璃的高温冲击韧性。纳宋iO 2具有优良 的紫外线屏蔽性能，而且质地细腻，无毒无臭，添加在化妆品中，可使化妆品的性能得到提 高。超细TiO2:还可应用到涂料、塑料、人造纤维等

28、行业。最近又开发了用于食品包装的iO2 及高档汽车面漆用的珠光纳米钦白(TiO2)，能够强烈吸收太阳光中的紫外线，产生很强的光 化学活性，可以用光催化降解工业废水中的有机污染物，具有除净度高、无二次污染、适用 性广泛等优点，在环保水处理中有着很好的应用前景。在环境科学领域，除了利用纳米材料 作为催化剂来处理工业生产过程中排放的废料外，还将出现功能独特的纳米膜。这种膜能探 测到由化学和生物制剂造成的污染，并能对这些制剂进行过滤，从而消除污染。1）在陶瓷领域的应用纳米添加使常规陶瓷的综合性能得到改善，纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能， 抗弯强度、断裂韧性均有显著提高。把纳米氧化铝与二氧化锆进行

29、混合已获得高韧性的陶瓷 材料，烧结温度可降低100C。我国已成功地制备了纳米陶瓷粉体材料，其中氧化锆、碳化 硅、氧化铝、氧化铁等制备工艺稳定，生产量大，已为规模生产提供了良好的条件。2）在催化方面的应用纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，在环保、水质处理、有机物降解、 失效农药降解等方面有重要的应用。常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2、Fe2O3, CdS，ZnS， PbS，PbSe，等。主要用处：将在这类材料做成空心小球，浮在含有有机物的废水表面上， 利太阳光可进行有机物的降解。美国、日本利用这种方法对海上石油泄漏造成的污染进行处 理。采用这种方法还可以将粉体添加到人造纤维中制成

30、杀菌纤维。锐钛矿白色纳米TiO2粒子 表面用Cu+，Ag+离子修饰，杀菌效果更好。这种材料在电冰箱、空调、医疗器械、医院手术 室装修等方面有着广泛的应用情景。3）在光学方面的应用。 红外反射材料：纳米微粒用于红外反射材料上主要制成薄膜和多层膜来使用。纳米微 粒的膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯、碘弧灯都要求强照明，但电能的69% 转化为红外线，仅有一少部分电能转化为光能来照明。用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成多层 干涉膜，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，结果不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力； 优异的光吸收材料：纳米Al2O3粉体对250 nm以下的紫外光有很强的吸收能力，可用

31、 于提高日光灯管使用寿命。一般地，185 nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响，而且灯管的 紫外线泄漏对人体有害，这是一直困扰日光灯管工业的主要问题。如果把几个纳米的Al2O3 粉掺合到稀土荧光粉中，利用纳米紫外吸收的蓝移现象有可能吸收掉这种有害的紫外光,而 且不降低荧光粉的发光效率。纳米微粒与树脂结合可用于紫外吸收。大气中的紫外线主要是在300-400 nm波段，防 晒油、化妆品中加入纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2.纳米可吸收大气中的紫外线。塑料 制品在紫外线照射下很容易老化变脆，如果在塑料表面涂上含有纳米微粒的透明涂层，这种 涂层对300-400 nm范围有较强的紫外吸收性能，这样就

32、可以防止塑料老化。汽车、舰船的 面漆中，加入能强烈吸收紫外线的纳米微粒就可起到保护底漆，防止油漆脱落的作用。4）在静电屏蔽方面的应用纳米静电屏蔽材料，是纳米技术的另一重要应用。具有半导体特性的纳米氧化物粒子在 室温下具有比常规的氧化物高的导电特性，因而能起到良好的静电屏蔽作用。日本已研制成 功具有良好静电屏蔽的纳米涂料，所应用的纳米微粒有Fe2O3, TiO2，Cr2O3, ZnO等。同时纳 米微粒的颜色不同，TiO，SiO纳米粒子为白色，CrO为绿色FeO为褐色，这样还可以控222 32 3制静电屏蔽涂料的颜色。克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。化纤衣服和化纤 地毯由于静电效应，容

33、易吸附灰尘，危害人体健康。在其中加入少量金属纳米微粒，就会使 静电效应大大降低，同时还有除味杀菌的作用。5）在医药方面的应用控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗，是健康医学的要求。将超 微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为检测和诊断疾病的手断。科研人员已经 成功利用纳米SiO微粒进行了细胞分离；用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。6. 纳米材料的应用前景由于纳米微粒具有特殊的物理效应，使得它们在磁、光、电和对周围环境（温、气氛、光、 湿度等）敏感等方面呈现出常规材料不具备的特性。因此，纳米材料在催化、传感、电子材料、 光学材料、磁性材料、高致密度材料的烧结、

34、陶瓷增韧以及仿生材料等方面有广阔的应用前 景14-17。目前纳米材料的应用主要侧重于如下方面:微电子和光电子领域，生物和医学领 域，催化剂领域，磁学领域，陶瓷领域等。现将纳米材料在微电子、光电子领域以及陶瓷领域 中的应用,作简要说明。6.1微电子和光电子领域纳米电子学立足于最新的物理学理论和最先进的工艺手段按照全新的理念来构造电子 系统,并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳 米电子学将成为本世纪信息时代的核心。随着纳米技术的发展微电子和光电子的结合更加 紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳 米技术用于现有雷达

35、信息处理上，可使其能力提高几十倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率 纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。有报导，可以运转的“分子马达”已被制 备出来，这将在“分子”水平上的纳米器件及信息处理上有潜在的应用价值19。纳米团簇 在量子激光器、单电子晶体管等许多领域都有重要应用20。另外，量子元件还可以使元件 的体积大大缩小，使电路大为简化，因此，量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。6.2陶瓷领域随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生。精细陶瓷是以人工合成的高纯度纳米粉 末为原料,经过粉体处理、成形、烧结、加工及设计等高技术工艺制成的含微细结构及卓越 性能的无机非金属材料。它具有坚硬、耐磨

36、、耐高温、耐腐蚀的性能有些陶瓷材料还具有 能量转换、信息传递功能等。此外纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗 特别是光吸收效应都将成为材料开拓应用的一个崭新领域并对高技术及新材料的发展产生 重要作用21。例如，现已证实，纳米陶瓷CaF2和TiO2在常温下具有很好的韧性和延展性能。 德国Saddr-land大学的研究发现,CaF2和TiO2纳米陶瓷材料在80180C内可产生约100%的塑 性形变，而且烧结温度降低，能在比大晶粒样品低600 C的温度下达到类似于普通陶瓷的硬度 22。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题则纳米 陶瓷将具备高硬度、高韧性、低

37、温超塑性和易加工等优点。7. 结论与前景由于纳米技术对国家未来经济、社会发展及国防安全具有重要意义，世界各国（地区） 纷纷将纳米技术的研发作为21世纪技术创新的主要驱动器，相继制定了发展战略和计划，以 指导和推进本国纳米科技的发展。目前，世界上已有50多个国家制定了国家级的纳米技术计 划。一些国家虽然没有专项的纳米技术计划，但其他计划中也往往包含了纳米技术相关的研 发。我国政府在2001年7月就发布了国家纳米科技发展纲要，并在国家中长期科技发展 纲要中明确中国纳米科技发展的路线图。目前我国在纳米材料及其应用、扫描隧道显微镜分 析和单原子操纵等方面研究较多，主要以金属和无机非金属纳米材料为主，约

38、占80%，高分 子和化学合成材料也是一个重要方面，而在纳米电子学、纳米器件和纳米生物医学研究方面 与发达国家有明显差距。参考文献1 Brringer R,Gleiter H, H. P. Klein, P. Marquit:Phys.Lett., 102A, 365 (1984).2 M. S. Mo, J. H. Zheng, X. M. Liu, W. C. Yu, S.Y. Zhang, Y. T. Qian:Adv. Mater.,2002,14:1658.3 H. Gleiter:Prog. Mater. Sci., 33, 223 (1990).4 G. Pacheco- Mala

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