應(yīng)用中心
納米材料的主要應(yīng)用領(lǐng)域
1、陶瓷增韌
2、磁性材料
2.1、巨磁電阻材料
磁性金屬和合金一般都有磁電阻現(xiàn)象，所謂磁電阻是指在一定磁場下電阻改變的現(xiàn)象，人們把這種現(xiàn)象稱為磁電阻。所謂巨磁阻就是指在一定的磁場下電阻急劇減小，一般減小的幅度比通常磁性金屬與合金材料的磁電阻數(shù)值約高10余倍。巨磁電阻效應(yīng)是近10年來發(fā)現(xiàn)的新現(xiàn)象。1986年德國的Cdnberg教授首先在Fe/Cr/Fe多層膜中觀察到反鐵磁層間藕合。1988年法國巴黎大學(xué)的肯特教授研究組首先在Fe／Cr多層膜中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，這在國際上引起了很大的反響。20世紀(jì)90年代，人們在Fe/Cu，Fe/Al，Fe/Al，Fe/Au，Co/Cu，Co/Ag和Co/Au 等納米結(jié)構(gòu)的多層膜中觀察到了顯著的巨磁阻效應(yīng)，由于巨磁阻多層膜在高密度讀出磁頭、磁存儲元件上有廣泛的應(yīng)用前景，美國、日本和西歐都對發(fā)展巨磁電阻材料及其在高技術(shù)上的應(yīng)用投入很大的力量。1992年美國率先報道了Co-Ag，Co- Cu顆粒膜中存在巨磁電阻效應(yīng)，這種顆粒膜是采用雙靶共濺射的方法在Ag或Cu非磁薄膜基體上鑲嵌納米級的鐵磁的Co顆粒。這種人工復(fù)合體系具有各向同性的特點。顆粒膜中的巨磁電阻效應(yīng)目前以Co-Ag體系為最高，在液氮溫度可達55％，室溫可達20％，而目前實用的磁性合金僅為2％~3％，但顆粒膜的飽和磁場較高，降低顆粒膜磁電阻飽和磁場是顆粒膜研究的主要目標(biāo)。顆粒膜制備工藝比較簡單，成本比較低，一旦在降低飽和磁場上有所突破將存在著很大的潛力。最近，在FeNiAg顆粒膜中發(fā)現(xiàn)最小的磁電阻飽和磁場約為32KA／m，這個指標(biāo)已和具有實用化的多層膜比較接近，從而為顆粒膜在低磁場中應(yīng)用展現(xiàn)了一線曙光。我國科技工作者在顆粒膜巨磁阻研究方面也取得了進展，在顆粒膜的研究中發(fā)現(xiàn)了磁電阻與磁場線性度甚佳的配方與熱處理條件，為發(fā)展新型的磁敏感元件提供了實驗上的依據(jù)。
在巨磁電阻效應(yīng)被發(fā)現(xiàn)后的第六年，1994年，IBM公司研制成巨磁電阻效應(yīng)的讀出磁頭，將磁盤記錄密度一下子提高了17倍，達5Gbit／in2，最近報道為11Gbit／in2，從而在與光盤競爭中磁盤重新處于領(lǐng)先地位。由于巨磁電阻效應(yīng)大，易使器件小型化，廉價化，除讀出磁頭外同樣可應(yīng)用于測量位移，角度等傳感器中，可廣泛地應(yīng)用于數(shù)控機床，汽車測速，非接觸開關(guān)，旋轉(zhuǎn)編碼器中，與光電等傳感器相比，它具有功耗小，可靠性高，體積小，能工作于惡劣的工作條件等優(yōu)點。利用巨磁電阻效應(yīng)在不同的磁化狀態(tài)具有不同電阻值的特點，可以制成隨機存儲器（MRAM），其優(yōu)點是在無電源的情況下可繼續(xù)保留信息。1995年報道自旋閥型MRAM記憶單位的開關(guān)速度為亞納秒級，256Mbit的MRAM芯片亦已設(shè)計成功，成為可與半導(dǎo)體隨機存儲器（DRAM，SEUM）相競爭的新型內(nèi)存儲器，此外，利用自旋極化效應(yīng)的自旋晶體管設(shè)想亦被提出來了。鑒于巨磁電阻效應(yīng)重要的基礎(chǔ)研究意義和重大的應(yīng)用前景，對巨磁電阻效應(yīng)作出重大開拓工作的弗特教授等人曾獲二次世界級大獎。
巨磁電阻效應(yīng)在高技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的另一個重要方面是微弱磁場探測器。隨著納米電子學(xué)的飛速發(fā)展，電子元件的微型化和高度集成化，要求測量系統(tǒng)也要微型化。21世紀(jì)超導(dǎo)量子相干器件(SQUIDS)和超微霍耳探測器和超微磁場探測器將成為納米電子學(xué)中主要角色。其中以巨磁電阻效應(yīng)為基礎(chǔ)，設(shè)計超微磁場傳感器要求能探測10-2T至10-6T的磁通密度。如此低的磁通密度在過去是沒有辦法測量的，特別是在超微系統(tǒng)測量如此弱的磁通密度時十分困難的，納米結(jié)構(gòu)的巨磁電阻器件經(jīng)過定標(biāo)可能完成上述目標(biāo)。瑞士蘇黎土高工在實驗室研制成功了納米尺寸的巨磁電阻絲，他們在具有納米孔洞的聚碳酸脂的襯底上通過交替蒸發(fā)Cu和Co并用電子束進行轟擊，在同心聚碳酸脂多層薄膜孔洞中由Cu、Co交替填充形成幾微米長的納米絲，其巨磁電阻值達到15％，這樣的巨磁電阻陣列體系飽和磁場很低，可以用來探測10－11T的磁通密度。由上述可見，巨磁阻較有廣闊的應(yīng)用情景。
2.2、新型的磁性液體和磁記錄材料
1963年，美國國家航空與航天局的帕彭首先采用油酸為表面活性劑，把它包覆在超細的Fe3O4微顆粒上(直徑約為l0m)，并高度彌散于煤油(基液)中，從而形成一種穩(wěn)定的膠體體系。在磁場作用下，磁性顆粒帶動著被表面活性劑所包裹著的液體一起運動，因此，好像整個液體具有磁性，于是，取名為磁性液體。生成磁性液體的必要條件是強磁性顆粒要足夠小，在致可以削弱磁偶極矩之間的靜磁作用，能在基液中作無規(guī)則的熱運動。例如對鐵氧體類型的微顆粒，大致尺寸為l0nm，對金屬微顆粒，通常大于6nm。在這樣小的尺寸下，強磁性顆粒已喪失了大塊材料的鐵磁或亞鐵磁性能，而呈現(xiàn)沒有磁滯現(xiàn)象的超順磁狀態(tài)，其磁化曲線是可逆的。為了防止顆粒間由于靜磁與電偶矩的相互作用而聚集成團，產(chǎn)生沉積，每個磁性微顆粒的表面必需化學(xué)吸附一層長鏈的高分子(稱為表面活性劑)，高分子的鏈要足夠長，以致顆粒接近時排斥力應(yīng)大于吸引力。此外，鏈的一端應(yīng)和磁性顆粒產(chǎn)生化學(xué)吸附，另一端應(yīng)和基液親和，分散于基液中。由于基液不同，可生成不同性能、不同應(yīng)用領(lǐng)域的磁性液體，如水基、煤油基、短基、二醋基、聚苯基、硅油基、氟碳基等。
磁性液體的主要特點是在磁場作用下可以被磁化，可以在磁場作用下運動，但同時它又是液體，具有液體的流動性。在靜磁場作用下，磁性顆粒將沿著外磁場方向形成一定有序排列的團鏈簇，從而使得液體變?yōu)楦飨虍愋缘慕橘|(zhì)。當(dāng)光波、聲波在其中傳播時(如同在各向異性的晶體中傳播一樣)，會產(chǎn)生光的法拉第旋轉(zhuǎn)、雙折射效應(yīng)、二向色性以及超聲波傳播速度與衰減的各向異性。此外，磁性液體在靜磁場作用下，介電性質(zhì)亦會呈現(xiàn)各向異性。這些有別于通常液體的奇異性質(zhì)，為若干新穎的磁性器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。
(1) 磁性液體的國內(nèi)外發(fā)展概況
磁性液體自20世紀(jì)60年代初問世以來，引起了世界各國的重視與興趣。1977年在意大利召開了第一次有關(guān)磁性液體國際會議，之后，每隔3年召開1次，至今已召開了5次國際會議，發(fā)表論文與專利逾千篇。美國、日本、英國、蘇聯(lián)等國均有磁性液體專業(yè)工廠生產(chǎn)。目前，國內(nèi)外正積極研制金屬型的磁性液體，其中磁性顆粒為鐵(Fe)、鎳(Ni)、鈷(Co)等金屬、合金及其氮化物，其飽和磁化強度比鐵氧體型約高3倍以上。
我國從20世紀(jì)70年代以來，南京大學(xué)、西南應(yīng)用磁學(xué)研究所、東北工學(xué)院、哈爾濱化工所、北京理工大學(xué)、北京鋼鐵研究院等單位相繼開展了這一領(lǐng)域的研制工作，并有產(chǎn)品可提供市場。如南京大學(xué)已試制成水基、短基、二酶基、硅油基等多種類型的磁性液體。但目前國內(nèi)還未廣泛地了解此類新型磁性材料的特性，也未開拓該材料在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用，與國外相比，我們的差距是相當(dāng)大的。
（2）磁性液體的主要應(yīng)用
利用磁性液體可以被磁控的特性，人們利用環(huán)狀永磁體在旋轉(zhuǎn)軸密封部件產(chǎn)生一環(huán)狀的磁場分布，從而可將磁性液體約束在磁場之中而形成磁性液體的“O”形環(huán)，且沒有磨損，可以做到長壽命的動態(tài)密封。這也是磁性液體較早、較廣泛的應(yīng)用之一。此外，在電子計算機中為防止塵埃進入硬盤中損壞磁頭與磁盤，在轉(zhuǎn)軸處也已普遍采用磁性液體的防塵密封。
在精密儀器的轉(zhuǎn)動部分，如X射線衍射儀中的轉(zhuǎn)靶部分的真空密封，大功率激光器件的轉(zhuǎn)動部件，甚至機械人的活動部件亦采用磁性液體密封法。此外，單晶爐提拉部位、真空加熱爐等有關(guān)部件的密封等，磁性液體是較為理想動態(tài)密封方式之一。
新的潤滑劑。通常潤滑劑易損耗、易污染環(huán)境。磁性液體中的磁性顆粒尺寸僅為10單位，因此，不會損壞軸承，而基液亦可用潤滑油，只要采用合適的磁場就可以將磁性潤滑油約束在所需的部位。
增進揚聲器功率。在音圈與磁鐵間隙處滴入磁性液體，由于液體的導(dǎo)熱系數(shù)比空氣高5~6倍，從而使得在相同條件下功率可以增加1倍。
磁性液體的添加對頻響曲線的低頻部分影響較大，通常根據(jù)揚聲器的結(jié)構(gòu)，選用合適粘滯性的磁性液體，可使揚聲器具有較佳的頻響曲線。
作阻尼器件。磁性液體具有一定的粘滯性，利用此特性可以阻尼掉不希望的系統(tǒng)中所產(chǎn)生的振蕩模式。例如，步進電機是用來將電脈沖轉(zhuǎn)換為精確的機械運動，其特點是迅速地被加速與減速，因此，常導(dǎo)致系統(tǒng)呈振蕩狀態(tài)。為了消除振蕩而變?yōu)槠交倪\動，僅需將少量磁性液體注入磁極的間隙中，在磁場作用下磁性液體自然地定位于轉(zhuǎn)動部位。
應(yīng)用比重不同進行礦物分離。磁性液體被磁化后相當(dāng)于增加磁壓力，以致在磁性液體中的物體將會浮起，好像磁性液體的視在密度隨著磁場增加而增大。利用此原理可以設(shè)計出磁性液體比重計，磁性液體對不同比重的物體進行比重分離，控制合適的磁場強度可以使低于某密度值的物體上浮，高于此密度的物體下沉，原則上可以用于礦物分離。例如，使高密度的金與低密度的砂石分離，亦可用于城市廢料中金屬與非金屬的分離。
磁性液體還有其他許多用途，如儀器儀表中的阻尼器、無聲快速的磁印刷、磁性液體發(fā)電機、醫(yī)療中的造影劑等等，不再一一例舉，今后還可開拓出更多的用途。
用作磁記錄材料。近年來各種信息量飛速增加，需要記錄的信息量也不斷增加，要求記錄材料高性能化，特別是記錄高密度化。高記錄密度的記錄材料與超微粒有密切的關(guān)系。例如，要求每1cm2可記錄1000萬條以上信息，那么，一條信息要求被記錄在1~10mm2中，至少具有300階段分層次的記錄，在1~10mm2中至少必須要有300個記錄單位。若以超微粒作記錄單元，使記錄密度大大提高。
磁性納米微粒由于尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)，矯頑力很高的特性，用它制作磁記錄材料可以提高信噪比，改善圖像質(zhì)量。作為磁記錄單位的磁性粒子的大小必須滿足以下要求：顆粒的長度應(yīng)遠小于記錄波長；粒子的寬度(如可能，長度也包括在內(nèi))應(yīng)該遠小于記錄深度；一個單位的記錄體積中，就盡可能有更多的磁性粒子。
磁性納米微粒除了上述應(yīng)用外，還可作光快門、光調(diào)節(jié)器(改變外磁場，控制透光量)、激光磁艾滋病毒檢測儀等儀器儀表，抗癌藥物磁性載體，細胞磁分離介質(zhì)材料，復(fù)印機墨粉材料以及磁墨水和磁印刷等。
2.3、納米微晶軟磁材料
非晶材料通常采用熔融快淬的工藝，Fe-Bi-B是一類重要的非晶態(tài)軟磁材料，如果直接將非晶材料在晶化溫度進行退火，所獲得的晶粒分布往往是非均勻的，為了獲得均勻的納米微晶材料，人們在Fe-Si-B合金中再添加Nb，Cu元素，Cu，Nb均不回溶于FeSi合金，添加Cu有利于生成鐵微品的成核中心，而Nb有利于細化晶粒。1988年牌號為Finement的著名納米微晶軟磁材料問世了，其組成為Fe73.5CulNb3Sil3.5B9，它的磁導(dǎo)率高達105，飽和磁感應(yīng)強度為1.30T，其性能優(yōu)于鐵氧體與非磁性材料，作為工作頻率為30KHz的2KW開關(guān)電源變壓器，重量僅為300g，體積僅為鐵氧體的1/5，效率高達96％。繼Fe-Si-B納米微晶軟磁材料后，20世紀(jì)90年代Fe-M-B，Fe-M-C，Fe-M-N，Fe-M-O等系列納米微晶軟磁材料如雨后春筍破土而出，其中M為Zr，Hf，Nb，Ta，V等元素，例如組成為Fe85.6Nb3.3Zr3.3B6.8Cul3的納米坡莫材料，納米微晶軟磁材料目前沿著高頻、多功能方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒈榧败洿挪牧蠎?yīng)用的各方面，如功率變壓器、脈沖變壓器、高頻高壓器、可飽和電抗器、互感器、磁屏蔽、磁頭、磁開關(guān)、傳感器等，它將成為鐵氧體的有力競爭者。新近發(fā)現(xiàn)的納米微晶軟磁材料在高頻場中具有巨磁阻抗效應(yīng)，又為它作為磁敏感元件的應(yīng)用增添了多彩的一筆。
隨著半導(dǎo)體元件大規(guī)模集成化，電子元器件趨于微型化，電子設(shè)備趨于小型化，相比之下，磁性元件的小尺寸化相形見絀。近年來，磁性薄膜器件如電感器、高密度讀出磁頭等有了顯著的進展，1993年發(fā)現(xiàn)的納米結(jié)構(gòu)Fe55-58M7-22O12-34(其中M=Hf，Zr，…)，具有優(yōu)異的頻率特性，Fe-M-O軟磁薄膜是由小于10nm的磁性微晶嵌于非晶態(tài)Fe-M-O的膜中形成的納米復(fù)合薄膜，它具有較高的電阻率p>4mW.m，相對低的矯頑力，Hc≤400A／m，較高的飽和磁化強度，Is>0.9T，從而使得在高頻段亦具有高磁導(dǎo)率與品質(zhì)因子，此外抗腐蝕性強，其綜合性能遠高于以往的磁性薄膜材料。這類薄膜可望應(yīng)用于高頻微型開關(guān)電源，高密度數(shù)字記錄磁頭以及噪聲濾波器等。
2.4、納米微晶稀土永磁材料
由于稀土永磁材料的問世，使永磁材料的性能突飛猛進。稀土永磁材料已經(jīng)歷了SmCo5，Sm2CO17以及Nb2Fe14B3個發(fā)展階段；目前燒結(jié)Nd2Fel4B稀土永磁的磁能積已高達432kJ／m3(54MGOe)，接近理論值512kJ／m3(64MGOe)，并已進入規(guī)模生產(chǎn)，此外作為粘結(jié)永磁體原材料的快粹NbFeB磁粉，晶粒尺寸約為20~50nm為典型的納米微晶稀土永磁材料，美國GM公司快淬NbFeB磁粉的年產(chǎn)量已達4500t／a(噸／年)。
目前，NbFeB產(chǎn)值年增長率約為18~20％，已占永磁材料產(chǎn)值的40％，但NbFeB永磁體的主要缺點是居里溫度偏低，Tc=593K，最高工作溫度約為450K，此外化學(xué)穩(wěn)定性較差，易被腐蝕和氧化，價格也比鐵氧體高。目前研究方向是探索新型的稀土永磁材料，如ThMnl2型化合物，Sm2Fel7Nx，Sm2Fel7C化合物等。另一方面是研制納米復(fù)合稀土永磁材料，通常軟磁材料的飽和磁化強度高于永磁材料，而永磁材料的磁晶各向異性又遠高于軟磁材料，如將軟磁相與永磁相在納米尺度范圍內(nèi)進行復(fù)合，就有可能獲得兼?zhèn)涓唢柡痛呕瘡姸?、高矯頑力二者優(yōu)點的新型永磁材料。微磁學(xué)理論表明，稀土永磁相的晶粒尺寸只有低于20nm時，通過交換糯合才有可能增大剩磁值。
2.5、納米磁致冷工質(zhì)
磁致冷發(fā)展的趨勢是由低溫向高溫發(fā)展，20世紀(jì)30年代利用順磁鹽作為磁致冷工質(zhì)，采用絕熱去磁方式成功地獲得mk量級的低溫，20世紀(jì)80年代采用Gd3Ga5012(GGG)型的順磁性石榴石化合物成功地應(yīng)用于1.5~15K的磁致冷，20世紀(jì)90年代用磁性Fe離子取代部分非磁性Gd離子，由于Fe離子與Cd離子間存在超交換作用，使局域磁矩有序化，構(gòu)成磁性的納米團簇，當(dāng)溫度大于15K時其磁梢變高于GGG，從而成為15~30K溫區(qū)最佳的磁致冷工質(zhì)。
1976年布朗首先采用金屬Gd為磁致冷工質(zhì)，在7T磁場下實現(xiàn)了室溫磁致冷的試驗，由于采用超導(dǎo)磁場，無法進行商品化。20世紀(jì)80年代以來人們對磁致冷工質(zhì)開展了廣泛的研究工作，但磁熵變均低于Gd。1996年在RmnO3鈣鈦礦化合物中獲得磁精變大于Gd的突破，1997年報道Gd5(Si2Ge2)化合物的磁熵變可高于金屬Gd-倍，高溫磁致冷正一步步走向?qū)嵱没?。?jù)報道1997年美國已研制成以Gd為磁致冷工質(zhì)的磁致冷機。如將磁致冷工質(zhì)納米化，可能用來展寬致冷的溫區(qū)。
2.6、納米巨磁阻抗材料
巨磁阻抗效應(yīng)是磁性材料交流阻抗隨外磁場發(fā)生急劇變化物特性，這種現(xiàn)象在軼磁衍料很容易出現(xiàn)，例如Co基非品、鐵基納米微晶以及NiFe坡莫合金均觀察到強的巨磁阻抗效應(yīng)磁場較低，工作溫度為室溫以上，這對巨磁阻抗材料的應(yīng)用十分有利，加上鐵基納米品成本低，因而利用納米材料巨磁阻抗效應(yīng)制成的磁傳感器已在實驗室問世。例如，用鐵基納米晶巨磁阻抗材料研制的磁敏開關(guān)具有靈敏度高，體積小，響應(yīng)快等優(yōu)點，可廣泛用于自動控制、速度和位置測定、防盜報警系統(tǒng)和汽車導(dǎo)航、點火裝置等。
3、納米微粒的活性及其在催化方面的應(yīng)用
納米微粒由于尺寸小，表面所占的體積百分數(shù)大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。最近，關(guān)于納米微粒表面形態(tài)的研究指出，隨著粒徑的減小，表面光滑程度變差，形成了凸凹不平的原子臺階，這就增加了化學(xué)反應(yīng)的接觸面。有人預(yù)計超微粒子催化劑在下一世紀(jì)很可能成為催化反應(yīng)的主要角色。盡管納米級的催化劑還主要處于實驗室階段，尚未在工業(yè)上得到廣泛的應(yīng)用，但是它的應(yīng)用前途方興未艾。
催化劑的作用主要可歸結(jié)為三個方面：一是提高反應(yīng)速度，增加反應(yīng)效率；二是決定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性，例如只進行氫化、脫氫反應(yīng)，不發(fā)生氫化分解和脫水反應(yīng)；三是降低反應(yīng)溫度。納米粒子作為催化劑必須滿足上述的條件。近年來科學(xué)工作者在納米微粒催化劑的研究方面已取得一些結(jié)果，顯示了納米粒子催化劑的優(yōu)越性。高鍍酸餃粉可以作為炸藥的有效催化劑，以粒徑小于0.3mm的Ni和Cu-Zn合金的超細微粒為主要成分制成的催化劑，可使有機物氫化的效率是傳統(tǒng)鐮催化劑的10倍，超細Pt粉、WC粉是高效的氫化催化劑。超細的Fe，Ni與γ-Fe2O3混合輕燒結(jié)體可以代替貴金屬而作為汽車尾氣凈化劑；超細Ag粉，可以作為乙烯氧化的催化劑；超細Fe粉，可在QH6氣相熱分解(1000-11000C)中起成核的作用而生成碳纖維。Au超微粒子固載在Fe2O3，C03O4，NiO中，在70℃時就具有較高的催化氧化活性。
近年來發(fā)現(xiàn)一系列金屬超微顆粒沉積在冷凍的饒腔基質(zhì)上，特殊處理后將具有斷裂C-C鍵或加成到C-H鍵之間的能力。例如Fe和Ni微顆?？缮?/span>Mx-CyHz組成的準(zhǔn)金屬有機粉末，該粉末對催化氫化具有極高的活性。納米Ti在可見光的照射下對碳氫化合物也有催化作用，利用這樣一個效應(yīng)可以在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面涂上一層納米TiO2薄層有很好的保潔作用，日本東京已有人在實驗室研制成功自潔玻璃和自潔瓷磚。這種新產(chǎn)品的表面有一薄層納米Tiq，在光的照射下任何粘污在表面上的物質(zhì)，包括油污、細菌在光的照射下由納米TiO2的催化作用，使這些碳氫化合物物質(zhì)進一步氧化變成氣體或者很容易被擦掉的物質(zhì)。納米TiO2光致催化作用給人們帶來了福音，高層建筑的玻璃、廚房容易粘污的瓷磚的保潔都可以很容易地進行。日本已經(jīng)制備出保潔瓷磚，裝飾了一家醫(yī)院的墻壁，經(jīng)使用證明，這種保潔瓷磚有明顯的殺菌作用。目前，關(guān)于納米粒子的催化劑有以下幾種，即金屬納米粒子催化劑，主要以貴金屬為主，如Pt，Rh，Ag，Pd，非貴金屬還有Ni，Fe，Co等。第二種以氧化物為載體把粒徑為1~10nm的金屬粒子分散到這種多孔的襯底上。襯底的種類很多，有氧化鋁、氧化硅、氧化鎂、氧化鈦、沸石等。第三種是碳化鎢、γ-A12O3，γ-Fe2O3等納米粒聚合體或者是分散于載體上。
3.1、 金屬納米粒子的催化作用
貴金屬納米粒子作為催化劑已成功地應(yīng)用到高分子高聚物的氫化反應(yīng)上，例如納米粒子姥在經(jīng)氫化反應(yīng)中顯示了極高的活性和良好的選擇性。烯短雙鏈上往往與尺寸較大的官能團-短基相鄰接，致使雙鏈很難打開，加上粒徑為lnm的銠微粒，可使打開雙鏈變得容易，使氫化反應(yīng)順利進行。表11.1列出了金屬佬粒子的粒徑對各種短的氫化催化活性的影響。由表中可看出，粒徑愈小，氫化速度愈快。
3.2、帶有襯底的金屬納米粒子催化劑
這種類型催化劑用途比較廣泛，一般采取化學(xué)制備法，概括起來有以下幾種：
浸入法。將金屬的納米粒子(<2nm)均勻分散到溶劑中，再將多孔的氧化物襯底浸入該溶劑中使金屬納米粒子沉積在上面，然后取出。這種方法僅適用于襯底上含有少量納米粒子的情況。例如用這種方法制備的n-Rh／A12O3中銠的含量僅占1％。
離子交換法。這種方法的基本過程是將襯底(沸石、SiO2等) 表面處理使活性極強的陽離子(如H+，Na+等)附著在表面上，再將襯底放入含有復(fù)合離子的溶液中。復(fù)合陽離子有Pt(NH3)2+4，Rh(NH3)5C12+ 等，由于發(fā)生了置換反應(yīng)，即襯底上的活性陽離子取代了復(fù)合陽離子中的貴金屬離子，這樣在襯底的表面上形成了貴金屬的納米粒子。
吸附法。把襯底放入含有Rb6(CO)6，Ru3(CO)l2等聚合體的有機溶劑中，將吸附在襯底上的聚合體進行分解，還原處理，就在襯底上形成了粒徑約lnm的金屬納米粒子。
蒸發(fā)法。這種方法是將純金屬在惰性氣體中加熱蒸發(fā)，形成納米粒子，直接附著在催化劑襯底上。此方法的優(yōu)點是純度高、尺寸可控。
醇鹽法。將金屬的乙二醇鹽與含有襯底元素的醇鹽混合，首先形成溶膠，然后使其凝膠化、熔燒、還原形成了金屬納米粒子，并分散在襯底材料中。
這里還應(yīng)指出的是，有的納米粒子合金的活性遠遠高于常規(guī)催化劑的活性，它們對高分子的氫化還原和聚合反應(yīng)有良好的催化作用。例如：n-Co-Mn／SiO2，對乙烯的氫化反應(yīng)顯示出高活性；n-Pt-Mo／沸石在丁烷氫化分解反應(yīng)中其催化作用遠遠高于傳統(tǒng)催化劑。
金屬納米粒子催化劑還有一個使用壽命問題，特別是在工業(yè)生產(chǎn)上要求催化劑能重復(fù)使用，因此催化劑的穩(wěn)定性尤為重要。在這方面金屬納米粒子催化劑目前還不能滿足上述要求，如何避免金屬納米粒子在反應(yīng)過程中由于溫度的升高，顆粒長大還有待進行研究。
3.3、半導(dǎo)體納米粒子的光催化
半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，一直引起人們的重視，原因在于這種效應(yīng)在環(huán)保、水質(zhì)處理、有機物降解、失效農(nóng)藥降解等方面有重要的應(yīng)用。近年來，人們一直致力于尋找光活性好、光催化效率高、經(jīng)濟價廉的材料，特別是對太陽敏感的材料，以便利用光催化開發(fā)新產(chǎn)品，擴大應(yīng)用范圍。所謂半導(dǎo)體的光催化效應(yīng)是指：在光的照射下，價帶電子越遷到導(dǎo)帶，價帶的孔穴把周圍環(huán)境中的涇基電子奪過來，短基變成自由基，作為強氧化劑將醋類變化如下：酯－>醇－>醛－>酸－>CO2，完成了對有機物的降解。具有這種光催化半導(dǎo)體的能隙既不能太寬，也不能太窄，對太陽光敏感的具有光催化特性的半導(dǎo)體能隙一般為1.9~3.1eV。納米半導(dǎo)體比常規(guī)半導(dǎo)體光催化活性高得多，原因在于：
由于量子尺寸效應(yīng)使其導(dǎo)帶和價帶能級變成分立能級，能隙變寬，導(dǎo)帶電位變得更負，而價帶電位變得更正。這意味著納米半導(dǎo)體粒子具有更強的氧化和還原能力。
納米半導(dǎo)體粒子的粒徑小，光生載流子比粗顆粒更容易通過擴散從粒子內(nèi)遷移到表面，有利于得或失電子，促進氧化和還原反應(yīng)。
常用的光催化半導(dǎo)體納米粒子有TiO2(銳鐵礦相)、Fe2O3，CdS，ZnS，PbS，PbSe，ZnFe2O4等。主要用處：將在這類材料做成空心小球，浮在含有有機物的廢水表面上，利太陽光可進行有機物的降解。美國、日本利用這種方法對海上石油泄露造成的污染進行處理。采用這種方法還可以將粉體添加到陶瓷釉料中，使其具有保潔殺菌的功能，也可以添加到人造纖維中制成殺菌纖維。銳鈦礦白色納米TiO2粒子表面用Cu+，Ag+離子修飾，殺菌效果更好。這種材料在電冰箱、空調(diào)、醫(yī)療器械、醫(yī)院手術(shù)室裝修等方面有著廣泛的應(yīng)用情景。鉛化的TiO2！納米粒子的光催化可以使丙炔與水蒸氣反應(yīng)，生成可燃性的甲烷、乙烷和丙烷；鉑化的TiO2納米粒子，通過光催化使醋酸分解成甲烷和CO2。還有一個重要的應(yīng)用是，納米TiO2光催化效應(yīng)可以用來從甲醇水合溶液中提取H2。
近年來，納米TiO2的光催化在污水有機物降解方面得到了應(yīng)用。為了提高光催化效率，人們試圖將納TiO2組裝到多孔固體中增加比表面，或者將鐵酸錚與TiO2復(fù)合提高太陽光的利用率。利用準(zhǔn)一維納米Ti烏絲的陣列提高光催化效率已獲得成功，有推廣價值，方法是利用多孔有序陣列氧化鋁模板，在其納米柱形孔洞的微腔內(nèi)合成銳鐵礦型納米TiO2絲陣列，再將此復(fù)合體系粘到環(huán)氧樹脂襯底上，將模板去后，在環(huán)氧樹脂襯底上形成納米TiO2絲陣列。由于納米絲表面積大，比同樣平面面積的TiO2膜的接受光的面積增加幾百倍，最大的光催化效率可以高300多倍，對雙酚、水楊駿和帶苯環(huán)一類有機物光降解十分有效。
3.4、納米金屬、半導(dǎo)體粒子的熱催化
金屬納米粒子十分活潑，可以作為助燃劑在燃料中使用。也可以摻雜到高能密度的材料，如炸藥，增加爆炸效率；也可以作為引爆劑進行使用。為了提高熱燃燒效率，金屬納米粒子和半導(dǎo)體納米粒子摻雜到燃料中，提高燃燒的效率，因此這類材料在火箭助推器和煤中作助燃劑。目前，納米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃劑。
4、光學(xué)應(yīng)用
納米微粒由于小尺寸效應(yīng)使它具有常規(guī)大塊材料不具備的光學(xué)特性，如光學(xué)非線性、光吸收、光反射、光傳輸過程中的能量損耗等都與納米微粒的尺寸有很強的依賴關(guān)系。研究表明，利用納米微粒的特殊的光學(xué)特性制備成各種光學(xué)材料將在日常生活和高技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。目前關(guān)于這方面研究還處在實驗室階段，有的得到推廣應(yīng)用。下面簡要介紹一下各種納米微粒在光學(xué)方面的應(yīng)用。
4.1、紅外反射材料
納米微粒用于紅外反射材料上主要制成薄膜和多層膜來使用。
結(jié)構(gòu)上，導(dǎo)電膜最簡單，為單層膜，成本低。金屬-電介質(zhì)復(fù)合膜和電介質(zhì)多層膜均屬于層膜，成本稍高。在性能上，金屬-電介質(zhì)復(fù)合膜紅外反射性能最好，耐熱度在2000C以下。電介質(zhì)多層膜紅外反射性良好并且可在很高的溫度下使用(<900℃)。導(dǎo)電膜雖然有較好的耐熱性能，但其紅外反射性能稍差。
納米微粒的膜材料在燈泡工業(yè)上有很好的應(yīng)用前景。高壓鈉燈以及各種用于拍照、攝影的碘弧燈都要求強照明，但是電能的69％轉(zhuǎn)化為紅外線，這就表明有相當(dāng)多的電能轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉，僅有一少部分轉(zhuǎn)化為光能來照明。同時，燈管發(fā)熱也會影響燈具的壽命。如何提高發(fā)光效率，增加照明度一直是亟待解決的關(guān)鍵問題，納米微粒的誕生為解決這個問題提供了一個新的途徑。20世紀(jì)80年代以來，人們用納米SiO2和納米TiO2微粒制成了多層干涉膜，總厚度為微米級，襯在有燈絲的燈泡罩的內(nèi)壁，結(jié)果不但透光率好，而且有很強的紅外線反射能力。有人估計這種燈泡亮度與傳統(tǒng)的鹵素?zé)粝嗤瑫r，可節(jié)省約15％的電。
4.2、優(yōu)異的光吸收材料
納米微粒的量子尺寸效應(yīng)等使它對某種波長的光吸收帶有藍移現(xiàn)象。納米微粒粉體對各種波長光的吸收帶有寬化現(xiàn)象。納米微粒的紫外吸收材料就是利用這兩個特性。通常的納米微粒紫外吸收材料是將納米微粒分散到樹脂中制成膜，這種膜對紫外有吸收能力依賴于納米
粒子的尺寸和樹脂中納米粒子的摻加量和組分。目前，對紫外吸收好的幾種材料有：30~40nm的TiO2納米粒子的樹脂膜；Fe2O3納米微粒的聚固醇樹脂膜。前者對400nm波長以下的紫外光有極強的吸收能力，后者對600nm以下的光有良好的吸收能力，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線過濾器。
最近發(fā)現(xiàn)，納米Al2O3粉體對250nm以下的紫外光有很強的吸收能力，這一特性可用于提高日光燈管使用壽命上。我們知道，日光燈管是利用水銀的紫外譜線來激發(fā)燈管壁的熒光粉導(dǎo)致高亮度照明。一般來說，185nm的短波紫外光對燈管的壽命有影響，而且燈管的紫外線泄漏對人體有損害，這一關(guān)鍵問題一直是困擾日光燈管工業(yè)的主要問題。如果把幾個納米的Al2O3粉摻合到稀土熒光粉中，利用納米紫外吸收的藍移現(xiàn)象有可能吸收掉這種有害的紫外光，而且不降低熒光粉的發(fā)光效率，在這方面的試驗工作正在進行。
目前，用納米微粒與樹脂結(jié)合用于紫外吸收的例子是很多的。例如，防曬油、化妝品中普遍加入納米微粒。我們知道，大氣中的紫外線主要是在300-400nm波段，太陽光對人體有傷害的紫外線也是在此波段。防曬油和化妝品中就是要選擇對這個波段有強吸收的納米微粒。最近研究表明，納米TiO2、納米ZnO、納米SiO2、納米Al2O3、納米云母、趨式化鐵都有在這個波段吸收紫外光的特征。這里還需要強調(diào)一下，納米添加時顆粒的粒徑不能太小，否則會將汗毛孔堵死，不利于身體健康。而粒徑太大，紫外吸收又會偏離這個波段。為了解決這個問題，應(yīng)該在具有強紫外吸收的納米微粒表面包敷一層對身體無害的高聚物，將這種復(fù)合體加入防曬油和化妝品中既發(fā)揮了納米顆粒的作用，又改善了防曬油的性能。塑料制品在紫外線照射下很容易老化變脆，如果在塑料表面涂上一層含有納米微粒的透明涂層，這種涂層對300－400nm范圍有較強的紫外吸收性能，這樣就可以防止塑料老化。汽車、艦船的表面上都需涂上油漆，特別是底漆主要是由氯丁橡膠、雙酚樹脂或者環(huán)氧樹脂為主要原料，這些樹脂和橡膠類的高聚物在陽光的紫外線照射下很容易老化變脆，致使油漆脫落，如果在面漆中加入能強烈吸收紫外線的納米微粒就可起到保護底漆的作用。因此研究添加納米微粒使之具有紫外吸收功能的油漆是十分重要的。
紅外吸收材料在日常生活和國防上都有重要的應(yīng)用前景。一些經(jīng)濟比較發(fā)達的國家已經(jīng)開始用具有紅外吸收功能的纖維制成軍服供部隊使用，這種纖維對人體釋放的紅外線有很好的屏蔽作用。眾所周知，人體釋放的紅外線大致在4-6mm的中紅外頻段，如果不對這個頻段的紅外線進行屏蔽，很容易被非常靈敏的中紅外探測器所發(fā)現(xiàn)，尤其是在夜間人身安全將受到威脅，從這個意義上來說，研制具有對人體紅外線進行屏蔽的衣服是很有必要的。而納米微粒小很容易填充到纖維中，在拉纖維時不會堵噴頭，而且某些納米微粒具有很強的吸收中紅外頻段的特性。納米Al2O3、、納米TiO2、納米SiO2和納米Fe2O3的復(fù)合粉就具有這種功能。納米添加的纖維還有一個特性，就是對人體紅外線有強吸收作用，這就可以增加保暖作用，減輕衣服的重量。有人估計用添加紅外吸收納米粉的纖維做成的衣服，其重量可以減輕30％。
4.3、隱身材料
“隱身”這個名詞，顧名思義就是隱蔽的意思。“聊齋”故事中就有“隱身術(shù)”的提法，它是指把人體偽裝起來，讓別人看不見。近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各種探測手段越來越先進。例如，用雷達發(fā)射電磁波可以探測飛機；利用紅外探測器也可以發(fā)現(xiàn)放射紅外線的物體。當(dāng)前，世界各國為了適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需要，提高在軍事對抗中的實力，也將隱身技術(shù)作為一個重要研究對象，其中隱身材料在隱身技術(shù)中占有重要的地位。1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國第一天出動的戰(zhàn)斗機就躲過了伊拉克嚴密的雷達監(jiān)視網(wǎng)，迅速到達首都巴格達上空，直接摧毀了電報大樓和其他軍事目標(biāo)，在歷時42天的戰(zhàn)斗中，執(zhí)行任務(wù)的飛機達1270架次，使伊軍95％的重要軍事目標(biāo)被毀，而美國戰(zhàn)斗機卻無一架受損。這場高技術(shù)的戰(zhàn)爭一度使世界震驚。為什么伊拉克的雷達防御系統(tǒng)對美國戰(zhàn)斗機束手無策？為什么美國的導(dǎo)彈擊中伊拉克的軍事目標(biāo)如此準(zhǔn)確？空對地導(dǎo)彈擊中伊拉克的坦克為什么有極高命中率？一個重要的原因就是美國戰(zhàn)斗機F117A型機身表面包覆了紅外與微波隱身材料，它具有優(yōu)異的寬頻帶微波吸收能力，可以逃避雷達的監(jiān)視。而伊拉克的軍事目標(biāo)和坦克等武器沒有防御紅外線探測的隱身材料，很容易被美國戰(zhàn)斗機上靈敏紅外線探測器所發(fā)現(xiàn)，通過先進的激光制導(dǎo)武器很準(zhǔn)確地擊中目標(biāo)。
美國F117A型飛機蒙皮上的隱身材料就含有多種超微粒子，它們對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力。為什么超微粒子，特別是納米粒子對紅外和電磁波有隱身作用呢？主要原因有兩點：一方面由于納米微粒尺寸遠小于紅外及雷達波波長，因此納米微粒材料對這種波的透過率比常規(guī)材料要強得多，這就大大減少波的反射率，使得紅外探測器和雷達接收到的反射信號變得很微弱，從而達到隱身的作用；另一方面，納米微粒材料的比表面積比常規(guī)粗粉大3~4個數(shù)量級，對紅外光和電磁波的吸收率也比常規(guī)材料大得多，這就使得紅外探測器及雷達得到的反射信號強度大大降低，因此很難發(fā)現(xiàn)被探測目標(biāo)，起到了隱身作用。
目前，隱身材料雖在很多方面都有廣闊的應(yīng)用前景，但當(dāng)前真正發(fā)揮作用的隱身材料大多使用在航空航天與軍事有密切關(guān)系的部件上。對于上天的材料有一個要求是重量輕，在這方面納米材料是有優(yōu)勢的，特別是由輕元素組成的納米材料在航空隱身材料方面應(yīng)用十分廣泛。有幾種納米微粒很可能在隱身材料上發(fā)揮作用，例如納米氧化鋁、氧化鐵、氧化硅和氧化鈦的復(fù)合粉體與高分子纖維結(jié)合對中紅外波段有很強的吸收性能，這種復(fù)合體對這個波段的紅外探測器有很好的屏蔽作用。納米磁性材料，特別是類似鐵氧體的納米磁性材料放人涂料中，既有優(yōu)良的吸波特性，又有良好的吸收和耗散紅外線的性能，加之比重輕，在隱身方面的應(yīng)用上有明顯的優(yōu)越性。另外，這種材料還可以與駕駛艙內(nèi)信號控制裝置相配合，通過開關(guān)發(fā)出干擾，改變雷達波的反射信號，使波形畸變，或者使波形變化不定，能有效地干擾、迷惑雷達操縱員，達到隱身目的。納米級的硼化物、碳化物，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應(yīng)用也將大有作為。
5、在其他方面的應(yīng)用
納米材料在其他方面也有廣闊的應(yīng)用前景。美國、英國等國家已制備成功納米拋光液，并有商品出售。常規(guī)的拋光液是將不同粒徑的無機小顆粒放入基液制成拋光劑，廣泛用于金相拋光、高級照像鏡頭拋光、．高級晶體拋光以及巖石拋光等。最細的顆粒尺寸一般在微米到亞微米級。隨著高技術(shù)的飛快發(fā)展，要求晶體的表面有更高的光潔度，這就要求拋光劑中的無機小顆粒越來越細，分布越來越窄。納米微粒為實現(xiàn)這個目標(biāo)提供了基礎(chǔ)。據(jù)報道，目前已成功制備出納米A1O3，納米CrO3、納米SiO2的懸浮液，并用于高級光學(xué)玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光，納米拋光液發(fā)展的前景方興未艾。
納米靜電屏蔽材料用于家用電器和其他電器的靜電屏蔽具有良好的作用。一般的電器外殼都是由樹脂加碳黑的涂料噴涂而形成的一個光滑表面，由于碳黑有導(dǎo)電作用，因而表面的涂層就有靜電屏蔽作用。如果不能進行靜電屏蔽，電器的信號就會受到外部靜電的嚴重干擾。例如，人體接近屏蔽效果不好的電視機時，人體的靜電就會對電視圖像產(chǎn)生嚴重的干擾。為了改善靜電屏蔽涂料的性能，日本松下公司已研制成功具有良好靜電屏蔽的納米涂料，所應(yīng)用的納米微粒有Fe2O3，TiO2，Cr2O3，ZnO等。這些具有半導(dǎo)體特性的納米氧化物粒子在室溫下具有比常規(guī)的氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用，同時氧化物納米微粒的顏色不同，TiO2，SiO2納米粒子為白色，Cr2O3為綠色，Fe2O3為褐色，這樣就可以通過復(fù)合控制靜電屏蔽涂料的顏色。這種納米靜電屏蔽涂料不但有很好的靜電屏蔽特性，而且也克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調(diào)性化纖衣服和化纖地毯由于靜電效應(yīng)在黑暗中摩擦產(chǎn)生的放電效應(yīng)很容易被觀察到，同時很容易吸附灰塵，給使用者帶來很多不便。從安全的角度提高化纖制品的質(zhì)量最重要的是要解決靜電問題，金屬納米微粒為解決這一問題提供了一個新的途徑，在化纖制品中加入少量金屬納米微粒，就會使靜電效應(yīng)大大降低。德國和日本都制備出了相應(yīng)的產(chǎn)品。化纖制品和紡織品中添加納米微粒還有除味殺菌的作用。把Ag納米微粒加入到襪子中可以清除腳臭味，醫(yī)用紗布中放人納米Ag粒子有消毒殺菌作用。
導(dǎo)電漿料是電子工業(yè)重要的原材料，導(dǎo)電涂料和導(dǎo)電膠應(yīng)用非常廣泛。德國不來梅應(yīng)用物理所已申請了一項專利，即用納米Ag代替微米Ag制成了導(dǎo)電膠，可以節(jié)省Ag粉50％，用這種導(dǎo)電膠焊接金屬和陶瓷，涂層不需太厚，而且涂層表面平整，倍受使用者的歡迎。近年來，人們已開始嘗試用納米微粒制成導(dǎo)電糊、絕緣糊和介電糊等，在微電子工業(yè)上正在發(fā)揮作用。超微顆粒的熔點通常低于粗晶粒物體。例如銀的熔點約為9000C，而超細的銀粉熔 點可以降低到1000C。因此用超細銀粉制成導(dǎo)電漿料，可以在低溫進行燒結(jié)，此時基片不一定采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可采用塑料等低溫材料。
納米微粒還是有效的助燃劑。例如在火箭發(fā)射的固體燃料推進劑中添加約1wt％超細鋁或鐮微粒，每克燃料的燃燒熱可增加1倍；超細硼粉-高鉻酸鍍粉可以作為炸藥的有效助燃劑；納米鐵粉也可以作為固體燃料的助燃劑。有些納米材料具有阻止燃燒的功能，可以作為阻燃劑加入到易燃的建筑材料中，提高建筑材料的防火性。
納米微粒也可用作印刷油墨。1994年美國馬薩諸塞州XMX公司獲得一項生產(chǎn)用于印刷油墨的、顆粒均勻的納米微粒的專利。XMX公司正準(zhǔn)備設(shè)計一套商業(yè)化的生產(chǎn)系統(tǒng)，不再依靠化學(xué)顏料而是選擇適當(dāng)體積的納米微粒來得到各種顏料。
納米粒子在工業(yè)上的初步應(yīng)用也顯示出了它的優(yōu)越性。美國把納米A12添加到橡膠中提高了橡膠的耐磨性和介電特性。日本把A12O3納米顆粒加入到普通玻璃中，明顯改善了玻璃的脆性。
我國科技工作者在制備Al合金時加入了A12O3納米粒子，結(jié)果晶粒大大細化，強度和韌性都有所提高。無機納米顆粒有很好的流動性，利用這種特性可以制備固體潤滑劑。
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