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1、d础,所以发展特别迅速。例如，梯度功能材料的性能是原来均质材料和一般复合材料所不备的，因而有着广泛的应用潜力。又如生物医学材料，其目标是对人体组织的矫形、修复、再造、充填以维持其原有功能。它要求材料不仅具有相应的性能(强度、硬度等)，还必须与人体组织有相容性，以及定的生物活性。聚乳酸与羟基磷灰石、磷酸钙的复合材料；以及加入碳纤维或玻璃纤维组成的复合材料是矫形固定器、组织再造等的有效材料。碳基复合材料可用做人造心瓣膜等。再如，由于超大容量信息通信网络和超高速计算机的发展，对集成电路的要求越来越高，促进集成度逐年增加。从材料看，除了硅半导体外，化合物半导体受到越来越多的重视，主要表现在以下几个方面
2、。(1)光电子材料将成为发展最快和最有前途的信息材料，主要集中在激光材料、红外探测器材料、液晶显示材料、高亮度发光二极管材料、光纤材料等领域。 (2)新能源材料的发展趋势是绿色二次电池、氢能、燃料电池、太阳能电池和核能所用的关键材料，储氢材料的研究也受到各国的重视。 (3)生物医用材料研究和发展的主要方向，一是模拟人体硬软组织、器官和血液等的组成、结构和功能而开展的仿生或功能设计与制备；二是赋予材料优异的生物相容性、生物活性或生命活性，使现人体器官的替代向器官的修复发展；三是工业生产中的生物模拟。 (4)纳米材料的发展趋势是开展纳米加工、纳电子学、纳米医疗以及机器人等未来能形成新兴主导产业领域
3、的基础研究，同时对现有信息高科技产业和传统产业进行改造、提升。 (5)超导材料的发展趋势是不断探求更高温度超导体，实现高温超导材料产业化技术在能源、电力、移动通信、国防等领域的应用。 (6)智能材料是21世纪高新技术发展的重要方向之一，其在一些重要工程和尖端技术，如桥梁、水坝、建筑、航空航天、高速列车安全监测、形状主动控制、减噪抗振、损伤自愈合及提高生物医用材料的相容性等方面均有着重要的应用前景。 6特殊条件下应用的材料 在低温、高压、高真空、高温以及辐照条件下，材料的结构和组织将会转变，并由此引起性能变化。研究这些变化规律，将有利于创制和改善材料。例如，在高压下的结构材料，由于原子间距离缩短
4、，材料将由绝缘体转变为导电体，NB3Sn、NB3Ge和NB3Si等超导体均在高压下合成。现正在开展高压力及冲击波对材料性能影响的试验研究，理论上预测氢在几千万大气压下将转变为金属态，它在室温时就具有超导性，它的实现还有待于高压条件的创建。另外，太空、深海洋等工程技术所用的材料将继续深入研讨。 7依靠计算材料科学设计新型材料 由于电子计算机及应用技术的高度发展，使得人们可以按照指定的性能进行材料设计正逐步成为现实。 材料设计大体可分为3个层次：一是亚微观，即以材料的原子与分子为尺度，研究原子与分子的集体行为，并用计算机模拟结构模型，设计参数，而后利用不同手段，对其进行控制或重新组合，以达到预期的
5、性能。二是微观结构，其尺度以微米计，考虑的是某一微区范围内的平均性质，这对材料设计十分重要，如通过凝固过程来控制合金结构与偏析、 11 制备准晶膜，例如用于不粘锅、热障膜、选择吸收太阳光膜等，并深入开展贮氢材料准晶复合材料的研究。人们有理由坚信，伴随着准晶的制备、准晶性能检测技术的深入研究，新准晶材料和准晶形成机制等项研究的新成果必将推动准晶的应用。64 纳米材料6，41 概述1何谓纳米材料通常把相组分或晶粒结构控制在100ilm以下长度尺寸的材料称为纳米材料。广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元(buildingblocks)所构成的材料。如果按维
6、数，纳米材料的基本单元可以分为3类。(1)零维。指在空间三维尺度均在纳米尺度；如纳米尺度颗粒、原子团簇等。 (2)一维。指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等。 (3)二维。指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等。纳米材料可由晶体、准晶、非晶所组成。纳米材料的基本单元可由原子团簇、纳米微粒、纳米线或纳米膜等所组成，它既可包括金属材料，亦可包括无机非金属材料和聚合物材料。2纳米材料的发屁历史 在长期的晶体材料研究中，人们视具有完整空间点阵结构的实体为晶体，是晶体材料的主体；而把空间点阵中的空位、置换原子、间隙原子、相界、位错和晶界等看做晶体材料中的缺陷。那么，如果从逆
7、向思考问题，把“缺陷”作为主体，研制出一种晶界占有相当大体积比的材料，那么世界将会是怎样?德国萨尔布吕克大学的格兰特(Gleiter)教授当时在沙漠中的这一构想很快变成丁现实，经过4年的不懈努力，他领导的研究组终于在1984年首次用惰性气体凝聚法制备了具有清洁表面的黑色纳米金属(Fe、Cu、Au、PA)粉末粒子，然后在真空室中原位加压成纳米固体材料(nanometersizedmaterials)，并提出纳米材料界面结构模型。随后发现CaF2纳米离子晶体和纳米陶瓷在室温下表现出良好的韧性，使人们看到陶瓷增韧新的战略途径。继格兰特(Gleiter)之后，1987年美国Argonne国家实验室的西
8、格尔(Siegel)等采用同样方法又成功地用气相冷凝法制备了纳米陶瓷材料T102，并观察到纳米陶瓷在室温和低温下具有很好的韧性。这一实验结果引起了科技界的震动，尤其对正在苦苦探索解决陶瓷脆性问题的科学家们是一个极大的鼓舞，并激起了纳米材料的研究热潮。从而使纳米材料从研究到应用又迈出了一大步。1990年7月在美国巴尔的摩召开了国际第一届纳米科学技术学术会议，正式把纳米材料科学作为材料科学的一个新的分支公布于世，这标志着纳米材料学作为一个相对比较独立学科的诞生。正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学和纳米机械学的概念，并决定出版纳米结构材料、纳米生物学和纳米技术的正式学术刊物，这些术语已广泛应
9、用在国际学术会议、研讨会和协议书中。从此以后，纳米材料引起了世界各国材料界和物理界的极大兴趣和广泛重视，很快形成了世界性的“纳米热气”。同年，发现纳米颗粒硅 168纳米装体系是以纳米颗粒或纳米丝、纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排成具有纳米结构的体系，如人造超原子体系等。对于纳米组装体系，不仅包含了纳米单的卖体组元，而且还包括支撑它们的具有纳米尺度的空间的基体。纳米材料包括零维、维和三维材料。在这个时期，国际上还把0，1100nm的技术加工的公差作为纳米技的标准于是在全世界范围内刮起了，阵强劲的：纳米科技?风暴，科技界、企业界、舆界乃至政界都在大谈特谈纳米科技，特别值得注意的是，20
10、01年1月当时的美国总统克林顿签署并发表于千份历史上罕见的?美国国家纳米技术倡议”，它把纳米技术称之为导下一次工业革命的技术、克林顿说：“设想一下，强度是钢的10倍而重量很小的材料；图书馆的所有资料被储存在一块方糖大小的物质上；在癌症只有几个细胞时就能发它们。总统科学技术助理NealLane博士早些时候曾评论说：“如果有人间我哪个科学工程领域最可能对未来产生突破性的影响，我会说是纳米科学和工程”自此以后，纳米材料受到世界各国的普遍重视，德、美；日.俄、英和法国都大力开展研甚至些发展中国家如印度、巴西等也开始了研究分纳米材料的种类也从纳米颗粒、跽-体发展到纳米非晶态材料、纳米膜材料和纳米复合材料
11、而且已构成了一个学科支即纳米材料科学；我国也高度重视纳米材料的研究工作，纳米材料科学已作为国家基础研究重大关键项目列入国家“八五攀登计划；国家自然科学基金、国家863计划、973计划和国防科技研究规划也都列入了纳米材料研究项目，取得了相当进展。3.纳米材料的分类随着实验技术手段的创新和研究的深入，纳米材料新的特性不断被发现，新的种类也层出不穷。由于种类繁多、性能各异；对其进行分类是十分必要的；根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计；大致可将其划分为纳米微粒；纳米纤维、纳米固体和纳米组装（1)纳米微粒(量子点)。：系指晶粒度处在1100hm之间的粒子的聚集体。它是处于该几佝尺寸的各种粒子聚集体
12、的总称。纳米微粒的形态有球形；板状、棒状、角状、海绵伏等。构成纳米微粒的成分可以是金属或氧化物，也可以是其他各种化合物；纳米微粒的应用范围很广(2)纳米纤维(量子线)；。系指在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线（管)材料，通常是直径或管径或厚度为纳米尺度、而长度则较长。随着微电子学和显微加工技术的发展，使纳米纤维有可能在纳米导线、开关、线路、高性能光导纤维及新型激光或发光二极管材料等方面发挥极大的作用，是未来量子计算机及光子计算机中最有潜力的重要元件材料。它包括纳米丝、纳米线、纳米棒、纳米碳管、纳米碳(硅)纤维、纳米带、纳米电缆等。 (3)纳米薄膜(量子面)。是指由尺寸在纳米量级的晶粒
13、(或颗粒)构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜，有时也称为纳米晶粒薄膜和纳米多层膜。其性能强烈依赖于晶粒(颗粒)尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多层膜的结构，这也就是当今纳米薄 膜研究的主要内容。纳米薄膜是受到纳米材料的启发才产生的，其中的确也体现了一定的纳米结构特征。与普通薄膜相比，纳米薄膜具有许多独特的性能，如具有巨电导、巨磁电阻效应、巨霍尔效应等。例如，美国霍普金斯大学的科学家在SIO2Au的颗粒膜上观察到极强的高电导现象，当金颗粒的体积百分比达到某临界值时，电导增加了14个数量级；纳米氧化镁铟薄膜经氢离子注入后，电导增加8个数量级。另外纳米薄膜还可作为气体催化(如汽车尾气处理)材
14、料、过滤器材料、高密度磁记录材料、光敏材料、平面显示材料及超导材料等，因而越来越受到人们的重视。目前，纳米薄膜的结构、特性、应用研究还处于起步阶段，随着纳米薄膜研究工作的发展，更多结构新颖、性能独特的薄膜必将出现，应用范围也将日益广阔。(4)纳米块体材料。纳米块体材料是将纳米粉末高压成型或烧结或控制金属液体结晶而得到的纳米材料，由大量纳米微粒在保持表(界)面清洁条件下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高，微观结构存在长程有序的晶粒结构与界面无序态的结构。因此，与传统材料科学不同，表面和界面不再只被看成为一种缺陷，而成为一重要的组元，从而具有高热膨胀性、高比热、高扩散性、高电导性、高强度、高溶
15、解度及界面合金化、低熔点、高韧性和低饱和磁化率等许多异常特性，可以在表面催化、磁记录、传感器以及工程技术上有广泛的应用，可作为超高强度材料、智能金属材料等。所以，纳米块体材料成为当今材 料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域。 从纳米材料固体相组分数划分，纳米块状固体又可分为纳米相材料和纳米复合材料。由单相纳米微粒构成的纳米固体通常称为纳米相材料。不同材料的纳米微粒或两种及两种以上的纳米微粒至少在一个方向上以纳米尺寸复合而成的纳米固体成为纳米复合材料。纳米复合材料的概念最早是由Roy等人于20世纪80年代初提出的，大致又可分为三种类型：第一种是0-0复合，即不同成分、不同相或不同种类的纳米微粒与
16、纳米微粒之间复合而成的纳米固体。第二种是0-2复合，即把纳米微粒分散到二维的薄膜材料中。它又可分为均匀弥散(纳米微粒在薄膜中均匀分布，人们可根据需要控制纳米微粒的粒径及粒间距)和非均匀弥散(纳米微粒随机混乱地分散到薄膜基体中)两种形式。第三种是 0-3复合，即把纳米微粒分散到常规的三维固体中。纳米复合材料兼有纳米材料与复合材料的许多优点。由于纳米微粒体积小，复合难度不大，因而这种材料备受人们的关注。 (5)纳米组装体系。20世纪80年代，法国的Leha教授指出材料化学合成可以借鉴自组装的办法，其基本思想是：若干分子能够在合适的条件下自组装成纳米团簇，或在精心设计的模板约束下组装成特定的纳米微结
17、构；纳米结构亦可通过超分子作用组装成为宏观物质。分子自组装的涵义是分子间通过非键合力自发组织的超分子稳定聚集体。从一般原则讲，自组装过程的关键是界面分子识别，内禀驱动力包括氢键、范德华力、静电力、电子效应、官能团的立体效应和长程作用等。 纳米组装体系(nanostrueturedassemblingsystem)、人工组装合成的纳米结构材料体系 170称为纳米尺度的图案材料(patterningmaterialson )越来越受到人们的关注。它的基本内涵是以纳米颗粒以及纳米丝、纳米管为基本单元在一维；仁维和三维弹间组装排列成具有纳米结构的体系，其中包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜镶嵌赣捧声
18、；：纳米颗粒、纳米丝”、纳米管可以有序地排列；如果说纳米微粒和纳米固体的研究在醋尹程度上带有+定的随机性，那么纳米组装体系研究的特点要强调按人们的意愿设计、强舞、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的挣隆。美国加利福尼亚大学隧伦兹伯格力国际实验室的科学家在9然杂志上发表论文，指出纳米尺度的图案材料熬尽争代材料化学和物理学的重要前沿课题，可见i纳米结构的组装体系很可能成为纳米材醛料研究的前沿主导方向4纳米树料的发展趋向（下面乱码厉害，简单为）（1）继续深入研究有关纳米材料的基本理论（2）探索和发现纳米材料新现象、新性质（3）根据需要设计和制备优异性能的纳米材料及器件，实现工业化生产（4
19、）实验设备及技术的革新与改进实验纳米技术的必要手段642纳米材料的结构特旺 ：材料具有与传统材料明显不同的一些特征。例如；纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍；气体通过纳米材料的扩散速度比通过一般材料的扩散速度快几千倍等；纳米相的铜比普通的铜坚固5倍，而且硬度随颗粒尺寸的减小而增大；纳米相材料的颜色和其他特，眭随它们的组成颗粒的尺寸而异。纳米陶瓷材料具有塑性或称为超塑性等。 为什么纳米材料具有这些特殊的性能呢?这是由纳米材料的特殊结构所决定的。 1纳米材料的特殊结构 从材料的结构单元层次来说，纳米材料介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不
20、相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不相同的一种新的结构状态。纳米态材料系有两种结构单元所组成：晶体组元和界面组元。晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格位于晶格位置上；界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。超微晶粒内部的有序原子与超微晶粒的界面无序原子各占薄膜总原子 数的50。晶粒的尺寸小于100mn，而晶粒间的界面宽度尺寸约在1-2nm。因此在纳米材料中，纳米晶粒和由此产生的高浓度界面是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分于轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊
21、结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷及其他固体材料一样都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的船跟整个地球的比例。纳米晶材料(纳米结构材料)的概念最早是由HGleiter提出的，这类固体是由(至少在一个方向上)尺寸为几纳米的结构单元(主要是晶体)所构成。图611表示纳米晶材料的二维硬球模型，不同取向的纳米尺度小晶粒由晶界联结在一起，由于晶粒极微小，晶界 所占的比
22、例就相应地增大。若晶粒尺寸为5-10nm，按三维空间计算，晶界将占到50体积，即有约50原子位于排列不规则的晶界处，其原子密度及配位数远远偏离了完整晶体结构。因此纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。此外，如果材料中存在杂质原子或溶质原子，则因这些原子的偏聚作用使晶界区域的化学成分也不同于晶内成分。由于结构上和化学上偏离正常多晶结构，所表现的各种性能也明显不同于通常的多晶体材料。人们曾对职晶体的晶界应用高分辨电子显微分析、广角x射线或中子衍射分析，以及计算机结构模拟等多种方法，测得双晶体晶界的相对密度是晶体密度的7590，而纳米晶材料的晶界结构不同于双晶体晶界，当晶粒尺寸为几
23、个纳米时，其晶界的边长会短于晶界层厚度，故晶界处原子排列显著地改变。图6。12所示为应用正电子湮没技术测定的平均正电子寿命与晶粒尺寸的关系，可见随着晶粒尺寸的减小；寿命增加，这表示晶界中自由体积增加；一些研究表明，纳米晶材料不仅由其化学成分和晶粒尺寸来表征，还与材料的化学键类型、杂质情况、制备方法等因素有关，即使是同二成分、同样尺寸晶粒的材料，其晶界区域的原子排列还会因上述因素而明显地变化；其性能也相应地改变，图611所示只是一个被简单化了的结构模型纳米复合材料是由掺杂的晶界所组成，如果掺杂原子甚少，不足以构成一原子层，则它们将占据界面区的低能位置上，如图6；13(a)中的砌原子在纳米晶Cu的
24、晶界中，每三个h原子包围斗个Bi原子。如果掺杂原子的浓度较高，它们组成掺杂层于界面区域，如图613(b)为纳米尺寸的W微细晶粒被Ca原子层所隔开；显然，晶界掺杂层原子排列是不规则的，形成这类晶界的原因可能与应力诱导下溶质原子在晶界地区再分布有关，这样的再分布使晶界附近应力场储存能下降。掺杂晶界的形成可阻碍晶粒长大，有利于纳米晶的稳定性。因此；正是由于纳米材料这种特殊的结构，使材料自身具有小尺寸效应(如蒸气压增、熔点降低等)i罩子社应、表面和界面辣应等；从而使其具有许多与传统材料不同的物理、化学性质2纳米材料的摹本效应；（1）表(界)面效应：材料科学已经指拙；处于固体材料表面上的原子状态与处于内
25、部的原子有明显不同，表面原子的键合状态是不完整的；它们处于较高的能量状态，因此具有较大的化学活性、较高的表面结合能，较强的吸附能力。表面原子的特性对材料的总体性能会有，定的作用：，只不过对大块材料而言，其表面原子数相对总原子数太少，这种作用可以忽略；但随着固体材料粒径减小，表面的原子数增多，当小到纳米尺度时其表面原子相对数量已相当大，表面原子的作用再也不能忽略子、 表面原子数与总原子数的比例可用表面原子所占的体积与总体积的比例来表示。现在看一个直径为d的球形颗粒(图614)，设具有表面特性的原子的厚度为Ad，那么表面 173原子数与总原子数的比值等于厚度为d的球面体积与球总体积之比，即 设d：
26、05 nm(约两个原子层)，则表面原子数与总原子数之比如表64所示。由此看到，表面原子数的相对比例随颗粒尺寸减少而增大。显然，随着颗粒尺寸的减小，体系的表面能大增，表65表示氧化锡的表面能随颗粒直径减小而显著增大的情表面原子和内部原子不同，它的配位数减少，非键轨道增加，内部结合能降低，故其化学活性增加。表面原子在晶格中振动的振幅增加，振动频率下降，称之为振动软化。粒度减小，比表面增加，表面曲率也增大，使得表面张力向内部压力增加，造成晶格收缩效应。表面原子增多使表面能在全部内能中比例增加，而表面能一般小于结合能，因此导致熔点下降，德拜温度减小，振动比热增加。纳米颗粒的表面效应还使其很易互相团聚，
27、不易分散和流动，易于进行各种活化反应等。(2)体积(小尺寸)效应。当物质体积减小时，将会出现两种情况：一种是物质本身的性质不发生变化，而只有那些与体积密切相关的性质发生变化，如半导体电子自由程变小，磁体的磁区变小等；另一种是物质本身的性质也发生了变化，因为纳米粒子是由有限个原子或分子组成，改变了原来由无数个原子或分子组成的集体属性。当超微颗粒的尺寸小到纳米尺度，并与某些物理特征尺寸，如德布罗意波长、电子自由程、磁畴、超导态相干波长等相接近时，由于晶体的周期性边界条件被破坏，使原大块材料所具有的某些电 174 学、磁学、光学、声学、热学性能发生重大改变；或者说某些物理性能随尺寸减小可能发生殴突变
28、，这种效应称体积(小尺寸)效应。 例如粒径为1中的颗粒的原子总数在101个以上，而粒径为I瞄的颗粒的原子总激般少于100个。由于原子数目的急剧减少，就引起了诸如磁、电、光、热、反应活性等一辍系列宏瞄化性质的变化二慕6：6列出了二些葫来鹏与着兢块耿材料；朋盯瓦较。又豁如，随纳米材料粒径的变小，其熔点不断降低；烧结温度也显著下降；从而为粉末冶金工业鞲提供了新工艺；利用等离子共振频移随晶粒尺寸变化的性质，可通过改变晶粒尺寸来控制踩吸收波的位移，从而制造出具有十定频宽的微波吸收纳米材料：，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等于 (3)量子尺寸效应。当颗粒尺寸小到纳米尺度时，固体原予中费米能级附近的电子寸为固体颗
29、粒中的总电子数。当颗粒尺寸大时，很大力很小并接近于零，因此可看成是准连续状态；当颗粒尺寸进入纳米尺度，栅U是几个纳米时，值大大减少，此时值增大，并可能超过热能、磁能、静磁能、静电能、超导态的凝聚能、光子等的量子能量；这时将导致一系列物理性能的重大变化，甚至发生本质上的变化，这种变化称之为量子尺寸效应。导体纳米晶粒中，光照产生的电子和空穴不再自由，即存在库仑作用，此电子空穴对类似于宏观晶体材料中的激子。由于空间的遇烈束缚导致激子吸收峰蓝移，边带以及导带中更高激发态均相应蓝移，并且其电子空穴对的有效质量越小，电子和空穴受到；的影响越明显，吸收阈值就越向更高光子能量偏移，量子尺寸效应也越显著。 纳米
30、材料中处于分立的量子化能级中的电子的波动性，将直接导致纳米材料的一系列特殊性箱，如高度的光学非线性、特异的化学催化和光催化性能等。 175 上述表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应都与颗粒尺寸有关，都在1-100nm尺度范围中显示出来，可统称为纳米效应，这些效应强烈反应的尺寸范围有所不同，对不同的 性能影响的尺度范围也有所不同，如表6?所示。 4)宏观量子隧道效应。微观粒子能贯穿势垒而产生性能变化，如微粒子的磁化强度，量子相干器件中的磁通量以及电荷等具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了
31、采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作。经典电路的极限尺寸约在025UM。以上4种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质，出现一些“反常现象”，如金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍；化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后，却成为活性极好的催化剂等。 643纳米材料的性能 纳米结构材料因其超细的晶体尺寸(与电子波长、平均自由程等为同一数量级)和高体积分数的晶界(高密度缺陷)而呈现
32、特殊的物理、化学和力学性能。表68所列的一些 纳米晶材料与通常多晶体或非晶态时的性能比较，明显地反映了其变化特点。1热力学性能 颗粒尺寸变小导致比表面的增大，而使颗粒的化学势也发生改变。其化学势随颗粒粒度减小而增大。当粒度小于某一临界尺寸时，纳米晶粒以多重孪晶构型为能量最低状态，再减小粒度时，就成为原子簇，此时其内部的原子结构可连续起伏于不同的构型之中。担弹颗搀的 44：纳米材料的合成与制备： 、 ： ，：随着纳米材料的出现，纳米材料制备技术的发展也是令人瞩目的。：各种各样制备技术的使用已使不同形状、不同结构的纳米材料的制备成为可能。一般来说，这些方法可分为纳米级超微粉的制备和固态成型技术两大
33、类。 177制粉使用最普遍的是蒸气冷凝法，根据气化条件及环境气氛的差异，这一方法又分为真空蒸气冷凝、反应性气体冷凝、射频溅射、等离子体溅射等技术。除此之外，溶胶凝胶法、超临界流体技术、机械球磨法等工艺也已成功地制备出纳米粉。原位加压、热等静压激光压缩法等可以把纳米粉制成纳米块材。 1，高能球磨法 1988年日本京都大学Sh证su等人首先报道丁高能球磨法制备AIPe纳米晶材料，为纳米材料的制备找出了一种实用化的途径。近年来，高能球磨法已经成为制备纳米材料的一种重要方法。高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。如果将两种或
34、两种以上金属粉末同时放人球磨机中进行高能球磨，粉末颗粒经过压延、压合、又碾碎、再压合的反复过程，最后获得组织和成分均匀的合金粉末。 用高能球磨法可以制备纳米晶纯金属材料、不互溶体系纳米合金、纳米金属间化合物、纳米尺度的金属陶瓷粉复合材料等。2惰性气体蒸发、原位加压制备法 这种制备方法是在低压的氩、氦等情性气体中加热金属，使其蒸发后形成超微粒(1-1咖mn)或纳米微粒。具体方法是把欲蒸发的源物质放人坩埚内，通过钨电阻加热器或石墨加热器等加热 装置逐渐加热蒸发，产生源物质烟雾。由于情性气体的对流，烟雾向上移动，并接近充液氮的冷却棒；在接近冷却棒的过程中，源物质蒸气首先形成原子簇，然后形成单个纳米微
35、粒。在接近冷却棒表面的区域内，由于单个纳米微粒的聚合而长大，最后在冷却棒表面上积聚起来。用聚四氟Z烯刮刀刮下并收集起来获得纳米粉。纳米粉经漏斗直接落人低度压实装置，粉体在此装置中经轻度压实后，由机械手送入高压原位加压装置，压制成块状试样。 这种方法的优点是：纳米微粒具有清洁的表面，很少团聚成粗团聚体，因此块体纯度高，相对密度也高。 3溶胶凝胶法 溶胶凝胶法系指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成氧化物或其他化合物固体的方法。该法不仅可用于制备微粉，而且可用于制备薄膜、纤维、体材和复合材料。其优缺点如下。 (1)高纯度。粉料(特别是多组分粉料)制备过程中无需机械混合，不
36、易引进杂质。 (2)些学均匀性好。由于溶胶凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，故胶粒内及胶粒间化学成分完全致。 (3)颗粒细胶粒尺寸小于01甲。 (4)可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性颗粒均匀地分散在含不产生沉淀的组分的溶液，经胶凝化，不溶性组分可自然地固定在凝胶体系中，不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。(5)掺杂分布均匀。可溶性微量掺杂组分分布均匀，不会分离、偏析，比醇盐水解法优4、化学气相反应法（乱码了）5、溶剂热法6、聚合物化学和高温材料加工法 178 73 生物医学材料 生物医学材料是用于与生命系统接触和发生相互作用的，并能对其细胞、组织和器官进行诊断治疗、替
37、换修复或诱导再生的一类天然或人工合成的特殊功能材料，亦称生物材料。由于生物医学材料的重大社会效益和巨大经济效益，近十年来，已被许多国家列为高技术材料发展计划，并迅速成为国际高技术的制高点之一，其研究与开发得到了飞速发展。此外，生物医学材料是材料科学与生命科学的交叉学科，代表了材料科学与现代生物医学工程的一个主要发展方向，是当代科学技术发展的重要领域之一。 731 生物医学材料的发展概况 生物医学材料的发展经历了漫长的历史。古代人就知道用天然材料治病和修复创 伤，公元前3500年古埃及人用棉花纤维和马鬃缝合伤口；在公元前2500年中国和埃及的墓葬中发现有假牙、假鼻和假耳。人类很早就开始用黄金修补
38、牙齿，并且一直沿用至今。 1936年发明了有机玻璃，并很快被用于制作假牙和人工骨。1943年纤维素薄膜首次用于血液透析，即人工肾。特别是20世纪60年代以后，各种具有特殊功能的聚合物材料不断涌现出来，为人工器官领域的研究提供了性能优异的新型材料，如制作人工心脏用的聚氨酯和硅橡胶，以及人工肾的中空纤维等，促进了医学和人工器官的飞速发展；在此期间，医用金属材料、生物陶瓷都得到了蓬勃发展。而20世纪70年代后，由于医用复合料的研究开发，成为生物医学材料发展中最活跃的领域之一。 进入20世纪90年代，借助于生物技术与基因工程的发展，生物医学材料已由无生物存活性的材料领域扩展到具有生物学功能的材料领域，
39、其基本特征在于具有促进细胞分化与增殖、诱导组织再生和参与生命活动等功能。这种将材料科学与现代生物技术相结合，使无生命材料生命化，并通过组织工程实现人体组织与器官再生及重建的新型生物材料已成为现代材料科学新的研究前沿。其中具有代表性的生物分子材料和生物技术衍生生物材料的研究已取得重大进展。 732 生物医学材料的用途、基本特性及分类 1生物医学材料的用途 随着医学水平和材料性能的不断提高，生物医学材料的种类和应用不断扩大。不夸张地说，从头到脚、从皮肤到骨头、从血管到声带，生物材料已应用于人体的各个部位。生物医学材料的用途主要有以下三方面：替代损害的器官或组织，例如：人造心脏瓣膜、假 牙、人工血管
40、等；改善或恢复器官功能的材料，例如：隐形眼镜、心脏起搏器等；用于治疗过程，例如：介人性治疗血管内支架、用于血液透析的薄膜、药物载体与控释材料等。2对生物医学材料的基本要求 由于生物材料与生物系统直接结合，除了应满足各种生物功能等理化性质要求外，生物医学材料毫无例外都必须具备生物学性能，这是生物医学材料区别于其他功能材料的最重要的特征。生物材料植入机体后，通过材料与机体组织的直接接触与相互作用而产生两种反应：一是材料反应，即活体系统对材料的作用，包括生物环境对材料的腐蚀、降 202；：磨损和性质退化，甚至破坏；二是宿主反应，即材料对活体系统的作用，包括局部和全鼬；，如炎症、细胞毒性、凝血、过敏致
41、癌、畸形和免疫反应等，其结果可能导致对机体呻毒和机体对材料的排斥。因此，生物医学材料应满足以下基本条件。 一；1)生物相容性旨：生物相容性包括：对人体无毒，无刺激，无致畸、致敏、致突变或致缸用；生物相容性好，在体内不被排斥，无炎症，无慢性感染，种植体不致引起周围组陆生局部或全身性反应，最好能与骨形成化学结合；具有生物活性；无溶血、凝血反应（2)化学稳定性；、化学稳定性包括：耐体液浸蚀，不产生有害降解产物；不产生吸3)力学条件小生物医学材料植入体内替代十定的人体组织，因此它还必须具有：i够的静态强度，如抗弯、抗压、拉伸、剪切等；具有适当的弹性模量和硬度；耐疲劳、 (4)其他要求生物医学材料还应具
42、有：良好的空隙度，体液及软硬组织易于长人；0易加工成形，使用操作方便i热稳定好，高温消毒不变质等性能。生物医学材料的分类有多种方法，最常见的是按材料的物质属性来划分，按此方法可S生物医学材料分为厚用金属材料、生物陶瓷、医用聚合物材料和摹用复合材料等四类； 车矢活，消除抗原性，并成功应用于临床。这类材料通常称为生物衍生材料或生物再生材原因是都具有良好的化学稳声生莉嘉加主曲酷阜秘伯钓年人们就遗过对缔金属的系统动物实验；得出了金属笋对流随织翔激柱韵、的结诰S生物医用金属材料必须是I类生物惰性材料；除应具有良萍亩隽学性能友相关的物理颧夕以遂必须具有优良的抗生理腐蚀性和组织相容性。已壶用亨临床的匡角釜属
43、材料主要有本锈钢、钴基合釜和钛基合金等王大类告它们主要用羊骨和牙等硬组织修复和替换产b血管和软组织修复以及人工器官制造中的结构元件。择霉L不锈鳅；鄂A蜡举斗强瓣臻封才；、：十：氮+前已叙及；：不锈钢按其显微组织的特点可分为奥氏体不锈锕、铁素体不锈锨马氏体不锈钢、沉淀硬化型不锈钢等类型。二；铁索体和马氏体不锈钢中的主要成分是摊、Cr,C，其中G具有扩木铢素体住)相区的作用，而C具有扩大奥氏体(?)相区的作用上当d含量较低而Cr含量较高时，可使合金从低温到高温都为单柑屯故称为铁索体不锈钢；当C含量较高而Cr含量较低时，合金在低温时为芭相，在高温时为Y相，因此可通过加热到高温的Y相区后快速冷却的淬火过程实现卜。的转变，这十转变属马氏体相变，这种不锈钢称为马氏体不锈钢。铁索体和马 203