奈米材料專題
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幾種典型的奈米材料簡介
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奈米材料按照材料的形態✘☁,可將其分四種↟✘:奈米顆粒型材料;奈米固體材料;奈米膜材料;奈米磁性液體材料₪☁。 

奈米顆粒型材料


應用時直接使用奈米顆粒的形態稱為奈米顆粒型材料₪☁。被稱為第四代催化劑的超微顆粒催化劑✘☁,利用甚高的比表面積與活性可以顯著地提高催化效率✘☁,例如✘☁,以粒徑小於0.3微米的鎳和鋼-鋅合金的超微顆粒為主要成分製成的催化劑可使有機物氯化的效率達到傳統鎳催化劑的10倍;超細的鐵微粒作為催化劑可以在低溫將二氧化碳分解為碳和水✘☁,超細鐵粉可在苯氣相熱分解中起成核作用✘☁,從而生成碳纖維₪☁。 

錄音帶₪₪◕、錄影帶和磁碟等都是採用磁性顆粒作為磁記錄介質₪☁。隨著社會的資訊化✘☁,要求資訊儲存量大₪₪◕、資訊處理速度高✘☁,推動著磁記錄密度日益提高✘☁,促使磁記錄用的磁性顆粒尺寸趨於超微化₪☁。目前用金屬磁粉(20奈米左右的超微磁性顆粒)製成的金屬磁帶₪₪◕、磁碟✘☁,國外已經商品化✘☁,其記錄密度可達4'106~4'107位/釐米(107~108位/英寸)✘☁,即每釐米可記錄4百萬至4千萬的資訊單元✘☁,與普通磁帶相比✘☁,它具有高密度₪₪◕、低噪音和高信噪比等優點₪☁。 


磁性奈米顆粒


超細的銀粉₪₪◕、鎳粉輕燒結體作為化學電池₪₪◕、燃料電池和光化學電池中的電極✘☁,可以增大與液體或氣體之間的接觸面積✘☁,增加電池效率✘☁,有利於電池的小型化₪☁。超微顆粒的輕燒結體可以生成微孔過濾器₪☁。例如✘☁,超微鎳顆粒所製成的微孔過濾器平均孔徑可達10奈米✘☁,從而可用於氣體同位素₪₪◕、混合稀有氣體₪₪◕、有機化合物的分離和濃縮✘☁,也可用於發酵₪₪◕、醫藥和生物技術中₪☁。


磁性超細微粒作為藥劑的載體✘☁,在外磁場的引導下集中於病患部位✘☁,利於提高藥效✘☁,這方面的研究國內外均在積極地進行₪☁。採用超微金顆粒製成金溶膠✘☁,接上抗原或抗體就能進行免疫學的間接凝集試驗✘☁,可用於快速診斷₪☁。如將金溶膠妊娠試劑加入孕婦尿中✘☁,未妊娠呈無色✘☁,妊娠則呈顯著紅色✘☁,僅用0.5克金即可製備1萬毫升的金溶膠✘☁,可測1萬人次✘☁,其判斷結果清晰可靠₪☁。有一種超微顆粒乳劑載體✘☁,極易和遊散於人體內的癌細胞溶合✘☁,若用它來包裹抗癌藥物✘☁,可望製成克癌導彈₪☁。 

在化學纖維製造工序中摻入銅₪₪◕、鎳等超微金屬顆粒✘☁,可以合成導電性的纖維✘☁,從而製成防電磁輻射的纖維製品或電熱纖維✘☁,亦可與橡膠₪₪◕、塑膠合成導電覆合體₪☁。 

1991年春的海灣戰爭✘☁,美國執行空襲任務的F-117A型隱身戰鬥機✘☁,其機身外表所包覆的紅外與微波隱身材料中亦包含有多種超微顆粒✘☁,它們對不同波段的電磁波有強烈的吸收能力₪☁。在火箭發射的固體燃料推進劑中新增l%重量比的超微鋁或鎳顆粒✘☁,每克燃料的燃燒熱可增加l倍₪☁。此外✘☁,超細₪₪◕、高純陶瓷超微顆粒是精密陶瓷必需的原料₪☁。因此超微顆粒在國防₪₪◕、國民經濟各領域均有廣泛的應用₪☁。 


奈米固體材料

奈米固體材料通常指由尺寸小於15奈米的超微顆粒在高壓力下壓制成型✘☁,或再經一定熱處理工序後所生成的緻密型固體材料₪☁。 

奈米固體材料的主要特徵是具有巨大的顆粒間介面✘☁,如5奈米顆粒所構成的固體每立方厘米將含1019個晶界✘☁,原子的擴散係數要比大塊材料高1014~1016倍✘☁,從而使得奈米材料具有高韌性₪☁。通常陶瓷材料具有高硬度₪₪◕、耐磨₪₪◕、抗腐蝕等優點✘☁,但又具有脆性和難以加工等缺點✘☁,奈米陶瓷在一定的程度上卻可增加韌性✘☁,改善脆性₪☁。 


奈米陶瓷球


如將奈米陶瓷退火使晶粒長大到微米量級✘☁,又將恢復通常陶瓷的特性✘☁,因此可以利用奈米陶瓷的範性對陶瓷進行擠壓與軋製加工✘☁,隨後進行熱處理✘☁,使其轉變為通常陶瓷✘☁,或進行表面熱處理✘☁,使材料內部保持韌性✘☁,但表面卻顯示出高硬度₪₪◕、高耐磨性與抗腐蝕性₪☁。電子陶瓷發展的趨勢是超薄型(厚度僅為見微米)✘☁,為了保證均質性✘☁,組成的粒子直徑應為厚度的1%左右✘☁,因此需用超微顆粒為原材料₪☁。隨著積體電路₪₪◕、微型元件與大功率半導體器件的迅速發展✘☁,對高熱導率的陶瓷基片的需求量日益增長✘☁,高熱導率的陶瓷材料有金剛石₪₪◕、碳化矽₪₪◕、氮化鋁等✘☁,用超微氮化鋁所製成的緻密燒結體的導熱係數為100~220瓦/(K·米)✘☁,較通常產品高2 5~5.5倍₪☁。用超微顆粒製成的精細陶瓷有可能用於陶瓷絕熱渦輪複合發動機✘☁,陶瓷渦輪機✘☁,耐高溫₪₪◕、耐腐蝕軸承及滾球等₪☁。 

複合奈米固體材料亦是一個重要的應用領域₪☁。例如含有20%超微鑽顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料;金屬鋁中含進少量的陶瓷超微顆粒✘☁,可製成重量輕₪₪◕、強度高₪₪◕、韌性好₪₪◕、耐熱性強的新型結構材料₪☁。超微顆粒亦有可能作為漸變(梯度)功能材料的原材料₪☁。例如✘☁,材料的耐高溫表面為陶瓷✘☁,與冷卻系統相接觸的一面為導熱性好的金屬✘☁,其間為陶瓷與金屬的複合體✘☁,使其間的成分緩慢連續地發生變化✘☁,這種材料可用於溫差達1000°C的太空梭隔熱材料₪₪◕、核聚變反應堆的結構材料₪☁。漸變功能材料是近年來發展起來的新型材料✘☁,預期在醫學生物上可製成具有生物活性的人造牙齒₪₪◕、人遺骨₪☁。人造器官✘☁,可製成複合的電磁功能材料₪₪◕、光學材料等₪☁。 

奈米膜材料


顆粒膜材料是指將顆粒嵌於薄膜中所生成的複合薄膜✘☁,通常選用兩種在高溫互不相溶的組元製成複合靶材✘☁,在基片上生成複合膜✘☁,當兩組份的比例大致相當時₪☁。就生成迷陣狀的複合膜✘☁,因此改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態✘☁,從而控制膜的特性₪☁。對金屬與非金屬複合膜✘☁,改變組成比例可使膜的導電性質從金屬導電型轉變為絕緣體₪☁。 



奈米觸控膜


顆粒膜材料有諸多應用₪☁。例如作為光的感測器✘☁,金顆粒膜從可見光到紅外光的範圍內✘☁,光的吸收效率與波長的依賴性甚小✘☁,從而可作為紅外線感測元件₪☁。鉻一三氧化二鉻顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用✘☁,可以有效地將太陽光轉變為熱能;矽₪₪◕、磷₪₪◕、硼顆粒膜可以有效地將太陽能轉變為電能;氧化錫顆粒膜可製成氣體一溼度多功能感測器✘☁,透過改變工作溫度✘☁,可以用同一種膜有選擇地檢測多種氣體₪☁。顆粒膜感測器的優點是高靈敏度₪₪◕、高響應速度₪₪◕、高精度₪₪◕、低能耗和小型化✘☁,通常用作感測器的股重量僅為0.5微克✘☁,因此單位成本很低₪☁。超微顆粒雖有眾多優點✘☁,但在工業上尚未形成較大的規模✘☁,其主要原因是價格較高✘☁,兩顆粒膜的應用則不受價格因素的影響✘☁,這是超微顆粒實用化的很重要方向₪☁。 

奈米磁性液體材料


磁性液體是由超細微粒包覆一層長鍵的有機表面活性劑✘☁,高度彌散於一定基液中✘☁,而構成穩定的具有磁性的液體₪☁。它可以在外磁場作用下整體地運動✘☁,因此具有其他液體所沒有的磁控特性₪☁。常用的磁性液體採用鐵氧體微顆粒製成✘☁,它的飽和磁化強度大致上低於0.4特₪☁。目前研製成功的由金屬磁性微粒製成的磁性液體✘☁,其飽和磁化強度可比前者高4倍₪☁。國外磁性液體已商品化✘☁,美₪₪◕、日₪₪◕、英等國均有磁性液體公司✘☁,供應各種用途的磁性液體及其器件₪☁。磁性液體的用途十分廣泛₪☁。 

(1)旋轉軸動態密封旋轉軸轉動部分的動態密封一直是工程界較為困難的課題₪☁。磁性液體用於旋轉軸的動態密封是較為理想的一種方式₪☁。用環狀的靜磁場將磁性液體約束於被密封的轉動部分✘☁,形成液體的O環✘☁,可以進行真空₪₪◕、加壓₪₪◕、封水₪₪◕、封油等情況下的動態密封✘☁,目前已廣泛用於機械₪₪◕、電子₪₪◕、儀器₪₪◕、宇航₪₪◕、化工₪₪◕、船舶等領域✘☁,如計算機硬碟轉軸處的防塵密封✘☁,單晶爐轉軸處的真空密封及X光機轉靶部分的密封等₪☁。 

(2)提高揚聲器輸出功率為了增進揚聲器中青圈的散熱✘☁,可在音圈部分填充磁性液體✘☁,由於液體的導熱係數比空氣高5~6倍✘☁,從而使德在相同結構的情況下✘☁,使揚聲器的輸出功率增加1倍₪☁。 

(3)各種阻尼器件如在步進電機中滴加磁性液體✘☁,就可阻尼步進電機的餘振✘☁,使步進電機平滑地轉動₪☁。用磁性液體所構成的減震器可以消除極低頻率的振動₪☁。 

(4)分離不同比重的非磁性金屬與礦物物體在磁性液體中的浮力是隨著磁性液體的磁化狀態而改變的✘☁,因此可採用一梯度磁場✘☁,控制磁場的強弱就可以分離不同比重的非磁性金屬與礦物₪☁。磁性液體的可能應用面十分廣✘☁,如射流印刷用的磁性墨水₪₪◕、超聲波發生器₪₪◕、X射線造影劑(代替鋇劑)₪₪◕、磁控閥門₪₪◕、磁性液體研磨₪₪◕、磁性液體的光學與微波器件₪₪◕、磁性顯示器₪₪◕、火箭和飛行器用的加速計₪₪◕、磁性液體發電機₪₪◕、定位潤滑劑等



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