纳米材料及其应用前景

    引 言 诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到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。他所说的材料就是现在的纳米材料。    

材料与社会的发展 材料是人类社会进化和人类文明的里程碑，是人类赖以生产和生活的物质基础，是社会进步的物质基础和先导。因为对材料的认识和利用能力，决定着社会的形态和人类生活的质量，所以，历史学家往往用制造工具的原材料作为历史分期的标志。

化学与材料 化学：化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、件能、反应和应用的学科。 材料 ： 材料是人们利用化合物的某些功能来制作物件时用的化学物质。 化学与材料的关系： 化学是材料发展的源泉，而材料又为化学发展开辟了新的空间。化学与材料保持着相互依存、相互促进的关系。

材料的分类 世界各国对材料的分类不尽相同，若按照材料的使用性能来看，可以分为结构材料和功能材料，从材料的应用对象来看有可以分为信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空材料等多种类别，但就大的类别可以分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料四大类。

无机非金属材料 无机非金属材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸盐、钛酸盐、铝酸盐、磷酸盐等含氧酸盐为主要组成的无机材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷及天然矿物材料等。

传统无机非金属材料 水泥 水泥呈粉末状，当它与水混合后成为可塑性浆体，经一系列物理化学作用凝结硬化变成坚硬石状体，并能将散粒状材料胶结成为整体。水泥浆体不仅能在空气中硬化，还能在水中硬化、保持并继续增长其强度，故水泥属于水硬性胶凝材料。

通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类。通用水泥用于大量土建工程的一般用途；有硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥以及矿渣的、火山灰质的、粉煤灰的、复合的硅酸盐水泥六个品种。专用水泥则指有专门用途的水泥如油井的、大坝的、砌筑的等。特性水泥是指某种性能较突出的水泥，如快硬的、低热的、抗硫酸盐的、膨胀的、自应力的等。按水硬性矿物分类，有硅酸盐的、铝酸盐的、硫酸盐的、少（无）熟料的等。水泥品种已有100多种。

玻璃 玻璃是由熔融物冷却、硬化而得到的非晶态固体。其内能和构形熵高于相应的晶体。其结构为短程有序，长程无序。从熔融态转变为固体时有一转变温度Tg。广义的玻璃包括无机玻璃、有机玻璃、金属玻璃等；狭义上仅指无机玻璃，最常见的是硅酸盐玻璃。这里主要谈无机玻璃。

玻璃制品的分类 无机玻璃的化学组成包括有众多元素的氧化物或非氧化物。 （1）普通玻璃 普通玻璃是以硅酸盐系统为主要基础的传统玻璃。包括有平板玻璃、日用玻璃、光学玻璃、电真空玻璃、点光源玻璃、玻璃纤维等。 （2）特种玻璃 随着社会和科学的发展，在玻璃材料科学领域中，由于某些新品种是根据特殊用途专门研制的，其成分、性能、制造工艺均与一般工业和日用玻璃有所差别，它们往往被归入专门的一类，叫做特种玻璃。这些特种玻璃逐渐脱离了传统玻璃的基础系统范围。常见的特种玻璃有光子学玻璃、微晶玻璃、生化玻璃、溶胶－凝胶玻璃等。

图6－中空玻璃结构示意图 中空玻璃结构示意图

空心玻璃砖用于建筑隔断

热反射玻璃在建筑物上大量使用

陶瓷 陶瓷是指以天然或人工合成的无机非金属物质为原料，经过成形和高温烧结而制成的固体材料和制品。

陶鹰鼎——仰韶文化庙底沟类型 高36cm 三彩——我国古代陶器中一颗璀灿的明珠

日用陶瓷－盘子 建筑陶瓷－墙面砖 化工陶瓷 结构陶瓷－陶瓷刀 功能陶瓷－电子陶瓷

图6-电瓷绝缘子 饰面瓦－鱼鳞瓦 氧化锌避雷器

新型无机非金属材料 传统的无机非金属材料具有抗腐蚀、耐高温等许多优点，但也有质脆、经不起热冲击等弱点。新型无机非金属材料继承了传统材料的许多优点，并克服某些弱点，使材料具有更加优异的特性，用途更加广泛。新型无机非金属材料的特性有：1．能承受高温，强度高。2．具有电学特性。3．具有光学特性。4．具有生物功能。

氧化铝陶瓷具有机械强度高、硬度大、高频介电损耗小、高温绝缘电阻高、耐化学腐蚀性和导热性良好等优良综合技术性能，以及原料来源广、价格相对便宜、加工制造技术较为成熟等优势，已被广泛应用于电子、电器、机械、化工、纺织、汽车、冶金和航空航天等行业，成为目前世界上用量最大的氧化物陶瓷材料。

氧化铝陶瓷电阻 纺织瓷件

氧化铝髋关节

高压钠灯 高纯氧化铝透明陶瓷管

氮化硅陶瓷 氮化硅陶瓷的性能：作为一种理想的高温结构材料，最主要的应具备如下性能：（1）强度好、韧性好；（2）抗氧化性好；（3）抗热震性好；（4）抗蠕变性好；（5）结构稳定性好；（6）抗机械振动。 氮化硅除抗机械振动性能和韧性相对比较差外，其余几种性能都优于一般陶瓷，曾被誉为“像钢一样强，像金钢石一样硬，像铝一样轻”。由于制备工艺不同和所获得显微结构的差别，Si3N4陶瓷的综合性能有很大的变化。各中资料所提供的数据繁多，下面仅介绍一般参考值。

氮化硅陶瓷涡轮转子 氮化硅陶瓷刀具 氮化硅陶瓷吸管 氮化硅轴承球

光导纤维 光导纤维是现代科学创造的奇迹之一，是使光像电流一样沿着导线传输。不过，这种导线不是一般的金属导线，而是一种特殊的玻璃丝，人们称它为光导纤维，又叫光学纤维，简称光纤 。

光纤通信的特点 （1）传输频带极宽，通信容量很大。 （2）传输衰减小，可用于远距离无中断传输。 （3）信号串扰少，传输质量高。 （4）抗电磁干扰，保密性好。 （5）光纤尺寸小，质量轻，便于运输和铺设。 （6）耐化学侵蚀，适用于特殊环境。 （7）原料资源丰富。 （8）节约有色金属。

利用光纤作手术

光纤导管胃镜

光纤式传感器 光纤式传感器

金属材料 金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性的并具有光泽的物质，如铜、锌和铁等。而金属材料则是指由金属元素或以金属元素为主组成的具有金属特性的工程材料，它包括纯金属和合金两类。

合金材料是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的材料，如黄铜是由铜和锌两种金属组成的合金。与组成合金的纯金属相比，合金具有更好的力学性能，还可通过调整组成元素之间的比例得到一系列性能不同的合金，从而满足工业生产上不同性能的要求。 金属材料，尤其是钢铁材料在国民经济建设的各个方面都有重要的作用，它们的发现和应用，开创了人类物质文明的新纪元，加速了人类社会发展的历史进程。可以毫不夸张地说，离开了金属材料的“钢筋铁骨”，世界将变得面目全非。

金属材料通常可以分为两大类：黑色金属和有色金属。黑色金属是指铁、铬、锰，而有色金属指指除铁、铬、锰（黑色金属）之外的其他金属，如铜、锌、铝等 。 有色金属大体上可以分为重有色金属、轻有色金属、贵金属、稀有金属和半金属等（见图6-）。其中重金属的密度较大，一般在6600kg·cm2以上，轻金属的密度都在4g·cm2以下，且化学性质活泼，而贵金属的共同特点则是化学性质稳定，密度大（10～22g·cm2），熔点较高。

天然高分子材料 纤维素(cellulose) 1839年：法国的科学家佩因（a．payen）在研究从植物中提取某种化合物的过程中分离出了一种物质并把它称为纤维素。纤维素是世界上最丰富的天然有机物，占植物界碳含量的50％以上。棉花的纤维素含量接近100％,为天然的最纯纤维素来源。一般木材中,纤维素占40～50％,还有10～30％的半纤维素和20～30％的木质素。此外，麻、麦秆、稻草、甘蔗渣等，都是纤维素的丰富来源。

纤维素的分子式是(C6H10O5)n，由D-葡萄糖以β-1，4糖苷键组成的大分子多糖，分子量50000～2500000,相当于300～15000个葡萄糖基。 不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。具有(C6H10O5)n的组成。是维管束植物、地衣植物以及一部分藻类细胞壁的主要成分。醋酸菌（Acetobaeter）的荚膜，以及尾索类动物的被囊中也发现有纤维素的存在，棉的种子毛是高纯度98%的纤维素。

木质素(lignin) 木质素是一种复杂的、非结晶性的、三维网状酚类高分子聚合物，它广泛存在于高等植物细胞中，是针叶树类、阔叶树类和草类植物的基本化学组成之一。

甲壳素(chitin)和壳聚糖(chitosan) 甲壳素(Chitin)又名甲壳质，壳多糖，壳蛋白，是法国科学家布拉克诺(Braconno)1811年首先从蘑菇中提取到一种类似于植物纤维的六碳糖聚合体，把它命名为Fungine（蕈素）。1823年，法国科学家欧吉尔(Odier)在甲壳动物外壳中也提取了这种物质，并命名为chitoin（几丁质），chitoin希腊语原意为"外壳"、"信封"的意思。1894年F.Hoppe-Seiler把经过化学修饰过的chitin叫做壳聚糖(chitosan)。

合成高分子材料 说起高分子材料，普通人也许会觉得莫测高深，其实我们身边到处都是它们的身影。 无论是作为食物的蛋白质还是作为织物的棉、毛和蚕丝都是天然高分子材料，就连人体本身，基本上也是由各种生物高分子构成的。我国在开发天然高分子材料方面曾走在世界领先水平。利用竹、棉、麻等纤维等高分子材料造纸是我国古代的四大发明之一。另外，利用桐油与大漆等高分子材料作为油漆、涂料制作漆制品也是我国古代的传统技术。 高分子是由碳、氢、氧、硅、硫等元素组成的高分子化合物的简称。高分子的分子量从几千到几十万甚至几百万，所含原子数目一般在几万以上，而且这些原子是通过共价键连接起来的。

高分子化合物由于分子量很大，分子间作用力的情况与小分子大不相同，具有特有的高强度、高韧性、高弹性等，从而可以作为材料使用。 功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料及化学功能高分子材料。前者如导电高分子、高分子半导体、光导电高分子、压电及热电高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等；后者如反应性高分子、离子交换树脂、高分子分离膜、高分子催化剂、高分子试剂及人工脏器等，此外还有生物功能和医用高分子材料，如生物高分子、模拟器、高分子药物及人工骨材料等。

高分子特性：同样由于高聚物的分子量很大，所以其力学性质、热性质、溶解性等与小分子化合物大为不同。 力学性质：低分子一般没有强度，是结晶性的硬固体。而高分子的性质变化范围很大，从软的橡胶状到硬的金属状。有很好的强度、断裂伸长率、弹性、硬度、耐磨性等力学性质。高分子的相对密度小(0.91-2.3)，因而其比强度可与金属匹敌。 热性质：低分子有明确的沸点和熔点，可成为固相、液相和气相。 高分子分热塑性和热固性两类，热塑性高分子加热时在某个温度下软化(或融解)、流动，冷却后成形；而热固性高分子加热时固化成网状结构而成形。

溶解性：低分子溶解很快，但高分子都很慢，通常要过夜，甚至数天才能观察到溶解。高分子溶解的第一步是溶胀，由于高分子难以摆脱分子间相互作用而在溶剂中扩散，所以第一步总是体积较小的溶剂分子先扩散入高分子中使之胀大。如果是线形高分子，由溶胀会逐渐变为溶解；如果是交联高分子，只能达到溶胀平衡而不溶解。因此一般来说，高分子有较好的抗化学性，即抗酸、抗碱和抗有机溶剂的侵蚀。 高分子的溶解性受化学结构、分子量、结晶性、支化或交联结构等的影响。总的来说有如下关系。分子量越高，溶解越难；结晶度越高，溶解越难；支化或交联程度越高，溶解越难。

塑料（plastics） 塑料,又称合成树脂,是指以树脂（或在加工过程中用单体直接聚合）为主要成分，以增塑剂、填充剂、润滑剂，着色剂等添加剂为辅助成分，在加工过程中能流动成型的材料。 塑料主要有以下特性：①大多数塑料质轻，化学稳定性好，不会锈蚀；②耐冲击性好；③具有较好的透明性和耐磨耗性；④绝缘性好，导热性低；⑤一般成型性、着色性好，加工成本低；⑥大部分塑料耐热性差，热膨胀率大，易燃烧；⑦尺寸稳定性差，容易变形；⑧多数塑料耐低温性差，低温下变脆；⑨容易老化；⑩某些塑料易溶于溶剂。

各类塑料制品

合成橡胶(synthetic rubber) 合成橡胶是人工合成的高弹性聚合物，以煤、石油、天然气为原料，便宜易得，而且品种很多，并可按工业、公交运输的需要合成各种具有特殊性能(如耐热、耐寒、耐磨、耐油、耐腐蚀等)的橡胶，因此目前世界上合成橡胶的总产量已远远超过了天然橡胶。

顺丁橡胶原料 氯丁橡胶制成的扁平电缆 氟橡胶密封垫圈

合成纤维（synthetic fibre） 合成纤维是化学纤维的一种。以小分子的有机化合物为原料，经加聚反应或缩聚反应合成的线型有机高分子化合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。从纤维的分类可以看出它属于化学纤维的一个类别。 涂料与胶粘剂

涤纶面料 轮胎帘子线（合成纤维） 编制的子午线轮胎 航天器用降落伞

纳米材料 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。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，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，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

   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、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。

纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，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100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3 nm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。 纳米材料的特性 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。 纳米材料的特性 纳米材料的表面效应 　　纳米材料的表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。

粒径在10nm以下，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm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的表面。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。

　　 纳米材料的体积效应 由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。

纳米材料的量子尺寸效应 　　 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。

纳米材料的应用 力学性质：纳米结构的材料强度与粒径成反比。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。

磁学性质 ：利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。 热学性质：纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。

光学性质 ：由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。 生物医药材料应用 ：纳米粒子比红血细胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由运动，如果利用纳米粒子研制成机器人，注入人体血管内，就可以对人体进行全身健康检查和治疗， 疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可吞噬病毒，杀死癌细胞。在医药方面，可在纳米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能 的药品纳米材料粒子将使药物在人体内的输运更加方便。