一、纳米知识

纳米是一个长度单位，一纳米为1米的十万分之一，相当于十个氢原子挨个排起来的长度。50纳米相当于一根头发丝的一千分之一。

纳米材料的出现是20世纪材料科学对人类进步的卓越贡献。科学家实验证实，当常态物质被加工至纳米尺度（1～100 nm）时，会出现特异的物理、化学特性，其磁、光、电、声、热、力学及化学等特性将发生令人吃惊的变化。如原本导电的铜在某一纳米界限时将不导电；原本绝缘的二氧化硅在某一纳米界限时开始导电；用于电子器件中导电涂层的银纳米粒子在100⁰C下即可烧结，使电路基板的材料从陶瓷转变为树脂、塑料；所有金属加工为纳米量级时均会出现可吸收光线的黑色粉体等。这是由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面原子所占比例大等特点，以及其所具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应、介电限域效应等基本物理效应。纳米材料的出现大大拓展了科学的想象空间，并有可能孕育一场新的技术革命。权威专家预测，纳米技术和信息技术及生物技术将成为21世纪社会经济发展的三大支柱，已成为当今世界各国争夺的战略制高点。

金属纳米粉体制备及产品开发在未来科技发展中占有非常重要的地位，其产业化前景一片光明，目前部分技术已进人产业化阶段。随着科学技术的不断发展, 金属纳米粒子、以及由其制备成的复合材料已在冶金、机械、化工、轻工、电子、国防、核技术、航空航天等研究领域呈现出极其重要的应用价值。权威专家预测，随着今后在有关金属纳米粉体应用产品研究方面的突破，我国近期对金属纳米粉体材料的需求将达到200吨左右，大力发展高产率、高质量金属纳米粉体产业化制备及其产品开发技术，前景广阔。

科学家告诉我们，于细微处显神奇的纳米技术“润物细无声”，已经悄然进入寻常百姓的生活，并渗透到了衣、食、住、行等领域。将金属纳米颗粒添加到传统材料中，将使许多传统产品“旧貌换新颜”，这种添加并不见得昂贵，但却能获得一系列新的功能或使产品的性能得到极大改进，从而使你的产品更具有市场竞争力。让我们共同努力，共创丰富多彩的纳米世界！

二、金属纳米粉体的制备

高质量金属纳米粉体的制备是金属纳米粉体材料研究、开发和应用的关键，其主要要求和发展方向是：粒子表面清洁；粒子形状、粒径以及粒度分布可以控制；粒子团聚倾向小；容易收集；有较好的热稳定性；易保存；生产效率高，产率、产量大等。目前国内外已开发出的纳米金属微粒的制备方法已多达几十种，主要包括：(1)气相法：主要有气相冷凝法、活性氢—熔融金属反应法、溅射法、流动液面上真空蒸镀法、通电加热蒸发法、混合等离子法、激光诱导化学气相沉积法、爆炸丝法、化学气相凝聚法(CVC)和燃烧火焰—化学气相凝聚法。 (2) 液相法：主要有沉淀法、喷雾法、水热法、溶剂挥发分解法、溶胶—凝胶法、辐射化学合成法。此外还包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶液的热分解和沉淀等。（3）固相法：主要有热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、高能球磨法。但在高纯度金属纳米粉体制备方面，。（4）机械法：使用湿法超细纳米研磨设备进行,高能球磨法 
高能球磨法是近年来发展起来的一种制备纳米粉体的方法，球磨工艺的主要目的是减小离子的尺寸、固态合金化、混合或融合以及改变离子的形状。采用球磨方法，控制适当的条件可以得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。由于该过程引入了大量的粉末颗粒应变、缺陷以及纳米级的微结构，其制备过程的热力学和动力学不同于普通的固态反应过程，有可能制备出常规法难以制备的新型纳米材料。其特点是操作简单、成本低，但产品容易被污染，因此纯度低，颗粒分布不均匀。某某等利用球磨法合成了不同粒径的纳米ZnO。Lin等利用球磨法合成了不同退火温度下的磁性纳米Fe3O4，得到的粒子粒径范围在12.5-46nm，对应的饱和磁化强度范围为52-66.4nm，而矫顽力在22.2nm时达到最大值。Goya用球磨法在有机载液中合成了一系列不同窄分布的磁性粒子，所有的粒子在室温下表现出超顺磁性，而且温度为10-20K时磁性消失。Zduji?等在空气氛围中利用高能球磨法将α-Fe2O3粉末完全转变成Fe3O4。 .目前较为公认的产业化方向仍然是气相蒸发冷凝法，相对而言，该法制备出的金属纳米粉体具有纯度高、粒形好、粒度分布范围窄、应用范围宽等特点。但该法仍然存在制备产率低、成本高、设备投资高等问题。

 针对高纯度、高产率、低成本金属纳米粉体的产业化发展趋势，我公司自行研制了具有国际先进水平的高真空多枪等离子体蒸发金属纳米粉体连续制备设备，该设备与国内外现有生产线相比具有设备真空度高（可达5´10^－5Pa，国内设备均在10^－1～10^－2Pa ）；工艺参数可调节范围宽；可连续加料、连续生产、真空下连续包装；耗能低；具有多枪结构等特点，在高产率、低成本、自动化连续制备、适用范围等方面均已形成独有特色。在此基础上，通过大量理论及实验研究，已成功掌握多种纯金属及复合金属纳米级粉体（Fe、Ni、Cu、Ag、Al、Mg、Cu-Ni等）的生产控制技术，目前已具备产业化生产条件，可承接不同规格（平均粒径为20～1000nm）金属纳米粉体的制备。

三、金属纳米粉体的分散及表面改性

理论上讲，金属纳米粉体所表现出的独特物理、化学性质是单颗粒纳米粒子所具备的，要在实用中充分发挥它的特殊性能，必须在产品开发过程中尽量使所用的金属纳米粉体分散为单颗粒纳米粉体，但由于金属纳米颗粒所具有的极高活性以及纳米颗粒间各种吸引力的存在，纳米颗粒间极易团聚。 因而，在应用金属纳米粉体之前。一般都须对其进行分散和改性。对纳米粒子进行表面改性不仅可以提高纳米分散体系的稳定性，而且能赋予体系新的功能。

目前国内外已开发出多种金属纳米粉体的表面改性与修饰技术。总的来看，按原理可分为：表面物理修饰；表面化学修饰。按工艺可分为：高能表面改性（超声波，g、X射线，等离子体）；机械-化学反应改性；局部化学反应（如加偶联剂，接枝高聚物等）；表面包覆改性（表面活性剂等）；胶囊化改性（包覆均匀的膜）；沉淀反应改性。但国内外在金属纳米粉体的表面改性和修饰技术方面差距很大，这也是直接制约我国金属纳米粉体产业化和金属纳米粉体产品开发中的一个主要问题。

经过多年研究，我公司已在Cu、Ni、Fe、Cu－Ni等金属纳米粉体的分散、表面改性和纳米金属/陶瓷复合润滑产品开发方面积累了丰富的经验。

四、金属纳米粉体的应用

金属纳米粉体材料自诞生以来对各个领域的影响令人瞩目，这主要是因为它们往往“身怀绝技”，具有优异的性能，以及与其他材料复合时表现出来的独特性能，从而可广泛的使用于电池、陶瓷电容器、大规模集成电路、催化剂、磁流变液体、隐身吸波材料、润滑材料、高性能磁记录材料、高性能抛光材料以及各种纳米复合材料添加剂等方面，具体概括如下：

1、  催化剂材料： 金属纳米粒子在适当条件下可以催化断裂H—H, C—H，C—C和C—O键。纳米级Ni，Cu, Zn粒子混合制成的加氢反应催化剂在相同加热条件下其选择性比现在使用的雷尼Ni高5～10倍。此外，利用纳米粒子的催化特性，并用高聚物作为载体，既能发挥纳米粒子的高催化性和选择催化性，又能通过高聚物的稳定作用使之具有长效稳定性。Ni和Cu—Zn化合物的纳米颗粒对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的Pt和Pd催化剂，粒径为30nm的镍可将有机化学加氢及脱氢的反应速度提高10倍。纳米铂黑催化剂使乙烯氢化反应的温度从600⁰C降到室温。超细的Fe、Ni、g—Fe₂O₃混合轻烧结体则可代替贵金属作为汽车尾气净化的催化，目前已在美、英等发达国家试用。铜及其合金纳米粉体用作催化剂，效率高、选择性强，可用于二氧化碳和氢合成甲醇等反应过程中的催化剂。通常的催化剂铁、铜、镍、钯、铂等制成纳米微粒可大大改善催化效果。随着金属纳米颗粒担载技术日益完善和金属纳米粉体热稳定性的提高，催化剂行业将是金属纳米粉体的重要应用行业之一。

2、  电磁功能材料：纳米Fe、Co粉体在高性能磁流变液体中具有重要应用前景，可广泛应用于旋转轴的动态密封、新型润滑剂、阻尼、比重分离、增强家用电器扬声器功率和改善音质等领域。16nm的铁粉，其矫顽力非常高，可作为永磁材料使用，如用作磁记录材料可提高记录密度和信噪比。利用纳米钴粉记录密度高、矫顽力高(可达9.4kA／m)、信噪比高和抗氧化性好等优点，可大幅度改善磁带和大容量软硬磁盘的性能。预计，今后磁性液体生产行业也是部分金属磁性纳米粉体的重要市场之一。

3、导电浆料：用纳米银代替微米银制成导电胶，可以节省银的用量；用纳米铜、镍粉替代贵金属粉末制备性能优越的电子浆料，可大大降低成本。此技术可促进微电子工艺的进一步优化。微电子导电浆料行业已成为金属纳米Cu、Ni粉体的主要市场之一。

4、表面涂层及微电子行业用真空钎焊材料：纳米铝、铜、镍粉体有高活化表面，在无氧条件下可以在低于粉体熔点的温度实施涂层。此技术可应用于微电子器件的生产。添加纳米钛粉的表面涂料具有极佳的抗腐蚀性能。纳米金属粉体制备的真空钎焊剂可用于微波管的高真空堵漏。

5、导磁浆料：利用纳米铁粉的高饱和磁化强度和高磁导率的特性，可制成导磁浆料，用于精细磁头的粘结结构等。

6、隐身吸波材料：金属纳米粉体作为吸波材料，具有频带宽、兼容性好、质量小、厚度薄等优点。在红外线探测器、红外线传感器、毫米波隐身及可见光一红外隐形等方面具有重要作用。预计，军工行业用隐身吸波材料及微电子行业用微波衰减材料也是今后金属纳米粉体的主要市场之一。

7、贮氢材料：晶粒平均尺寸为20～30nm Mg和Ni粉末经球磨可直接形成化学当量的Mg₂Ni，吸氢性能比普通多晶材料好得多。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。

8、敏感元件材料：采用金属纳米粉体可制备敏感度高的小型化、低能耗、多功能传感器如气体传感器、红外线传感器、压电传感器、温度传感器、湿度传感器以及光传感器等。

9、抗、杀菌材料：纳米银微粉对大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等数十种致病微生物都有强烈的抑制和杀灭作用。作为全新的抗感染产品，这种纳米银抗菌微粉不同于目前所有的抗感染药物，具有广谱、无耐药性、不受酸碱值影响等多种性能。添加纳米Ni、Ag粉的抗菌、防腐涂料还可成功用于文物保护中。随着人民生活水平的提高，医疗、保健品市场也将是今后金属纳米粉体的主要市场之一。  

10、高效助燃剂：将纳米铁、镍、铝粉添加到火箭的固体燃料推进剂中可大幅度提高燃料的燃烧热、燃烧效率．改善燃烧的稳定性。有研究表明，向火箭固体燃料中加入0.5%纳米铝粉或镍粉，可使燃烧效率提高10%-25%，燃烧速度加快数十倍。

11、静电屏蔽材料：在化纤制品中加入金属纳米粒子可以解决其静电问题，提高安全性。在有机玻璃或其它高聚物材料中加入金属纳米粉体，即可实现静电屏蔽，也可提高透光度。预计在家用电器、电子屏蔽等行业具有较大发展前景。

12、医学材料：从目前研究成果来看，医学造影、药物载体、细胞染色、细胞分离、消毒杀菌等今后均要使用金属纳米粉体。

13、纳米复合材料添加用材：纳米复合材料是指金属纳米粒子与聚合物或陶瓷材料复合而成的新型复合材料，其性能可大大改善。如Fe的超微颗粒外面覆盖一层5～20nm的聚合物后，可以固定大量蛋白质或酶，以控制生化反应，可用于生化技术和酶工程中。利用纳米镍粉、铝粉制成的烧结添加剂，可大幅度降低粉末冶金产品和高温陶瓷产品的烧结温度。

14、金属纳米润滑添加剂：由于实际机械设备中绝大多数为金属摩擦副，而只有含纳米金属粉的固体润滑剂膨胀系数与金属摩擦副接近, 加之金属纳米粉具有良好的导热性，因此，含金属纳米粉的润滑添加剂具有更宽的适用范围。研究表明，金属纳米润滑添加剂产品具有如下特点：（1）超强抗磨性能，延长设备使用寿命2～3倍，延长润滑油更换周期，节省润滑油用量约40%，大大减少设备的维修，部件的更换次数；（2）节能增效显著，可增加燃油利用率10～32%，提高发动机的动力20%；（3）降低机件运转时的温度，减轻机械噪音，减少车辆的废气和黑烟污染，有效防止因机器设备、车辆陈旧或超载引起的颤抖、燃烧机油等现象；（4）极优的热稳定性，既可在炎热的夏季使机械设备保持所需要的最低温度和平稳运行，又可在寒冷的冬季使发动机迅速起动，运转容易，并且起动电流小；（5）具有优良的油溶性，增加润滑油的各种性能，延长油封、橡胶、塑料垫变形、老化、脆化时间。由于大多机械设备均涉及摩擦副的润滑问题，而使用纳米润滑添加剂代表着今后的发展趋势，预计纳米润滑添加剂产品也将是今后金属纳米粉体的主要消耗市场之一。

随着人们对金属纳米粉体性质的进一步认识，还将会开发出更多的应用市场。此外，金属化合物纳米粉体的应用则更多。在此不再一一列举。