摘要：本文简介了材料物理性能及其分类，并着重介绍了近年来发展比较迅速的纳米材料，分析纳米材料的物理性能。
一、材料物理简介
材料物理（Material Physics），一般属于材料科学与工程学院下辖的专业之一。所涉及到的方面主要是材料的宏观及微观结构，尤其是微观结构，材料的物理性能基本参数以及这些参数的物理本质。材料物理是材料科学与工程里面不可或缺的重要组成部分。犹如支撑万丈高楼的基石。材料支撑着人类文明。很多人觉得新世纪是“信息技术”的世界，不过任何技术赖以实现的物质基础还是材料，这一重要地位在人类社会发展到任何阶段都无法改变，而且必将越来越重要。
二、材料物理性能分类
材料可以按一下方面分为几类：
力学性能：压缩强度、剪切性能、硬度、模量（杨氏模量、剪切模量、体模量）等。
物理性能：密度、导热系数、膨胀系数、接地电阻、介电常数、熔点、比热等。 物理化学性能：生成焓、熔化熵等。
光学性能：透光率、折射系数、反射系数、吸收率等。
三、纳米材料的分类及物理性能
随着科学的飞速发展，各种新的材料也应运而生。纳米材料就是近年来最尖端的材料研究方向。下面我们来叙述一下纳米材料的分类及它们的物理性能
3.1纳米材料分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。 纳米粉末
又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性
陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
纳米纤维
指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。
纳米膜
纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。
纳米块体
纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。
3.2 纳米材料物理性能
纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时，纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用，强烈地影响物质的宏观性质。物质的机械、电学、光学等性质的改变，出现了构筑它们的基石达到纳米尺度。例如铜的纳米晶体硬度是微米尺度的5倍，脆性的陶瓷成为易变形的纳米材料，半导体量子阱、量子线和量子点器件的性能要比体材料的性能好得多；当晶体小到纳米尺寸时，由于位错的滑移受到边界的限制而表现出比体材料高很多的硬度；纳米光学材料会有异常的吸收；体表面积的变化使得纳米材料的灵敏度比体材料要高得多；当多层膜的单层厚度达到纳米尺寸时会有巨磁阻效应等。纳米材料之所以能具备独到的特性，是当组成物质中的某一相的某一维的尺度缩小至纳米级，物质的物理性能将出现根本不是它的任一组分所能比拟的改变。材料的光学性能旧。是由其对太阳光的反射性能或吸收性能所决定的。如绿色的树叶表明它吸收了其他波长的光而反射出绿色的特征波。红色的颜料表明它吸收了其他波长的光而反射出红色的特征波。纳米微粒由于其尺寸小到几个纳米或十几个纳米而表现出奇异的小尺寸效应和表面界面效应，因而其光学性能也与常规的块体
及粗颗粒材料不同。纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。比如，玻璃是一种绝缘体，它无法把吸收到的电磁波释放出去，但是重金属汽化后生成的纳米材料却有极强的导电性能，因此可以通过接在防护屏上的地线导出吸收到的静电，从而消除静电对人体造成的危害。另外，电脑屏幕发射出的电磁波的频度并不均匀，因此，在对玻璃表面蒸涂纳米材料时也并不是均匀蒸涂，而是根据电磁波发射频度的变化规律进行蒸涂，以此抵
消电磁波频度变化对纳米材料吸收功能的干扰，消除屏幕光亮闪烁对眼睛造成的伤害，使画面更加清。
3.3 性能分析
因为纳米颗粒具有表面效应和量子尺寸效应，这时纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当，与此同时，颗粒表面的原子、电子与处于颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这个特点对纳米微粒的光学特性有很大的影响。比如，大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围各种波长的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都成黑色，说明它们对可见光的反射率极低。能带理论表明，在高温或宏观尺寸下，金属费米能级附近电子能级一般是连续的。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，且这种离散对材料热力学性质起很大作用。相邻电子能级间距和颗粒直径有着反比关系，即前者随后者的缩小而增大。由于宏观物体包含无限个原子，即导电电子数A 趋向无穷大，大粒子或宏观物体的能级间距几乎为零；而对纳米微粒，所包含原子数有限，A 值很小，这就导致能级间距有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。从紫外到可见光范围内材料的发光问题一直是人们感兴趣的热点课题，这里说的发光是与电子辐射跃迁的微观过程相联系的。纳米结构材料由于颗粒很小，小尺寸会导致量子限域效应，界面结构的无序性使激子，特别是表面激子很容易形成；界面所占的体积很大，界面中存在大量缺陷，例如悬键，不饱和键和杂质等，这就可能在能隙中产生许多附加能隙；纳米结构材料中由于平移周期的破坏，在动量空间常规材料中电子
跃迁的选择定则对纳米材料很可能不适用，这些就会导致纳米结构材料的发光不同于常规材料，有自己的特点。纳米微粒对红外和电磁波有隐身作用，这是因为：
(1)纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波长，对这种波的透过率比常规材料要强得多，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很微弱，从而达到隐身作用；(2)纳米微粒材料的比表面积比常规材料大得多，使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。当前，隐身涂料研究已成为现代军事对抗中的一种手段。正在研制的第四代超音速歼击机，其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层，电磁波吸收型涂料、电磁波屏蔽型
涂料已开始在隐身飞机上涂装。纳米材料因其具有极好的吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性好、质量小和厚度薄等特点，美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超细粉在细化过程中处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性。在微波场的辐射下，原子和电子运动加剧，促使磁化，使电子能转化为热能，从而增加了对磁波的吸收。
参考文献：
【1】 王宏志，高濂，郭景坤，纳米结构材料[J]．硅酸盐通报，1999，(1)：31-38．
【2】 巩雄，张桂兰，汤国庆等，纳米晶体材料研究进展[J]．化学进展，1997，
(9)：349．
【3】 李嘉等，纳米材料的分类及基本结构效应【J 】．现代陶瓷技术，2003，(2)：
26—30．
摘要：本文简介了材料物理性能及其分类，并着重介绍了近年来发展比较迅速的纳米材料，分析纳米材料的物理性能。
一、材料物理简介
材料物理（Material Physics），一般属于材料科学与工程学院下辖的专业之一。所涉及到的方面主要是材料的宏观及微观结构，尤其是微观结构，材料的物理性能基本参数以及这些参数的物理本质。材料物理是材料科学与工程里面不可或缺的重要组成部分。犹如支撑万丈高楼的基石。材料支撑着人类文明。很多人觉得新世纪是“信息技术”的世界，不过任何技术赖以实现的物质基础还是材料，这一重要地位在人类社会发展到任何阶段都无法改变，而且必将越来越重要。
二、材料物理性能分类
材料可以按一下方面分为几类：
力学性能：压缩强度、剪切性能、硬度、模量（杨氏模量、剪切模量、体模量）等。
物理性能：密度、导热系数、膨胀系数、接地电阻、介电常数、熔点、比热等。 物理化学性能：生成焓、熔化熵等。
光学性能：透光率、折射系数、反射系数、吸收率等。
三、纳米材料的分类及物理性能
随着科学的飞速发展，各种新的材料也应运而生。纳米材料就是近年来最尖端的材料研究方向。下面我们来叙述一下纳米材料的分类及它们的物理性能
3.1纳米材料分类
纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。 纳米粉末
又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性
陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。
纳米纤维
指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。
纳米膜
纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。
纳米块体
纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。
3.2 纳米材料物理性能
纳米材料的物理性质和化学性质既不同于宏观物体，也不同于微观的原子和分子。当组成材料的尺寸达到纳米量级时，纳米材料表现出的性质与体材料有很大的不同。在纳米尺度范围内原子及分子的相互作用，强烈地影响物质的宏观性质。物质的机械、电学、光学等性质的改变，出现了构筑它们的基石达到纳米尺度。例如铜的纳米晶体硬度是微米尺度的5倍，脆性的陶瓷成为易变形的纳米材料，半导体量子阱、量子线和量子点器件的性能要比体材料的性能好得多；当晶体小到纳米尺寸时，由于位错的滑移受到边界的限制而表现出比体材料高很多的硬度；纳米光学材料会有异常的吸收；体表面积的变化使得纳米材料的灵敏度比体材料要高得多；当多层膜的单层厚度达到纳米尺寸时会有巨磁阻效应等。纳米材料之所以能具备独到的特性，是当组成物质中的某一相的某一维的尺度缩小至纳米级，物质的物理性能将出现根本不是它的任一组分所能比拟的改变。材料的光学性能旧。是由其对太阳光的反射性能或吸收性能所决定的。如绿色的树叶表明它吸收了其他波长的光而反射出绿色的特征波。红色的颜料表明它吸收了其他波长的光而反射出红色的特征波。纳米微粒由于其尺寸小到几个纳米或十几个纳米而表现出奇异的小尺寸效应和表面界面效应，因而其光学性能也与常规的块体
及粗颗粒材料不同。纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料和结构式隐形材料，以及手机辐射屏蔽材料。比如，玻璃是一种绝缘体，它无法把吸收到的电磁波释放出去，但是重金属汽化后生成的纳米材料却有极强的导电性能，因此可以通过接在防护屏上的地线导出吸收到的静电，从而消除静电对人体造成的危害。另外，电脑屏幕发射出的电磁波的频度并不均匀，因此，在对玻璃表面蒸涂纳米材料时也并不是均匀蒸涂，而是根据电磁波发射频度的变化规律进行蒸涂，以此抵
消电磁波频度变化对纳米材料吸收功能的干扰，消除屏幕光亮闪烁对眼睛造成的伤害，使画面更加清。
3.3 性能分析
因为纳米颗粒具有表面效应和量子尺寸效应，这时纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当，与此同时，颗粒表面的原子、电子与处于颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别，这个特点对纳米微粒的光学特性有很大的影响。比如，大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围各种波长的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都成黑色，说明它们对可见光的反射率极低。能带理论表明，在高温或宏观尺寸下，金属费米能级附近电子能级一般是连续的。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，且这种离散对材料热力学性质起很大作用。相邻电子能级间距和颗粒直径有着反比关系，即前者随后者的缩小而增大。由于宏观物体包含无限个原子，即导电电子数A 趋向无穷大，大粒子或宏观物体的能级间距几乎为零；而对纳米微粒，所包含原子数有限，A 值很小，这就导致能级间距有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，就会导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。从紫外到可见光范围内材料的发光问题一直是人们感兴趣的热点课题，这里说的发光是与电子辐射跃迁的微观过程相联系的。纳米结构材料由于颗粒很小，小尺寸会导致量子限域效应，界面结构的无序性使激子，特别是表面激子很容易形成；界面所占的体积很大，界面中存在大量缺陷，例如悬键，不饱和键和杂质等，这就可能在能隙中产生许多附加能隙；纳米结构材料中由于平移周期的破坏，在动量空间常规材料中电子
跃迁的选择定则对纳米材料很可能不适用，这些就会导致纳米结构材料的发光不同于常规材料，有自己的特点。纳米微粒对红外和电磁波有隐身作用，这是因为：
(1)纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波长，对这种波的透过率比常规材料要强得多，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很微弱，从而达到隐身作用；(2)纳米微粒材料的比表面积比常规材料大得多，使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。当前，隐身涂料研究已成为现代军事对抗中的一种手段。正在研制的第四代超音速歼击机，其机体结构采用复合材料、翼身融合体和吸波涂层，电磁波吸收型涂料、电磁波屏蔽型
涂料已开始在隐身飞机上涂装。纳米材料因其具有极好的吸波特性，同时具备了宽频带、兼容性好、质量小和厚度薄等特点，美、俄、法、德、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究。金属、金属氧化物和某些非金属材料的纳米级超细粉在细化过程中处于表面的原子数越来越多，增大了纳米材料的活性。在微波场的辐射下，原子和电子运动加剧，促使磁化，使电子能转化为热能，从而增加了对磁波的吸收。
参考文献：
【1】 王宏志，高濂，郭景坤，纳米结构材料[J]．硅酸盐通报，1999，(1)：31-38．
【2】 巩雄，张桂兰，汤国庆等，纳米晶体材料研究进展[J]．化学进展，1997，
(9)：349．
【3】 李嘉等，纳米材料的分类及基本结构效应【J 】．现代陶瓷技术，2003，(2)：
26—30．