納米粉體材料

納米材料分為納米粉體材料、納米固體材料、納米組裝體系三類。納米固體是由分體材料聚集，組合而成。而納米組裝體系則是納米粉體材料的變形。

納米粉體也叫納米顆粒，一般指尺寸在1-100nm之間的超細粒子，有人稱它是超微粒子。它的尺度大於原子簇而又小於一般的微粒。按照它的尺寸計算，假設每個原子尺寸為1埃，那麼它所含原子數在1000個-10億個之間。它小於一般生物細胞，和病毒的尺寸相當。

細微顆粒一般不具有量子效應，而納米顆粒具有量子效應；一般原子團簇具有量子效應和幻數效應，而納米顆粒不具有幻數效應。

納米顆粒的形態有球形、板狀、棒狀、角狀、海綿狀等，製成納米顆粒的成分可以是金屬，可以是氧化物，還可以是其他各種化合物。

納米粉體材料的性質與以下幾個效應有很大的關係：

（1）.小尺寸效應

隨著顆粒的量變，當納米顆粒的尺寸與光波、傳導電子德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等物理尺寸特徵相當或更小時，周期邊界性條件將被破壞，聲、光、電、磁、熱、力等特性均會出現質變。由於顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化成為小尺寸效應。

（2）.表面與界面效應

納米微粒尺寸小、表面大、位於表面的原子占相當大的比例。由於納米粒徑的減小，最終會引起表面原子活性增大，從而不但引起納米粒子表面原子輸送和構型的變化，同時也引起表面電子自旋構象和電子能譜的變化。以上的這些性質被稱為“表面與界面效應”。

（3）.量子尺寸效應

當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由准連續變成離散能級的現象成為量子尺寸效應。

具體從各方面說來有以下特性：

（1）熱學特性

納米微粒的熔點，燒結溫度比常規粉體要低得多。這是由於表面與界面效應引起的。

比如：大塊的pb的熔點600k，而20nm球形pb微粒熔點降低288k，納米Ag微粒在低於373k時開始融化，常規Ag的熔點遠高於1173k。還有，納米TiO2在773k加熱出現明顯緻密化，而大晶粒樣品要出現同樣的緻密化需要再升溫873k才能達到，這和燒結溫度有很大關係。

（2）光學特性

寬頻帶強吸收

當尺寸減小到納米顆粒時，幾乎成黑色，對可見光反射率急劇下降。

有些納米顆粒如同氮化硅，SiC及三氧化二鋁對紅外有一個寬頻帶強吸收譜。而ZnO、三氧化二鐵和二氧化鈦納米顆粒對紫外線有一個寬頻帶強吸收譜。

藍移和紅移

和大塊材料相比，納米微粒普遍吸收帶存在藍移，即吸收帶移向短波長方向；而在某些條件下粒徑減小至納米級時吸收帶向長波方向轉移，即紅移。

（3）化學性質

由於表面效應，可以做催化劑，提高反應活力。

納米粉體顆粒一般指一次顆粒（含有氣孔率低的一種獨立粒子），可以是晶態，非晶和准晶態，可以是多晶體也可以是單晶體。

對於球形顆粒來說顆粒尺寸即指其直徑。則對規則顆粒，尺寸的定義常為等當直徑，如體積等當直徑，攝影面積直徑等。

下面介紹兩種主要的測量方法：

透射電鏡（TEM）法：拍攝多張納米微粒圖片，測量其等當半徑，然後畫出不同晶粒尺寸下的晶粒數分布圖，將分佈曲線中峰值的顆粒尺寸作為平均粒徑。

X射線衍射線線寬法：測定的是晶粒尺寸而不是顆粒尺寸，由於晶粒的細小可以引起衍射線的寬化，其衍射線半強度的寬化度B與晶粒尺寸D關係可以用下式來表示：

B=0.89λ/D*角度的餘弦 其中B=Bm-Bs，B只是晶粒細化引起的寬化

(1)氣相法，是指直接利用氣體或者通過各種手段將物質變為氣體，使之在氣體狀態下發生物理或化學的反應，最後冷卻過程中凝聚長大形成納米微粒的方法。

具體有惰性氣體冷凝法、濺射法、流動液面上真空蒸鍍法、通電加熱法、爆炸絲法、化學氣相反應法等

（2）液相法，液相法製備納米微粒的共同特點是該法均以均相的溶液為出發點，通過各種途徑使溶質和溶劑分離，溶質形成一定的形狀和大小的顆粒，得到所需粉末樣品的前軀體，熱解后得到納米微粒。

主要的製備方法有沉澱法、水解法、噴霧法、溶膠凝膠等等

（3）固相法，固相法是通過從固相到固相的轉變來製造粉體，對於氣象和液相，分子具有大的易動度，所以集合狀態是均勻的，對於外界條件來講，反應很敏感。而固相法分子擴散很遲緩，集合狀態時多種多樣的。比較穩定。

主要方法有熱分解法、固相反映法、火花放電法、溶出法、球磨法等

由於納米粉體材料可以壓製成納米固體。所以納米粉體是納米固體的基礎。

（1）納米塗層

納米塗層是運用表面技術，將部分或全部含有納米粉的材料塗於基體，由於納米粉體的獨特表面性質，從而賦予材料新的各種性質。

① 可以做成表面塗料從而改變物質表面的光學性質，如光學非線性、光吸收、光反射、光傳輸等。納米顆粒在燈泡工業上有很好的應用。對於高壓鈉燈，碘弧燈有69%的電能轉化為紅外線，只有少量的光能是可見光，並且燈管發熱也會減少燈管的壽命，納米顆粒給其提供了新的解決方案，人們利用SiO2和TiO2的納米顆粒製成了多層干涉薄膜總厚度為微米級襯在燈管的內部不僅透光率好而且又很強的紅外線反射能力。可以節省電15%.

②納米紅外塗層，也受到很多人的研究，利用二氧化硅和三氧化二鐵、三氧化二鋁的納米粉末複合后就可以很強的吸收紅外線，可以做成軍人的衣服，既可以保暖又可以躲避敵人熱頻段的探測，並且重量減少30%.

③納米紫外塗層，是利用了納米顆粒的藍移現象，可作為半導體紫外線過濾器。還有可以塗在塑料表面可以減緩塑料的老化，甚至可以做成防晒霜保護皮膚。

④納米隱身技術，隨著各種探測手段越來越先進，雷達發射電磁波，利用紅外探測器可以探測發熱體等在以後的軍事鬥爭中，納米隱身技術就顯得很重要了。一方面由於納米顆粒尺寸遠小於紅外及其雷達波的波長，因此納米顆粒的透射率就比常規的材料要大得多，從而減少了反射率，避開了探測；另一方面，納米微粒的表面能比常規材料要多得多，這就使納米微粒對電磁波的吸收很強，使反射回去的電磁波輕度大大減小從而很難被發現。納米級的硼化物，碳化物以及納米碳管在這方面很有發展前途。

（2）在環境保護方面的應用

礦物能源的短缺，環境污染困擾著人們，納米材料在環境保護，環境治理和減少污染方面的應用，已經呈現出欣欣向榮的景象。納米顆粒可以抗菌、防腐、除臭、凈化空氣、優化環境，便於降解等，此外還可以吸附重金屬離子凈化水質，吸附細菌，病毒，有毒離子等。

（3）納米粒子光催化

光催化可以用於環保，降解農藥，有機物等。由於納米粒子粒徑小，比表面積大，光催化效率高；另外納米粒子生成的電子、空穴在達到表面大部分不會重新結合，因此空穴低，化學反應活性高。

納米粉體材料之星納米碳管

納米碳管，管狀的納米級石墨晶體，是單層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角捲曲而成的無縫納米級管，每層的C是SP2雜化，形成六邊形平面的圓柱面。

納米碳管由1991年日本科學家發現，具有優良的場發射性能，製作成陰極顯示管，儲氫材料。我國自製的碳管儲氫能力達到4%，據世界領先水平。1992年，科研人員發現碳納米管隨管壁曲卷結構不同而呈現出半導體或良導體的特異導電性；1995年，科學家研究並證實了其優良的場發射性能；1996年，我國科學家實現碳納米管大面積定向生長；1998年，科研人員應用碳納米管作電子管陰極；1998年，科學家使用碳納米管製作室溫工作的場效應晶體管；1999年，韓國一個研究小組製成碳納米管陰極彩色顯示器樣管；2000年，日本科學家製成高亮度的碳納米管場發射顯示器樣管。

當前，我國科學家不僅在世界上合成出最長的碳納米管，而且加緊了碳納米管的應用研究，研製出具備良好儲氫性能的碳納米管和具備初步顯示功能的碳納米管顯示器，並在利用其電子發射性能研製發光器件。