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在ISO / TS 80004中，将纳米材料定义为“具有在纳米尺度上的任何外部尺寸或在纳米尺度上具有内部结构或表面结构的材料”，将纳米尺度定义为“长度范围从大约1nm至100nm”。这既包括作为离散材料的纳米物体，也包括具有纳米级内部或表面结构的纳米结构材料。

纳米材料被誉为“21世纪重要战略性高技术材料之一”，当材料的粒度大小达到纳米尺度时，将具有传统微米级尺度材料所不具备的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等诸多特性，这些特异效应将为新材料的开发应用提供崭新思路。

纳米材料的分类

• 纳米陶瓷

利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。英国材料学家指出，纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。纳米耐高温陶瓷粉涂层材料是一种通过化学反应而形成耐高温陶瓷涂层的材料。

• 纳米粉末

又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基片与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等)、人体修复材料、抗癌制剂等。

• 纳米纤维

指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于微导线/微光纤(未来量子计算机与光子计算机的重要元件)材料、新型激光或发光二极管材料等。静电纺丝法是制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。

• 纳米膜

分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于气体催化(如汽车尾气处理)材料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示器材料、超导材料等。

• 纳米块体

将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为超高强度材料、智能金属材料等。

纳米材料的特性

纳米材料具有特殊的结构，由于组成纳米材料的超微粒尺度属纳米量级，这一量级大大接近于材料的基本结构——分子甚至于原子，其界面原子数量比例极大，一般占总原子数的50%左右，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。不论这种超微颗粒由晶态或非晶态物质组成，其界面原子的结构都既不同于长程有序的晶体，也不同于长程无序、短程有序的类似气体固体结构，因此，一些研究人员又把纳米材料称之为晶态、非晶态之外的“第三态固体材料”。

1、基本物理效应

1)、小尺寸效应

小尺寸效应的表现首先是纳米微粒的熔点发生改变，普通金属金的熔点是l337K，当金的颗粒尺寸减小到2nm时，金微粒的熔点降到600K；纳米银的熔点可降低到100℃。

2)、表面效应

表面效应是指纳米粒子表面原子与总原子数之比。纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，随着粒径的减小，表面原子数迅速增加，原子配位不足和高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。

3)、量子尺寸效应

是指粒子尺寸下降到极值时，体积缩小，粒子内的原子数减少而造成的效应。

4)、宏观量子隧道效应

微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观的势垒而产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。

2、扩散及烧结性能

由于在纳米结构材料中有着大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径，因此纳米结构材料具有较高的扩散率，使一些通常较高温度才能形成的稳定或介稳相在较低温度下就可以存在，另外也可使纳米结构材料的烧结温度大大降低(所谓烧结温度是指把粉末先加压成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合，密度接近于材料的理论密度的温度)。

3、超塑性

超塑性是指在断裂前产生很大的伸长量，其机制目前还在争议之中，但从实验现象中可以得出晶界和扩散率在这一过程中起着重要作用。如陶瓷材料在高温时具有超塑性，可以通过使晶粒的尺寸降到纳米级来实现其室温超塑性。

4、力学性能

由于纳米晶体材料有很大的表面积/体积比，杂质在界面的浓度便大大降低，从而提高了材料的力学性能。由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在，使其弹性模量减小了30%以上。

5、光学性能

纳米金属粉末对电磁波有特殊的吸收作用，可作为军用高性能毫米波隐形材料、红外线隐形材料和结构式隐形材料以及手机辐射屏蔽材料。

6、电学性能

由于晶界上原子体积分数的增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料。纳米半导体的介电行为(介电常数、介电损耗)及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同。

7、磁学性质

由于改变原子间距可以影响材料的铁磁性，因此纳米材料的磁饱和量Me和铁磁转变温度将降低；纳米材料另一个重要的磁学性质是磁(致)热的(magnetocaloric)效应，指的是如果在非磁或弱磁基体中包含很小的磁微粒，当其处于磁场中时，微粒的磁旋方向会与磁场相匹配，因而增加了磁有序性，降低了自旋系统的磁熵。

8、其他性质

纳米材料的比热大于同类粗晶和非晶材料，Cp的增加与界面结构有关，界面结构越开放，Cp的增加幅度就越大，这是由于界面原子耦合变弱的结果。由于纳米材料原子在其晶界上高度弥散分布，因此纳米材料的弥散性要强于同类单晶或多晶材料，这对诸如材料的蠕变等一系列性质有着重要的影响。

纳米材料粒度的测试方法

目前，纳米材料已成为材料研发以及产业化的基本构成部分，其中纳米材料的粒度则是其重要的表征参数之一。

纳米材料粒度的测试方法多种多样，但不同的测试方法对应的测量原理不同，因而不同测试方法之间不能进行横向比较。不同的粒度分析方法均有其一定的适用范围以及对应的样品处理方法，所以在实际检测时应综合考虑纳米材料的特性、测量目的、经济成本等多方面因素，确定终选用的测试方法。

根据不同的测试原理，下面阐述了8种纳米材料粒度测试方法并分析了不同粒度测试方法的优缺点及适用范围，供大家参考。

1、电子显微镜法

该法是对纳米材料尺寸、形貌、表面结构和微区化学成分研究常用的方法，一般包括扫描电子显微镜法(SEM)和透射电子显微镜法(TEM)。对于很小的颗粒粒径，特别是仅由几个原子组成的团簇，采用扫描隧道电镜进行测量。计算电镜所测量的粒度主要采用交叉法、交叉长度平均值法、粒径分布图法等。

模板剂聚苯乙烯球的SEM图  

硅微球的TEM图

优点：该法是一种颗粒度观测的方法，因而具有可靠性和直观性。

缺点：测量结果缺乏整体统计性；滴样前需做超声波分散；对一些不耐强电子束轰击的纳米颗粒样品较难得到准确的结果。

2、激光粒度分析法

该法是基于Fraunhofer衍射和Mie氏散射理论，根据激光照射到颗粒后，颗粒能使激光产生衍射或散射的现象来测试粒度分布的。因此相应的激光粒度分析仪分为激光衍射式和激光动态散射式两类。一般衍射式粒度仪适于对粒度在5μm以上的样品分析，而动态激光散射仪则对粒度在5μm以下的纳米、亚微米颗粒样品分析较为准确。所以纳米粒子的测量一般采用动态激光散射仪。

纳米激光粒度仪结构图

优点：样品用量少、自动化程度高、重复性好, 可在线分析等。

缺点：不能分析高浓度的粒度及粒度分布，分析过程中需要稀释，从而带来一定误差。

3、动态光散射法

也称光子相关光谱，是通过测量样品散射光强度的起伏变化得出样品的平均粒径及粒径分布。液体中纳米粒子以布朗运动为主，其运动速度取决于粒径、温度和黏度系数等因素。在恒定温度和黏度条件下, 通过光子相关谱法测定颗粒的扩散系数就可获得颗粒的粒度分布，其适用于工业化产品粒径的检测，测量粒径范围为1nm-5μm的悬浮液。

动态光散射法绘制的核壳粒径增长速率坐标图

优点：速度快，可获得准确的粒径分布。

缺点：结果受样品的粒度大小以及分布影响较大，只适用于测量粒度分布较窄的颗粒样品；测试中应不发生明显的团聚和快速沉降现象。

4、X射线衍射线宽法(XRD)

XRD测量纳米材料晶粒大小的原理是当材料晶粒的尺寸为纳米尺度时，其衍射峰型发生相应的宽化，通过对宽化的峰型进行测定并利用Scherrer公式计算得到不同晶面的晶粒尺寸。对于具体的晶粒而言, 衍射hkl的面间距dhkl和晶面层数N的乘积就是晶粒在垂直于此晶面方向上的粒度Dhkl。试样中晶粒大小可采用Scherrer公式进行计算：

式中：λ-X射线波长；θ-布拉格角(半衍射角)；βhkl-衍射hkl的半峰宽。

X射线衍射法(XRD)表征材料晶相结构

优点：可用于未知物的成分鉴定。

缺点：灵敏度较低；定量分析的准确度不高；测得的晶粒大小不能判断晶粒之间是否发生紧密的团聚；需要注意样品中不能存在微观应力。

5、X射线小角散射法(SAXS)

当X射线照到材料上时，如果材料内部存在纳米尺寸的密度不均匀区域，则会在入射X射线束的周围2°-5°的小角度范围内出现散射X射线。当材料的晶粒尺寸越细时，散射就越漫散，且这种现象与材料的晶粒内部结构无关。SAXS法通过测定的散射图谱就可以计算出材料的粒径分布。SAXS可用于纳米级尺度的各种金属、无机非金属、有机聚合物粉末以及生物大分子、胶体溶液、磁性液体等颗粒尺寸分布的测定；也可对各种材料中的纳米级孔洞、偏聚区、析出相等的尺寸进行分析研究。

微聚焦X射线小角散射显微层析成像原理示意图

优点：操作简单；对于单一材质的球形粉末，该方法测量粒度有着很好的准确性。

缺点：不能有效区分来自颗粒或微孔的散射，且对于密集的散射体系，会发生颗粒散射之间的干涉效应，导致测量结果有所偏低。

6、X射线光电子能谱法(XPS)

该法以X射线作为激发源，基于纳米材料表面被激发出来的电子所具有的特征能量分布(能谱)而对其表面元素进行分析，也称为化学分析光电子能谱(ESCA)。由于原子在某一特定轨道的结合能依赖于原子周围的化学环境，因而从X射线光电子能谱图指纹特征可进行除氢、氦外的各种元素的定性分析和半定量分析。

石墨烯类多孔碳纳米板样品的XPS光谱

优点：灵敏度很高，在分析时所需的样品量很少。

缺点：但相对灵敏度不高，且对液体样品分析比较麻烦；影响X射线定量分析准确性的因素相当复杂。

7、扫描探针显微镜法(SPM)

该法是利用测量探针与样品表面相互作用所产生的信号，在纳米级或原子级水平研究物质表面的原子和分子的几何结构及相关的物理、化学性质的分析技术，尤以原子力显微镜 (AFM)为代表, 其不仅能直接观测纳米材料表面的形貌和结构, 还可对物质表面进行可控的局部加工。

氧化石墨烯的AFM图片

优点：在纳米材料测量和表征方面具有独特性优势。

缺点：由于标准物质的缺少，在实际操作中缺乏实施性。

8、拉曼光谱法

该法低维纳米材料的优先选择方法。它基于拉曼效应的非弹性光散射分析技术，是由激发光的光子与材料的晶格振动相互作用所产生的非弹性散射光谱，可用来对材料进行指纹分析。拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关，不同的物质产生不同的拉曼频移。拉曼频率特征可提供有价值的结构信息。利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构、键态特征分析、晶粒平均粒径的测量等。

单晶电表面ORR过程的原位拉曼光谱图

优点：灵敏度高、不破坏样品、方便快速。

缺点：不同振动峰重叠和拉曼散射强度容易受光学系统参数等因素的影响；在进行傅里叶变换光谱分析时，常出现曲线的非线性问题等。