納米材料

　　納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10~100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。
　　發(fā)展
　　自中科院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院(固體物理所)的“安徽納米材料及應(yīng)用產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟”成立以來，在開展納米材料及其應(yīng)用產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化共性關(guān)鍵技術(shù)研究，推進(jìn)聯(lián)盟組織化、制度化、規(guī)范化運(yùn)行，探索新型產(chǎn)學(xué)研結(jié)合機(jī)制，培育產(chǎn)業(yè)集群等方面開展了卓有成效的工作。前瞻產(chǎn)業(yè)研究院資料顯示，聯(lián)盟成立至今的一年多時(shí)間內(nèi)，共聯(lián)合在研開發(fā)項(xiàng)目6項(xiàng)，投入研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)2493萬元，申請(qǐng)發(fā)明專利12項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文14篇，2項(xiàng)成果通過安徽省科技成果鑒定。聯(lián)盟成員單位已達(dá)到23家。
　　《2013-2017年中國(guó)納米材料行業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告》數(shù)據(jù)顯示“納米復(fù)合聚氨酯合成革材料的功能化”和“納米材料在真空絕熱板材中的應(yīng)用”2項(xiàng)合作項(xiàng)目取得較大進(jìn)展。具有負(fù)離子釋放功能且釋放量可達(dá)2000以上的聚氨酯合成革符合生態(tài)環(huán)保合成革戰(zhàn)略升級(jí)方向，日前正待開展中試放大研究。
　　該產(chǎn)品的成功研發(fā)及進(jìn)一步產(chǎn)業(yè)化將可輻射帶動(dòng)300多家同行企業(yè)的產(chǎn)品升級(jí)換代。聯(lián)盟制備出的納米復(fù)合絕熱芯材導(dǎo)熱系數(shù)可控制為低達(dá)4.4mW/mK。該產(chǎn)品已經(jīng)在企業(yè)實(shí)現(xiàn)了中試生產(chǎn)，正在建設(shè)規(guī)模化生產(chǎn)線。
近期，聯(lián)盟將重點(diǎn)研究開發(fā)阻燃型高效真空絕熱板及其在建筑外墻保溫領(lǐng)域的應(yīng)用研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，該技術(shù)的開發(fā)將進(jìn)一步促進(jìn)我國(guó)建筑節(jié)能環(huán)保技術(shù)水平的提升，帶動(dòng)安徽納米材料產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期。
　　簡(jiǎn)介
　　從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。
　　納米金屬材料是20世紀(jì)80年代中期研制成功的，后來相繼問世的有納米半導(dǎo)體薄膜、納米陶瓷、納米瓷性材料和納米生物醫(yī)學(xué)材料等。
　　納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料(nanometer material)，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米～100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。
　　納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子(nano particle)組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1～100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。
　　納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)（超微粉、鍍膜、納米改性材料等），性能檢測(cè)技術(shù)（化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能）。納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)（能量束加工等）及掃描探針技術(shù)。
　　納米材料具有一定的獨(dú)特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時(shí)，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。
　　納米粒子異于大塊物質(zhì)的理由是在其表面積相對(duì)增大，也就是超微粒子的表面布滿了階梯狀結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)代表具有高表面能的不安定原子。這類原子極易與外來原子吸附鍵結(jié)，同時(shí)因粒徑縮小而提供了大表面的活性原子。
　　就熔點(diǎn)來說，納米粉末中由于每一粒子組成原子少，表面原子處于不安定狀態(tài)，使其表面晶格震動(dòng)的振幅較大，所以具有較高的表面能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點(diǎn)下降，同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。
　　一般常見的磁性物質(zhì)均屬多磁區(qū)之集合體，當(dāng)粒子尺寸小至無法區(qū)分出其磁區(qū)時(shí)，即形成單磁區(qū)之磁性物質(zhì)。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時(shí)，將成為優(yōu)異的磁性材料。
　　納米粒子的粒徑（10納米～100納米）小于光波的長(zhǎng)，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜形成高反射率光澤面成強(qiáng)烈對(duì)比。納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。
　　發(fā)現(xiàn)發(fā)展
　　1861年，隨著膠體化學(xué)的建立，科學(xué)家們開始了對(duì)直徑為1~100nm的粒子體系的研究工作。
　　真正有意識(shí)的研究納米粒子可追溯到20世紀(jì)30年代的日本的為了軍事需要而開展的“沉煙試驗(yàn)”，但受到當(dāng)時(shí)試驗(yàn)水平和條件限制，雖用真空蒸發(fā)法制成了世界第一批超微鉛粉，但光吸收性能很不穩(wěn)定。
　　到了20世紀(jì)60年代人們開始對(duì)分立的納米粒子進(jìn)行研究。1963年，Uyeda用氣體蒸發(fā)冷凝法制的了金屬納米微粒，并對(duì)其進(jìn)行了電鏡和電子衍射研究。1984年德國(guó)薩爾蘭大學(xué)（Saarland University)的Gleiter以及美國(guó)阿貢實(shí)驗(yàn)室的Siegal相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒子直徑為6nm的鐵粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到了納米微晶體塊，從而使得納米材料的研究進(jìn)入了一個(gè)新階段。
　　1990年7月在美國(guó)召開了第一屆國(guó)際納米科技技術(shù)會(huì)議（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。
　　自20世紀(jì)70年代納米顆粒材料問世以來，從研究?jī)?nèi)涵和特點(diǎn)大致可劃分為三個(gè)階段：
　　第一階段（1990年以前）：主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種方法制備各種材料的納米顆粒粉體或合成塊體，研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于普通材料的特殊性能；研究對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這種材料稱為納米晶或納米相材料。
　　第二階段（1990~1994年）：人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已發(fā)掘的物理和化學(xué)特性，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，復(fù)合材料的合成和物性探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。
　　第三階段（1994年至今）：納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)材料體系正在成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。國(guó)際上把這類材料稱為納米組裝材料體系或者納米尺度的圖案材料。它的基本內(nèi)涵是以納米顆粒以及它們組成的納米絲、管為基本單元在一維、二維和三維空間組裝排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系。
　　納米結(jié)構(gòu)
　　納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新體系。它包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。對(duì)納米陣列體系的研究集中在由金屬納米微粒或半導(dǎo)體納米微粒在一個(gè)絕緣的襯底上整齊排列所形成的二位體系上。而納米微粒與介孔固體組裝體系由于微粒本身的特性，以及與界面的基體耦合所產(chǎn)生的一些新的效應(yīng)，也使其成為了研究熱點(diǎn)，按照其中支撐體的種類可將它劃分為無機(jī)介孔復(fù)合體和高分子介孔復(fù)合體兩大類，按支撐體的狀態(tài)又可將它劃分為有序介孔復(fù)合體和無序介孔復(fù)合體。在薄膜嵌鑲體系中，對(duì)納米顆粒膜的主要研究是基于體系的電學(xué)特性和磁學(xué)特性而展開的。美國(guó)科學(xué)家利用自組裝技術(shù)將幾百只單壁納米碳管組成晶體索“Ropes”，這種索具有金屬特性，室溫下電阻率小于0.0001Ω/m;將納米三碘化鉛組裝到尼龍-11上，在X射線照射下具有光電導(dǎo)性能, 利用這種性能為發(fā)展數(shù)字射線照相奠定了基礎(chǔ)。
　　技術(shù)指標(biāo)
　　納米氧化鋁外觀 白色粉末。
　　納米氧化鋁晶相γ相。
　　納米氧化鋁平均粒度(nm) 20±5.
　　納米氧化鋁含量% 大于 99.9%。
　　熔點(diǎn)：2010℃-2050 ℃
　　沸點(diǎn)：2980 ℃
　　相對(duì)密度（水=1）】：3.97-4.0