納米粉體材料

納米粉體顆粒一般指一次顆粒(含有氣孔率低的一種獨立粒子)，可以是晶態(tài)，非晶和準(zhǔn)晶態(tài)，可以是多晶體也可以是單晶體。

對于球形顆粒來說顆粒尺寸即指其直徑。則對規(guī)則顆粒，尺寸的定義常為等當(dāng)直徑，如體積等當(dāng)直徑，攝影面積直徑等。

下面介紹兩種主要的測量方法:

透射電鏡(TEM)法:拍攝多張納米微粒圖片，測量其等當(dāng)半徑，然后畫出不同晶粒尺寸下的晶粒數(shù)分布圖，將分布曲線中峰值的顆粒尺寸作為平均粒徑。

X射線衍射線線寬法:測定的是晶粒尺寸而不是顆粒尺寸，由于晶粒的細(xì)小可以引起衍射線的寬化，其衍射線半強(qiáng)度的寬化度B與晶粒尺寸D關(guān)系可以用下式來表示:

B=0.89λ/D*角度的余弦 其中B=Bm-Bs，B只是晶粒細(xì)化引起的寬化

(1) 氣相法，是指直接利用氣體或者通過各種手段將物質(zhì)變?yōu)闅怏w，使之在氣體狀態(tài)下發(fā)生物理或化學(xué)的反應(yīng)，最后冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法。

具體有惰性氣體冷凝法、濺射法、流動液面上真空蒸鍍法、通電加熱法、爆炸絲法、化學(xué)氣相反應(yīng)法等

(2)液相法，液相法制備納米微粒的共同特點是該法均以均相的溶液為出發(fā)點，通過各種途徑使溶質(zhì)和溶劑分離，溶質(zhì)形成一定的形狀和大小的顆粒，得到所需粉末樣品的前軀體，熱解后得到納米微粒。

主要的制備方法有沉淀法、水解法、噴霧法、溶膠凝膠等等

(3)固相法，固相法是通過從固相到固相的轉(zhuǎn)變來制造粉體，對于氣象和液相，分子具有大的易動度，所以集合狀態(tài)是均勻的，對于外界條件來講，反應(yīng)很敏感。而固相法分子擴(kuò)散很遲緩，集合狀態(tài)時多種多樣的。比較穩(wěn)定。

主要方法有熱分解法、固相反映法、火花放電法、溶出法、球磨法等

納米材料分為納米粉體材料、納米固體材料、納米組裝體系三類。納米粉體材料是納米材料中最基本的一類。納米固體是由分體材料聚集，組合而成。而納米組裝體系則是納米粉體材料的變形。

納米粉體也叫納米顆粒，一般指尺寸在1-100nm之間的超細(xì)粒子，有人稱它是超微粒子。它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。按照它的尺寸計算，假設(shè)每個原子尺寸為1埃，那么它所含原子數(shù)在1000個-10億個之間。它小于一般生物細(xì)胞，和病毒的尺寸相當(dāng)。

細(xì)微顆粒一般不具有量子效應(yīng)，而納米顆粒具有量子效應(yīng);一般原子團(tuán)簇具有量子效應(yīng)和幻數(shù)效應(yīng)，而納米顆粒不具有幻數(shù)效應(yīng)。

納米顆粒的形態(tài)有球形、板狀、棒狀、角狀、海綿狀等，制成納米顆粒的成分可以是金屬，可以是氧化物，還可以是其他各種化合物。

納米粉體材料的性質(zhì)與以下幾個效應(yīng)有很大的關(guān)系:

(1).小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒的量變，當(dāng)納米顆粒的尺寸與光波、傳導(dǎo)電子德布羅意波長以及超導(dǎo)態(tài)的相干長度或透射深度等物理尺寸特征相當(dāng)或更小時，周期邊界性條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱、力等特性均會出現(xiàn)質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化成為小尺寸效應(yīng)。

(2).表面與界面效應(yīng)

納米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。由于納米粒徑的減小，最終會引起表面原子活性增大，從而不但引起納米粒子表面原子輸送和構(gòu)型的變化，同時也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化。以上的這些性質(zhì)被稱為"表面與界面效應(yīng)"。

(3).量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)變成離散能級的現(xiàn)象成為量子尺寸效應(yīng)。

具體從各方面說來有以下特性:

(1)熱學(xué)特性

納米微粒的熔點，燒結(jié)溫度比常規(guī)粉體要低得多。這是由于表面與界面效應(yīng)引起的。

比如:大塊的pb的熔點600k，而20nm球形pb微粒熔點降低288k，納米Ag微粒在低于373k時開始融化，常規(guī)Ag的熔點遠(yuǎn)高于1173k。還有，納米TiO2在773k加熱出現(xiàn)明顯致密化，而大晶粒樣品要出現(xiàn)同樣的致密化需要再升溫873k才能達(dá)到，這和燒結(jié)溫度有很大關(guān)系。

(2)光學(xué)特性

寬頻帶強(qiáng)吸收

當(dāng)尺寸減小到納米顆粒時，幾乎成黑色，對可見光反射率急劇下降。

有些納米顆粒如同氮化硅，SiC及三氧化二鋁對紅外有一個寬頻帶強(qiáng)吸收譜。而ZnO、三氧化二鐵和二氧化鈦納米顆粒對紫外線有一個寬頻帶強(qiáng)吸收譜。

藍(lán)移和紅移

和大塊材料相比，納米微粒普遍吸收帶存在藍(lán)移，即吸收帶移向短波長方向;而在某些條件下粒徑減小至納米級時吸收帶向長波方向轉(zhuǎn)移，即紅移。

(3)化學(xué)性質(zhì)

由于表面效應(yīng)，可以做催化劑，提高反應(yīng)活力。

由于納米粉體材料可以壓制成納米固體。所以納米粉體是納米固體的基礎(chǔ)。

(1)納米涂層

納米涂層是運用表面技術(shù)，將部分或全部含有納米粉的材料涂于基體，由于納米粉體的獨特表面性質(zhì)，從而賦予材料新的各種性質(zhì)。

① 可以做成表面涂料從而改變物質(zhì)表面的光學(xué)性質(zhì)，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸?shù)?。納米顆粒在燈泡工業(yè)上有很好的應(yīng)用。對于高壓鈉燈，碘弧燈有69%的電能轉(zhuǎn)化為紅外線，只有少量的光能是可見光，并且燈管發(fā)熱也會減少燈管的壽命，納米顆粒給其提供了新的解決方案，人們利用SiO2和TiO2的納米顆粒制成了多層干涉薄膜總厚度為微米級襯在燈管的內(nèi)部不僅透光率好而且又很強(qiáng)的紅外線反射能力?？梢怨?jié)省電15%.

②納米紅外涂層，也受到很多人的研究，利用二氧化硅和三氧化二鐵、三氧化二鋁的納米粉末復(fù)合后就可以很強(qiáng)的吸收紅外線，可以做成軍人的衣服，既可以保暖又可以躲避敵人熱頻段的探測，并且重量減少30%.

③納米紫外涂層，是利用了納米顆粒的藍(lán)移現(xiàn)象，可作為半導(dǎo)體紫外線過濾器。還有可以涂在塑料表面可以減緩塑料的老化，甚至可以做成防曬霜保護(hù)皮膚。

④納米隱身技術(shù)，隨著各種探測手段越來越先進(jìn)，雷達(dá)發(fā)射電磁波，利用紅外探測器可以探測發(fā)熱體等在以后的軍事斗爭中，納米隱身技術(shù)就顯得很重要了。一方面由于納米顆粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及其雷達(dá)波的波長，因此納米顆粒的透射率就比常規(guī)的材料要大得多，從而減少了反射率，避開了探測;另一方面，納米微粒的表面能比常規(guī)材料要多得多，這就使納米微粒對電磁波的吸收很強(qiáng)，使反射回去的電磁波輕度大大減小從而很難被發(fā)現(xiàn)。納米級的硼化物，碳化物以及納米碳管在這方面很有發(fā)展前途。

(2)在環(huán)境保護(hù)方面的應(yīng)用

礦物能源的短缺，環(huán)境污染困擾著人們，納米材料在環(huán)境保護(hù)，環(huán)境治理和減少污染方面的應(yīng)用，已經(jīng)呈現(xiàn)出欣欣向榮的景象。納米顆?？梢钥咕⒎栏?、除臭、凈化空氣、優(yōu)化環(huán)境，便于降解等，此外還可以吸附重金屬離子凈化水質(zhì)，吸附細(xì)菌，病毒，有毒離子等。

(3)納米粒子光催化

光催化可以用于環(huán)保，降解農(nóng)藥，有機(jī)物等。由于納米粒子粒徑小，比表面積大，光催化效率高;另外納米粒子生成的電子、空穴在達(dá)到表面大部分不會重新結(jié)合，因此空穴低，化學(xué)反應(yīng)活性高。

納米粉體材料之星納米碳管

納米碳管，管狀的納米級石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成的無縫納米級管，每層的C是SP2雜化，形成六邊形平面的圓柱面。

納米碳管由1991年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，具有優(yōu)良的場發(fā)射性能，制作成陰極顯示管，儲氫材料。我國自制的碳管儲氫能力達(dá)到4%，據(jù)世界領(lǐng)先水平。1992年，科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲卷結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出半導(dǎo)體或良導(dǎo)體的特異導(dǎo)電性;1995年，科學(xué)家研究并證實了其優(yōu)良的場發(fā)射性能;1996年，我國科學(xué)家實現(xiàn)碳納米管大面積定向生長;1998年，科研人員應(yīng)用碳納米管作電子管陰極;1998年，科學(xué)家使用碳納米管制作室溫工作的場效應(yīng)晶體管;1999年，韓國一個研究小組制成碳納米管陰極彩色顯示器樣管;2000年，日本科學(xué)家制成高亮度的碳納米管場發(fā)射顯示器樣管。

近年來，我國科學(xué)家不僅在世界上合成出最長的碳納米管，而且加緊了碳納米管的應(yīng)用研究，研制出具備良好儲氫性能的碳納米管和具備初步顯示功能的碳納米管顯示器，并在利用其電子發(fā)射性能研制發(fā)光器件。

納米材料分為納米粉體材料、納米固體材料、納米組裝體系三類。納米粉體材料是納米材料中最基本的一類。納米固體是由分體材料聚集，組合而成。而納米組裝體系則是納米粉體材料的變形。

納米粉體也叫納米顆粒，一般指尺寸在1-100nm之間的超細(xì)粒子，有人稱它是超微粒子。它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。按照它的尺寸計算，假設(shè)每個原子尺寸為1埃，那么它所含原子數(shù)在1000個-10億個之間。它小于一般生物細(xì)胞，和病毒的尺寸相當(dāng)。

細(xì)微顆粒一般不具有量子效應(yīng)，而納米顆粒具有量子效應(yīng);一般原子團(tuán)簇具有量子效應(yīng)和幻數(shù)效應(yīng)，而納米顆粒不具有幻數(shù)效應(yīng)。

納米顆粒的形態(tài)有球形、板狀、棒狀、角狀、海綿狀等，制成納米顆粒的成分可以是金屬，可以是氧化物，還可以是其他各種化合物。

納米粉體顆粒一般指一次顆粒(含有氣孔率低的一種獨立粒子)，可以是晶態(tài)，非晶和準(zhǔn)晶態(tài)，可以是多晶體也可以是單晶體。

對于球形顆粒來說顆粒尺寸即指其直徑。則對規(guī)則顆粒，尺寸的定義常為等當(dāng)直徑，如體積等當(dāng)直徑，攝影面積直徑等。

下面介紹兩種主要的測量方法:

透射電鏡(TEM)法:拍攝多張納米微粒圖片，測量其等當(dāng)半徑，然后畫出不同晶粒尺寸下的晶粒數(shù)分布圖，將分布曲線中峰值的顆粒尺寸作為平均粒徑。

X射線衍射線線寬法:測定的是晶粒尺寸而不是顆粒尺寸，由于晶粒的細(xì)小可以引起衍射線的寬化，其衍射線半強(qiáng)度的寬化度B與晶粒尺寸D關(guān)系可以用下式來表示:

B=0.89λ/D*角度的余弦 其中B=Bm-Bs，B只是晶粒細(xì)化引起的寬化