簡介
納米金屬材料是20世紀80年代中期研製成功的,後來相繼問世的有納米半導體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫學材料等。
納米級結構材料簡稱為納米材料(nano material),是指其結構單元的尺寸介於1納米~100納米範圍之間。由於它的尺寸已經接近電子的相干長度,它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化。並且,其尺度已接近光的波長,加上其具有大表面的特殊效應,因此其所表現的特性,例如熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等,往往不同於該物質在整體狀態時所表現的性質。
納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料,由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒,一般是指尺寸在1~100nm間的粒子,是處在原子簇和巨觀物體交界的過渡區域,從通常的關於微觀和巨觀的觀點看,這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的巨觀系統,是一種典型的介觀系統,它具有表面效應、小尺寸效應和巨觀量子隧道效應。當人們將巨觀物體細分成超微顆粒(納米級)後,它將顯示出許多奇異的特性,即它的光學、熱學、電學、磁學、力學以及化學方面的性質和大塊固體時相比將會有顯著的不同。
納米技術的廣義範圍可包括納米材料技術及納米加工技術、納米測量技術、納米套用技術等方面。其中納米材料技術著重於納米功能性材料的生產(超微粉、鍍膜、納米改性材料等),性能檢測技術(化學組成、微結構、表面形態、物、化、電、磁、熱及光學等性能)。納米加工技術包含精密加工技術(能量束加工等)及掃描探針技術。
特性
納米材料具有一定的獨特性,當物質尺度小到一定程度時,則必須改用量子力學取代傳統力學的觀點來描述它的行為,當粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時,其粒徑雖改變為1000倍,但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨,所以二者行為上將產生明顯的差異。
納米粒子異於大塊物質的理由是在其表面積相對增大,也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結構,此結構代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結,同時因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。
就熔點來說,納米粉末中由於每一粒子組成原子少,表面原子處於不安定狀態,使其表面晶格震動的振幅較大,所以具有較高的表面能量,造成超微粒子特有的熱性質,也就是造成熔點下降,同時納米粉末將比傳統粉末容易在較低溫度燒結,而成為良好的燒結促進材料。
一般常見的磁性物質均屬多磁區之集合體,當粒子尺寸小至無法區分出其磁區時,即形成單磁區之磁性物質。因此磁性材料製作成超微粒子或薄膜時,將成為優異的磁性材料。
納米粒子的粒徑(10納米~100納米)小於光波的長,因此將與入射光產生複雜的互動作用。金屬在適當的蒸發沉積條件下,可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子,稱為金屬黑,這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強烈對比。納米材料因其光吸收率大的特色,可套用於紅外線感測器材料。
納米技術在世界各國尚處於萌芽階段,美、日、德等少數國家,雖然已經初具基礎,但是尚在研究之中,新理論和技術的出現仍然方興未艾。我國已努力趕上先進國家水平,研究隊伍也在日漸壯大。
納米材料分類
納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發時間最長、技術最為成熟,是生產其他三類產品的基礎。
納米粉末: 又稱為超微粉或超細粉,一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒,是一種介於原子、分子與巨觀物體之間處於中間物態的固體顆粒材料。可用於:高密度磁記錄材料;吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶矽和精密光學器件拋光材料;微晶片導熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷,用於陶瓷發動機等);人體修復材料;抗癌製劑等。
納米纖維: 指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。可用於:微導線、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料;新型雷射或發光二極體材料等。
納米膜: 納米膜分為顆粒膜與緻密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起,中間有極為細小的間隙的薄膜。緻密膜指膜層緻密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用於:氣體催化(如汽車尾氣處理)材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導材料等。
納米塊體: 是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為:超高強度材料;智慧型金屬材料等。