在ISO / TS 80004中，將納米材料定義為“具有在納米尺度上的任何外部尺寸或在納米尺度上具有內部結構或表面結構的材料”，將納米尺度定義為“長度范圍從大約1nm至100nm”。這既包括作為離散材料的納米物體，也包括具有納米級內部或表面結構的納米結構材料。

納米材料被譽為“21世紀重要戰(zhàn)略性高技術材料之一”，當材料的粒度大小達到納米尺度時，將具有傳統(tǒng)微米級尺度材料所不具備的小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應等諸多特性，這些特異效應將為新材料的開發(fā)應用提供嶄新思路。

納米材料的分類

? 納米陶瓷

利用納米技術開發(fā)的納米陶瓷材料是利用納米粉體對現(xiàn)有陶瓷進行改性，通過往陶瓷中加入或生成納米級顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結合都達到納米水平，使材料的強度、韌性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的許多不足，并對材料的力學、電學、熱學、磁光學等性能產生重要影響，為代替工程陶瓷的應用開拓了新領域。英國材料學家指出，納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。納米耐高溫陶瓷粉涂層材料是一種通過化學反應而形成耐高溫陶瓷涂層的材料。

? 納米粉末

又稱為超微粉或超細粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。可用于高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學器件拋光材料、微芯片導熱基片與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動機等)、人體修復材料、抗癌制劑等。

? 納米纖維

指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。可用于微導線/微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料、新型激光或發(fā)光二極管材料等。靜電紡絲法是制備無機物納米纖維的一種簡單易行的方法。

? 納米膜

分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用于氣體催化(如汽車尾氣處理)材料、過濾器材料、高密度磁記錄材料、光敏材料、平面顯示器材料、超導材料等。

? 納米塊體

將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為超高強度材料、智能金屬材料等。

納米材料的特性

納米材料具有特殊的結構，由于組成納米材料的超微粒尺度屬納米量級，這一量級大大接近于材料的基本結構——分子甚至于原子，其界面原子數(shù)量比例極大，一般占總原子數(shù)的50%左右，納米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子數(shù)導致了它的量子尺寸效應和其他一些特殊的物理性質。不論這種超微顆粒由晶態(tài)或非晶態(tài)物質組成，其界面原子的結構都既不同于長程有序的晶體，也不同于長程無序、短程有序的類似氣體固體結構，因此，一些研究人員又把納米材料稱之為晶態(tài)、非晶態(tài)之外的“第三態(tài)固體材料”。

1、基本物理效應

1)、小尺寸效應

小尺寸效應的表現(xiàn)首先是納米微粒的熔點發(fā)生改變，普通金屬金的熔點是l337K，當金的顆粒尺寸減小到2nm時，金微粒的熔點降到600K；納米銀的熔點可降低到100℃。

2)、表面效應

表面效應是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比。納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當大的比例，隨著粒徑的減小，表面原子數(shù)迅速增加，原子配位不足和高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結合。

3)、量子尺寸效應

是指粒子尺寸下降到極值時，體積縮小，粒子內的原子數(shù)減少而造成的效應。

4)、宏觀量子隧道效應

微觀粒子具有穿越勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也具有隧道效應，它們可以穿越宏觀的勢壘而產生變化，這被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。

2、擴散及燒結性能

由于在納米結構材料中有著大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴散途徑，因此納米結構材料具有較高的擴散率，使一些通常較高溫度才能形成的穩(wěn)定或介穩(wěn)相在較低溫度下就可以存在，另外也可使納米結構材料的燒結溫度大大降低(所謂燒結溫度是指把粉末先加壓成形，然后在低于熔點的溫度下使這些粉末互相結合，密度接近于材料的理論密度的溫度)。

3、超塑性

超塑性是指在斷裂前產生很大的伸長量，其機制目前還在爭議之中，但從實驗現(xiàn)象中可以得出晶界和擴散率在這一過程中起著重要作用。如陶瓷材料在高溫時具有超塑性，可以通過使晶粒的尺寸降到納米級來實現(xiàn)其室溫超塑性。

4、力學性能

由于納米晶體材料有很大的表面積/體積比，雜質在界面的濃度便大大降低，從而提高了材料的力學性能。由于納米材料晶界原子間隙的增加和氣孔的存在，使其彈性模量減小了30%以上。

5、光學性能

納米金屬粉末對電磁波有特殊的吸收作用，可作為軍用高性能毫米波隱形材料、紅外線隱形材料和結構式隱形材料以及手機輻射屏蔽材料。

6、電學性能

由于晶界上原子體積分數(shù)的增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料。納米半導體的介電行為(介電常數(shù)、介電損耗)及壓電特性同常規(guī)的半導體材料有很大的不同。

7、磁學性質

由于改變原子間距可以影響材料的鐵磁性，因此納米材料的磁飽和量Me和鐵磁轉變溫度將降低；納米材料另一個重要的磁學性質是磁(致)熱的(magnetocaloric)效應，指的是如果在非磁或弱磁基體中包含很小的磁微粒，當其處于磁場中時，微粒的磁旋方向會與磁場相匹配，因而增加了磁有序性，降低了自旋系統(tǒng)的磁熵。

8、其他性質

納米材料的比熱大于同類粗晶和非晶材料，Cp的增加與界面結構有關，界面結構越開放，Cp的增加幅度就越大，這是由于界面原子耦合變弱的結果。由于納米材料原子在其晶界上高度彌散分布，因此納米材料的彌散性要強于同類單晶或多晶材料，這對諸如材料的蠕變等一系列性質有著重要的影響。

納米材料粒度的測試方法

目前，納米材料已成為材料研發(fā)以及產業(yè)化的基本構成部分，其中納米材料的粒度則是其重要的表征參數(shù)之一。

納米材料粒度的測試方法多種多樣，但不同的測試方法對應的測量原理不同，因而不同測試方法之間不能進行橫向比較。不同的粒度分析方法均有其一定的適用范圍以及對應的樣品處理方法，所以在實際檢測時應綜合考慮納米材料的特性、測量目的、經濟成本等多方面因素，確定終選用的測試方法。

根據(jù)不同的測試原理，下面闡述了8種納米材料粒度測試方法并分析了不同粒度測試方法的優(yōu)缺點及適用范圍，供大家參考。

1、電子顯微鏡法

該法是對納米材料尺寸、形貌、表面結構和微區(qū)化學成分研究常用的方法，一般包括掃描電子顯微鏡法(SEM)和透射電子顯微鏡法(TEM)。對于很小的顆粒粒徑，特別是僅由幾個原子組成的團簇，采用掃描隧道電鏡進行測量。計算電鏡所測量的粒度主要采用交叉法、交叉長度平均值法、粒徑分布圖法等。

模板劑聚苯乙烯球的SEM圖  

硅微球的TEM圖

優(yōu)點：該法是一種顆粒度觀測的方法，因而具有可靠性和直觀性。

缺點：測量結果缺乏整體統(tǒng)計性；滴樣前需做超聲波分散；對一些不耐強電子束轟擊的納米顆粒樣品較難得到準確的結果。

2、激光粒度分析法

該法是基于Fraunhofer衍射和Mie氏散射理論，根據(jù)激光照射到顆粒后，顆粒能使激光產生衍射或散射的現(xiàn)象來測試粒度分布的。因此相應的激光粒度分析儀分為激光衍射式和激光動態(tài)散射式兩類。一般衍射式粒度儀適于對粒度在5μm以上的樣品分析，而動態(tài)激光散射儀則對粒度在5μm以下的納米、亞微米顆粒樣品分析較為準確。所以納米粒子的測量一般采用動態(tài)激光散射儀。

納米激光粒度儀結構圖

優(yōu)點：樣品用量少、自動化程度高、重復性好, 可在線分析等。

缺點：不能分析高濃度的粒度及粒度分布，分析過程中需要稀釋，從而帶來一定誤差。

3、動態(tài)光散射法

也稱光子相關光譜，是通過測量樣品散射光強度的起伏變化得出樣品的平均粒徑及粒徑分布。液體中納米粒子以布朗運動為主，其運動速度取決于粒徑、溫度和黏度系數(shù)等因素。在恒定溫度和黏度條件下, 通過光子相關譜法測定顆粒的擴散系數(shù)就可獲得顆粒的粒度分布，其適用于工業(yè)化產品粒徑的檢測，測量粒徑范圍為1nm-5μm的懸浮液。

動態(tài)光散射法繪制的核殼粒徑增長速率坐標圖

優(yōu)點：速度快，可獲得準確的粒徑分布。

缺點：結果受樣品的粒度大小以及分布影響較大，只適用于測量粒度分布較窄的顆粒樣品；測試中應不發(fā)生明顯的團聚和快速沉降現(xiàn)象。

4、X射線衍射線寬法(XRD)

XRD測量納米材料晶粒大小的原理是當材料晶粒的尺寸為納米尺度時，其衍射峰型發(fā)生相應的寬化，通過對寬化的峰型進行測定并利用Scherrer公式計算得到不同晶面的晶粒尺寸。對于具體的晶粒而言, 衍射hkl的面間距dhkl和晶面層數(shù)N的乘積就是晶粒在垂直于此晶面方向上的粒度Dhkl。試樣中晶粒大小可采用Scherrer公式進行計算：

式中：λ-X射線波長；θ-布拉格角(半衍射角)；βhkl-衍射hkl的半峰寬。

X射線衍射法(XRD)表征材料晶相結構

優(yōu)點：可用于未知物的成分鑒定。

缺點：靈敏度較低；定量分析的準確度不高；測得的晶粒大小不能判斷晶粒之間是否發(fā)生緊密的團聚；需要注意樣品中不能存在微觀應力。

5、X射線小角散射法(SAXS)

當X射線照到材料上時，如果材料內部存在納米尺寸的密度不均勻區(qū)域，則會在入射X射線束的周圍2°-5°的小角度范圍內出現(xiàn)散射X射線。當材料的晶粒尺寸越細時，散射就越漫散，且這種現(xiàn)象與材料的晶粒內部結構無關。SAXS法通過測定的散射圖譜就可以計算出材料的粒徑分布。SAXS可用于納米級尺度的各種金屬、無機非金屬、有機聚合物粉末以及生物大分子、膠體溶液、磁性液體等顆粒尺寸分布的測定；也可對各種材料中的納米級孔洞、偏聚區(qū)、析出相等的尺寸進行分析研究。

微聚焦X射線小角散射顯微層析成像原理示意圖

優(yōu)點：操作簡單；對于單一材質的球形粉末，該方法測量粒度有著很好的準確性。

缺點：不能有效區(qū)分來自顆粒或微孔的散射，且對于密集的散射體系，會發(fā)生顆粒散射之間的干涉效應，導致測量結果有所偏低。

6、X射線光電子能譜法(XPS)

該法以X射線作為激發(fā)源，基于納米材料表面被激發(fā)出來的電子所具有的特征能量分布(能譜)而對其表面元素進行分析，也稱為化學分析光電子能譜(ESCA)。由于原子在某一特定軌道的結合能依賴于原子周圍的化學環(huán)境，因而從X射線光電子能譜圖指紋特征可進行除氫、氦外的各種元素的定性分析和半定量分析。

石墨烯類多孔碳納米板樣品的XPS光譜

優(yōu)點：靈敏度很高，在分析時所需的樣品量很少。

缺點：但相對靈敏度不高，且對液體樣品分析比較麻煩；影響X射線定量分析準確性的因素相當復雜。

7、掃描探針顯微鏡法(SPM)

該法是利用測量探針與樣品表面相互作用所產生的信號，在納米級或原子級水平研究物質表面的原子和分子的幾何結構及相關的物理、化學性質的分析技術，尤以原子力顯微鏡 (AFM)為代表, 其不僅能直接觀測納米材料表面的形貌和結構, 還可對物質表面進行可控的局部加工。

氧化石墨烯的AFM圖片

優(yōu)點：在納米材料測量和表征方面具有獨特性優(yōu)勢。

缺點：由于標準物質的缺少，在實際操作中缺乏實施性。

8、拉曼光譜法

該法低維納米材料的優(yōu)先選擇方法。它基于拉曼效應的非彈性光散射分析技術，是由激發(fā)光的光子與材料的晶格振動相互作用所產生的非彈性散射光譜，可用來對材料進行指紋分析。拉曼頻移與物質分子的轉動和振動能級有關，不同的物質產生不同的拉曼頻移。拉曼頻率特征可提供有價值的結構信息。利用拉曼光譜可以對納米材料進行分子結構、鍵態(tài)特征分析、晶粒平均粒徑的測量等。

單晶電表面ORR過程的原位拉曼光譜圖

優(yōu)點：靈敏度高、不破壞樣品、方便快速。

缺點：不同振動峰重疊和拉曼散射強度容易受光學系統(tǒng)參數(shù)等因素的影響；在進行傅里葉變換光譜分析時，常出現(xiàn)曲線的非線性問題等。