纳米材料的性能及应用

1、纳米材料的性能及应用XXXX(北京xxxxxx学院化学工程系 北京1026174)摘要针对纳米材料所具有的独特性能进行了综述，对该种材料的应用进行了介绍和展望。通过对 纳米陶瓷材料进行在不同温度下的拉伸应变实验，来测试出纳米材料的力学性能以及其他的磁学、电学性 能。由于纳米材料的独特性能，导致其应用前景非常广阔，可用作高韧、高强纳米结构陶瓷材料，高性能 磁性材料，电磁波吸收材料，催化剂以及纳米级微粒传感器等。对纳米材料，我们可以用“更轻、更高、 更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的 器件；“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热

2、性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学 性能。关键词：纳米材料；性能；应用中图分类号： 。1引言纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介 于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米体系使人们认识自然又 进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的 新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在 状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到 宏观的过渡有更深入的认识。由于纳米材料的晶粒尺寸，晶界尺寸，缺陷尺寸均处在00nm 及其

3、以下，且晶界数量大幅度增加，使得材料的强度，韧性和超塑性大为提高。对于材料的 电学，磁学，光学等性能产生重要的影响1-3 J本文根据大量资料，对纳米材料所具有的一些独特性能进行综述，对其应用及前景进行 了介绍和展望。2纳米材料的性能2.1纳米材料的力学性能大量研究表明，纳米陶瓷材料具有超塑性性能，所谓超塑性是指材料在一定的应变速率 下产生较大的拉伸应变。纳米TiO 2陶瓷在室温下就能发生塑性形变，在180C下塑性变形可 达100 %。若试样中存在微裂纹，在180C下进行弯曲时，也不发生裂纹扩展4。掺杂Y2O3 的四方氧化锆多晶体纳米陶瓷材料(YTZP)当晶粒尺寸为150nm时，材料可在1250

4、C下呈现 超塑性。且起始应变速率达到3X10-2 S-1，压缩应变量达380%5 。对晶粒尺寸为350nm的3Y TZD陶瓷进行循环拉伸试验，发现在室温下就已出现形变现象。另外纳米ZnO陶瓷也具有 超塑性性能。纳米Si3N4陶瓷在1300C下。即可产生200%以上的形变。关于纳米陶瓷产生超塑性的原因，一般认为是扩散蠕变引起晶界滑移所致。扩散蠕变速 率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的三次方成反比，当纳米粒子尺寸减小时，扩散系数非常 高，从而造成扩散蠕变异常高。因此，在较低温度下，因材料具有很高的扩散蠕变速率，当 受到外力后能迅速做出反应，造成晶界方向的平移，从而表现出超塑性 :塑性的提高也使其 韧

5、性大为提高。纳米陶瓷的硬度和强度也明显高于普通材料。在100C下，纳米TiO 2陶瓷的显微硬度为 1300kg f/mm2，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于200kg f/mm2 6 。在陶瓷基体中引入纳米分 散相进行复合，对材料的断裂强度，断裂韧性会有大幅度的提高，还能提高材料的硬度，弹 性模量，抗热震性以及耐高温性能。又例如纳米SiC弥散到Si3N4基体中形成的纳米复合材料， 其韧性常数KiC为4.57.5MPa m1/2，断裂强度a S为8501400MPa，最高工作温度可达 12001500C。另据报道7，用烧结技术制成的碳纤维增强SiC/Sialon纳米复合陶瓷材料与碳纤维增强 Si

6、alon微米复合材料相比，其强度和韧性也得到较大改善，性能对比见表1。表1 碳纤维增强SiC/ Sialon纳米复合陶瓷 与碳纤维增强Sialon微米复合材料性能对比性能纳米复合材料微米复合材料强度/MPa705314韧性 /MPam1/223.59.82.2纳米材料的其他性能纳米材料由于晶粒尺寸的减小，对磁学性能，电学性能等也产生一些影响。研究表明:Fe，Co，Ni超微粉的矫顽Hc随平均粒径的减小而增大，当这三种金属粉末的平均粒径分别达到14nm , 14nm和18nm时，Hc达到最大。上述粒径分别相当Me , Co , Ni的单磁畴的临界尺寸。某些纳米材料与一般固体材料的饱和磁化强度、磁化

7、率、超导临界温度也不同(见表2)。表2纳米材料与一般材料性质比较材料类别性质纳米材料固体材料Fe饱和磁化强度(4K) X 103A m2 g -1130222Sb磁化率(4K) + 10-6 emu (oe g) - 120-1Al超临界温度/ K3.21.23纳米材料的应用纳米材料的实际应用还不多，但由于它具有独特的性能，可以预料其应用前景应是非常 广阔的。3.1高韧、高强纳米结构陶瓷材料陶瓷具有很高的硬度，耐磨性，耐热性和耐腐蚀性能，但致命弱点是脆性。改善脆性， 增加韧性一直是材料科学工作者关注的焦点。用纳米碳化物，氮化物，氧化物弥散到陶瓷基体中去，可以显著改善陶瓷的韧性。用纳 米复合陶瓷

8、来制备发动机的部件，可以省去冷却系统，从而可以大大提高发动机的热效率。 3.2高性能磁性材料以纳米级磁性粉末作为磁记录材料，研究表明，记录密度和矫顽力高，可以达到很高的 信噪比和稳定性。用以制造视频磁带，计算机磁带和磁盘，其性能和工作寿命高于现在使用 的a Fe2O3产品。美国Xerox公司采用含磺酸盐的离子交换树脂与Fe2 +和Fe3 +交换，再加入浓NaOH， 产生Fe (OH) 2再加入H2O2和肼，变为210nm的VFe2O3，将其分散到聚合物基体中，得 到在磁场中显示磁性，且室温磁性为FeBO3或FeF2十倍多的材料。在彩色图象，计算机磁 性主记忆，磁性流体与磁性致冷方面均有广泛的应

9、用。3.3电磁波吸收材料纳米级的羰基铁粉，镍粉，和铁氧体粉末具有电磁波吸收能力。用该种纳米粉配制的涂 料涂到飞机、导弹、军舰等武器装备上，使该装备具有隐身性能。纳米级超细粉末不仅能吸 收雷达波，也能吸收可见光和红外线，用该种粉末配制成隐身材料不仅能在很宽的频带范围 内逃避雷达的侦察，而且能起到红外隐身作用。3.4做催化剂由于纳米颗粒表面是一层既无长程序，又无短程序的非晶层，表面上的原子周围缺少相 邻原子，有许多悬空键，因而具有极大的活性，催化效率相当高8。用纳米TiO2从硫化氢 中除去硫的量比用传统TiO2的除硫量增加近5倍，该现象有助于将来发展用于环境保护的废 气转换器。用纳米TiO2可使有

10、机磷杀虫药水在阳光的照射下半小时内全部分解；利用纳米 镍粉作为火箭固体燃料反应触媒，可使燃烧效率提高近100倍；用纳米铂黑作催化剂可以使 乙稀氢化反应从600 C降至室温。3.5纳米级微粒传感器纳米级微粒传感器是利用了表面与外界环境，如温度，光，气体，水分子之间的相互作 用，当外界环境发生改变时，迅速引起表面或界面离子价态和电子运动的变化，产生导电性。 这种特异性能适用于气体传感器刃。如SnO2 、ZnO、(La，Sr) CoO3、TiO2等氧化物体 系的气体传感器，其特点是响应速度快，选择性强，灵敏度高。参考文献：Birringer R， Herr U， Gleiter H. Trans. Jpn. Inst.Matal.Suppl， 1986， 27:43 一47.Cahn R W. Nature，1988，332 ;112113.Wu X J， Su F. Maler， Res. Symp. Proe， 1993， 286:149154.Karch， Birringer R. Gleiter H， Nature，1987， 330:556558.郭景坤等1硅酸盐学报，1992，20(3):286291.Siegel R. Ramasamy S，Hahn H，et al，J，Mater，Res，1988，3:136