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2 纳米材料的概述 (2)2.1相关概念的介绍 (2)2.2纳米材料的分类 (3)3 纳米材料的基本性质 (3)3.1表面效应 (3)3.2小尺寸效应 (4)3.3量子尺寸效应 (4)3.4宏观隧道效应效应 (5)4 纳米材料的特殊性能 (5)4.1力学性能 (5)4.2 电磁学性能 (6)4.3 热学性能 (6)4.4 光学性能 (7)4.5 分散体系动力学性能 (8)4.6 化学特性和催化性能 (10)4.7 生物学性能 (10)5 纳米材料的应用 (11)6 我国纳米材料研究的现状和产业化 (12)参考文献： (13)致谢 (14)纳米材料的特性摘要：本文简述了纳米、纳米材料的基本概念，纳米材料所具有的力学、电磁学、热学、光学、分散体系动力学、化学性和催化性、生物学的特性及其在我们的衣、食、住、行各个领域的应用，同时介绍我国纳米材料的研究现状和产业化。

关键词：纳米；纳米材料；纳米材料的特性；The characteristics of nano materialsAbstract：This paper briefly describes the basic concept of nano and nanometer materials. Nano material has the mechanics, electromagnetism, heat, light, decentralized system dynamics, chemical and catalytic, biology characteristic and in our food, clothing, shelter and transportation all application fields. Meanwhile introducing nanometer material research situation and industrialization in our country..Key words：Nano ；Nano materials；The characteristics of nano materials1.引言纳米是一个长度单位，9110nm -= ，1纳米约相当于45个原子串在一起的长度，或者是说一个纳米大体上相当于4个原子的直径，如果将1m 与1nm 相比，就相当于地球与一个玻璃球大小相比，人的一根头发直径约为80微米，即80000nm ，如果一个汉字写入尺寸为10nm ，那么在一根头发丝的直径上写入8000字，相当于一片较长的科技论文容量。

纳米技术正在慢慢地渗透到老百姓的衣、食、住、行各个领域，在现在和未来生活中，纳米技术将带给我们无限的舒心与时尚，使人类的生存的条件更加优越。

2.纳米材料的概述2.1相关概念的介绍纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1 100nm 。

当一种材料进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生显著的变化。

纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。

纳米尺度大于原子和分子，而小于通常的块体材料，是处于微观体系与宏观体系之间的中间领域，是属于介观范畴。

纳米材料与纳米技术密切相关，纳米材料是纳米技术的基础，纳米材料的研究和研制中又包含了很多纳米技术。

虽然早在19世纪，在胶体化学的研究中，科学家就开始对直径处于纳米尺度的粒子系统的进行了研究，但真正有效的研究纳米粒子开始于20世纪60年代，早在1963年，研究人员就用气体冷凝法制备了金属纳米粒子，并且用电镜和衍射研究了它的形貌和晶体结构。

1986年Gleiter 等首次对纳米材料的结构和特性做了综合报道。

1970年7月在美国马尔的摩召开的第一届纳米科学技术（NST ）会议，可以作为纳米科学技术正式诞生的标志。

纳米材料的研究大致可分为三个阶段。

第一阶段（1990年以前），人们主要是在实验室里探索用各种手段合成纳米颗粒粉体或块体等单一材料和单相材料，研究评价表征纳米材料的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能；第二阶段（1990-1994年），人们关注的热点是如何利用纳米材料已经被挖掘出来的奇特物理、化学等性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合以及发展复合纳米薄膜；第三阶段（1994年到现在），纳米组装体系、人工组装合成的纳米阵列体系、接介孔组装体系、薄膜镶嵌体系等纳米结构材料体系越来越被受人们的关注，正在为成为纳米材料研究的新热点[]13-。

2.2纳米材料的分类方法主要有以下几种[]4，5。

按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。

其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。

按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维材料（比如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（比如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（比如介孔材料）。

按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体材料和纳米溶胶等）。

按功能，纳米可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等。

3.纳米材料的基本性质当材料的结构具有纳米尺度调制范围时，会出现小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应[]5,6。

3.1表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能以及表面结合能都迅速增大。

表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻的原子，有许多剩余键力，易与其他原子结合而稳定，具有较高的化学性能。

许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧。

很多催化剂的催化效率随尺寸减小到纳米量级而得以显著的提高。

如利用纳米粒径小、表面有效反应中心多、催化性能好等特性，在火箭固体燃料中掺加AI 纳米晶，可以提高其燃烧效率、选择性以及响应和恢复速率的得以显著提高。

纳米材料中界面原子所占的体积分数很大，它对于材料的性能的影响非常显著。

实际上，纳米材料的许多物性主要由界面决定。

低温超塑性是纳米材料的一个重要特性，普通陶瓷只有在1000℃以上，在小于一定的应变速率时才能表现出塑性，而许多的纳米陶瓷在室温下就会发生塑性变形。

这种纳米陶瓷增韧效应主要归因于大量界面的存在。

纳米材料的塑性变形主要是通过晶粒之间的相对滑移而实现的。

纳米材料中晶界区域原子扩散系数非常大，存在着大量的短程快扩散路径，正是这些快扩散过程使得变形过程中一些初发的微裂能够迅速的弥合，从一定程度上避免了脆性断裂的发生。

3.2小尺寸效应（体积效应）当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或比它们更小时，它的周期性边界条件被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化。

这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应。

比如纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子的共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒的尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。

材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通的材料高4～5倍，比如纳米TiO 2的显微硬度为12.75kPa ，而普通的TiO 2陶瓷的显微硬度低于1.96 kPa 。

在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可以大幅度的提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温的性能，而且能提高材料硬度、弹性模量、抗热震和抗高温蠕变等性能。

3.3量子尺寸效应量子尺寸效应是指纳米材料颗粒尺寸到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为离散能级的现象。

早在20世纪60年代Kubo 给出了能级间距δ与组成原子数N 之间的关系式：()3F E N δ=，F E 为费米能级。

对常规物体，因为包含有趋近无限多个原子，故常规材料的能级间距几乎为零，电子能级表现为准连续性；对纳米粒子，因含原子数有限δ有一定的值，即能级发生了分裂，当能级间距大于热能、磁能、光子能量或者超导态的凝聚态时，必然因量子尺寸效应导致纳米材料晶体的光、热、磁、声、电等与常规材料有明显的不同，如特异的光催化性、高度光学非线性及电学特征等。

3.4宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。

电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。

近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观体系的势垒而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。

量子尺寸效应、宏观量子隧道效应是未来微电子、光电子器件的科学基础，明确了现存微电子器件进一步微型化的物理极限。

以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质。

一些反常现象如：金属为导体，但纳米金属微粒在低温时呈现电绝缘性；纳米磁化率是普通金属的20倍；化学惰性的金属铂制成纳米微粒（铂黑）后，成为活性极好的催化剂等。

4.纳米材料的特殊性能当材料的结构具有纳米尺度调制特征时，将呈现许多特异的性能[] 714-。

4.1力学性能纳米材料比粗晶体材料具有较高的硬度和强度，一般致密纳材料强度是常规材料的2～10倍，纯的纳米材料表现出其韧性，如陶瓷材料在通常情况下是脆的，然而纳米陶瓷材料却有良好的韧性；因纳米材料具有很大的界面和比表面积，界面原子在外力变形的条件下具有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快，可降低烧结程度，并且表现出十分好的的韧性与一定的延展性，是陶瓷材料具有新奇的力学性质。

大量以纳米颗粒为原料的或添加料的超硬、高强、高韧、超塑性材料已经问世。

碳纳米管是近年来研究领域中十分活跃的纳米结构材料。

碳纳米管的质量约为钢的16，其强度则可达钢的数十倍，而且不能被轻易破坏。

例如，如果在其两端施加压力，碳纳米管会弯曲但其内部不会产生塑性变形。

当外力撤去时，碳纳米管会恢复到初始状态。

碳纳米管壁越薄，其杨氏模量越高。

4.2.电磁学性能纳米材料具有库伦阻塞效应等，纳米材料的比电阻比粗晶材料大，可能是由其宽晶界引起。

纳米材料的介电特性，纳米材料的介电常数或相对介电常数比常规材料的高，并随颗粒粒径的减小而降低。