奈米材料之缘起与展望
林鸿明 大同工学院 材料工程学系 一,缘起 1962年日本热力学家R. Kubo发表论文指出,细微的金属颗粒,其电子能阶会发生 变化,而且是随著粒径大小不同而异[1].由於这有趣的发现,细微金属颗粒的各种特 殊属性逐渐为人所重视而发现,於今乃发展成一重要的新机能素材.奈米晶粒的定义 是大小介於1 -100nm之间的颗粒,其特性为:一,具有与一般固体晶相或非晶质结构 不同之原子结构;二,具有与其相同成份但为传统晶粒或非晶质材料不同之性质,如 光学,磁性,热传,扩散以及机械等性质;三,可使原本无法混和的金属或聚合物混 合而成合金[2, 3, 4].由於其粒径极为细微,因此会有极大的比表面积,使表面能量占 全能量的比例大幅增高.正因为此极细微的粒径,如此大的表面能量和变化的电子能 阶,使奈米晶粒有著比块材更优异的物理化学性质,如单磁区,低烧结温度,触媒活 性,低热膨胀性,光感性等.80年代初日本在科学技术厅,将奈米晶技术列为重大发 展项目以后,各方面的发展都有长足的进步,而且将其商业化也有具体成果.如奈米 粉磁带,奈米粉触媒和奈米粉涂布技术等等. 就原子排列而言,材料可粗略分为晶体(Crystals)和非晶质态(Amorphous ),其差别 乃在於晶体材料其有长程规律(Long-range order)的秩序排列.而非晶质材料仅仅有短程 规律(Short-range order)的秩序,由於许多材料性质端赖这些规律性,如欲突破现有材料 之瓶颈,开发无短程规律性的新材料是相当重要的.同时目前材料界也面临金属与离 子或金属与聚合物无法在平常状态下混和成体的困境.在上述两种因素影响之下,乃 有了奈米晶材料的需求,因其结构具有类似於非晶质之短程规律性.亦即新的奈米晶 材料可解决新功能性材料之要求. 奈米晶粒中由 5 nm 大小组成的材料,有约 50%的体积是属於晶界或相界.这些材 料的最基本特点是其晶格缺陷(晶界或相界)的原子排列可形成一种新的原子结构.这种 受两邻近不整合(Incoherent)原子晶格挤迫的原子,其排列不同於寻常没有压制的晶体 和非晶质材料.假设所有的原子都具有相同的化学组成,但依原子位置之不同可以区 分成"晶体原子"和"晶界原子",奈米晶材料则是由晶体和晶界成分所组成,由於两者的
晶格具不同方向及大小,几何排列的不规律导致原子结构在晶体处与晶界处是不相同 的.因此,我们可以想见这种新结构的特殊物理特性,主要来自於邻近晶格相位不同 所造成的压制. 奈米晶粒材料之机械性质如材料强度,模数,延性,磨耗性质以及腐蚀行为,或物 理性质,如其具有强磁性,高热传导性,高扩散性等性质皆截然不同於传统块材.同 时,奈米级材料由於其细微的结构而具有溶解度增加及原子扩散速率快等特性.而且 粉末的粒径经缩减后硬度可增加 2 至 10 倍,其相关性质可参考表一. 表一:奈米晶材料与其结晶及非晶质材料之性质比较
性 质
-6
材
料
奈米晶 31 0.37 6 88 32 130 20 6720 3.2 0.51 0.64 345
非晶质 18 7.5 215 -0.03 -
结
晶 16 0.24 7.9 123 43 222 -1 560 1.2 2.0 2.04 467
热膨胀系数(10 /K) 热容(在 298K, J/g K) 密度(g/cm3) 弹性模数 杨式模数(Gpa) 剪力模数(Gpa) 饱和磁化强度(4K, emu/g) 电纳系数(10 emu/Oe g) 破断应力(Kg/mm2) 超导临界温度(K) 扩散活化能(eV) Debye 温度(℃)
-6
Cu Pd Fe Pd Pd Fe Sb Fe-1.8C Al Ag in Cu Cu in Cu Fe
由於其具有高的表面积,使表面能量占全体能量的比例大幅增加.以铜为例,粒径 10 微米的粒子其表面能量为 94 Merg;而当粒径降至 10 奈米时其表面能量增至 94 Gerg ,其表面能量占体积能量也由 0.00275% 提升至 2.75 % [3].因此,其化学反应性, 烧结性等与块材有很大的不同.正因为极细微的粒径,提供大的表面能量和不同的电 子能阶,使奈米晶粒有著比块材更优异的性质,如单磁区,低烧结温度,触媒活性, 低热膨胀性,光感性......等.光学性质,例如金的奈米粉,粒径约 10 奈米时,其在 6.6-10 微米波长领域内,光吸收现象显著增加,可由块材之 2 至 5%增加至 95%[6]. 全世界在奈米粉的发展上,目前日本居领先地位.八十年代初期日本政府创造科学 技术推进制动的「奈米粒子」计划已达具体研究成果,该计划以金属或非金属化合物 粒子为研究中心,近来更涵盖氧化物,氮化物.日本已预期1998年能生产1–10奈米之 金属奈米粒子.本人由国科会补助利用气凝技术从事大小3–100奈米金属与金属氧化物 奈米晶之研究多年.以气凝技术可以得到无污染之金属或金属氧化物奈米粒子.面对

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