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：
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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100nm 及其以下，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 ]。
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TiO2陶瓷在室温下就能发生塑性形变，在180℃下塑性变形可达100 %。若试样中存在微裂纹，在180℃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(Y—TZP)当晶粒尺寸为150nm时，材料可在1250℃下呈现超塑性。且起始应变速率达到3×10-2 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1300℃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100℃下，纳米TiO2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4.5～7.5MPa m1/2，断裂强度σS为850～1400MPa，最高工作温度可达1200～1500℃。
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Sialon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
2.2 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。上述粒径分别相当于Fe ，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
3 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α—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2～10nm的V—Fe2O3 ，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 ℃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[9 ] 。如SnO2[10 ] 、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：
[1] Birringer R，Herr U，Gleiter H. Trans. Jpn. Inst.Matal.Suppl，1986，27:43 —47.
[2] Cahn R W. Nature，1988 ，332 ;112—113.
[3] Wu X J， Su F. Maler， Res. Symp. Proe， 1993， 286:149—154.
[4] Karch， Birringer R. Gleiter H， Nature， 1987， 330:556—558.
[5] 郭景坤等1 硅酸盐学报，1992 ，20(3):286—291.
[6] Siegel R. Ramasamy S，Hahn H，et al，J，Mater，Res，1988，3:1367—1372.
[7] Nnhara K et al Mater Res Sec Symp proc. 1993:286.
[8] 侯万国等1 化工进展，1992，5，259.
[9] Birkfeld L D，Azad Adal M，Akbor S. A，J . Amer. Ce-ram. Soc，1992，75(1):2964.
[10] 五百藏弘曲1 电气化学，1982;50:99.
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
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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100nm 及其以下，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 ]。
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TiO2陶瓷在室温下就能发生塑性形变，在180℃下塑性变形可达100 %。若试样中存在微裂纹，在180℃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(Y—TZP)当晶粒尺寸为150nm时，材料可在1250℃下呈现超塑性。且起始应变速率达到3×10-2 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1300℃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100℃下，纳米TiO2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4.5～7.5MPa m1/2，断裂强度σS为850～1400MPa，最高工作温度可达1200～1500℃。
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Sialon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
2.2 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。上述粒径分别相当于Fe ，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
3 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α—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2～10nm的V—Fe2O3 ，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 ℃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[9 ] 。如SnO2[10 ] 、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：
[1] Birringer R，Herr U，Gleiter H. Trans. Jpn. Inst.Matal.Suppl，1986，27:43 —47.
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[7] Nnhara K et al Mater Res Sec Symp proc. 1993:286.
[8] 侯万国等1 化工进展，1992，5，259.
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[10] 五百藏弘曲1 电气化学，1982;50:99.