納米材料的重要性

羅錦潔

摘 要：綜述了納米材料的研究概況，對納米材料的結構、性能、表面納米化等進行了介紹，并初步探討了納米材料存在的問題，對其未來發展進行了展望。

關鍵詞：納米材料；金屬材料；超微粒子；納米化

中圖分類號：TB383.1 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.13.029

諾貝爾物理獎獲得者RichardP.Feynman早在40年前就曾預言，如果能在一個很小的范圍內對物質的結構進行控制，那么材料的性能就能產生豐富的變化，時至今日，納米材料已受到越來越多的關注。隨著科技的不斷發展，在材料的發展進程中，人類生產活動對其性能的要求與現有材料的性能越來越不能滿足人類生產的需求，特別是在一些特殊的工況中，因此，對新技術，新材料的開發與應用成為一個急需解決的問題。

1 納米材料

在長度單位上，我們定義1 nm為10-9 m，而納米材料是由1～100 nm的超微粒子組成的超微顆粒材料，這些超微粒子在形成固態前需要經過燒結、壓制等一系列材料成型的方法。與傳統材料相比，納米材料具有強度高、韌性好、耐摩擦、耐高溫等許多優點，如果進一步對納米材料進行復合，還能提高材料硬度、耐熱性和抗震性等性能。在對新型納米材料的研究和開發中，人類的腳步從來沒有停止過，現如今，研究的尺度可在幾個納米之下不斷提升材料的性能，但是這種性能的提升是有限度的，不是無止境的。目前我們在實驗室中研制出的納米材料，由于受到制備工藝繁雜、費用高和材料外形尺寸等一些因素的制約，無法實現工業化，所以在現實生活中，納米材料還無法得到普及和應用。

2 納米材料的性能

在宏觀的世界中，物質本身具有的物理特性與該物質本身的尺寸無關，但是當物質顆粒的尺寸為1～100 nm，能通過一定的方式方法壓制成固體或沉積膜時，物質本身的固有特性就會發生質的變化，會產生許多特殊的物理現象，這表明了納米材料的性能具有特殊性，而科學上把這種現象叫作“納米效應”，并總結了納米材料的三大效應，分別是表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。

2.1 表面效應

材料學上定義納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑變小而急劇增加所引起的性質上的變化的現象為納米材料的表面效應，隨著粒徑的減小，原子所占的體積比明顯增大。例如，當納米粒子的尺寸為1 nm時，表面原子所占比例達到90%以上，這個時候我們發現，納米粒徑的表面幾乎都由原子集中組成，納米粒子的表面原子數增加，使得其原子配備數出現差額，導致原子的表面能增高，而原子和原子之間為了穩定，會產生互相結合的現象，從而具有很高的物化活性。

2.2 小尺寸效應

物質中粒子尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應，粒徑尺寸減小使得比表面積增加，從而使物質產生特殊的性質，主要有：①特殊的力學性能，即高硬度、優良的耐磨性能和韌性。許多單質金屬在納米的狀態下，硬度提升3～8倍，比如已作為納米涂層和切削材料的WC-Co，與普通材料相比，其硬度、耐磨性和韌性明顯增加。②金屬納米材料的飽和磁化曲線會隨著粒徑尺寸的減小顯示出較高的矯頑力，納米晶Fe的飽和磁化強度將比普通材料降低約40%，這種納米晶Fe的磁交互作用不但限于晶粒單體，還可以沖破界面，使上百個晶粒重新磁化排列。③熱學性能變化。納米金屬粒子的熔點明顯比微米晶體材料低，比如常態金的熔點為1 064 ℃，而納米金的熔點僅為327 ℃左右。④特殊的光學性能。粒徑尺寸越小，對光的反射率會越低，從而使納米金屬對光的吸收率顯著增加，一些金屬超微顆粒達到一定的厚度時，可以產生消光的作用。

2.3 宏觀量子隧道效應

納米超微粒子能級間的間距將隨粒徑尺寸減小而增大，當熱能、電場能、磁場能等比平均的能級間距小時，會出現一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱為量子尺寸效應。例如，當原本具有導電性能的金屬細化成超微顆粒時可以變成絕緣體，比熱也會出現與常規相反的變化。

3 材料表面納米化

材料表面結構和性能對一些特殊環境是非常敏感的，比如高速摩擦、交變疲勞、酸堿度高的工況。研究表明，大多數材料在使用過程中，其失效往往起源于材料表面，如果我們增加其表面性能，延長失效期限，那么就一定能進一步增加它的服役時間，而納米材料從誕生起就賦予了普通材料所不能媲美的許多特殊性能，所以在對材料表面進行納米化是未來發展的必然趨勢。納米化能在提高和改善材料表面性能的同時，延長零件的服役壽命。與其他納米化技術相比較，材料表面納米化僅僅是針對表層制備出相應要求厚度的納米層，具有成本低、納米層與基體不易脫落分離、對材料及設備要求不高、易普及等眾多優點，而目前制備三維大尺寸納米晶體材料的技術存在的一定困難，表面納米化技術巧妙地克服了這個問題，目前材料表面納米化主要著眼于工程金屬材料，將納米材料的優異性能與傳統工程金屬材料相結合，材料表面納米化在我們的生產、生活及工業應用上具有非常高的價值。

我國對納米材料的研究始于20世紀80年代末，經過多年的努力，已經取得了一些高水平、有國際影響力的成果，但是仍需進一步深化研究納米金屬材料及其實用化。如何實現低成本、高性能、高質量的納米金屬量產化，如何研制出更多新型金屬納米材料，如何保證納米材料在使用過程中保持結構功能穩定等，這些問題需要我們在現有的工作水平上投入更多的人力、物力，使我國在這塊研究領域上走得更高、更遠。

參考文獻

[1]陳麗文，崔冰艷，百葉飛.大塑形變形技術制備納米/超細晶材料[J].中國水運，2007，07（03）：60-61.

〔編輯：王霞〕

Abstract： The research overview of nanomaterials， nanomaterials structure， properties， surface nanocrystallization were introduced and discussed the problems of nanomaterials carried out its future development prospects.

Key words： nanomaterials； metal materials； ultrafine particles； nanocrystallization