页数：95页文件大小：9.79 MB来源： 材料化学ppt课件
本课件从纳米尺度概念切入，系统介绍原子团簇、纳米颗粒、碳纳米管、超晶格、纳米超薄膜与纳米固体等主要类型，分析小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应与宏观量子隧道效应，归纳纳米材料的光学、热学、电学、磁学与力学特性，并讲解物理法、化学法与综合法制备路线及应用方向。
纳米材料章节封面：本页为本章封面，标示课程名《材料化学》与本章主题。
本章教学要点
【引例】20世纪90年代
【引例】20世纪90年代美国国家关键技术委员会向总统提交了一份国家关键技术报告，指出：采用先进的纳米技术可生产纳米机械装置和传感器。
纳米电子技术和纳米制造技术的发展促进了纳米传感器的诞生，这将极大丰富传感器的理论，拓宽传感器的应用领域。
【引例】20世纪90年代（续）
纳米材料能吸附周围气体和光，使电性质发生变化，出现升温现象等，利用界面效应、尺寸效应、量子效应有可能制成传感器。传感器的研究开发与纳米材料相比，其应用方面更加具体化，传感器上所用的纳米材料主要是陶瓷材料。
【引例】20世纪90年代（续）
未来的战争将是一场信息战，信息战的重要特征之一就是窃取和反窃取情报。将纳米传感器用空投或其他方法投入到所需的地方，构成一个分布式传感器网络，以搜集情报。
或者用纳米机器人组成一支规模宏大的“机器虫”部队，携带各种功能的纳米传感器去执行特殊任务。纳米传感器（如图9-1）不仅可以在未来战争中大显身手，在医学中也有用武之地，在临床手术上利用纳米传感器提供的实时信息，可提高手术的成功率。
在药物制剂中，直径在微米或纳米级药物微粒的研究己成为国内外药剂学的研究热点。
纳米传感器：本页为图示（图9-1），图9-1纳米传感器。
9.1纳米材料的概念：本章主要内容9.1纳米材料的概念9.2纳米材料的种类9.3纳米材料的特性9.4纳米材料的制备9.5纳米材料的应用
§9.1纳米材料的概念
§9.1纳米材料的概念纳米是一种长度单位，lnm等于10亿分之一米，相当于头发丝直径的十万分之一。化学以原子和分子为研究对象，其尺度通常小于lnm；凝聚态物理则以尺度大于100nm的固态物质为研究对象。
显然，在这两个领域之间存在一个范围为1~100nm的尺度空隙，即所谓纳米尺度，图9-2为纳米尺度与物体尺寸比较。
§9.1纳米材料的概念（续）
人们发现，当物质达到纳米尺度后，将具有传统材料所不具备的物理、化学性能，表现出独特的光、电、磁和化学特性等。因此，人们把处于纳米尺度的材料从传统材料中分离开来，称为纳米材料(nanomaterials)或纳米结构材料(nanostructuredmaterials)。
§9.1纳米材料的概念（续）
广义地说，纳米材料指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100nm)调制的固体超细材料，或以其为基本单元构成的材料。
与纳米材料研究相关的学科称为纳米科学技术。
§9.1纳米材料的概念（续）
纳米科学技术是20世纪80年代末出现并正在飞速发展，融介观体系物理、量子力学等现代科学为一体，与超微细加工、计算机、扫描隧道显微镜等先进工程技术相结合的多方位、多学科的新科技。
纳米科学技术是在纳米尺度范围内认识和改造自然，通过直接操作或安排原子、分子而创造新物质。它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代。
纳米尺度与物体尺寸比较：本页为图示（图9-2），图9-2纳米尺度与物体尺寸比较。
（1）实验室制备
纳米科技主要包括纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学七个相对独立又相互渗透的学科，及纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征三个研究领域。
其中，纳米物理学和纳米化学为纳米技术提供了理论依据，纳米电子学是纳米技术的最重要内容，而纳米材料的制备和研究则是整个纳米科技的基础。
纳米材料的发展分为三个阶段：（1）实验室制备各种纳米粉体、合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料的性能；（2）设计纳米复合材料；（3）组装纳米体系。
其中人工组装合成的纳米体系越来越受到人们关注。
§9.2纳米材料的种类：§9.2纳米材料的种类纳米材料的种类繁多根据化学组成和结构不同，可分为纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料和纳米复合材料；根据力学性能不同，可分为纳米增强陶瓷材料、纳米改性高分子材料、纳米耐磨及润滑材料等；根据光学性能不同，可分为纳米吸波(隐身)材料、光过滤材料、光导电材料、纳米抗紫外线材料等；以电子性能划分，可分为纳米半导体传感器材料、纳米超纯电子浆料；
§9.2纳米材料的种类（续）：以磁性能划分，有高密度磁记录介质材料、磁流体、纳米磁性吸波材料、纳米磁性药物等；以热学性能划分，有纳米热交换材料、低温烧结材料、特种非平衡合金等；以生物和医用性能划分，有纳米药物、纳米骨和齿修复材料、纳米抗菌材料；以表面活性划分，则有纳米催化材料、吸附材料、防污环境材料等。
§9.2纳米材料的种类（续）
在纳米材料研究中，通常按维数不同，把纳米材料的基本单元分为零维、一维和二维。零维纳米材料指空间三维尺度均在纳米尺度范围，如纳米颗粒、原子团簇等；一维纳米材料指空间中有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米管、纳米棒等；二维纳米材料指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。
此外，由这些低维纳米材料作为基本单元构成的块状材料，可划分为三维纳米材料，其纳米单元作为纳米相存在于块状材料中。
1.原子团簇ato
是介于单个原子与固态块体之间的原子集合体，其尺寸一般小于lnm，约含几个到几百个原子。根据其组成不同，可分为一元、二元、多元原子团簇以及原子簇化合物。
原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学键结合成的化合物，有线状、层状、管状、洋葱状、球状等。1.原子团簇(atomic clusters)
1.原子团簇ato（续）
原子团簇是由原子、分子的微观尺寸向宏观尺寸的过渡阶段，具有许多奇特的性质，如原子稳定性，气、液、固态的并存与转化，极大的表面/体积比，异常高的化学和催化活性，结构的多样性和排列的非周期性等。
原子团簇的奇特性质是纳米材料许多特性的科学基础。
1.原子团簇ato（续）
原子团簇中最典型的是富勒烯(fullerenes)，于1985年被发现，是继金刚石和石墨之后碳元素的第三种晶体形态。图9-3 C60的结构示意图C60是最先发现的富勒烯，由60个碳原子构成，与足球拥有完全相同的外型(如图9-3)。
60个碳原子处于60个顶点上，构成20个正六边形与12个正五边形组成的球形32面体，其大小仅有0.7nm。C60有着无数优异的性质，它本身是半导体，掺杂后可变成临界温度很高的超导体，由它衍生出的碳纳米管比相同直径的金属强度高100万倍。
（1）理论计算原子团簇：目前，原子团簇的研究工作主要有两方面：（1）理论计算原子团簇的原子结构、键长、键角和排列能量最小的可能存在结构；（2）实验研究原子团簇的结构与特性，制备原子团，并设法保持其原有特性压制成块，开展相关的应用研究。
2.纳米颗粒nanoparticl
指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，其尺度大于原子团簇，小于通常的微粉，一般在1~l00nm之间，需用高分辨的电子显微镜观察。
纳米颗粒与原子团簇不同，一般不具有幻数效应。但纳米颗粒的比表面积远大于块体材料，这使其电子状态发生突变。己经发现，当粒子尺寸进入纳米量级时，粒子将具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，表现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。
2.纳米颗粒(nanoparticles)
3.碳纳米管car
是1991年才被发现的一种碳结构。理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，管两端一般由含五边形的半球面网格封口(如图9-4)。
石墨烯的片层一般可以从一层到上百层，含有一层石墨烯片层的称为单壁碳纳米管(singlewalled carbon nanotubes，SWNT)；两层的称为双壁碳纳米管(double walled carbon nanotubes，DWNT)；多于两层的称为多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotubes，MWNT)。
3.碳纳米管(carlon nanotubes)图9-4碳纳米管结构示意图
3.碳纳米管car（续）
SWNT的直径一般为1~6nm，最小直径大约为0.5nm，与C36分子的直径相当。SWNT管的长度可达几百纳米到几个微米，因SWNT的最小直径与富勒烯分子类似，故也称为富勒管。
MWNT的层间距约为0.34nm，直径在几个纳米到几十纳米，长度一般在微米量级，最长者可达数毫米。由于碳纳米管具有较大的长径比，所以可看成为准一维纳米材料。
3.碳纳米管car（续）
碳纳米管的尺寸尽管很小，但其电导率却是铜的1万倍，强度是钢的100倍，而重量只有钢的七分之一。它像金刚石一样硬，却有柔韧性，可以拉伸，它的熔点是已知材料中最高的。
3.碳纳米管car（续）
由于碳纳米管的独特性能，使其在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域；在材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域；其是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应催化剂的优良载体；
3.碳纳米管car（续）
在军事方面，利用它对波的吸收、折射率高，将其作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。图9-5由碳纳米管纤维制成的超强防护背心在航天领域，利用其良好的热学性能，将其添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。
4.超晶格superlattice
是两种不同组元以几个纳米到几十个纳米的薄层交替生长并保持严格周期性的多层膜，是特定形式的层状精细复合材料。在超晶格中，每一层的尺寸都在纳米尺度范围，但实际的超晶格可以生长到任意尺寸。
超晶格的概念由美国IBM实验室于1970年提出，目前以半导体超晶格的研究最为系统、深入，其有望成为新一代的微电子、光电子材料。
最初的半导体超晶格是由砷化镓和镓铝砷两种半导体薄膜交替生长而成的。4.超晶格(superlattice)
4.超晶格superlattice（续）
目前其种类已扩展到铟砷/镓锑、铟铝砷/铟镓砷、锑铁/锑锡碲等多种。组成材料的种类也由化合物半导体扩展到锗、硅等元素半导体，特别是近年来发展起来的硅/锗硅应变超晶格，由于其可与硅的平面工艺相容和集成，因而格外受到重视，被誉为新一代硅材料，在集成光电子学中，用其作过渡，可在硅芯片上制造锗检波管。
4.超晶格superlattice（续）：半导体超晶格结构不仅给材料物理带来了新面貌，而且促进了新一代半导体器件的产生，可制备高电子迁移率的晶体管、红外探测器、先进的雪崩型光电探测器、实空间的电子转移器件等，被广泛应用于雷达、电子对抗、空间技术等领域。
5.纳米超薄膜：纳米超薄膜指薄膜厚度处在纳米数量级的薄膜，其具有导电、电致发光、光电转换等很多奇异特性，可用于制备传感器、太阳能电池及光通讯元件，近年来受到广泛的重视。5.纳米超薄膜、纳米薄膜与纳米涂层
5.纳米超薄膜（续）
纳米超薄膜可通过Langmuir-Blodgett(LB)法、自组装法(self-assembly,SA)等制备。自组装技术是由法国科学家Decher等提出的一种基于静电作用的制备超薄膜的方法，它和气相沉积、旋转涂布、浸泡吸附等方法的最大不同是其制备的超薄膜是高度有序和方向性。
其特点是方法简单、无需特殊装置，采用水为溶剂，具有沉积过程和膜结构分子级可控制的优点。
5.纳米超薄膜（续）
可利用连续沉积不同组分制备膜层间二维甚至三维的有序结构，实现膜的光、电、磁等性质，还可模拟生物膜，故近十余年来受到广泛的重视。
纳米薄膜与纳米涂层主要指含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜。
一般而言，金属、半导体和陶瓷的细小颗粒在第二相介质中都有可能构成纳米复合薄膜，存在尺寸效应、量子尺寸效应及与相应母体的界面效应，具有特殊的物理和化学性质。
6.纳米固体材料
例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体，结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆压成块体后，保持原结构而不发生反应长大的固体。
后者具有很高的强度、稳定性以导电能力，这类材料中存在大量晶界，呈现出特殊的机械、电、磁、光和化学性质。
6.纳米固体材料（续）
由纳米硅晶粒和晶界组成的纳米固体材料，其晶粒和边界几乎各占体积一半，具有比本征晶体硅高的电导率和载流子迁移率，电导率的温度系数很小。
此外，通过引入高密度的缺陷核，可获得一类新的无序固体，其中含有晶界、相界、位错等类型的缺陷，从而得到不同结构的纳米晶体材料。
7.纳米复合材料nanocompo
由两种或两种以上的固相至少在一维上以纳米尺度复合而成的复合材料。较常用的分散相有纳米颗粒、纳米晶须、纳米纤维等。基体材料(连续相)可以是金属、无机非金属和有机高分子。
当以纳米材料为分散相，有机聚合物为连续相时，可形成聚合物基纳米复合材料。7.纳米复合材料(nanocomposites)
7.纳米复合材料nanocompo（续）
聚合物基纳米复合材料与常规的无机填料/聚合物体系不同，不是有机相与无机相的简单混合，而是两相在纳米尺寸范围内的复合。作为分散相的有机聚合物通常是指刚性棒状高分子，包括溶致液晶聚合物、热致液晶聚合物和其他刚性高分子，它们以分子水平分散在柔性聚合物基体中，构成无机物/有机聚合物纳米复合材料。
7.纳米复合材料nanocompo（续）
作为连续相的有机聚合物可以是热塑性聚合物、热固性聚合物。聚合物基无机纳米复合材料不仅具有纳米材料的表面效应、量子尺寸效应等性质，而且将无机物的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与聚合物的韧性、加工性及介电性能揉合在一起，从而产生许多特异的性能。
7.纳米复合材料nanocompo（续）
把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中可形成纳米复合材料，其可分为均匀弥散和非均匀弥散两大类。均匀弥散是指纳米粒子在薄膜中均匀分布；非均匀弥散是指纳米粒子随机、混乱的分散在薄膜基体中。
此外，由不同材质构成的多层复合膜也属于纳米复合材料。近年来引人注目的凝胶材料，也可作为纳米复合材料的母体。
§9.3纳米材料：§9.3纳米材料的特性由于纳米材料具有特殊的结构，处于热力学极不稳定状态，因而表现出独特的效应，并由此衍生出很多特殊性能。
9.3.1纳米效应
9.3.1纳米效应纳米效应包括：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应。当微粒尺寸小到与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度等物理特征尺寸相等或更小时，固体材料赖以存在的周期性边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学等特性均会呈现新的尺寸效应。
例如，光吸收显著增加并产生等离子共振频移；磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相转变。小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。
1.小尺寸效应
9.3.1纳米效应（续）
例如，纳米尺度的强磁性颗粒，可制作磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票，还可以制成磁性液体，广泛用于电声器件、阻尼器件和旋转密封、润滑等领域。
纳米微粒的熔点远低于块状金属，例如2nm的金颗粒熔点为600K，块状金为1337K，此特性为粉末冶金提供了新工艺。
2.表面效应
纳米材料的组成粒子尺寸小，且随着粒径减小，表面原子数增加，粒子比表面积增大，每克粒径为lnm粒子的比表面积是粒径为100nm粒子比表面积的100倍。
表面原子数的增多，使原子配位不足，表面能高，表面原子极不稳定，很容易与其他原子结合。
2.表面效应（续）
例如纳米金属粒子在空气中会燃烧，无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。利用这一性质，人们可以通过使用纳米材料来提高材料的利用率和开发材料的新用途。
例如，提高催化剂效率、吸波材料的吸波率、涂料的遮盖率、杀菌剂的效率等。
3.量子尺寸效应
在纳米材料中，当组成粒子的尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散并使能级变宽的现象，称为纳米材料的量子尺寸效应。
这一现象的出现使纳米银与普通银的性质完全不同，普通银为良导体，而纳米银在粒径小于20nm时却是绝缘体。
4.宏观量子隧道效应
微观粒子具有的贯穿势垒能力，称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如磁颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等，亦具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。
例如，具有铁磁性的磁铁，其粒子尺寸达到纳米级时，由铁磁性变为顺磁性或软磁性。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将是未来微电子、光电子器件的基础。
9.3.2纳米材料的特殊性质
由于上述四种效应的存在，纳米材料具有很多不同于块体材料的特殊性质。1.光学性质表面效应和量子尺寸效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，使纳米微粒具有同种宏观大块物体不具备的新光学特性。
①宽频带强吸收大块金属对不
①宽频带强吸收大块金属对不同波长可见光的反射和吸收能力不同，故具有不同颜色的光泽。当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。
例如，Pt纳米粒子的反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。
①宽频带强吸收大块金属对不（续）
纳米氮化硅、碳化硅及氧化铝粉末存在红外吸收带宽化。这是因为纳米粒子的比表面积大，导致平均配位数下降，不饱和键增多，与大块材料不同，存在一个较宽的键振动模分布，在红外光场作用下其对红外吸收的频率也存在一个较宽的分布。
利用这一特性，纳米材料可作为高效率的光热、光电等转换材料，可高效率的将太阳能转变为热能、电能，也可应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。
②蓝移现象
②蓝移现象与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波方向。其原因主要是：（1）量子尺寸效应使颗粒尺寸下降，能隙变宽；（2）纳米微粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小，对纳米氧化物和氮化物微粒的研究表明，键长缩短导致纳米微粒的键本征振动频率增大，使光吸收带移向高波数。
③量子限域效应
③量子限域效应半导体纳米微粒的半径小于激子玻尔半径时，电子的平均自由程受小粒径的限制，被局限在很小的范围，空穴很容易与它形成激子，引起电子和空穴波函数的重叠，很容易产生激子吸收带。
激子带的吸收系数随粒径下降而增加，即出现激子增强吸收并蓝移，称做量子限域效应。量子限域效应使纳米半导体微粒的光学性能不同于常规半导体。
④纳米微粒
④纳米微粒发光当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光激发下发光。例如粒径小于6nm的Si在室温下可以发射可见光，随粒径减小，发射带强度增强并移向短波方向。
当粒径大于6nm时，光发射现象消失。有科学家指出，大块Si的结构存在平移对称性，使得大尺寸Si不可能发光，当Si粒径小到某一程度时(6nm)，平移对称性消失，出现发光现象。
①熔点纳米微粒的表面能高、比
①熔点纳米微粒的表面能高、比表面原子数多，活性大且体积远小于大块材料，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多，使得纳米微粒熔点急剧下降。
2.热学性质
①熔点纳米微粒的表面能高、比（续）
例如常规尺寸金的熔点为1064℃，其颗粒小到2nm以下时熔点仅为327℃。常规银的熔点为960℃，其纳米颗粒的熔点低于100℃，因此，超细银粉制成的导电浆料可在较低温度下熔合，此时元件的基片可用塑料。
采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，省料且高质量。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有重要的意义。
②烧结纳米微粒尺寸小
②烧结纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，有利于界面中的孔洞收缩，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度和熔点急剧下降。
常规氧化铝烧结温度在1700-1800℃，而纳米氧化铝可在1150~1400℃烧结，致密度可达99％以上。例如，在钨颗粒中附加0.1％~0.5%的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000℃降低到1200-1300℃，可在较低温度下烧制成大功率半导体管的基片。
③比热容：③比热容和热膨胀系数纳米金属Cu的比热容是传统纯Cu的2倍；纳米固体Pd的热膨胀比传统Pd提高1倍；纳米Ag作为稀释致冷机的热交换器效率比传统材料高30％。
3.电学特性
主要表现为超导电性、介电和压电特性。例如金属银是优异的良导体，而10~15nm的银微粒电阻突然升高，失去常规金属的特征，变成非导体；具有绝缘性能的二氧化硅，当尺寸小到10~15nm时电阻大大下降，而具有导电性。
4.磁学性质
磁性材料达到纳米尺度后，其磁性往往发生很大变化。例如10~l5nm的铁磁金属纳米粒子矫顽力比相同的常规尺寸材料大1000倍，而当颗粒尺寸小于l0nm时矫顽力变为零，表现为超顺磁性。
在小尺寸下，当磁性材料的各向异性减小到与热运动能相当时，易磁化方向作无规律的变化，导致超顺磁性的出现，磁化率也会发生明显变化，纳米磁性金属的磁化率是宏观状态下的20倍，而饱和磁矩是宏观状态下的1/2。
4.磁学性质（续）
利用磁性微粒具有高矫顽力的特性，己制成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等。利用超顺磁性，己将磁性微粒制成用途广泛的磁性液体。
5.力学性质
主要表现为强度、硬度、韧性的变化。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，表现出良好的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。
5.力学性质（续）
例如晶粒大小为6nm的铁，其断裂强度比一般多晶铁高12倍；晶粒大小为6nm的铜，其硬度比粗晶铜高5倍。德国萨尔大学研制成功的纳米陶瓷氟化钙和二氧化铁，在室温下显示良好的韧性，在180℃弯曲不产生裂纹。
纳米晶粒金属要比传统的粗晶粒金属硬度提高3~5倍。
6.化学性质
主要表现在催化性能的提高。例如粒径为30nm的催化剂较一般催化剂可使加氢和脱氢反应速度提高15倍；利用纳米镍粉作火箭固体燃料的反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。
§9.4纳米材料的制备
§9.4纳米材料的制备纳米材料的状态取决于纳米材料的制备方法，新材料制备工艺和设备的设计、研究和控制对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。
随着世界各国对纳米科技的重视和大规模的投入，纳米制备技术成为纳米科学领域的一个重要研究课题。纳米材料的制备技术不仅包括纳米粉体、纳米块体及纳米薄膜制备，还包括纳米高分子材料的制备，纳米有机-无机材料的杂化，纳米元器件的制备，纳米胶囊制备和纳米组装技术等。
（1）将宏观块体材料分裂成纳米微粒：纳米材料尺度介于微观粒子和宏观块体材料之间，故其制备方法主要有两个方向：（1）将宏观块体材料分裂成纳米微粒，即自上而下；（2）通过原子、分子、离子等微观粒子聚集成微粒，并控制微粒的生长，使其维持在纳米尺度，及自下而上。
（1）物理法
按照制备原理不同，纳米材料制备方法可分为：（1）物理法最早采用的纳米材料制备方法，采用高能耗的方式，“强制”材料“细化”得到纳米材料。
例如，惰性气体蒸发法、激光溅射法、球磨法、电弧法等。物理法制备纳米材料的优点是产品纯度高；缺点是产量低、设备投入大。
（2）化学法
（2）化学法采用化学合成方法，制备纳米材料，例如，沉淀法、水热法、相转移法、界面合成法、溶胶-凝胶法等，这类制备方法的优点是所合成的纳米材料均匀、可大量生产、设备投入小；缺点是产品有一定杂质、高纯度难。
同样还有化学气相法，例如，加热气相化学反应法、激光气相化学反应法、等离子体加强气相化学反应法等。
（3）综合法
（3）综合法指在纳米材料制备中结合化学、物理法的优点，同时进行纳米材料的合成与制备。例如，超声沉淀法、激光沉淀法及微波合成法等。
这类方法是把物理法引入化学法中，提高化学法的效率或是解决化学法达不到的效果。
（1）气相法
按所制备系统的状态分类，分为气相法、液相法和固相法。（1）气相法是直接利用气体或将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。
气相法分为气体中蒸发法、化学气相反应法、化学气相凝聚法和溅射法等。
（2）液相法
（2）液相法指在均相溶液中，通过各种方式使溶质和溶剂分离，溶质形成形状、大小一定的颗粒，得到所需粉末的前驱体，加热分解后得到纳米颗粒的方法。
典型的液相法有沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法等。
（3）固相法
（3）固相法是把固相原料通过降低尺寸或重新组合制备纳米粉体的方法。固相法有热分解法、溶出法、球磨法等。表9-1列出了不同类别的纳米材料的常用制备方法。
（3）固相法（续）：综合法化学法物理法纳米材料类别辐射化学合成法沉淀法、化学气相凝聚法、水热法、相转移法、溶胶-凝胶法惰性气体沉积法、蒸发法、激光溅射法、真空蒸镀法等离子蒸发法、球磨法、爆炸法、喷雾法、溶剂挥发法纳米粉体超声沉淀法溶胶-凝胶法、电沉积法、还原法惰性气体蒸发法、高速粒子沉积法、激光溅射法纳米膜材料激光化学反应法非晶晶化法球磨法、原位加压法、固相淬火法纳米晶体和纳米块表9-1纳米材料制备方法分类
（3）固相法（续）：综合法化学法物理法纳米材料类别辐射化学反应法原位聚合法、插层法共混法无机-有机杂化纳米材料高分子包覆-超声分散法、注入-超声分散法乳液法、超微乳液法、悬浮法天然高分子溶液中干燥法纳米高分子材料高分子包覆法、乳液法超声分散法、注入法、薄膜分散法、冷冻干燥法、逆向蒸发法纳米微囊电化学沉积法纳米结构自组织合成、纳米结构分子自组织合成、模板法合成、溶胶-凝胶法、化学气相沉积法纳米组装材料表9-1纳米材料制备方法分类
§9.5纳米材料的应用：§9.5纳米材料的应用由于纳米固体材料具有独特的性能，因此在力学、光学、磁学、电学和医学等方面有非常广泛的应用。
1.力学方面的应用
在力学方面，纳米固体材料可作为高温、高强、高韧性、耐磨、耐腐蚀的结构材料。在陶瓷制造中，纳米添加使常规陶瓷的综合性能得到改善。
纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能，抗弯强度、断裂韧性均有显著提高。把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合己获得高韧性的陶瓷材料，烧结温度可降低100℃。
1.力学方面的应用（续）
纳米结构碳化硅的断裂韧性比常规材料提高100倍，图9-6为纳米陶瓷刀。n-ZrO2+ Al2O3、n-SiO2+ Al2O3的复合材料，断裂韧性比常规材料提高4~5倍，原因是这类纳米陶瓷庞大体积百分数的界面提供了高扩散的通道，扩散蠕变大大改善了界面的脆性。
图9-6纳米陶瓷刀
1.力学方面的应用（续）
纳米结构化的金属和合金可大幅度提高材料的强度和硬度，利用纳米颗粒小尺寸效应所形成的无位错或低位错密度区域，使其达到高硬度、高强度。
纳米结构铜或银的块体材料的硬度比常规材料高50倍，屈服强度高12倍。图9-7为世界上第一辆框架均采用纳米技术的自行车图9-7框架均采用纳米技术的自行车
(1)发光材料
(1)发光材料发光材料又称发光体，是利用纳米材料的光致发光现象制备的材料，是材料内部以某种形式的能量转换为光辐射的功能材料。
光致发光现象是用光激发发光体而引起的发光现象，它大致经过光的吸收、能量传递和光的发射三个阶段。例如利用纳米非晶氮化硅块体在紫外光到可见光范围的光致发光现象，锐钛矿型纳米TiO2的光致发光现象等，制作的发光材料。
2.光学方面的应用
(2)红外反射材料
(2)红外反射材料纳米微粒在红外反射材料方面主要是制成薄膜和多层膜来使用，其膜材料在灯泡工业上有很好的应用前景。高压钠灯、碘弧灯都要求强照明，但电能的69％转化为红外线，仅有一少部分电能转化为光能来照明。
用纳米SiO2和纳米TiO2微粒制成多层干涉膜，衬在有灯丝的灯泡罩的内壁，不但透光率好，而且有很强的红外线反射能力。粒径80nm的Y2O3作为红外屏蔽涂层，反射热的效率很高，用于红外窗口材料。
(3)光吸收材料纳米Al2O3粉体对2
(3)光吸收材料纳米Al2O3粉体对250nm以下的紫外光有很强的吸收能力，可用于提高日光灯管使用寿命。一般185nm的短波紫外光对灯管的寿命有影响，而且灯管的紫外线泄漏对人体有害。
如果把几个纳米的Al2O3粉掺合到稀土荧光粉中，利用纳米紫外吸收的蓝移现象有可能吸收掉这种有害的紫外光，而且不降低荧光粉的发光效率。
在防晒油、化妆品中加入纳米TiO2、纳米ZnO、纳米SiO2等，可以减弱紫外线对人体的辐射。
（1）检测
（1）检测和诊断疾病将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为检测和诊断疾病的手断，在临床诊断上有着广阔的应用前景。
例如，妇女怀孕8个星期左右，其血液中开始出现极少量的胎儿细胞。过去常采用价格昂贵并对人体有害的羊水诊断技术判断胎儿是否有遗传缺陷，采用纳米微粒则很容易将血液中少量的胎儿细胞分离出来，方法简便、价格便宜，且准确率高。
目前，人们已经获得了用纳米SiO2实现细胞分离的新技术，这方面的临床应用还在实践中。3.在医学方面的应用
（1）检测（续）
细胞内部的染色对于用光学显微镜和电子显微镜研究细胞内各种组织十分重要，纳米微粒的出现，为建立新的染色技术提供了途径。例如比利时的德梅博士将金超微粒(3-40nm)与预先精制的抗体混合，制备出金纳米粒子-抗体的复合体，不同的抗体对细胞内各种器官和骨骼组织的敏感程度和亲和力不同，将复合体与细胞内器官和组织结合，相当于给各种组织贴上标签，在光学显微镜或电子显微镜下衬度差别很大，从而较为容易地分辨各种组织。
（2）生物医学材料
（2）生物医学材料生物材料是用来达到特定生物或生理功能的材料。生物材料除用于测量、诊断、治疗外，主要用作生物硬组织的代用材料，其主要分为生物惰性材料和生物活性材料。
前者指在生物环境中，材料通过细胞活性，能部分或全部被溶解或吸收，并与骨置换而形成牢固结合的生物材料；后者指化学性能稳定、生物相容性好的生物材料。
（2）生物医学材料（续）
把该生物材料植入人体内，不会对机体产生毒副作用，机体也不会对材料起排斥反应，最后被人体组织包围起来。纳米Al2O3和ZrO2等可作为生物惰性材料。
纳米Al2O3具有生物相容性好、耐磨损、强度高、韧性比常规材料高等特性，可用来制作人工关节、人工骨（如图9-8所示）、人工齿根等。
（3）在药物上的应用
（3）在药物上的应用将磁性纳米微粒表面涂敷高分子，在外部再与蛋白质结合，注入生物体内，在外加磁场作用下通过纳米微粒的磁性导航，使其移向病变部位，达到定向治疗的目的。
目前，这项技术还处于实验阶段，已通过动物临床实验。
（1）固体磁性
（1）固体磁性材料具有铁磁性的纳米材料如纳米晶Ni、Fe3O4等可作为磁性材料。铁磁材料可分为软磁材料和硬磁材料。前者主要特点是磁导率高、饱和磁化强度大、电阻高、损耗低、稳定性好等，用于制作电感绕圈、小型变压器、脉冲变压器等的磁芯，录音磁头，磁放大器等。
硬磁材料的主要特点是剩磁大，矫顽力大，对温度、时间、振动等干扰的稳定性好。其主要用在磁路系统中作永磁体以产生恒定磁场，如制作扬声器、微音器、助听器、录音磁头及各种控制设备等。
4.在磁学方面的应用
（1）固体磁性（续）
有些纳米铁氧体会使作用于它的电磁波发生一定角度的偏转，即旋磁效应。利用旋磁效应，可以制备回相器、环行器、隔离器等非倒易性器件，衰减器、调制器、调谐器等倒易性器件。
利用旋磁铁氧体的非线性，可制作倍频器、混频器、放大器等，用于制作雷达、通信、人造卫星、导弹系统的微波器件。
（1）固体磁性（续）
此外，具有矩形磁滞回线的纳米铁氧体(矩磁材料)可用于电子计算机、自动控制和远程控制等技术中，用于制作记忆、开关和逻辑元件，磁放大器，磁光存储器等。
具有磁致伸缩效应的纳米铁氧体(压磁材料)，主要应用于超声波器件(如超声波探伤等)、水声器件(如声纳等)、压力传感器等。其优点是电阻率高、频率响应好、电声效率高。
（2）磁流体
（2）磁流体磁流体也称磁性液体，是由磁性超细微粒包覆一层长链的有机表面活性剂，高度弥散于基液中所形成的液体。其可以在外磁场作用下整体运动，因此具有其他液体所没有的磁控特性。
磁性微粒可以是铁氧体类，如Fe3O4、MeFe2O4(Me=Co、Ni、Mn、Zn)等，或金属系如Ni、Co、Fe等金属微粒及其合金。
用于磁流体的载液有水、有机溶剂(庚烷、二甲苯、甲苯、丁酮等)、聚二醇、聚苯醚、卤代烃等。
（2）磁流体（续）
磁流体的应用广泛，涉及机械、工程、化工、医药等多个领域，特别是在高、精、尖技术上的应用。传统的磁流体产品，如密封、阻尼器和扬声器己经在工业应用，近年出现了大量新的应用，如磁流体传感器、热传递装置、药品输送、能量转换等。
5.电学方面的应用
具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规氧化物高的导电特性，因而能起到良好的静电屏蔽作用。例如把80nm的SnO2和40nm的TiO2、20nm的Cr2O3与树脂复合可以作为静电屏蔽的涂层。
同时纳米微粒的颜色不同，TiO2、SiO2纳米粒子为白色，Cr2O3为绿色，Fe2O3为褐色，可以控制静电屏蔽涂料的颜色，从而克服炭黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。
化纤衣服和化纤地毯由于静电效应，容易吸附灰尘，危害人体健康。在其中加入少量金属纳米微粒，会使静电效应大大降低，同时还有除味杀菌的作用。
5.电学方面的应用（续）
随着高性能氮化铁磁流体的研制成功、批量生产，及其在宇宙仪器、扬声器等振动吸收装置、缓冲器、调节器、传动器以及太阳黑子、地磁、火箭和受控热核反应等方面的应用，为磁流体的开发拓宽了思路，展示了无限的前景。
磁流体在生物磁学中的应用，也为人类探索生命奥秘，攻克疾病提供了新的手段。
5.电学方面的应用（续）
有些纳米金属(如Nb、Ti等)和合金(如Nb-Zr、Nb-Ti等)具有超导性，超导临界温度最高只有23K，而纳米氧化物超导材料的临界温度可达100K以上。
这些超导材料可用于电力输送、交通运输(如制造超导磁悬浮列车)等方面。
6.催化方面的应用
纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，在环保、水质处理、有机物降解、失效农药降解等方面有重要的应用。超细的Fe、Ni与-Fe2O3、混合轻烧结体可代替贵金属作为汽车尾气净化剂；超细Ag粉可作为乙烯氧化的催化剂；超细Fe粉可在C6H6气相热分解中起成核作用而生成碳纤维。
6.催化方面的应用（续）
纳米TiO2在可见光的照射下对碳氢化合物具有催化作用，利用这一效应可使粘污在玻璃、瓷砖和陶瓷表面的油污、细菌在光的照射下，被降解为气体或易溶易擦掉的物质，有很好的保洁作用。
日本已研制出保洁瓷砖，经使用证明，这种保洁瓷砖具有明显的杀菌作用。常用的光催化半导体纳米粒子有TiO2、Fe2O3、ZnS、PbS等。
6.催化方面的应用（续）
总之，纳米科学技术是多种学科交叉会合而产生的新科学，其研究成果势必把物理、化学领域的许多学科推向一个新层次，也会给21世纪的物理和化学研究带来新的机遇。
日本将纳米材料的研究纳入六大尖端技术探索项目之一，美、英、俄、德、法等国也在不惜巨资推进纳米材料的专项研究，我国也将纳米材料科学列入国家“攀登计划”项目。
The End
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