納米材料在熱點領(lǐng)域的研究進(jìn)展

發(fā)布時間：2017-12-15 16:12:15

本文主要闡述了納米材料在熱點領(lǐng)域的研究進(jìn)展，主要包括納米組裝體系的設(shè)計和研究、高性能納米結(jié)構(gòu)材料的合成、納米材料添加到其他材料中達(dá)到材料改性的目的及應(yīng)用前景、納米涂層材料的設(shè)計與合成、納米顆粒表面修飾和包覆的研究等。

納米材料納米晶

一、納米組裝體系的設(shè)計和研究
　　目前的研究對象主要集中在納米陣列體系、納米嵌鑲體系、介孔與納米顆粒復(fù)合體系和納米顆粒膜。目的是根據(jù)需要設(shè)計新的材料體系，探索或改善材料的性能，目標(biāo)是為納米器件的制作進(jìn)行前期準(zhǔn)備，如高亮度固體電子顯示屏，納米晶二極管，真空紫外到近紅外特別是藍(lán)、綠、紅光控制的光致發(fā)電和電子發(fā)光管等都可以用納米晶作為主要的材料，國際上把這種材料稱為“量子”納米晶，納米晶體，是指晶粒為納米尺寸的晶體材料，或具有晶體結(jié)構(gòu)的納米顆粒。一般晶粒尺寸小于100nm的材料才稱為納米晶體。尺寸小于10納米的半導(dǎo)體納米晶體通常被稱為量子點。目前在實驗室中已設(shè)計出的納米器件有Si-SiO2的發(fā)光二極管，Si摻Ni的納米顆粒發(fā)光二極管，用不同納米尺度的CdSe做成紅、綠、藍(lán)光可調(diào)諧的二極管等。

介孔與納米組裝體系和顆粒膜也是當(dāng)前納米組裝體系重要研究對象，主要設(shè)計思想是利用小顆粒的量子尺寸效應(yīng)和滲流效應(yīng)，根據(jù)需要對材料整體性能進(jìn)行剪裁、調(diào)整和控制達(dá)到常規(guī)不具備的奇特性質(zhì)，這方面的研究將成為世紀(jì)之交乃至下一個世紀(jì)引人注目的前沿領(lǐng)域。納米陣列體系的研究目前主要集中在金屬納米顆粒或半導(dǎo)體納米顆粒在一個絕緣的襯底上整齊排列的二維體系。
　　納米顆粒與介孔固體組裝體系近年來出現(xiàn)了新的研究熱潮。人們設(shè)計了多種介孔復(fù)合體系，不斷探索其光、電及敏感活性等重要性質(zhì)。這種體系一個重要特點是既有納米小顆粒本身的性質(zhì)，同時通過納米顆粒與基體的界面隅合，又會產(chǎn)生一些新的效應(yīng)。整個體系的特性與基體的孔洞尺寸，比表面以及小顆粒的體積百分比數(shù)有密切的關(guān)系?？梢酝ㄟ^基體的孔洞將小顆粒相互隔離，使整個體系表現(xiàn)為納米顆粒的特性；也可以通過空隙的連通，利用滲流效應(yīng)使體系的整體性質(zhì)表現(xiàn)為三維塊體的性質(zhì)。這樣可以根據(jù)人們的需要組裝多種多樣的介孔復(fù)合體。

目前，這種體系按支撐體的種類可劃分為：無機介孔和高分子介孔復(fù)合體兩大類。小顆?？梢允牵航饘?、半導(dǎo)體、氧化物、氮化物、碳化物。按支撐體的狀態(tài)也可分為有序和無序介孔復(fù)合體。

二、高性能納米結(jié)構(gòu)材料的合成
　　對納米結(jié)構(gòu)的金屬和合金重點放在大幅度提高材料的強度和硬度，利用納米顆粒小尺寸效應(yīng)所造成的無位錯或低位錯密度區(qū)域使其達(dá)到高硬度、高強度。納米結(jié)構(gòu)銅或銀的塊體材料的硬度比常規(guī)材料高50倍，屈服強度高12倍；對納米陶瓷材料，著重提高斷裂韌性，降低脆性，納米結(jié)構(gòu)碳化硅的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍，n-ZrO2+Al2O3、n-SiO2+Al2O3的復(fù)合材料，斷裂韌性比常規(guī)材料提高4-5倍，原因是這類納米陶瓷龐大體積百分?jǐn)?shù)的界面提供了高擴散的通道，擴散蠕變大大改善了界面的脆性。

三、納米添加使傳統(tǒng)材料改性
　　在這一方面出現(xiàn)了很有應(yīng)用前景的新苗頭，高居里點、低電阻的PTC陶瓷材料，添加少量納米二氧化銑可以降低燒結(jié)溫度，致密速度快，減少Pb的揮發(fā)量，大大改善了PTC陶瓷的性能，尺度為60nm的氧化鋅壓敏電阻、非線性閥值電壓為100V／cm，而4mm的氧化鋅，閥值電壓為4kV／cm，如果添加少量的納米材料，可以將閥值電壓進(jìn)行調(diào)制，其范圍在100V~30kV之間，可以根據(jù)需要設(shè)計具有不同閥值電壓的新型納米氧化鋅壓敏電阻，三氧化二鋁陶瓷基板材料加入3％--5％的27nm納米三氧化二鋁，熱穩(wěn)定性提高了2——3倍，熱導(dǎo)系數(shù)提高10％——15％。納米材料添加到塑料中使其抗老化能力增強，壽命提高。添加到橡膠可以提高介電和耐磨特性。納米材料添加到其他材料中都可以根據(jù)需要，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾吞砑恿窟_(dá)到材料改性的目的，應(yīng)用前景廣闊。

四、納米涂層材料的設(shè)計與合成

　　這是近1—2年來納米材料科學(xué)國際上研究的熱點之一，主要的研究聚集在功能涂層上，包括傳統(tǒng)材料表面的涂層、纖維涂層和顆粒涂層，在這一方面美國進(jìn)展很快，80nm的二氧化錫及40nm的二氧化欽、20nm的三氧化二鉻與樹脂復(fù)合可以作為靜電屏蔽的涂層，80nm的BaTiO3可以作為高介電絕緣涂層，40nm的Fe3O4可以作為磁性涂層，80nm的Y2O3可以作為紅外屏蔽涂層，反射熱的效率很高，用于紅外窗口材料。

近年來人們根據(jù)納米顆粒的特性又設(shè)計了紫外反射涂層，各種屏蔽的紅外吸收涂層、紅外涂層及紅外微波隱身涂層，在這個方面的研究逐有上升的趨勢，目前除了設(shè)計所需要的涂層性能外，主要的研究集中在噴涂的方法，大部分研究尚停留在實驗室階段，日本和美國在靜電屏蔽涂層、絕緣涂層工藝上有所突破，正在進(jìn)入工業(yè)化生產(chǎn)的階段，比如日本新昭和納米涂層授權(quán)深圳青山新材料為中國總代理商，新昭和優(yōu)勢最突出的納米材料是陶瓷表面涂層和電路板表面防潮耐酸堿腐蝕納米涂層，目前已被眾多終端客戶使用，主要是替代傳統(tǒng)三防漆類產(chǎn)品，表現(xiàn)出優(yōu)異的環(huán)保性能，而在納米涂層的涂覆方面則更傾向于浸泡涂覆，以保證良好的覆蓋和流平性，這個新型納米涂層使涂層成膜后的厚度降低到1微米以下，而傳統(tǒng)的涂層材料很多都停留在50--1000微米。

五、納米顆粒表面修飾和包覆的研究
　　這種研究主要是針對納米合成防止顆粒長大和解決團(tuán)聚問題進(jìn)行的，有明確的應(yīng)用背景。美國已成功地在ZrO2納米顆粒表面包覆了Al2O3在納米Al2O3表面包覆了ZrO2，SiO2表面的有機包覆，TiO2表面的有機和無機包覆都已在實驗室完成。包覆的小顆粒不但消除了顆粒表面的帶電效應(yīng)，防止團(tuán)聚，同時，形成了一個勢壘，使它們在合成燒結(jié)過程中（指無機包覆）顆粒不易長大。

有機包覆使無機小顆粒能與有機物和有機試劑達(dá)到浸潤狀態(tài)。這為無機顆粒摻入高分子塑料中奠定了良好的基礎(chǔ)。這些基礎(chǔ)研究工作，推動了納米復(fù)合材料的發(fā)展。美國在實驗室中已成功的把納米氧化物表面包覆有機物的小顆粒添加到塑料中，提高了材料的強度和熔點。同時防水能力增強，光透射率有所改善。若添加高介電納米顆粒，還可增強系統(tǒng)的絕緣性。在封裝材料上有很好的應(yīng)用前景。

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