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几种典型的纳米材料简介

时间: 2011-07-25 22:02 来源: 作者: 点击:
按照材料的形态,可将其分四种:颗粒型材料;纳米固体材料;纳米膜材料;纳米磁性液体材料。

纳米颗粒型材料:应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂,利用甚高的比表面积与活性可以显著地提高催化效率,例如,以粒径小于0.3微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍;超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水,超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用,从而生成碳纤维。

录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性颗粒作为磁记录介质。随着社会的信息化,要求信息储存量大、信息处理速度高,推动着磁记录密度日益提高,促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉(20纳米左右的超微磁性颗粒)制成的金属磁带、磁盘,国外已经商品化,其记录密度可达4′106~4′107位/厘米(107~108位/英寸),即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元,与普通磁带相比,它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。

超细的银粉、镍粉轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极,可以增大与液体或气体之间的接触面积,增加电池效率,有利于电池的小型化。超微颗粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器。例如,超微镍颗粒所制成的微孔过滤器平均孔径可达10纳米,从而可用于气体同位素、混合稀有气体、有机化合物的分离和浓缩,也可用于发酵、医药和生物技术中。磁性超细微粒作为药剂的载体,在外磁场的引导下集中于病患部位,利于提高药效,这方面的研究国内外均在积极地进行。采用超微金颗粒制成金溶胶,接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验,可用于快速诊断。如将金溶胶妊娠试剂加入孕妇尿中,未妊娠呈无色,妊娠则呈显著红色,仅用0.5克金即可制备1万毫升的金溶胶,可测1万人次,其判断结果清晰可靠。有一种超微颗粒乳剂载体,极易和游散于人体内的癌细胞溶合,若用它来包裹抗癌药物,可望制成克癌导弹。

在化学纤维制造工序中掺入铜、镍等超微金属颗粒,可以合成导电性的纤维,从而制成防电磁辐射的纤维制品或电热纤维,亦可与、合成导电复合体。

1991年春的海湾战争,美国执行空袭任务的F-117A型隐身战斗机,其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒,它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l%重量比的超微铝或镍颗粒,每克燃料的燃烧热可增加l倍。此外,超细、高纯超微颗粒是精密陶瓷必需的原料。因此超微颗粒在国防、国民经济各领域均有广泛的应用。

纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。

纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面,如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界,原子的扩散系数要比大块材料高1014~1016倍,从而使德纳米材料具有高韧性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点,但又具有脆性和难以加工等缺点,纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性,改善脆性。

如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级,又将恢复通常陶瓷的特性,因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工,随后进行热处理,使其转变为通常陶瓷,或进行表面热处理,使材料内部保持韧性,但表面却显示出高硬度、高耐磨性与抗腐蚀性。电子陶瓷发展的趋势是超薄型(厚度仅为见微米),为了保证均质性,组成的粒子直径应为厚度的1%左右,因此需用超微颗粒为原材料。随着集成电路、微型组件与大功率半导体器件的迅速发展,对高热导率的陶瓷基片的需求量日益增长,高热导率的陶瓷材料有金刚石、碳化硅、氮化铝等,用超微氮化铝所制成的致密烧结体的导热系数为100~220瓦/(K·米),较通常产品高2 5~5.5倍。用超微颗粒制成的精细陶瓷有可能用于陶瓷绝热涡轮复合发动机,陶瓷涡轮机,耐高温、耐腐蚀轴承及滚球等。

复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料;金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒,可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变(梯度)功能材料的原材料。例如,材料的耐高温表面为陶瓷,与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属,其间为陶瓷与金属的复合体,使其间的成分缓慢连续地发生变化,这种材料可用于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起来的新型材料,预期在医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿、人遗骨。人造器官,可制成复合的电磁功能材料、光学材料等。

纳米膜材料:颗粒膜材料是指将颗粒嵌于薄膜中所生成的复合薄膜,通常选用两种在高温互不相溶的组元制成复合靶材,在基片上生成复合膜,当两组份的比例大致相当时。就生成迷阵状的复合膜,因此改变原始靶材中两种组份的比例可以很方便地改变颗粒膜中的颗粒大小与形态,从而控制膜的特性。对金属与非金属复合膜,改变组成比例可使膜的导电性质从金属导电型转变为绝缘体。

颗粒膜材料有诸多应用。例如作为光的传感器,金颗粒膜从可见光到红外光的范围内,光的吸收效率与波长的依赖性甚小,从而可作为红外线传感元件。铬一三氧化二铬颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用,可以有效地将太阳光转变为热能;硅、磷、硼颗粒膜可以有效地将太阳能转变为电能;氧化锡颗粒膜可制成气体一湿度多功能传感器,通过改变工作温度,可以用同一种膜有选择地检测多种气体。颗粒膜传感器的优点是高灵敏度、高响应速度、高精度、低能耗和小型化,通常用作传感器的股重量仅为0.5微克,因此单位成本很低。超微颗粒虽有众多优点,但在工业上尚未形成较大的规模,其主要原因是价格较高,两颗粒膜的应用则不受价格因素的影响,这是超微颗粒实用化的很重要方向。

纳米磁性液体材料磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂,高度弥散于一定基液中,而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动,因此具有其他液体所没有的磁控特性。常用的磁性液体采用铁氧体微颗粒制成,它的饱和磁化强度大致上低于0.4特。目前研制成功的由金属磁性微粒制成的磁性液体,其饱和磁化强度可比前者高4倍。国外磁性液体已商品化,美、日、英等国均有磁性液体公司,供应各种用途的磁性液体及其器件。磁性液体的用途十分广泛。

(1)旋转轴动态密封旋转轴转动部分的动态密封一直是工程界较为困难的课题。磁性液体用于旋转轴的动态密封是较为理想的一种方式。用环状的静磁场将磁性液体约束于被密封的转动部分,形成液体的O环,可以进行真空、加压、封水、封油等情况下的动态密封,目前已广泛用于机械、电子、仪器、宇航、化工、船舶等领域,如计算机硬盘转轴处的防尘密封,单晶炉转轴处的真空密封及X光机转靶部分的密封等。

(2)提高扬声器输出功率为了增进扬声器中青圈的散热,可在音圈部分填充磁性液体,由于液体的导热系数比空气高5~6倍,从而使德在相同结构的情况下,使扬声器的输出功率增加1倍。

(3)各种阻尼器件如在步进电机中滴加磁性液体,就可阻尼步进电机的余振,使步进电机平滑地转动。用磁性液体所构成的减震器可以消除极低频率的振动。

(4)分离不同比重的非磁性金属与矿物物体在磁性液体中的浮力是随着磁性液体的磁化状态而改变的,因此可采用一梯度磁场,控制磁场的强弱就可以分离不同比重的非磁性金属与矿物。磁性液体的可能应用面十分广,如射流印刷用的磁性墨水、超声波发生器、X射线造影剂(代替钡剂)、磁控阀门、磁性液体研磨、磁性液体的光学与微波器件、磁性显示器、火箭和飞行器用的加速计、磁性液体发电机、定位润滑剂等。

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