泰 山 大学
本科毕业论文（设计）
纳米材料的发展及应用
所 在 学 院 物理与电子工程学院 _
专 业 名 称 光信息科学与技术______
申请学士学位所属学科 理 学 __
年 级 二〇〇八级 __
学生姓名、学号 小小 20080801_____
指导教师姓名、职称 路平 教授后 ____
完 成 日 期 二〇一二年五月三十日___
摘要
摘 要
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的超细材料。由纳米粒子组成。随着纳米技
术的不断发展，纳米材料的应用范围越来越广泛。科学家一致认为，在不久的将
来，纳米材料必将成为一种支柱材料
本文简要介绍了纳米材料的分类、性质及纳米材料的发现发展。具体介绍了
纳米材料在陶瓷、微电子、生物、光电、化工等方面的应用。
关键词：纳米材料，表面效应，碳纳米管，分子计算机
I
Abstract
ABSTRACT
Nano material is refers to the grain size for the nano super fine material. The nano
particle composition. With the continuous development of nanotechnology, nanometer
material is widely used in the. Scientists agree that in the near future, nanometer material will become a pillar materials
This paper briefly introduces the nanometer material the classification,
characteristics and nanometer materials found development. Introduced the nanometer
material in ceramics, microelectronics, biological, photoelectricity, chemical and other applications.
Keywords : nano materials, surface effect, carbon nanotubes, molecular computer
II
目录
目录
1．引言 ............................................................................................................................ 1
2．纳米材料的性质及发展 ............................................................................................ 2
2.1 纳米材料的分类 ................................................................................................ 2
2.2 纳米材料的性质 ................................................................................................ 3
2.2.1纳米材料一般性质 ................................................................................... 3
2.2.2纳米材料特殊性质 ................................................................................... 4
2.3 纳米材料的发展历程 ........................................................................................ 5
2.4几种常见的纳米材料 ......................................................................................... 7
3. 纳米材料的应用 ......................................................................................................... 9
3.1纳米材料在陶瓷方面的应用 ............................................................................. 9
3.2纳米材料在微电子学上的应用 ......................................................................... 9
3.3纳米材料在生物工程方面的应用 ................................................................... 10
3.4纳米材料在光电领域的应用 ........................................................................... 10
3.5纳米材料其他方面的应用 ................................................................................11
4. 纳米材料发展前景 ................................................................................................... 12
参考文献 ........................................................................................................................ 14
致 谢 ............................................................................................................................ 15
Ⅲ
1．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。
纳米材料是指颗粒尺寸为纳米级的超细材料。它的微粒尺寸比原子簇粒子大，
小于通常的粒子。它包括体积分数大致相等的两个部分：一个是直径几十纳米微
粒的另一个是两个粒子之间的接口。前者具有长程序的晶状结构，后者是无序结
构。
纳米材料是材料科学研究的一个热点问题，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。
1
2．纳米材料的性质及发展
纳米其实是一种长度单位，1纳米是1米的十亿分之一, 相当于十个氢原子一
个挨一个排起来的长度{1}。
纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也
就是十亿分之一米。略等于四十五个原子排列起来的长度。纳米结构通常是指尺
寸在100纳米以下的微小结构。
米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单
元构成的材料[2]。图1所示为在显微镜下排列的纳米原子。
图1 利用纳米技术将氙原子排成IBM
2.1 纳米材料的分类
纳米材料一般分为：纳米微粒、纳米薄膜、纳米固体。
纳米微粒（如图2所示）又叫纳米粒子。 粒子尺寸范围在1～100 nm 之间,
具有表面效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，在光学、热学、磁学、力学以
及化学方面的性质相比传统材料有显著的不同。。
{3}
图2 纳米颗粒材料
纳米薄膜是由纳米晶粒组成的准二维系统，它具有约占50%的界面组元，因
2
而显示出不同的性质。例如，纳米硅膜具有热稳定性、室温操作、电导率高、改等优点。据估计，纳米薄膜将在压阻传感器、光电磁器件及其它薄膜微电子器件
中发挥重要作用 [4]。
纳米固体是由大量的纳米粒子的三维系统，其界面原子所占比例很高。与传
统材料科学不同，有高热膨胀性、高扩散性、高电导性、高溶解度和界面合金化、
高韧性和低饱和磁化率等许多异常特性，在表面催化、传感器以及工程技术上有
了广泛的应用[5]。
2.2 纳米材料的性质
2.2.1纳米材料一般性质
1. 表面效应
表面效应是由于纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增
大，从而引起性质上的变化。表1给出了粒子尺寸与原子数的关系。
表1 粒子尺寸与原子数的关系
从上表看出，随粒径减小，表面原子数迅速增加。另外，随着粒径的减小，
纳米粒子的表面积迅速增加。表面原子的结合能与内部原子不同。表面原子周围
缺少相邻的原子，具有不饱和性质，易于其他原子结合而稳定下来，因而表现出
很大的化学特性6。 []
2. 量子尺寸效应
粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立
3
能级的现象称为量子尺寸效应。Kubo 求得金属超微粒子的能级间距为：4E/3N 式中E 为费米势能，N 为微粒中的原子数。N 趋向于无限大，因此能级间距趋向于零。纳米粒子因为原子数有限，N 值较小，导致有一定的值。在纳米粒子在一个部门的量子化的波动性，电子能量水平的纳米技术带来一系列的特性。图3显示了纳米尺寸效应。
图3 纳米尺寸效应
3. 宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。
4. 介电限域效应
这些介质折射率比无机半导体低，纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中，粒子被空气﹑聚合物等介质所包围，而这些介质的折射率比无机半导体低。光照射时，由于折射率不同，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面光强增大了。
上述的表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域应都是纳米材料的基本特征，这一系列效应导致了纳米材料显示出特殊的性能。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的理化性质7。 []
2.2.2纳米材料特殊性质
纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著影响，使之性质发生改变8。 []
1. 力学性质
4
具有纳米结构的平方成反比材料的屈服强度和大小。纳米材料脱位的密度很低, 混乱滑符合Frank-Reed 扩散模型, 球迷们混乱的材料、核扩散和滑动不会发生, 这是纳米强化效果。通过纳米技术的使用，超细晶粒材料制成的纳米技术，其韧性、硬度大幅提高，使它在许多领域的主导地位。纳米技术的应用使陶瓷、纤维广泛应用于航空、航天石油钻探, 恶劣的环境下使用。
2. 磁学性质
纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可用于信息存储读出磁头，具有很高的灵敏度。纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收效率比传统粗晶材料低得多，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
3. 热学性质
纳米材料的比热大于同类粗晶材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、界面原子耦合作用变弱造成的结果。因此在储热材料、纳米机械耦合性能应用方面有很大的应用前景。
4. 光学性质
纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。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[9]。
2.3 纳米材料的发展历程
1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。
首先对纳米材料进行研究的是日本，但受当时水平的限制，所造出的超微铅粉，性能很不稳定。
到了20世纪60年代对纳米粒子开始进行研究。1963年，用气体蒸发冷凝法制造出金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。
1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议，正式宣布纳米材料
5
科学为材料科学的一个新分支{10}。
自20世纪70年代纳米颗粒材料被发现出以后，其研究大致可划分为三个阶段：
第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室用不同的方式去探索各种材料制备纳米微粒的粉末。研究评估表征的方法，研究对象一般局限在单相材料和单一材料，科学家通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料[7]。图4为纳米晶制备的铁芯。
图4 纳米晶铁芯
第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米材料（如图5所示），复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。
图5 纳米复合材料
第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。图6为利用纳米颗粒和纳米丝人工组装的骨骼[11]。
6
图6 纳米组装骨骼
2.4几种常见的纳米材料
1. 碳纳米管
1991年，碳纳米管（如图7所示）被发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍。诺贝尔奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
图7 聚丙烯氯化铵、聚苯乙烯磺酸盐、纳米管SEM 和TEM 图
2. 碳纳米秤
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时发明了世界上最小的秤，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量。其称量原理类似利用弹簧的震荡特性来测算出物体质量。弹簧就是一个极微细的碳管，通过测量碳纳米管的振动频率可以测出在碳纳米管自由端顶部的微小质量。图8为美国研制的碳纳米称。
7
图8 碳纳米秤
3. 纳米发电机
2004年2月欧洲科学院院士，国际固体微结构分析与信息功能材料方面的著名专家王中林，和他领导的孔向阳博士和丁勇博士在世界上首次发现由单晶体纳米带环绕而形成的封闭式环形纳米结构，成果发表在《科学》杂志。
2005年9月王中林和博士生高普献、博士后丁勇等创建纳米世界的螺旋结构，开拓功能氧化物钠米结构研究与应用的新领域。
2006年4月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机[12]。
8
3. 纳米材料的应用
世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的决定性技术 有人曾经预测在 21 世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的决定性技术，由此纳米材料将成为最有前途的材料[13]。
3.1纳米材料在陶瓷方面的应用
陶瓷材主要材料之一，在日常生活中起着非常重要的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，使之应用受到很大限制。随着纳米技术的迅速发展，纳米陶瓷随之产生，从而克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性[12]。
传统陶瓷材料很脆弱，但是由纳米超微颗粒压制成的纳米材料有很好的韧性， 主要是因为这种材料的界面和比表面积，界面的原子在外力压力的作用下具有很高的扩散速率，因而可以表现出很高的韧性。虽然纳米陶瓷有许多技术要解决，但它能在室温下加工和高温下的特性，使之在刀具、轴承、汽车发动机零件方面有着不可替代的作用，具有广阔的前景 [13]。
3.2纳米材料在微电子学上的应用
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，包括纳米有序阵列体系、纳米微粒的组装体系。纳米电子学是将集成电路缩小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。 目前，纳米电子公司已成功开发了各种纳米器件。单电子电晶体，可调纳米发光二极管和使用纳米丝、超微磁探测仪器一经问世。并且，具有特殊性质的碳纳米管已经研制成功，为发展纳米电子发挥了重要作用[14]。
碳纳米管是制造新一代平面显示屏的好材料。自从1991年Iijima 发表纳米碳管的文章以后，纳米碳管在场发射方面被显示业界看好，公认这种新材料可以在传统十分之一的电场下发射出超过过去千倍强度的电子束。使用具有高度定向性
9
的单壁碳纳米管作为电子发送材料，可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。
纳米电子学立足最新的物理理论，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存、处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学必将成为对世纪信息时代的核心[15]。
3.3纳米材料在生物工程方面的应用
分子是保持相同的化学性质的最小单位。生物分子是非常好的信息处理材料, 每个生物大分子本身就是一个微处理器，分子运动在某一特定的状态发生变化时，其原理类似于电脑开关的逻辑，使用特点并结合纳米技术, 利用这个原理可以设计分子计算机器。
虽然分子计算机只在理想的阶段, 但科学家们正在考虑, 做一个电脑组件，这些细菌视紫红质最有前途的再生。生物材料具有特定的物理和化学性质、稳定性好，奇特的光学环流特征可以用来存储信息, 从而起到当今计算机信息处理和信息存储的作用。
纳米技术导入计算机，讲师当今信息时代发生质的飞跃。它将打破传统的限制，是存储单位体积材料和信息处理能力超过一百万次，实现电子产品的另一次革命[16]
3.4纳米材料在光电领域的应用
纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。
1. 红外反射材料
高压钠灯和各种用于拍摄，录像带碘弧光灯需要很强的光，而只有69%的电能到到红外线，这显示了大量的电能变成热量消耗能源，只有一个小部分转化为光能。纳米粒子的诞生为解决这个问题提供了一种新的途径。人们用纳米红外反射材料，提高灯具的反射能力，与传统技术相比，可以节省大约15%的电力。
2. 优异的光吸收材料
10
纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米颗粒对于不同波长的光吸收具有宽移现象；纳米颗粒粉对各种波长光吸收现象。紫外吸收材料就是应用了这两个属性。通常纳米粒子紫外吸收材料是纳米粒子分散的树脂膜，这种膜的紫外吸收能力的大小取决于纳米颗粒和树脂纳米粒子。
3. 隐身材料
因为纳米微粒尺寸小于红外及雷达波波长，所以纳米微粒材料对波的透过率比常规材料要强很多，这样就能大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得非常微弱，从而达到隐身的作用[17]。图10为显微镜下的纳米隐身材料。纳米隐身材料在航空航天领域具有广泛的应用。
图10 纳米级隐身材料
3.5纳米材料其他方面的应用
在家电方面。用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
环境保护科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
纺织工业中在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO 、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制德满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
在机械工业上，采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命 [19]。
11
4. 纳米材料发展前景
在充满生机的21世纪，信息、能源、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小。纳米材料和纳米结构是材料领域中最活跃的。对未来的经济和社会的发展有着非常重要的影响的研究对象，也是最活跃的纳米技术，最接近应用程序的一个重要组成部分。纳米材料和纳米结构的应用为新工业和改造传统产业步入高科技内容提供新的机遇 [20]。
2010年，全球纳米材料区域分布中（见图11），北美和欧洲市场占据前两位。欧洲市场上纳米材料多用于医药领域，众多医药公司分布其中。在亚洲市场，由于政府逐渐增强的环保意识和对特殊材料的强烈需求，使得近五年来，亚洲纳米材料发展迅猛。2010年全球纳米材料市场分布
图11全球纳米市场纳米分布图
由于纳米材料独特的性能，在建筑、环境、健康等领域有强大的需求，未来纳米材料市场规模依然十分客观。市场需求驱动下未来纳米材料市场前景中科战略未来纳米材料以独特的导电性能在电子电气设备发展潜力显著，全球经济的衰退使得设备价格大跌，降低产品生产成本将成为众多商家的选择。纳米材料在包装行业、能源行业的应用为纳米材料提供新的发展空间 [21]。
纳米材料的工业化和产业化道路还很长。我们必须遵循高新技术成果产业化的共同规律，经过科学发现、测试和应用研究、市场发展、工业化和其他七个过程。在科学发现和测试过程中，中国和美国、日本以及其他先进国家差距并不大，
12
大事从测试到工业生产的五个环中，中国仍然处于落后状态。我们必须大力把纳米科学技术转化为生产力 [22]。
13
参考文献
[1] 袁哲俊. 纳米科学与技术[M ].哈尔滨:哈工大出版社, 2002:1-13.
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[5] 谈智勇, 吴勘, 谭镜明. 关于纳米TiO 在水基体系中分散的研究. 广东南方涂饰
[J ],2006,14(3):6-29.
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[8] 施利益. 纳米材料[M ].上海:华东理工大学出版社, 2010:133-342.
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[10] 喻强, 郝保红. 纳米粒子的制备方法及应用[J ].北京石油化工学院学报，
2003,11(4):61-64．
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[20] 江雷, 冯琳. 仿生智能纳米界面材料[M ].北京:化学工业出版, 2007:268-283.
[21] 张立德, 李爱莉, 端夫. 奇妙的纳米世界[M ].北京:化学工业出版, 2004:73-115.
[22] 姚康德, 许美萱. 智能材料[M ].天津:天津大学出版社, 1996:313-324.
14
致 谢
在本次论文设计过程中，教授侯老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中, 老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示衷心的感谢。
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纳米材料的发展及应用
所 在 学 院 物理与电子工程学院 _
专 业 名 称 光信息科学与技术______
申请学士学位所属学科 理 学 __
年 级 二〇〇八级 __
学生姓名、学号 小小 20080801_____
指导教师姓名、职称 路平 教授后 ____
完 成 日 期 二〇一二年五月三十日___
摘要
摘 要
纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级的超细材料。由纳米粒子组成。随着纳米技
术的不断发展，纳米材料的应用范围越来越广泛。科学家一致认为，在不久的将
来，纳米材料必将成为一种支柱材料
本文简要介绍了纳米材料的分类、性质及纳米材料的发现发展。具体介绍了
纳米材料在陶瓷、微电子、生物、光电、化工等方面的应用。
关键词：纳米材料，表面效应，碳纳米管，分子计算机
I
Abstract
ABSTRACT
Nano material is refers to the grain size for the nano super fine material. The nano
particle composition. With the continuous development of nanotechnology, nanometer
material is widely used in the. Scientists agree that in the near future, nanometer material will become a pillar materials
This paper briefly introduces the nanometer material the classification,
characteristics and nanometer materials found development. Introduced the nanometer
material in ceramics, microelectronics, biological, photoelectricity, chemical and other applications.
Keywords : nano materials, surface effect, carbon nanotubes, molecular computer
II
目录
目录
1．引言 ............................................................................................................................ 1
2．纳米材料的性质及发展 ............................................................................................ 2
2.1 纳米材料的分类 ................................................................................................ 2
2.2 纳米材料的性质 ................................................................................................ 3
2.2.1纳米材料一般性质 ................................................................................... 3
2.2.2纳米材料特殊性质 ................................................................................... 4
2.3 纳米材料的发展历程 ........................................................................................ 5
2.4几种常见的纳米材料 ......................................................................................... 7
3. 纳米材料的应用 ......................................................................................................... 9
3.1纳米材料在陶瓷方面的应用 ............................................................................. 9
3.2纳米材料在微电子学上的应用 ......................................................................... 9
3.3纳米材料在生物工程方面的应用 ................................................................... 10
3.4纳米材料在光电领域的应用 ........................................................................... 10
3.5纳米材料其他方面的应用 ................................................................................11
4. 纳米材料发展前景 ................................................................................................... 12
参考文献 ........................................................................................................................ 14
致 谢 ............................................................................................................................ 15
Ⅲ
1．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。
纳米材料是指颗粒尺寸为纳米级的超细材料。它的微粒尺寸比原子簇粒子大，
小于通常的粒子。它包括体积分数大致相等的两个部分：一个是直径几十纳米微
粒的另一个是两个粒子之间的接口。前者具有长程序的晶状结构，后者是无序结
构。
纳米材料是材料科学研究的一个热点问题，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。
1
2．纳米材料的性质及发展
纳米其实是一种长度单位，1纳米是1米的十亿分之一, 相当于十个氢原子一
个挨一个排起来的长度{1}。
纳米是一种几何尺寸的度量单位，1纳米为百万分之一毫米，即1毫微米，也
就是十亿分之一米。略等于四十五个原子排列起来的长度。纳米结构通常是指尺
寸在100纳米以下的微小结构。
米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单
元构成的材料[2]。图1所示为在显微镜下排列的纳米原子。
图1 利用纳米技术将氙原子排成IBM
2.1 纳米材料的分类
纳米材料一般分为：纳米微粒、纳米薄膜、纳米固体。
纳米微粒（如图2所示）又叫纳米粒子。 粒子尺寸范围在1～100 nm 之间,
具有表面效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，在光学、热学、磁学、力学以
及化学方面的性质相比传统材料有显著的不同。。
{3}
图2 纳米颗粒材料
纳米薄膜是由纳米晶粒组成的准二维系统，它具有约占50%的界面组元，因
2
而显示出不同的性质。例如，纳米硅膜具有热稳定性、室温操作、电导率高、改等优点。据估计，纳米薄膜将在压阻传感器、光电磁器件及其它薄膜微电子器件
中发挥重要作用 [4]。
纳米固体是由大量的纳米粒子的三维系统，其界面原子所占比例很高。与传
统材料科学不同，有高热膨胀性、高扩散性、高电导性、高溶解度和界面合金化、
高韧性和低饱和磁化率等许多异常特性，在表面催化、传感器以及工程技术上有
了广泛的应用[5]。
2.2 纳米材料的性质
2.2.1纳米材料一般性质
1. 表面效应
表面效应是由于纳米粒子表面原子与总原子数之比随着粒径的变小而急剧增
大，从而引起性质上的变化。表1给出了粒子尺寸与原子数的关系。
表1 粒子尺寸与原子数的关系
从上表看出，随粒径减小，表面原子数迅速增加。另外，随着粒径的减小，
纳米粒子的表面积迅速增加。表面原子的结合能与内部原子不同。表面原子周围
缺少相邻的原子，具有不饱和性质，易于其他原子结合而稳定下来，因而表现出
很大的化学特性6。 []
2. 量子尺寸效应
粒子尺寸下降到一定值时，费米能级接近的电子能级由准连续能级变为分立
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能级的现象称为量子尺寸效应。Kubo 求得金属超微粒子的能级间距为：4E/3N 式中E 为费米势能，N 为微粒中的原子数。N 趋向于无限大，因此能级间距趋向于零。纳米粒子因为原子数有限，N 值较小，导致有一定的值。在纳米粒子在一个部门的量子化的波动性，电子能量水平的纳米技术带来一系列的特性。图3显示了纳米尺寸效应。
图3 纳米尺寸效应
3. 宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量，可以穿越宏观系统的势垒产生变化，故称为宏观的量子隧道效应。
4. 介电限域效应
这些介质折射率比无机半导体低，纳米粒子的介电限域效应较少不被注意到。实际样品中，粒子被空气﹑聚合物等介质所包围，而这些介质的折射率比无机半导体低。光照射时，由于折射率不同，邻近纳米半导体表面的区域﹑纳米半导体表面光强增大了。
上述的表面效应﹑量子尺寸效应﹑宏观量子隧道效应和介电限域应都是纳米材料的基本特征，这一系列效应导致了纳米材料显示出特殊的性能。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的理化性质7。 []
2.2.2纳米材料特殊性质
纳米材料高度的弥散性和大量的界面为原子提供了短程扩散途径，导致了高扩散率，它对蠕变，超塑性有显著影响，使之性质发生改变8。 []
1. 力学性质
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具有纳米结构的平方成反比材料的屈服强度和大小。纳米材料脱位的密度很低, 混乱滑符合Frank-Reed 扩散模型, 球迷们混乱的材料、核扩散和滑动不会发生, 这是纳米强化效果。通过纳米技术的使用，超细晶粒材料制成的纳米技术，其韧性、硬度大幅提高，使它在许多领域的主导地位。纳米技术的应用使陶瓷、纤维广泛应用于航空、航天石油钻探, 恶劣的环境下使用。
2. 磁学性质
纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可用于信息存储读出磁头，具有很高的灵敏度。纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收效率比传统粗晶材料低得多，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。
3. 热学性质
纳米材料的比热大于同类粗晶材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、界面原子耦合作用变弱造成的结果。因此在储热材料、纳米机械耦合性能应用方面有很大的应用前景。
4. 光学性质
纳米粒子的粒径远小于光波波长。与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应用广泛。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[9]。
2.3 纳米材料的发展历程
1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。
首先对纳米材料进行研究的是日本，但受当时水平的限制，所造出的超微铅粉，性能很不稳定。
到了20世纪60年代对纳米粒子开始进行研究。1963年，用气体蒸发冷凝法制造出金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。
1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议，正式宣布纳米材料
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科学为材料科学的一个新分支{10}。
自20世纪70年代纳米颗粒材料被发现出以后，其研究大致可划分为三个阶段：
第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室用不同的方式去探索各种材料制备纳米微粒的粉末。研究评估表征的方法，研究对象一般局限在单相材料和单一材料，科学家通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料[7]。图4为纳米晶制备的铁芯。
图4 纳米晶铁芯
第二阶段（1990~1994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米材料（如图5所示），复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。
图5 纳米复合材料
第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。图6为利用纳米颗粒和纳米丝人工组装的骨骼[11]。
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图6 纳米组装骨骼
2.4几种常见的纳米材料
1. 碳纳米管
1991年，碳纳米管（如图7所示）被发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍。诺贝尔奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。
图7 聚丙烯氯化铵、聚苯乙烯磺酸盐、纳米管SEM 和TEM 图
2. 碳纳米秤
1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管强度和柔韧性实验时发明了世界上最小的秤，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于—个病毒的重量。其称量原理类似利用弹簧的震荡特性来测算出物体质量。弹簧就是一个极微细的碳管，通过测量碳纳米管的振动频率可以测出在碳纳米管自由端顶部的微小质量。图8为美国研制的碳纳米称。
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图8 碳纳米秤
3. 纳米发电机
2004年2月欧洲科学院院士，国际固体微结构分析与信息功能材料方面的著名专家王中林，和他领导的孔向阳博士和丁勇博士在世界上首次发现由单晶体纳米带环绕而形成的封闭式环形纳米结构，成果发表在《科学》杂志。
2005年9月王中林和博士生高普献、博士后丁勇等创建纳米世界的螺旋结构，开拓功能氧化物钠米结构研究与应用的新领域。
2006年4月王中林和博士生宋金会成功地在纳米尺度范围内将机械能转换成电能，研制出世界上最小的发电机——纳米发电机[12]。
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3. 纳米材料的应用
世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的决定性技术 有人曾经预测在 21 世纪纳米技术将成为超过技术和基因技术的决定性技术，由此纳米材料将成为最有前途的材料[13]。
3.1纳米材料在陶瓷方面的应用
陶瓷材主要材料之一，在日常生活中起着非常重要的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，使之应用受到很大限制。随着纳米技术的迅速发展，纳米陶瓷随之产生，从而克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性[12]。
传统陶瓷材料很脆弱，但是由纳米超微颗粒压制成的纳米材料有很好的韧性， 主要是因为这种材料的界面和比表面积，界面的原子在外力压力的作用下具有很高的扩散速率，因而可以表现出很高的韧性。虽然纳米陶瓷有许多技术要解决，但它能在室温下加工和高温下的特性，使之在刀具、轴承、汽车发动机零件方面有着不可替代的作用，具有广阔的前景 [13]。
3.2纳米材料在微电子学上的应用
纳米电子学是纳米技术的重要组成部分，包括纳米有序阵列体系、纳米微粒的组装体系。纳米电子学是将集成电路缩小，研制出由单原子或单分子构成的在室温能使用的各种器件。 目前，纳米电子公司已成功开发了各种纳米器件。单电子电晶体，可调纳米发光二极管和使用纳米丝、超微磁探测仪器一经问世。并且，具有特殊性质的碳纳米管已经研制成功，为发展纳米电子发挥了重要作用[14]。
碳纳米管是制造新一代平面显示屏的好材料。自从1991年Iijima 发表纳米碳管的文章以后，纳米碳管在场发射方面被显示业界看好，公认这种新材料可以在传统十分之一的电场下发射出超过过去千倍强度的电子束。使用具有高度定向性
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的单壁碳纳米管作为电子发送材料，可以缩短电子到屏幕之间的距离，使得制造更薄的壁挂电视成为可能。
纳米电子学立足最新的物理理论，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存、处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，纳米电子学必将成为对世纪信息时代的核心[15]。
3.3纳米材料在生物工程方面的应用
分子是保持相同的化学性质的最小单位。生物分子是非常好的信息处理材料, 每个生物大分子本身就是一个微处理器，分子运动在某一特定的状态发生变化时，其原理类似于电脑开关的逻辑，使用特点并结合纳米技术, 利用这个原理可以设计分子计算机器。
虽然分子计算机只在理想的阶段, 但科学家们正在考虑, 做一个电脑组件，这些细菌视紫红质最有前途的再生。生物材料具有特定的物理和化学性质、稳定性好，奇特的光学环流特征可以用来存储信息, 从而起到当今计算机信息处理和信息存储的作用。
纳米技术导入计算机，讲师当今信息时代发生质的飞跃。它将打破传统的限制，是存储单位体积材料和信息处理能力超过一百万次，实现电子产品的另一次革命[16]
3.4纳米材料在光电领域的应用
纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。
1. 红外反射材料
高压钠灯和各种用于拍摄，录像带碘弧光灯需要很强的光，而只有69%的电能到到红外线，这显示了大量的电能变成热量消耗能源，只有一个小部分转化为光能。纳米粒子的诞生为解决这个问题提供了一种新的途径。人们用纳米红外反射材料，提高灯具的反射能力，与传统技术相比，可以节省大约15%的电力。
2. 优异的光吸收材料
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纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米颗粒对于不同波长的光吸收具有宽移现象；纳米颗粒粉对各种波长光吸收现象。紫外吸收材料就是应用了这两个属性。通常纳米粒子紫外吸收材料是纳米粒子分散的树脂膜，这种膜的紫外吸收能力的大小取决于纳米颗粒和树脂纳米粒子。
3. 隐身材料
因为纳米微粒尺寸小于红外及雷达波波长，所以纳米微粒材料对波的透过率比常规材料要强很多，这样就能大大减少波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得非常微弱，从而达到隐身的作用[17]。图10为显微镜下的纳米隐身材料。纳米隐身材料在航空航天领域具有广泛的应用。
图10 纳米级隐身材料
3.5纳米材料其他方面的应用
在家电方面。用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
环境保护科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。
纺织工业中在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO 、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制德满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
在机械工业上，采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命 [19]。
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4. 纳米材料发展前景
在充满生机的21世纪，信息、能源、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小。纳米材料和纳米结构是材料领域中最活跃的。对未来的经济和社会的发展有着非常重要的影响的研究对象，也是最活跃的纳米技术，最接近应用程序的一个重要组成部分。纳米材料和纳米结构的应用为新工业和改造传统产业步入高科技内容提供新的机遇 [20]。
2010年，全球纳米材料区域分布中（见图11），北美和欧洲市场占据前两位。欧洲市场上纳米材料多用于医药领域，众多医药公司分布其中。在亚洲市场，由于政府逐渐增强的环保意识和对特殊材料的强烈需求，使得近五年来，亚洲纳米材料发展迅猛。2010年全球纳米材料市场分布
图11全球纳米市场纳米分布图
由于纳米材料独特的性能，在建筑、环境、健康等领域有强大的需求，未来纳米材料市场规模依然十分客观。市场需求驱动下未来纳米材料市场前景中科战略未来纳米材料以独特的导电性能在电子电气设备发展潜力显著，全球经济的衰退使得设备价格大跌，降低产品生产成本将成为众多商家的选择。纳米材料在包装行业、能源行业的应用为纳米材料提供新的发展空间 [21]。
纳米材料的工业化和产业化道路还很长。我们必须遵循高新技术成果产业化的共同规律，经过科学发现、测试和应用研究、市场发展、工业化和其他七个过程。在科学发现和测试过程中，中国和美国、日本以及其他先进国家差距并不大，
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大事从测试到工业生产的五个环中，中国仍然处于落后状态。我们必须大力把纳米科学技术转化为生产力 [22]。
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致 谢
在本次论文设计过程中，教授侯老师对该论文从选题，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 使我得以最终完成毕业论文设计。在学习中, 老师严谨的治学态度、丰富渊博的知识、敏锐的学术思维、精益求精的工作态度以及侮人不倦的师者风范是我终生学习的楷模，导师们的高深精湛的造诣与严谨求实的治学精神，将永远激励着我。这三年中还得到众多老师的关心支持和帮助。在此，谨向老师们致以衷心的感谢和崇高的敬意！
最后，我要向百忙之中抽时间对本文进行审阅，评议和参与本人论文答辩的各位老师表示衷心的感谢。
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