[工学]纳米非金属功能材料.doc

绪 论 纳米材料一般指尺寸为l一100nm，处于原子团簇和宏观物体交接区域内的粒子。而从原子团簇制各材料的方法，称为纳米技术。纳米材料由于具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应而产生奇异的力学、电学、磁学、热学、光学和化学活性等特性，它既是一种新材料又是新材料的重要原料。 纳米技术可使许多传统产品“旧貌换新颜”，把纳米颗粒或者纳米材料添加到传统非金属材料中，形成纳米非金属材料，可改进或获得一系列的功能。例如，在化纤制品和纺织品中添加纳米微粒，可以除味杀菌；利用纳米技术生产的无菌餐具、无菌扑克牌、无菌纱布等产品已经面世；化纤布料应用纳米技术，加入少量的金属纳米微粒可以摆脱因摩擦而引起烦人的静电现象；涂料使用纳米技术，。许多指标都大幅度提高，外墙涂料的耐洗刷性由原来的一千多次提高到了一万多次，老化时间也延长了两倍多；玻璃和瓷砖表面涂上纳米薄层，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，任何沾污在表面上的物质在光的照射下，经过纳米的催化作用，可以变成气体或者容易被擦掉的物质。 纳米非金属功能材料具有电导性、半导体性、光电性、压电性、铁电15耐阂蚀、化学吸附性、吸气性、耐辐射性等多种功能。这一类材料品种繁多具有技术含量高、产品更新换代快、附加值高、经济效益明显的特点。 1.1 纳米非金属功能材料的特点与分类 1.1.1纳米非金属功能材料基本性能 纳米非金属功能材料按其显示功能的过程可分为一次功能和二次功能。 一次功能是当向材料输入的能量和从材料输出的能量属于同种形式时，材料起能量传送部件作用，又称载体材料，主要有：a．力学功能如惯性、霸性、流动性、润滑性、成型性、超塑性、高弹性、恒弹性、振动性和防震性；b．声功能如吸声性、隔声性；c．热功能如隔热性、传热性、吸热性和蓄热性；d．电功能如导电性、超导性、绝缘性和电阻；e．磁功能如软磁性、硬磁性、半硬磁性；f．光功能如透光性、遮光性、反射性、折射性、吸收性、偏振性、聚光性、分光性；g．化学功能如催化作用、吸附作用、生物化学反应、酶反应、气体吸收；h．其他功能如电磁波特性(常与隐身相联系)、放射性。 二次功能是当向材料输入的能量和输出的能量属于不同形式时，材料起能量转换部件作用，又称高次功能，主要有：a．光能与其他形式能量的转换，如光化反应、光致抗蚀、光合成反应、光分解反应、化学发光、感光反应、光致伸缩、光生伏特效应、光导电效应；b．电能与其他形式能量的转换，如电磁效应、电阻发热效应、热电效应、光电效应，场致发光效应、电光效应和电化学效应；c．磁能与其他形式能量的转换，如热磁效应、磁冷冻效应、光磁效应和磁性转变；d，机械能与其他形式能量的转换，如压电效应、磁致伸缩、电致伸缩、光压效应、声光效应、光弹性效应、机械化学效应、形状记忆效应和热弹性效应。 纳米非金属功能材料的分类 纳米非金属功能材料种类较多，按材料的类别通常可分为：纳米陶瓷功能材料、纳米玻璃功能材料、纳米半导体功能材料、纳米晶体功能材料、纳米氧化物无机非金属超导材料、纳米氧化物磁性材料等。 纳米陶瓷功能材料 陶瓷材料是人类最早使用的材料之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。陶瓷是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因，很难避免材料中存在气孔和微小裂纹，因而质地较脆，韧性、强度较差，使其应用受到了较大的限制。纳米陶瓷功能材料的产生有望克服陶瓷材料的上述缺点，使陶瓷具有像金属一样的柔韧性和可加工性。 要制备纳米陶瓷功能材料，需要解决下列问题：粉体尺寸、形貌和分布的控制；团聚体的控制和分散；块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制等。 大量研究表明，纳米陶瓷功能材料具有超塑性。超塑性是指材料在一定的应变速率下产生较大的拉伸应变。其原因是在较低温度下，纳米陶瓷晶粒很小，使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性；同时又使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的滑移，使材料具有很高的扩散蠕变速率，当受到外力后能迅速做出反应，造成品界方向的平移，使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。 许多纳米陶瓷在室温或较低温度下就可发生塑性变形，如纳米TiOz陶瓷在室温下就能发生塑性形变，在180℃下塑性变形可达100％，即使是带裂纹的Ti02纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩展。上海硅酸盐研究所研究发现，掺杂YzO：的四方氧化结多晶体纳米陶瓷功能材料，当晶粒尺寸为150nm时，材料可在1250℃下呈现超塑性，且起始应变速率达到3×lo—2s—1，压缩应变量达380％，并从断口侧面观察到了大量通常出现在金属断口的滑移线。对晶粒尺寸为350nm的3Y—TZP陶瓷进行循环拉伸试验，发现在室温下就已出现形变现象。纳米Si20‘陶