一、纳米材料的特性

 纳米是一种长度计量单位，1纳米为十亿分之一米（10-9m）。纳米材料是指粒径范围在1~100nm内的添加剂，此粒径范围处于原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。当材料的粒子尺寸进入纳米范围时，就具有普通粒子尺寸所不具有的特殊性能。这是因为纳米粒子的尺寸与物质的许多特征长度相当，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、铁磁性临界尺寸等，从而导致纳米材料的物理、化学特性既不同于微观结构的原子、分子，也不同于宏观结构的物体，其性能介于两者之间。

二、纳米粒子的综合效应

纳米粒子的结构为数目较少的原子或分子组成的原子群或分子群。其表面原子是既无长程有序又无短程有序的非结晶层；而在粒子的内部，则存在着结晶完好、周期性排布的原子。正是纳米粒子的此种特殊结构类型，导致其具有如下几种特殊的性能。

1、体积效应

体积效应又称为小尺寸效应。纳米粒子的尺寸小到与光波波长、德布洛意波长、超导的相干长度或透射深度等特性尺寸相当或更小时，其晶体周期性的边界条件将被破坏，表层非晶体附近的原子密度减少，导致材料的声、光、电、磁、热、催化等特性与普通材料相比，发生巨大变化。例如：光吸收显著增加，并且产生吸收峰的等离子共震频移；磁有序态向磁无序态转变；超导相向正常相转变；声子谱发生改变等。

利用纳米粒子的体积效应，开发出许多新的应用领域。如纳米粒子的强磁性颗粒，当颗粒为单磁畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等；通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，可制造具有一定频宽的微波吸收材料，用于电磁波屏蔽和隐形飞机等；纳米粒子的熔点远低于同类物质的块状颗粒。

2、表面效应

表面效应又称为界面效应，它是指纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的减小而急剧增大，并且在同一纳米晶粒内还存在各种缺陷（如孪晶界、层错、位错等），甚至还有不同的亚稳相共存，这种特殊结构导致性能上的变化，并由此派生出传统固体不具有的许多特殊性能。具体如表1所示，从表1中可以看出，随粒子半径的减小，比表面积急剧增大。高的比表面积使处于表面的原子数增多，导致表面能和表面结合能迅速增加。同时，由于表面原子周围缺少相邻的原子，存在许多悬空键，具有不饱和性质，容易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性，在催化、吸附等方面具有传统材料不可比拟的优越性。已在光催化降解污染物、光催化有机合成等方面获得实际应用。

表1　 纳米粒子尺寸与表面原子树的关系

3、量子隧道效应

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为量子隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也具有量子隧道效应，它们可以宏观系统的势垒而产生变化。这是由于粒子尺寸减小，粒子内原子减少而造成的。当纳米粒子的尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱瓶阀值向短波方向移动。这种处于分立的量子化能级中电子的波动性带来纳米材料一系列特殊的性质，如高度光学非线性、特异性催化和光催化性质、强氧化性和还原性等。如在适当的条件下金属纳米粒子可以催化断裂H-H、C-C、C-O键，并使反应速度加快；再如，用二氧化钛粉体吸附纳米级钯作光催化剂，在需分解的水中加入甲醇，其分解产物氢气的产率高。

（二）纳米粒子的表面特性

纳米粒子的许多良好性能都与表面特性有关，如低密度、低流动速率、高吸附性、高混合性及弱压缩性能等。

1、物理性质

比表面积大。纳米粒子的许多特性都与其比表面积大有关。表面结构特殊。在纳米粒子

的表面产生了原子表面层，而且粒子越小，原子表面层的厚度越大。原子表面层内并非“气体状”自由结构层，而是与粒子粒径、制备方法相联系的高度对称、低密度的不稳定结构层。

2、物化性质

   表面能高，吸附作用强，难以均匀分散。尤其是物理方法制备的纳米粒子，机械能很容易转变成为表面能，使粒子间产生集聚。究其原因是因为纳米粒子的表面层内含有官能团，这些官能团带有电荷，可决定纳米粒子的表面电性，电荷的大小和类型将影响粒子间的静电作用程度。

（三）纳米粒子的内在特性

主要表现在如下几个方面。

1、反应活性增大

由于比表面积增大，反应的接触面提高，使反应活性增大。如金属纳米粒子在空气中很容易氧化，甚至产生燃烧反应。

2、高催化性能

由于高的吸附性能和大的比表面积，纳米粒子具有常规粒子不具备的催化性能。在提高催化反应效率、优化反应路径、提高反应速度和定角度等方面，提供了新的途经。

3、熔点降低

由于纳米粒子尺寸小，表面能高，使其熔点、开始烧结温度和晶化温度比常规粉体低。

4、电阻增大

纳米粒子的尺寸小到某一临界尺寸后，其电阻会发生突变。例如，金属导体会变成非导体，且材料的电阻温度系数及电阻与温度系数的线性关系也会发生变化。

5、磁性增强

铁类磁性材料粒子的尺寸减少到畴态时，会呈现出高的矫顽力；进一步减少尺寸，则受热扰动影响，表现为超顺磁性。

6、光吸收性能

一方面由于能隙变宽而导致纳米粒子的吸收带与常规材料相比普遍“蓝移”，但对于表面修饰后的纳米粒子还要考虑介电局域效应的影响（通常导致吸收带“红移“）。实际的频移由两种作用的相对大小决定，而对纳米金属粒子，其等离子共振频率发生位移，且半高宽随粒子尺寸的减小而增大；另一方面，由于纳米粒子具有大的比表面积，不饱和键和”悬挂键‘增多，存在一个较宽的键振动模的分布，导致吸收频带较宽。

一个典型的例子为当金属的尺寸小到纳米级时，所有金属都呈黑色，且尺寸越小，颜色越深，这表明光吸收能力强。

7、光发射性能

纳米粒子具有常规材料没有的新的发光现象，且发光谱受其束缚的电荷载体的影响很大。

8、光电性能

    其光电性能具有特异性，不仅具有优异的光催化活性，即粒子有更强的还原和氧化能力，更高的催化活性，且光电催化的选择性与粒径有关，并且具有优异的光电转换特性。

9、硬度与可塑性并重

纳米材料虽然硬度高，但可塑性强。如粒径为6nm铁的断裂应力比常规铁高12倍，硬度提高2~3个数量级；再如，普通陶瓷为脆性材料，而室温下的纳米TiO2陶瓷则确变成了韧性材料，可以任意弯曲，塑性变形可达100%。

10、其它性能

纳米材料还具有高比热、高热膨胀性及高扩散性等性能。

二、常用纳米材料

从理论上讲任何材料都可以成为纳米材料，产业化的纳米材料多有化学合成法为主，用物理法的目前只有石墨烯。

（一）纳米无机填充材料

目前已开发的纳米填料介绍如下：

1、纳米粘土

粘土是一类硅酸盐材料的总称，具体包括蒙脱土（MMT）、凹凸棒粘土（TA）、伊利石、海泡石、水云母及蛋白石等，其中以蒙脱土最为常用。

（1）蒙脱土（MMT）

蒙脱土是一种天然矿物质材料，其主要成分为SiO2含量72%、Al2O3含量14%，其他成分有Fe2O3、CaO、MgO、K2O、FeO、Na2O、MnO、P2O5及TiO2等。与高岭土不同的是蒙脱土为典型层状结构和天然的纳米尺寸，其中层状特性比云母还要强得多，可以用于塑料的阻隔改性。

蒙脱土具有亲水疏油性能，与大多数树脂的相容性都比较差，要与树脂形成良好的复合材料，首先要对其进行疏水亲油改性处理，以提高与树脂的相容性。利用蒙脱土的良好插层性能可以进行长链有机化合物的层插，大幅度提高与各类树脂的相容性，制造多种纳米塑料填充材料，同时改善复合材料的拉伸强度、....