纳米材料的与技术的发展现状与趋势

11042227 王鹏 集成电路设计与集成系统

纳米材料的与技术的发展现状与趋势

纳米材料是近期发展起来的多功能材料,本文概述了纳米材料的结构特性、主要制备工艺及应用现状和发展趋势,由于纳米材料具有许多特殊功能和效应,将在工业和国防等领域中发挥巨大潜力,并将为人类社会带来巨大影响。利用纳米科技对传统工业，特别是重工业进行改造，将会带来新的机遇，其中存在很大的拓展空间，这已是国外大企业的技术秘密。英特尔、./0、12)3、夏普、东芝、丰田、三菱、日立、富士、)45等具有国际影响的大型企业集团纷纷投入巨资开发自己的纳米技术，并到得了令世人瞩目的研究成果。纳米技术在经历了从无到有的发展之后，已经初步形成了规模化的产业。

什么是纳米材料？

纳米材料是指由极细晶粒组成,特征维度尺寸在1～100纳米范围内的一类固体材料,包括晶态、非晶态和准晶态的金属、陶瓷和复合材料等,是80年代中期发展起来的一种新型多功能材料。纳米材料则是一些低维材料,即在一维、二维，甚至三维方向上尺寸极小,为纳米级(无宏观性),故纳米材料的尺寸至少在一个方向上是几个纳米长(典型为1～10nm)。如果在三维方向上都是几个纳米长,为3D纳米微晶,如在二维 方向上是纳米级的,为2D纳米材料,如丝状材料和纳米碳管;层状材料或薄膜等为1D纳米材料。纳米颗粒可以是单晶,也可以是多晶,可以是晶体结构,也可以是准晶或无定形相(玻璃态);可以是金属,也可以是陶瓷、氧化物或复合材料等。纳米微晶的突出特征是晶界原子的比例很大。这表明纳米微晶内界面很多,平均晶粒直径越小,晶界越多,在晶界面上的原子也越多;此外,晶粒越小,比表面积越大,表面能也越高。

纳米材料的特点

1力学性能

许多纳米金属的室温硬度比相应粗晶高2～7倍;纳米材料具有更高的强度,例如,6nm的纳米铁晶体的强度比多晶铁提高12倍,硬度提高了2～3个数量级;韧性更大,如美国Argonnel实验室制成的纳米CsF2陶瓷晶体在室温下可弯曲100%。室温下的纳米TiO2陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的1Π4仍不破碎。

2热学性能

一般纳米金属材料的热容是传统金属的2倍;直径为10nm的Fe、Au和Al熔点分别由其粗晶熔点的1540℃、1063℃和660℃降到33℃、27℃和18℃。2nm的金的颗粒熔点仅为330℃,比通常金的熔点低700℃以上,而纳米银粉的熔点仅为100℃;此外,纳米材料的热膨胀可调,可用于具有不同热膨胀系数的材料的连接。

3磁学性能

当晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要影响,使得纳米材料具有高磁化率和高矫顽力,低饱和磁矩和低磁耗纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的1Π2。

4光学性能

各种纳米微粒几乎都呈黑色,它们对可见光的反射率将显著降低,一般低于1%。粒度越细,光的吸收越强烈,利用这一特性,纳米金属有可能用于制作红外线检测元件、隐身飞机上

的雷达波吸收材料。

5高扩散性

纳米晶体的自扩散速率为传统晶体的1016至1019倍,是晶界扩散的100倍。高的扩散速率使纳米材料的固态反应可在室温或低温下进行。

6表面活性

随着纳米微粒粒径减小,比表面积增大,表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等,使得纳米微粒具有高的表面活性,适于作催化剂和贮氢材料。例如,纳米晶Li-MgO对甲烷向高级烃转化的催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200℃;又如,普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行,低温吸氢需长时间或高压力,而纳米晶Mg2Ni在200℃以下,即可吸氢,无须活化处理。

纳米材料的发展现状

目前纳米材料及技术的应用也越来越广泛，在专业电子信息产业，纳米技术的应用将为电子信息产业的发展克服以强场效应、量子隧穿效应等为代表的物理限制，以功耗、互联延迟、光刻等为代表的技术限制和制造成本昂贵、用户难以承受的经济限制，制造出基于量子效应的新型纳米器件和制备技术。具有量子效应的纳米信息材料将提供不同于传统器件的全新功能，从而产生出新的经济增长点。这将是对信息产业和其他相关产业的一场深刻的革命。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。正如美国《新技术周刊》指出，纳米技术在电子信息产业中的应用，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机，其作用可使微电子学在21世纪 对世界的影响相形见绌。

纳米技术将在生物医学、药学、人类健康等生命科学领域有重大应用。在纳米生物材料、微细加工、光学显示、生物信息和分子生物学等技术积累的基础上，发展生物芯片技术、形成新型生物分子识别的专家系统、临床疾病检测系统、药物筛选系统和生物工业活性监测系统等实用化技术，具有重要的社会与经济前景。预计到!\"-#年，仅纳米技术在生物医药领域中的应用，全球市场将达到2000亿美元。

纳米技术在环保产业上的应用，能够极大地促进环保产业的发展；将使处理“三废”的手段更有效率，使人类居住的环境得到很大程度的改善。我国为实现可持续发展战略和绿色奥运，对新型纳米环境材料及技术也提出了新的迫切需求。

纳米能源技术的开发，将在很大程度上缓解能源的短缺状况，提高现有能源的使用效率，为整个世界的发展提供新的动力。其中，纳米太阳能电池材料、高效储能材料、热电转换材料等是新型能源材料的重要组成部分和主要发展方向，将在解决08世纪日益突出的能源危机问题上，发挥重要作用，形成一个新的经济增长点，具有巨大的市场容量。

纳米材料的趋势

未来高新技术产业发展的需求纳米技术在电子信息产业中的应用将对信息

产业和其他相关产业的发展具有革命性的影响，将成为21世纪经济增长的一个主要发动机。这些技术的突破将全面地改变人类的生存方式，它所带来的经济价值是难以估量的。

与医学和健康领域相关的纳米技术的研究与进步，可望在未来30年内影响4800亿美元的药物制造工业的产值。利用纳米微粒标记、纳米荧光探针、纳米靶基因与纳米生物传

感器，可促进癌和其他疾病的早期发现及早期诊治，纳米靶基因及纳米药物输运技术的发展，可定向治疗肿瘤、心脏病、糖尿病、前列腺炎等疾病，减少副作用。生物相容性纳米材料制成的人造器官和人造组织，可在人类康复工程中发挥重要作用等。

传统产业和支柱产业技术提升的需求纳米晶金属软磁功能材料主要用于制作各种高精度、高可靠性的微型磁敏和力敏器件，以及各种高品质变压器和电感器的感性元件，广泛应用于新兴电子信息，自动控制、精密测量等领域。纳米晶金属磁性功能材料的应用对高新技术产业的形成和发展，对传统产业的改造和更新换代将产生重大影响，未来5年的市场将达数十亿元。

纳米润滑添加剂作为一种性能优异的新型固体润滑添加剂，其应用前景十分广阔，市场需求巨大。以机油添加剂为例，每年可创产值81亿元。

纳米磁性液体由于具有十分独特的物理特性，在航天航空、冶金机械、化工环保、仪器仪表、医疗卫生、国防军工等领域获得广泛应用。据不完全统计，现在各国每年应用这种功能材料的元器件数量已达数千万件。

纳米硬质合金在难加工和精密加工领域具有广阔的应用前景和市场需求，已成为高附加值硬质合金的发展方向。据统计，我国目前每年高性能硬质合金的市场需求量约为20亿元左右。

金属材料表面金属纳米化可以显著提高材料表面强度、疲劳寿命以及耐磨损、耐侵蚀、耐气蚀、耐腐蚀性，这为传统工程材料的性能升级和新型高性能结构材料的研制提供了一条独特的途径，此项技术将有着巨大的工业应用价值。

陶瓷材料在现代高新技术材料中发挥越来越重要的作用，陶瓷材料纳米化以后，可显著提高强度和韧性，在各领域中的应用将全面展开，一批新技术、新产品等各项研究成果的应用将成为经济发展的增长点，对推动社会经济的快速发展有重要意义。

高分子纳米复合材料在较低纳米材料含量时力学性能发生明显改进，刚性、韧性和耐热等性能可同时提高。这对提升塑料、橡胶、纤维等传统产业具有重要意义。纳米介孔材料在化工催化、环保过滤、光学器件等领域有重要用途。

我国是世界纺织大国，纳米材料在纺织行业中的应用将带来数十亿元的收益；纳米功能氧化物填充将为织物纤维的发展带来一场健康革命。

纳米材料的小尺寸效应及表面效应使其具有极高的表面活性，作为化工催化剂具有广泛的应用市场；我国科技工作者已研制出各种纳米氧化物、金属及复合催化剂，显示出良好的应用前景。

可持续发展的需求环保产业对纳米材料技术具有重要的需求，纳米环保材料在空气净化、饮用水净化、有机废水净化、杀菌抑菌、吸光吸波、固体废物处理等环保方面起到重要作用。我国经济的快速增长和社会可持续发展，对发展新型能源及能源材料具有迫切的需求。纳米能源材料在解决21世纪日益突出的能源危机问题上，将获得重大进展并形成一个新的经济增长点。最后，希望纳米材料早日真正莹莹到平明百姓的生活中去。