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纳米材料在工业和现实生活中有哪些应用?

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要回答这个问题,先要说说什么是纳米材料?它有哪些独特的性能?纳米材料的学术定义是:在三维尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。用通俗的话讲:纳米材料是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。一个纳米是多大呢?只有一米的10亿分之一,用肉眼根本看不到。由于它尺寸特别小,它就产生了两种效应,即小尺寸引起的表面效应和量子效应,即它的表面积比较大,处于表面上的原子数目的百分比显著增加,当材料颗粒直径只有1纳米时,原子将全部暴露在表面,因此原子极易迁移,使其物理性能发生极大变化。一是它对光的反射能力变得非常低,低到<1%;二是机械、力学性能成几倍增加;三是其熔点会大大降低(如金的熔点本是1064℃,但2纳米的金属粉末熔点只有33℃);四是有特殊的磁性(如20纳米的铁粉,其矫顽力可增加1000倍)。

根据上述原理和特性,纳米材料大致有如下用途:

1. 纳米结构材料:

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包括纯金属、合金、复合材料和结构陶瓷,具有十分优异的机械、力学及热力性能。可使构件重量大大减轻。

2. 纳米催化、敏感、储氢材料:

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用于制造高效的异质催化剂、气体敏感器及气体捕获剂,用于汽车尾气净化、石油化工、新型洁净能源等领域。

3. 纳米光学材料:

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用于制作多种具有独特性能的光电子器件。如量子阱GaN型蓝光二极管、量子点激光器、单电子晶体管等。

4. 纳米结构的巨磁电阻材料:

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磁场导致物体电阻率改变的现象称为磁电阻效应,对于一般金属其效应常可忽略。但是某些纳米薄膜具有巨磁电阻效应。在巨磁电阻效应发现后的第6年,1994年IBM公司研制成巨磁电阻效应的读出磁头,将磁盘记录密度一下子提高了17倍。这种材料还可以制作测量位移、角度的传感器,广泛应用于数控机床、汽车测速、非接触开关、旋转编码器中。

5. 纳米微晶软磁材料

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用于制作功率变压器、脉冲变压器、扼流圈、互感器等。

6. 纳米微晶稀土永磁材料

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将晶粒做成纳米级,可使钕铁硼等稀土永磁材料的磁能积进一步提高,并有希望制成兼备高饱和磁化强度、高矫顽力的新型永磁材料(通过软磁相与永磁相在纳米尺度的复合)。

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