第七章纳米材料

1、纳米金属材料纳米金属材料 纳米及纳米科技的提出纳米及纳米科技的提出 纳米金属材料的性能及制备方法纳米金属材料的性能及制备方法 纳米材料的应用纳米材料的应用 一、纳米及纳米科技的提出一、纳米及纳米科技的提出纳米金属材料 纳米（纳米（nanometernanometer），为长度单位，单位符号为），为长度单位，单位符号为n nm m。 1nm=10(-3)m=10(-6)mm=10(-9)m.1nm=10(-3)m=10(-6)mm=10(-9)m. 氢原子直径：氢原子直径：0.1nm0.1nm 一般金属原子直径：一般金属原子直径：0.3-0.4nm0.3-0.4nm 人发直径：人发直径：50-8

2、050-80微米微米 细胞直径：细胞直径： 5000nm5000nm（5 5微米）微米） 人类对客观世界的认知存在3个领域: 宏观领域、微观领域和介观领域 纳米科学技术（纳米科技）：纳米科学技术（纳米科技）： 在纳米尺寸范围内认识和改造白然，通 过直接操作和安排原子、分子以制造新的 物质。 纳米科技是研究由尺寸在0.1100 nm之 间的物质 组成的体系的运动规律、相互作 用以及可能的实际应用中的技术问题的科 学技术。 如果我们对物体微小规模（如果我们对物体微小规模（small scale)small scale)上的上的 排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到排列加以某种控制的话，我们就能

3、使物体得到 大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能 产生丰富的变化。产生丰富的变化。 纳米科技的发展过程纳米科技的发展过程-由幻想到现实由幻想到现实 “I would like to describe a field, in which little has been done, but in which an enormous amount can be done in principle.” - Richard P. Feyneman, on December 29th 1959, at the annual meeting of the Amer

4、ican Physical Society 1962年，日本东京大学的物理学家久保亮武(Ryogo Kubo)教授在研究金属粒子理论时提出了金属超微粒中电子 能级具有类似孤立原子中的能级的不连续性观点。久保效应久保效应 1974年，日本东京理科大学 谷口纪男教授首次使用“纳纳 米技术米技术” 描述精细机械加工，来强调当时的微米科技己不足 以满足工业界的要求，需要有新的技术和新的精度标准。 1981年，德国博士生C比尼格(Gerd Binnig)在H罗勒 尔(Heinrich Roher)教授的指导下，在瑞士苏黎世的IBM实验 室里做“导体间的电子隧道效应问题”博士论文研究时发明 了看得见原子的

5、扫描隧道显微镜(STM)，实现了人类直接 “看”到单个原子的愿望：这是迈向纳米技术重要的里程碑。 比尼格和罗勒尔也因此获得了1986年的诺贝尔物理奖。 1984年，德国萨尔兰大学的物理学家格莱特(H Gliter)等， 首次采用惰性气体蒸发冷凝法制备了具有清洁表面作用的纳 米Fe等金属粉末，然后在真空室巾原位加压制得纳米固体， 从而使纳米材料进入了一个新的阶段。 1985年，英国Sussex大学的克罗脱(H. kroto)教授以 及美国得克萨斯州Rice大学的斯麦利(RSmalley)教授和 R科尔(Kurl)教授等人，采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中 形成直径大约是1nm的C60足球烯分子，于

6、是在全世界兴 起了C60的研究热潮。他们三人因此而获得1996年的诺贝 尔化学奖。 1987年7月，美园阿贡国家实验室的Siegel博土在美国纽 约召开的界面科学与工程学术会议上首次报告纳米Ti02多 晶陶瓷具有良好的韧性，这一突破性进展造成第一次世界 性纳米热潮。 1989年，美国 IBM，阿尔马登(AImaden)研究中心的爱格 勒(D. MEigler)和施维仁(E KSchweizer)博士成功地用 扫描隧道显微镜在镍 (110)表面移动氙原子，对单个原子 进行重排，将35个氙原子排布成了世界上最小的IBM商标， 实现了人类另一个幻想直接操纵单个原子。原理上这 也是实现了费曼的设想：按

7、人的意愿排布一个个原子来构 建纳米器件。从此，人类迈向纳米技术的征途真正开始了。 1991年，日本NEC公司筑波研究所的饭岛澄男 (Sumio Iijima)发现了碳纳米管，它是由石墨碳原子层弯曲 顺成的碳管，直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚 度为几个纳米。碳纳米管的质量是相同体积钢的16，而 强度却是钢的10倍，于是，碳纳米管立刻成为纳米研究热 点之一。 2000年1月21日，当时的美国总统克林顿在加州理工 学院正式宣布一项新的国家计划国家纳米技术推进计 划，指出纳米技术对保持美国科学技术和经济的领先地位 非常重要。美国政府这一举措引起了世界范同的广泛关注， 新一轮科技竞争从此拉开序幕

8、。 纳米科技的内涵纳米科技的内涵 制高点制高点 纳米电子学纳米电子学纳米加工纳米加工纳米生物纳米生物 基基 础础 纳米材料纳米材料纳米材料纳米材料 基基 础础纳米物理纳米物理纳米化学纳米化学纳米力学纳米力学 纳米技术纳米技术 医疗药物医疗药物 环境能源环境能源 宇航交通宇航交通 生物农业生物农业 电子器件电子器件 计算机计算机 国家安全国家安全 新材料新材料 制制 造造 传统产业传统产业 纳米科技对关键问题的影响纳米科技对关键问题的影响 Medical nanoscale robots Medical nanoscale robots is currently in the pilot pha

9、se, big to a few millimeters long, small to a few microns in diameter; But certainly, the next few years, nanoscale robots will lead to a revolution in medicine. Many engineers, scientists and doctors think, medical nanoscale robots have unlimited potential-and one of the most likely include: treatm

10、ent of atherosclerosis, anti-cancer, remove blood clot, clean the wound, help blood coagulation, dispel parasites, treat gout, crushing kidney stones, artificial insemination and the cell activation energy, make the person not only keep healthy, and prolong life. 医用纳米机器人目前还处在试验阶段，大到长几毫米，小到直径医用纳米机器人目

11、前还处在试验阶段，大到长几毫米，小到直径 几微米；但可以肯定的是，未来几年内，纳米机器人将会带来一场医几微米；但可以肯定的是，未来几年内，纳米机器人将会带来一场医 学革命。学革命。 许多工程师、科学家和医生都认为，医用纳米机器人有着无限的许多工程师、科学家和医生都认为，医用纳米机器人有着无限的 潜力潜力而其中最有可能的包括：治疗动脉粥样硬化、抗癌、去除血而其中最有可能的包括：治疗动脉粥样硬化、抗癌、去除血 块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、治疗痛风、粉碎肾结石、人块、清洁伤口、帮助凝血、祛除寄生虫、治疗痛风、粉碎肾结石、人 工授精以及激活细胞能量，使人不仅保持健康，而且延长寿命。工授精以及激

12、活细胞能量，使人不仅保持健康，而且延长寿命。 Figure described in the is a nanoscale robots is going into the red blood cells 图中描述的是一个纳米机器人正在进入红细胞 2010年年5月，美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由月，美国哥伦比亚大学的科学家成功研制出一种由 脱氧核糖核酸脱氧核糖核酸(DNA)分子构成的纳米蜘蛛机器人，它们能够跟随分子构成的纳米蜘蛛机器人，它们能够跟随 DNA的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止，并且它们能的运行轨迹自由地行走、移动、转向以及停止，并且它们能 够自由地在二维物体的表面

13、行走。这种纳米蜘蛛机器人只有够自由地在二维物体的表面行走。这种纳米蜘蛛机器人只有4纳米纳米 长长(一纳米为一米的十亿分之一一纳米为一米的十亿分之一)，比人类头发直径的十万分之一，比人类头发直径的十万分之一 还小。还小。 虽然之前的纳米机器人也实现了行走功能，但不会超过虽然之前的纳米机器人也实现了行走功能，但不会超过3步。步。 而纳米蜘蛛机器人却能行进而纳米蜘蛛机器人却能行进100纳米距离，相当于纳米距离，相当于50步。科学家通步。科学家通 过编程，让其能够沿着特定的轨道运动；这一进展的强大之处在过编程，让其能够沿着特定的轨道运动；这一进展的强大之处在 于：一旦被编程，纳米蜘蛛机器人就能够自动完

14、成任务，而不需于：一旦被编程，纳米蜘蛛机器人就能够自动完成任务，而不需 要人为介入。他们认为：纳米蜘蛛机器人可以用于医疗事业，以要人为介入。他们认为：纳米蜘蛛机器人可以用于医疗事业，以 帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的，还可以帮助帮助人类识别并杀死癌细胞以达到治疗癌症的目的，还可以帮助 人们完成外科手术，清理动脉血管垃圾等。人们完成外科手术，清理动脉血管垃圾等。 Nano spider robot Nano spider robot duplicate another robot, and then be dyed green, and toward the red target

15、mobile 纳米蜘蛛机器人复制出了另一个机器人，继而被染成绿色，并朝红色目标移动 纳米材料指基本单位的尺寸为纳米材料指基本单位的尺寸为1-100nm1-100nm之间的材料，之间的材料， 纳米材料可分为纳米材料可分为四种四种： （1 1）零维的纳米原子团簇）零维的纳米原子团簇 （2 2）一维纤维纳米结构，长度显著大于宽度）一维纤维纳米结构，长度显著大于宽度 （3 3）二维层状纳米结构，长度和宽度尺寸比厚）二维层状纳米结构，长度和宽度尺寸比厚 度大的多度大的多 （4 4）三维的纳米固体）三维的纳米固体 纳米金属材料纳米金属材料 卢柯卢柯，男，男，汉族汉族，生于，生于1965年年5月，月， 九三

16、学社社员。原籍九三学社社员。原籍河南河南汲县，生于汲县，生于甘甘 肃肃华池。研究生学历，工学博士学位，华池。研究生学历，工学博士学位， 著名材料科学著名材料科学专家专家，中国科学院院士，中国科学院院士， 中国科学院金属研究所原所长、中国科学院金属研究所原所长、研究员研究员， 上海交通大学材料科学与工程学院院长。上海交通大学材料科学与工程学院院长。 主要从事金属纳米材料及亚稳材料等研主要从事金属纳米材料及亚稳材料等研 究。究。 个人经历： 1981.081985.09，在南京理工大学金属材料及热处理专业学习； 1985.091988.08，中国科学院金属研究所材料学专业硕士研究生，师从已故中科

17、院院士王景唐先生； 1988.081990.01，中国科学院金属研究所材料学专业博士研究生； 1990.011993.01，中国科学院金属研究所助理研究员、副研究员； 1991.91993.3，公派德国马普金属研究所高级访问学者（期间1993年1月，晋升 中国科学院金属研究所研究员）； 1995年1月开始聘任中国科学院金属研究所博士生导师； 1997.72001.2，快速凝固非平衡合金国家重点实验室主任； 2001.22001.7，沈阳材料科学国家（联合）实验室主任； 2001.72005.2，中国科学院金属研究所所长； 2003年11月增选为 中国科学院院士（年仅38岁）； 纳米纳米“鼻祖鼻

18、祖”高度评价：高度评价： 2000年，卢柯在极具影响力的科学杂志上发表了第一 篇论文。这篇论文受到了世界同行的高度好评。 纳米材料“鼻祖”葛莱特教授认为，卢柯课题组的这项工 作发现了纳米金属铜在室温下具有超塑延展性而没有加工 硬化效应，延伸率高达5100%是“本领域的一次突破，它 第一次向人们展示了无空隙纳米材料是如何变形的”。 2004年4月16日，科学杂志发表了卢柯课题组的最新 成果。科学杂志的评审人认为，这是一个十分重要的突破 ，是其他任何强化技术无法达到的。它“再次用极为漂亮的实 验结果演示，通过在纳米尺度上的结构设计可以从本质上优化 材料的性能和功用”。自然杂志的评价是一个疑问句“

19、在一个被认为不可能的事情里怎么还会做出东西来？”15 1.金属纳米材料。纳米材料的制备与加工， 微观结构的表 征， 力学性能， 物理性能， 热稳定性， 以及相变。 2. 非晶态合金。非晶态合金的晶化， 玻璃转变， 压力对 热稳定性的影响。 3. 非平衡加工。快速凝固与快速加热， 严重塑性变形， 压稳相变（热力学与动力学研究）。 4. 低维材料的熔化与过热。纳米颗粒， 纳米粒子结构， 多层薄膜， 计算机模拟。 王中林，1982年本科毕业于西北电讯工程 学院（现西安电子科技大学），物理学博士， 美国物理学会会员，佐治亚理工学院最年轻 的终身校董事教授，2006年晋升为佐治亚理 工学院工学院杰出讲席

20、教授。 现任佐治亚理工学院终身教授，西安电子科技大学荣誉教 授，华中科技大学-武汉光电国家实验室海外主任，北京大 学工学院先进材料与纳米技术系首届系主任，中国科学院外 籍院士1，中科院研究生院博士生导师。王中林主要从事 材料科学和纳米科学研究。他在纳米材料可控生长、表征和 应用等多方面取得了多项有国际重要影响力的原创性研究成 果。西安电子科技大学名誉教授。 1.纳米能源技术纳米能源技术 王中林研究小组2006年发明了纳米发电机，2007年成功研发出 由超声波驱动的可独立工作的直流纳米发电机，2008年研发出可 以利用衣料来实现发电的“发电衣”的原型发电机。纳米发电机 研究已成为国际纳米科技在微

21、型能源研究领域的热点。 2.氧化锌纳米的合成、表征、机理和应用氧化锌纳米的合成、表征、机理和应用 长期进行氧化锌纳米结构的研究，使得氧化锌成为除碳纳米管 和硅纳米线外纳米技术中又一重要材料体系。 3.纳米传感器和新型器件的原理和应用纳米传感器和新型器件的原理和应用 王中林基于纳米级压电和半导体性能的巧妙耦合提出了纳米压 电电子学 (nanopiezotronics)的概念，即利用压电效应所产生的电 场来调制和控制载流子运动的原理来制造新型的器件，首次制造 出压电场效应三级管，压电二极管。王中林发表了600篇期刊学术 论文，45篇书章节，28项美国和中国专利，4 本专著和20本编辑 书籍及会议文

22、集，其中有15篇发表在Science，Nature及 其子刊物上，论文被引用达31,000 次以上。 国际纳米技术领军人物、哈佛大学教授Charles Lieber说“该工作极其令人振 奋，它提出了解决纳米技术中一个关键问题的方案，那就是如何为许多研究组发 明的纳米器件提供电力的问题。王教授利用他先创的氧化锌纳米线将机械能转化 为电能，在这个问题上他显示了巨大的创造性。” Y. Qin, X. Wang, Z. L. Wang， Microfibrenanowire hybrid structure for energy scavenging, Nature 451, 809-813 (14

23、February 2008 ) 二、纳米金属材料的性能及制备二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料 1 1、纳米金属材料的性能、纳米金属材料的性能 （1 1）宏观量子隧道效应）宏观量子隧道效应 （2 2）小尺寸效应）小尺寸效应 （3 3）表面效应）表面效应 宏观量子隧道效应 近年来，人们发现一些宏观物理量，如微近年来，人们发现一些宏观物理量，如微 颗粒的磁化强度、量子相干器件中的颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通磁通 量等显示出隧道效应量等显示出隧道效应，称之为宏观的量子，称之为宏观的量子 隧道效应。隧道效应。 量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是 未来

24、微电子、光电子器件的基础，或者它未来微电子、光电子器件的基础，或者它 确立了现存微电子器件进一步微型化的极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。考虑上述的量子效应。 例如，在制造例如，在制造半导体半导体集成电路时，当电集成电路时，当电 路的尺寸接近路的尺寸接近电子电子波长时，电子就通过隧波长时，电子就通过隧 道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，道效应而溢出器件，使器件无法正常工作， 经典电路的极限尺寸大概在经典电路的极限尺寸大概在025微米。微米。 目前研制的量子共振隧穿晶体管就是利用目前研制的量子

25、共振隧穿晶体管就是利用 量子效应制成的新一代器件。量子效应制成的新一代器件。 当微观粒子的当微观粒子的总能量总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。 小尺寸效应小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒 性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性性质的质变。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。质的变化称为小尺寸效应。 特殊的光学性质特殊的光学性质 当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去 了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所

26、有的金属在了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在 超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑， 银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由 此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低 于于l，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特 性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高 效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应效率地将太阳能转变为热能、电

27、能。此外又有可能应 用于红外敏感元件、红外隐身技术等。用于红外敏感元件、红外隐身技术等。 特殊的热学性质特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微 化后却发现其化后却发现其熔点将显著降低熔点将显著降低，当颗粒小于，当颗粒小于10纳米量级时尤为纳米量级时尤为 显著。显著。 例如，金的常规熔点为例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到，当颗粒尺寸减小到10纳米纳米 尺寸时，则降低尺寸时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银左右；银 的常规熔点为的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于

28、，而超微银颗粒的熔点可低于100。 因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时 元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用 超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质 量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引 力。例如，在钨颗粒中附加力。例如，在钨颗粒中附加0.10.5重量比的超微镍颗粒重量比的超微镍颗粒 后，可使烧结温度从后，可使烧结温度

29、从3000降低到降低到12001300，以致可在，以致可在 较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。 特殊的磁学性质特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以 及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在 超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导 航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性 超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活 在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的在水中的趋磁细菌依靠它游向营养

30、丰富的 水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋水底。通过电子显微镜的研究表明，在趋 磁细菌体内通常含有直径约为磁细菌体内通常含有直径约为 210-2微微 米的磁性氧化物颗粒。米的磁性氧化物颗粒。 小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，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大块的纯铁矫顽力约为 80安米，而当颗粒尺寸安米，而当颗粒尺寸 减小到减小到 210-2微米以下时，其矫顽力可增加微米以下时，其矫顽力可增加1千千 倍，若进一步减小其尺寸，大约小于倍，若进一步减小其尺寸，大约小于 610-3微米微米 时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。时，其矫顽力反而降低到零

31、，呈现出超顺磁性。 利用磁性超微颗粒具有利用磁性超微颗粒具有高矫顽力高矫顽力的特性，已作成的特性，已作成 高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁 盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用盘、磁卡以及磁性钥匙等。利用超顺磁性超顺磁性，人们，人们 已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。 特殊的力学性质特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超 微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。 因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排

32、列是相因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相 当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，当混乱的，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，使陶瓷材因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材 料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米料具有新奇的力学性质。美国学者报道氟化钙纳米 材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明，材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。研究表明， 人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷 酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传 统的

33、粗晶粒金属硬统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一陶瓷等复合倍。至于金属一陶瓷等复合 纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质， 其应用前景十分宽广。其应用前景十分宽广。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介 电性能、声学特性以及化学性能等方面。电性能、声学特性以及化学性能等方面。 表面效应表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，球形颗粒的表面积与直径的平方成正比， 其体积与直径的立方成正比，故其比表面积其体积与直径的立方成正比，故其比表面积 （表面积体积）与直径成反比。随着颗粒直（表面积体积）与直

34、径成反比。随着颗粒直 径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原 子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小 于于 0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚 至至1克超微颗粒表面积的总和可高达克超微颗粒表面积的总和可高达100米米2，这，这 时的表面效应将不容忽略。时的表面效应将不容忽略。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分 不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微

35、颗不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗 粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没 有固定的形态，随着时间的变化会自动形成有固定的形态，随着时间的变化会自动形成 各种形状（如立方八面体，十面体，二十面各种形状（如立方八面体，十面体，二十面 体多晶等），它既不同于一般固体，又不同体多晶等），它既不同于一般固体，又不同 于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电 子束照射下，表面原子仿佛进入了子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾沸腾” 状态，尺寸大于状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒纳米后才看不到这种颗粒 结构的不稳定性，

36、这时微颗粒具有稳定的结结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结 构状态。构状态。 超微颗粒的表面具有很高的活性，在超微颗粒的表面具有很高的活性，在 空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要 防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控 制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄 而致密的氧化层，确保表面稳定化。而致密的氧化层，确保表面稳定化。 利用表面活性，金属超微颗粒可望成利用表面活性，金属超微颗粒可望成 为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低 熔点材料。熔点材料。 金属

37、金属为导体，在低温时纳米金属微粒由于为导体，在低温时纳米金属微粒由于量子尺寸效应量子尺寸效应会会 呈现电绝缘性；呈现电绝缘性； 一般一般PbTiO3，BaTiO3和和SrTiO3等是典型铁电体，但当其等是典型铁电体，但当其 尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性的物质进入纳米尺寸进入纳米数量级就会变成顺电体；铁磁性的物质进入纳米 尺度（尺度（5nm）时，由多畴变成单畴，于是显示极强顺磁效应；）时，由多畴变成单畴，于是显示极强顺磁效应； 当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时，已不当粒径为十几纳米的氮化硅微粒组成了纳米陶瓷时，已不 具有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下具

38、有典型共价键特征，界面键结构出现部分极性，在交流电下 电阻很小；电阻很小； 化学惰性极高的金属铂制成纳米粒子（铂黑）后，却成为化学惰性极高的金属铂制成纳米粒子（铂黑）后，却成为 活性极好的催化剂；活性极好的催化剂； 金属由于光反射现象呈现出各种美丽的颜色，而金属的纳金属由于光反射现象呈现出各种美丽的颜色，而金属的纳 米粒子光反射能力显著降低，通常可低于米粒子光反射能力显著降低，通常可低于1%，由于小尺寸和，由于小尺寸和 表面效应表面效应使纳米粒子对光吸收表现极强能力；使纳米粒子对光吸收表现极强能力； 由纳米粒子组成的纳米固体在较宽谱范围显示出对由纳米粒子组成的纳米固体在较宽谱范围显示出对 光的

39、均匀吸收性，纳米复合多层膜在光的均匀吸收性，纳米复合多层膜在717GHz频率的吸频率的吸 收峰高达收峰高达14dB，在，在10dB水平的吸收频宽为水平的吸收频宽为2GHz； 颗粒为颗粒为6nm的纳米的纳米Fe晶体的断裂强度较之多晶晶体的断裂强度较之多晶Fe提提 高高12倍；纳米倍；纳米Cu晶体自扩散是传统晶体的晶体自扩散是传统晶体的1016至至1019 倍，是晶界扩散的倍，是晶界扩散的103倍；倍； 纳米金属纳米金属Cu的的比热比热是传统纯是传统纯Cu的两倍；纳米固体的两倍；纳米固体 Pd热膨胀提高一倍；热膨胀提高一倍； 纳米纳米Ag晶体作为稀释致冷机的热交换器效率较传统晶体作为稀释致冷机的热

40、交换器效率较传统 材料高材料高30%； 纳米磁性金属的磁化率是普通金属的纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和倍，而饱和 磁矩磁矩是普通金属的是普通金属的1/2。 二、纳米金属材料的性能及制备二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料 2 2、纳米材料的制备、纳米材料的制备 表表7.1 7.1 一些常用的纳米材料的制备方法一些常用的纳米材料的制备方法 二、纳米金属材料的性能及制备二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料 （1 1）气相冷凝法）气相冷凝法 最早采用的方法最早采用的方法 用真空蒸发、加热、用真空蒸发、加热、 高频感应等方法使原高频感应等方法使原 料气化或形成等粒子料气化或形成

41、等粒子 体，然后骤冷。体，然后骤冷。 其特点纯度高、结晶其特点纯度高、结晶 组织好、粒度可控，组织好、粒度可控， 但技术设备要求高。但技术设备要求高。 二、纳米金属材料的性能及制备二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料 （2 2）非晶晶化法）非晶晶化法 （3 3）高能球磨法）高能球磨法 非晶晶化法制备纳米材料的前提是将原料用急冷技非晶晶化法制备纳米材料的前提是将原料用急冷技 术制成非晶薄带或薄膜，然后控制退火条件，如退术制成非晶薄带或薄膜，然后控制退火条件，如退 火时间和退火温度，使非晶全部或部分晶化，生成火时间和退火温度，使非晶全部或部分晶化，生成 晶粒尺寸保持在纳米级。晶粒尺寸保持在纳米

42、级。 其特点是界面无孔隙，不存在孔洞、气隙等缺陷，其特点是界面无孔隙，不存在孔洞、气隙等缺陷， 样品的界面结构致密而洁净。而且工艺简单，易于样品的界面结构致密而洁净。而且工艺简单，易于 控制，便于大量生产。控制，便于大量生产。 利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈 的撞击、研磨和搅拌，把金属和合金粉末粉碎为纳的撞击、研磨和搅拌，把金属和合金粉末粉碎为纳 米级微粒的方法。米级微粒的方法。 二、纳米金属材料的性能及制备二、纳米金属材料的性能及制备纳米金属材料 （4 4）溶胶凝胶法）溶胶凝胶法 采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合 金或复合材料的纳米粒子。金或复合材料的纳米粒子。 其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒 分布不均匀。分布不均匀。 其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，其特点反应