矿物材料的特点，分类及应用有哪些

1. 矿物材料的特点，分类及应用有哪些

矿物材料是指将天然矿物(主要是非金属矿物)或岩石作为主要原料经加工、改造所获得的材料产品或是能直接作为材料应用，并以利用其本身的主要物理、化学性质为目的的矿物或岩石。这个含义主要包含了以下四个方面内容：第一，能被直接利用或经过简单的加工处理，即可被利用的天然矿物、岩石；第二，以天然的非金属矿物、岩石为主要原料，通过物理化学反应制成的成品或半成品材料；第三，人工合成的矿物或岩石；第四，这些材料的直接利用目标主要是其自身具有的物理或化学性质，而不局限于其中的个别化学元素。
        人们将材料分为金属材料、有机材料、无机非金属材料及复合材料。而将矿物分为金属矿物、非金属矿物和燃料矿物三类。
        金属矿物是指通过冶炼提取其中的金属元素为最终利用目的的矿物，如铝矿物是通过冶炼后提取利用其中的铝元素。
        非金属矿物大部分是指直接利用其天然矿物原料所固有的物理化学特性的一些矿物，如高岭土、石英等，这些都是直接用作材料应用的矿物。
       燃料矿物是指通过热化学反应，提取利用其中的热能的矿物，如煤主要是通过燃烧后获取其中的热能。
        很明显，在传统意义上，金属矿物和燃料矿物的利用手段是以改变矿物原有的化学结构来达到利用的目的，也就是通过改变矿物本身的微观结构，来实现矿物的价值；而非金属矿物则是利用了其宏观结构的技术物理特性，大多不改变矿物的微观结构。那么，根据矿物材料的定义可知，矿物材料与目前应用的非金属矿物非常相近，但是它又包含了金属矿物和燃料矿物，也就是说，只要是不破坏目前应用的金属矿物或燃料矿物原有的微观结构，且保留其宏观的技术物理特性而加以利用，则这种金属矿物或燃料矿物也属于矿物材料，比如赤铁矿可直接用作铁红，此时的赤铁矿就是矿物材料。所以，矿物材料的范畴比目前的非金属矿物的范畴要大，不能等同看待。那么广义地说，矿物材料包含了自然界中的各种矿物，包括金属矿物、非金属矿物和燃料矿物。
 
矿物材料具有以下特点：
1、多用性
        矿物材料的多用性是指一种矿物材料能具有多种用途。比如以蒙脱石为主要成分的膨润土可用于石油钻井泥浆、铁矿球团黏结剂、食用油的脱色剂、酒和饮料的澄清、石油的净化、污水处理、农药载体、防水密封、化妆品原料等各个行业。
2、多样性
        矿物材料的多样性是指矿物的种类繁多以及矿物性质的复杂性。目前，已知的天然矿物有3000多种，它们的成分结构都非常复杂，而且每种矿物都具有各自独特的物理化学性质和工艺性质。但纵使矿物材料的种类繁多，但是在20世纪初，人类开发应用的矿物材料不足60种，虽然现在已开发应用的矿物材料已经达到200多种，但是所占矿物材料种类总数的比例仍然非常小，这也就是说，矿物材料仍有着巨大的研究开发应用潜力。
3、储量大，价格低廉
        与人工合成材料相比较，矿物材料一般都具有储藏量巨大，生产成本低的特点。
4、替代性强
        矿物材料的替代性强是指那些具有相似性质的矿物在应用中可以相互替代。
5、应用领域广
       目前，矿物材料的应用几乎已经涉及所有的工业领域，包括建材、化工、机械、冶金、轻纺、电子、农业、食品、医药、环保、宝石、工艺美术等各个领域和部门。并且，矿物材料尤其在那些需要抗高强、高速、耐高温、轻质、绝缘、耐腐蚀等特殊要求的地方更能大显身手的地方。
6、经济效益显著
        由于矿物材料具有用途多、储量大、价格低的特点，所以矿物材料的研究开发，可获得巨大的经济效益，且随着矿物材料的开发深度和广度不同，所得到的经济效益也会不一样。比如散装的膨润土价格在30美元／t，而有机膨润土的价格则为2400～3600美元/t，这种增值可达80～120倍。
 
矿物材料的分类
         随着矿物材料的研究，目前人们将矿物材料的分类方法定为以下三种：第一，按照矿物材料中主要矿物名称分类；第二，按照矿物材料的结构分类；第三，按照矿物材料的功能分类。其中按照矿物材料中主要矿物名称分类是一种最古老的分类方法，是用矿物材料中最主要的矿物名称来命名。如石棉材料、石墨材料、云母材料等，这是指在这些矿物材料中的主要矿物为石棉、石墨、云母等。但是由于被开发利用的矿物材料越来越多，并且对同一功能所应用的矿物材料常常又可以相互代用，因此这种分类方法已逐渐显现出了它的局限性，这就要求有其他的分类方法来加以丰富和补充。于是就衍生了以下几种分类方法：
1、按照矿物材料的结构分类
        这种分类方法是根据矿物材料中的物质组成及其相互关系来进行分类。那么，按矿物材料的结构通常将矿物材料分为单一矿物材料和复合材料两大类。
1）单一矿物材料
        单一矿物材料是指那些主要由某一单一矿物所组成的材料，称为单一矿物材料，如柔性石墨纸、石墨填料、碳纤维、石墨纤维、电气云母片、钻石、膨胀珍珠岩、轻质碳酸钙和重质碳酸钙等。
2）复合材料
        复合材料是指由矿物材料与其他材料组成的混合体系，称为复合材料。复合材料又分为无机复合材料、无机与有机复合材料和混杂复合材料三类：
    (1)无机复合材料是指由两种或两种以上无机矿物材料组成的体系，称为无机复合材料。如石棉水泥制品、微孔硅酸钙和陶瓷材料等。但是需要指出的是，在复合材料中通常只要复合材料的基体是矿物材料，即使在复合材料中使用了部分其他类材料，如有机或金属材料作增强材料时也称为无机复合材料。例如钢纤维水泥和纸纤维石膏板等都属于无机复合材料。
    (2)无机与有机复合材料是指将无机矿物材料作为增强材料，与有机高分子聚合物材料复合而成的一种体系。例如火车合成闸瓦、石棉橡胶板和玻璃钢制品等。
    (3)混杂复合材料是指由两种或两种以上的普通复合材料构成的体系。通常指由两种不同特性的纤维作为增强材料混杂在基体中的材料。混杂复合材料被认为是复合材料的最新研究成果，也被称为“复合材料的复合材料”。例如飞机用摩阻材料、航空和能源部门使用的高强结构材料等就是混杂复合材料。
2、按照矿物材料成分结构和加工改造特点分类
这种方法将矿物材料分为以下四大类型：
    1）.天然矿物材料。指直接利用其物理、化学性质的矿物或岩石，经物理加工未改变原料成分和结构。包括填料类(如重钙粉、滑石粉等)、装饰类(如石材、宝石等)、光学类(如水晶、萤石等)、中药类(如芒硝、石膏等)、研磨材料类(如石榴子石、刚玉等)、保健营养类(如电气石、麦饭石等)和隔热材料类(如石棉绳、布等)等。
    2） 改性矿物材料。矿物(岩石)进行超细、超纯改型、改性等加工改造后，改变或部分改变了原料的成分或结构，包括表面改性类(如珠光云母、改性碳酸钙等)、成分改性类(如改性膨润土、氟化石墨、熟石膏等)以及结构改性类(如膨胀珍珠岩、膨胀蛭石、膨胀石墨、岩棉等)等。
    3） 人工矿物材料。这是模拟天然矿物或岩石生成的原理采用人工合成的矿物材料。包括人工晶体(如人造水晶、人造金刚石、人造宝石、矿物晶须等)、多孔材料(如合成沸石、微孔硅酸钙)、纳米矿物粉体材料(如纳米碳酸钙、纳米氧化锌等)等。
4） 复合矿物材料。复合矿物材料是具有不同相组成的人工合成矿物材料，包括矿物-有机复合类(如石棉、蛭石、硅灰石、云母等与高分子材料合成的摩擦材料、密封材料、绝缘材料等)以及矿物-无机复合类(如矿物纤维增强的无机胶凝材料、矿物为主骨架的建筑材料、绝热保温材料、电功能材料等)。
3、按照矿物材料的功能分类    
        这种分类方法是根据矿物材料的使用性能和用途的不同来进行分类。根据矿物材料的性能，如利用矿物材料的电、磁、光、热、摩擦、表面化学反应、胶体性质和填充密封性质等不同性质进行划分。通常将矿物材料分为九大类：力学功能材料、热学功能材料、电与磁功能材料、光功能材料、吸附功能材料、黏结与覆盖功能材料、填料与增强功能材料、装饰功能材料和原子能核反应堆功能材料等。根据矿物材料的用途，可将矿物材料分为耐火、保温、绝缘、陶瓷、建材、化工、填料、农用、药用、环保、研磨、功能和宝石等多种应用类型。
        韩跃新等在《矿物材料》一书中结合以上分类方法，以中国硅酸盐学会工艺岩石学专业委员会的分类方法为主线，兼顾行业分类和成分分类。
        郑水林按照矿物材料的功能与应用进行了如下分类，见表1。
表1 矿物材料的类型及其应用
材料类型    矿物原料    材料品种    应用领域    
功能粉体材料    方解石、大理石、白垩、滑石、叶蜡石、伊利石、石墨、高岭土、地开石、云母、硅灰石、硅线石、硅藻土、膨润土、皂石、海泡石、凹凸棒石、金红石、长石、锆英砂、重晶石、石膏、石英、石棉、石榴石、电气石、红柱石、蓝晶石、水镁石、沸石、透闪石、浮石、霞石、蛋白石、金剐石等    细粉(10～1000μm)、超细粉(0.1～10μm)、超微细粉或一维、二维纳米粉(0.001～0.1μm)、表面改性粉体、高纯度粉体、复合粉体、高长径比针状粉体、大径厚比片状粉体、多孔隙粉体等    塑料、橡胶、胶黏剂、化纤、油漆、涂料、陶瓷、玻璃、耐火材料、保温隔热材料、阻燃剂、胶凝材料、造纸、机械、石化、电力、交通、微电子、冶金、建材、饮料、仪器、药品、饲料、航空航天、土壤改良、废水、废气处理等    
力学功能材料    石棉、石膏、石墨、花岗岩、大理岩、石英岩、锆英砂、高岭土、长石、金刚石、石榴石、云母、滑石、硅灰石、透闪石、石灰石、硅藻土、燧石、蛋白石等    石棉水泥制品、硅酸钙板、纤维石膏板、石料、石材、结构陶瓷、无机／聚合物复合材料(上下水管、塑钢门窗等)、金刚石(刀具、钻头、砂轮、研磨膏)、磨料、衬里材料、制动器衬片、闸瓦、刹车带(片)、石墨轴承、垫片、密封环、离合器面片、润滑剂(膏)、汽缸垫片、石棉橡胶板、石棉盘根等    建材、建筑、机械、电力、交通、农业、化工、轻工、航空航天、石油、微电子、地质勘探、冶金、煤炭等    
热学功能材料    石棉、石墨、石英、长石、金刚石、蛭石、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、水镁石、珍珠岩、云母、滑石、高岭土、硅灰石、沸石、金红石、锆英砂、石灰石、自云石、铝土矿等    石棉布、片、板、岩棉、玻璃棉、矿棉吸声板、泡沫石棉、泡沫玻璃、蛭石防火隔热板、硅藻土砖、膨胀蛭石、膨胀珍珠岩、微孔硅钙板、玻璃微珠、保温涂料、耐火材料、镁碳砖、碳／石墨复合材料、储热材料、莫来石、堇青石、氧化锆陶瓷等    建材、建筑、冶金、化工、轻工、机械、电力、交通、航空航天、石油、煤炭等    
电磁功能材料    石墨、石英、金刚石、蛭石、云母、滑石、高岭土、金红石、电气石、铁石榴石等    碳-石墨电极、电刷、胶体石墨、氟化石墨制品、电极糊、热敏电阻、电池、非线性电阻、陶瓷半导体、石榴子石型铁氧体、压电材料(压电水晶、自动点火元件等)、云母电容器、云母纸、云母板、电瓷、封装陶瓷等    电力、微电子、通讯、计算机、机械、航空、航天、航海等    
光功能材料    水晶、冰洲石、萤石等    偏光、折光、聚光镜片、光学玻璃、光导纤维、滤光片、偏振材料、荧光材料等    通讯、电子、仪器仪表、机械、航空、航天、轻工等    
吸波与屏蔽材料    金红石、电气石、石英、高岭土、石墨、重晶石、膨润土、滑石等    二氧化钛(钛白粉)、纳米二氧化硅、氧化铝、核反应堆屏蔽材料、护肤霜、防护服、保暖衣、塑料薄膜、消光剂等    核工业、军工、化妆(护肤)品、民(军)用服装、农业、涂料、皮革等    
催化材料    沸石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地开石等    分子筛、催化剂、催化剂载体等    石油、化工、农药、医药等    
吸附材料    沸石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、地开石、膨润土、皂石、珍珠岩、蛋白土、石墨、滑石等    助滤剂、脱色剂、干燥剂、除臭剂、杀(抗)菌剂、水处理剂、空气净化剂、油污染处理剂、核废料处理剂等    啤酒、饮料、食用油、食品、工业油脂、制药、化妆品、环保、家用电器、化工等    
流变材料    膨润土、皂石、海泡石、凹凸棒石、水云母等    有机膨润土、触变剂、防沉剂、增稠剂、凝胶剂、流平剂、钻井泥浆等    各种油漆、涂料、黏合剂、清洗剂、采油、地质勘探等    
黏结材料    膨润土、海泡石、凹凸棒石、水云母等    团矿黏结剂、硅酸钠、胶黏剂、铸模、黏土基复合黏结剂等    冶金、建筑、铸造、轻工等    
装饰材料    大理石、花岗岩、砚石、云母、叶蜡石、蛋白石、水晶、石榴石、橄榄石、玛瑙、玉石、辉石、孔雀石、冰洲石、琥珀石、绿松石、金刚石、月光石等    装饰石材、珠光云母、彩石、各种宝玉石、观赏石等    建筑、建材、涂料、皮革、化妆品、珠宝业、观光业等    
生物功能材料    沸石、麦饭石、高岭土、硅藻土、海泡石、凹凸棒石、膨润土、皂石、珍珠岩、蛋白土、滑石、电气石、碳酸钙等    药品及保健品、药物载体、饲料添加剂、杀(抗)菌剂、吸附剂、化妆品添加剂    制药业、生物化学工业、畜牧业、化妆品等    
 

矿物材料的应用
 
        矿物材料的应用可以说是最古老的。远在石器时代，人类就使用了天然矿物制作工具，但当时只是一种无意识的应用。随着社会的发展，人类逐渐掌握了金属的冶炼技术，金属材料的应用也逐渐得到了发展，并渐渐超过了天然矿物的应用，到了铜器时代和铁器时代，已经是金属材料占绝对优势。但在近代，随着研究手段的发展及人类对天然矿物性质的深入了解，人们发现天然矿物有许多性质是人造物品所无法与之相比的。如耐高温材料，人类至今也未能造出可达到石墨矿的耐高温性能的材料，石墨矿熔点为3 850℃，汽化温度为4 500℃，在7 000℃的超高温条件下加热l0s的质量损失为0．8％，而人造的最耐高温金属材料在此条件下的质量损失为12．9％，并且在2500℃时石墨的强度反而比室温时的强度提高一倍。又比如耐腐蚀抗氧化性能方面，许多天然矿物也大大优于金属材料的耐腐蚀抗氧化性能。正因为如此，对天然矿物的开发和利用又重新受到了人们的重视，并获得了迅速地发展。现在对矿物材料的开发应用程度已是衡量一个国家工业化程度的标志。有人曾说21世纪将是人类的第二个石器时代，这是指在21世纪人类将大量地开发应用矿物材料。还有人说当一个国家的经济中矿物材料的产值首次超过金属矿物的产值时，即是这个国家工业成熟的界线。矿物材料的产值超过金属矿物产值的现象在英国、美国两个国家中出现的时间为：英国在20世纪初，美国在1934年，到了20世纪70年代这两个国家中矿物材料与金属矿物的产值比达到2：1，到l986年达到3：1。世界范围内，自20世纪50年代开始，矿物材料的消耗量每十年增长50％～60％，目前年总产值超过800亿美元，其中各国的出口量约300亿美元，年增长率约3％。
        矿物材料的应用领域几乎已涉及所有的工业领域和部门，由于各领域中对所使用的矿物材料的种类和性质的要求各不相同，因此有必要首先了解各领域中所使用的矿物材料的情况。目前，根据矿物材料被应用的领域不同，矿物材料主要可分为矿物保温材料、绝缘矿物材料、陶瓷矿物材料、建筑矿物材料、化工矿物原料、农用矿物材料、填料矿物材料、药用矿物材料、环保用矿物材料、研磨矿物材料、宝玉石矿物材料和功能矿物材料等。
        与发达国家相比，我国对矿物材料的研究和开发时间较晚，前年出口额约6亿美元，仅占世界出口额的2％，且大多为未加工的原材料。就我国的矿产资源而言，我国的矿物资源种类繁多，为资源品种大国，且有自身的特点，相当数量的矿产资源储量居于世界前列，如钨、稀土等矿物，因此，在矿物材料的研究和开发方面存在巨大的潜力，尤其是那些针对我国矿产瓷源特点的矿物材料研究开发工作，前景更加广阔。

2. 纳米的特性有哪些？

3. 纳米材料与纳米技术的现状、应用、发展趋势及存在问题是什么？

现在纳米材料研究的基本特征是以实际应用为导向，一纳米材料与相关科学的交叉融合为手段，重点解决纳米材料应用的关键技术问题。纳米材料属于上游产品，一方面用于传统产品的升级，两一方面用于纳米科技新产品的开发，而要在下游产品中体现纳米材料的优越性能就必须以纳米制造技术作为支撑。

4. 金属氧化物是金属材料吗？

不是, 
金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等

5. 西南科技大学矿物材料及应用研究所

西南科技大学矿物材料及应用研究所为原国家建材局1993年批准成立的专门从事非金属矿物材料应用基础理论、分析测试、加工技术及开发应用研究的科研机构。研究所设2个研究室：矿物晶体化学与矿物功能材料研究室、环境矿物材料与工程研究室。现有研究人员14人，其中教授4人、副教授4人，博士6 人。
矿物材料与应用研究所的主要研究方向包括非金属矿物应用基础研究、物理化学性能研究、加工工艺与制备技术研究等。涉及矿物粉体材料、生态环境矿物材料、矿物材料的生物作用、功能矿物材料、纳米矿物材料、生物矿物学、合成矿物材料、非金属矿开发与利用等多个领域。主要研究特色是以矿物晶体化学、应用矿物学和材料科学等学科的基本理论和现代分析测试研究方法，将非金属矿产开发与国民经济需要相结合，从非金属矿产的优良物理化学性能和应用出发，深层次地研究非金属矿产开发与应用的相关技术和方法；从适用国民经济对非金属矿产资源和性能的要求出发，研究非金属矿物的应用特性及其提纯、改性、改型、纳米化等功能化处理与加工方法；从而为国民经济和科学技术提供优异性能的矿物材料研究和加工工艺技术成果。
矿物材料及应用研究所有着长期非金属矿教学、科研经验。自20世纪80年代以来，在万朴教授的带领下，提出了非金属矿开发过程中的“地质体综合利用”、“非金属矿物材料”等研究思想，提出了“非金属矿物超细效应”、“纳米矿物材料”、“生态环境矿物材料”、“矿物材料工程”等新概念。与中国地质大学等兄弟院校合作在全国率先培养出应用矿物学硕士、博士研究生，并创立、开办了“矿物岩石材料”本专科专业。相应的研究成果和学科专业建设经验在全国有关地质院校得到了推广和应用，为矿物岩石材料学这一新学科体系和人才培养体系框架的建立做出了突出的贡献。
矿物材料及应用研究所从非金属矿物和岩石的优良理化性能研究入手，在高岭石、蛇纹石及尾矿、蛇纹石石棉、水镁石、蛭石、云母、凹凸棒石粘土、海泡石粘土、膨润土、煅烧高岭土、重质碳酸钙等典型非金属矿物岩石的应用矿物学及其深层次开发加工研究方面取得了突出的系列成果，建立了具有特色的非金属矿产开发与利用的理论研究体系，所取得的研究成果对非金属矿产开发与利用的研究和发展起到了重要的推动作用。
研究所建设了研究型实验室：包括应用矿物实验室、环境矿物材料实验室、粉体材料与工程实验室及矿物粉尘/（生物）系统实验室。学校设有分析测试中心、非金属矿加工实验室、矿物材料（制品）检测实验室等。
矿物材料及应用研究所以应用矿物学研究、非金属矿产开发与矿物材料研究为突出特色，推进非金属矿产为主的矿产普查、勘探、开发，与国民经济更广泛领域相结合，促进我国非金属矿产资源的可持续发展，开发高附加值非金属矿物材料制品，这对建立资源集约型国民经济体系具有十分重要的理论和实际意义。在推进非金属矿产开发与矿物材料专业人才培养体系的形成，建立矿物材料学科体系及非金属矿物材料的深度开发应用等方面，发挥着重要的作用。
地址：四川省绵阳市西南科技大学矿物材料及应用研究所 邮编：621010
电话：（0816） 2419276 传真：（0816） 2419196
邮箱： tjpeng@swust.edu.cn 负责人：万朴（所长） 彭同江（常务副所长）

6. 常用金属和金属氧化物的性质和特性有哪些？（如物理性质和化学性质，详细点）

酸性氧化物一般是无机酸脱水而得，或者是加水可以化合生成酸 
酸性氧化物+n*H2O===酸 
并且一般是非金属氧化物 
如：P205，S03 ，CO2，S02，N205，等等
 
碱性氧化物: 
能跟酸起反应，生成盐和水，这种氧化物叫碱性氧化物(且生成物只能有盐和水,不可以有任何其它物质生成)。碱性氧化物包括活泼金属氧化物和其他金属的低价氧化物，如Na2O、CaO、BaO和CrO、MnO。碱性氧化物的对应水化物是碱。例如，CaO对应的水化物是Ca（OH）2，Fe2O3对应的水化物是Fe（OH）3。碱金属和钙、锶、钡的氧化物能跟水反应，生成相应的氢氧化物。它们都是强碱： 
Na2O＋H2O==2NaOH 
CaO＋H2O==Ca（OH）2 
高温下，碱性氧化物和酸性氧化物作用生成盐： 
CaO＋SiO2==CaSiO3 
碱性氧化物受热时比较稳定，一般不会分解。 
注意: 
碱性氧化物全部是金属氧化物，而金属氧化物不一定是碱性氧化物，如Mn2O7就是酸性氧化物，Al2O3为两性氧化物。

金属氧化物 在日常生活中应用广泛。生石灰是一种常用的干燥剂，也可用于消毒；氧化铁(Fe2O3)俗称铁红，可作红色颜料；一些工业过程中应用的催化剂也是金属氧化物。
金属氧化物是金属元素和氧元素结合形成的化合物。金属氧化物的种类繁多，除了AU、PT、等少数集中活泼性特别弱的金属以外，其他金属都有相应的金属氧化物。变价金属一般有多种氧化物，例如，铁元素具有氧化亚铁(FeO)、氧化铁和四氧化三铁(Fe3O4)3种氧化物。

金属氧化物都是固体。活泼金属的氧化物能溶于水而生成碱，例如：
Na2o +H2O=2NaOH
活泼性较差的金属氧化物不溶于水，但大多数都溶于酸：
CuO+H2SO4=Cuso4+H2O
一些金属的氧化物来源与矿藏，例如，氧化铁是赤铁矿的主要成分，稀土金属的矿物成分主要是他们的氧化物；另外一些氧化物可以由分解反应制得，例如，钙的氧化物生石灰（CaO）的制取。

金属氧化物是指由金属元素与氧元素2种元素组成的氧化物，例如：钠与氧形成氧化钠。

碱性氧化物是指能与酸起反应生成盐和水的氧化物。
碱性氧化物一定是金属氧化物，氧化钙、氧化钠、氧化镁、氧化钡、氧化铁、氧化铜等大多数金属氧化物是碱性氧化物，氧化铝、氧化锌等例外，为两性氧化物，不能说金属氧化物一定是碱性氧化物，如Mn2O7是金属氧化物，但它是酸性氧化物，对应的酸是高锰酸。

活泼金属氧化物是离子型化合物，形成离子晶体，熔点和沸点都较高。

金属氧化物是一类重要的催化剂，在催化领域中已得到广泛的应用，将金属氧化物纳米化后，其催化性能更加优良，可以预见，纳米金属氧化物将是催化剂发展的重要方向。
金属氧化物表面积
金属氧化物表面积也是非常重要的，金属氧化物表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，因为国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的。(GB.T 19587-2004)-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积测定分析有专用的比表面积测试仪，国内比较成熟的是动态氮吸附法，现有国产仪器中大多数还只能进行直接对比法的，北京金埃谱科技公司的F-Sorb 2400新型比表面积分析仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器（兼备直接对比法），更重要的北京金埃谱科技公司的F-Sorb 2400比表面积分析仪是迄今为止国内唯一完全自动化智能化的比表面积检测设备，其测试结果与国际一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。

7. 纳米技术现在存在的问题是什么？

引言：提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米材料，可能很多人并不一定清楚，本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介，相信随着科学技术的发展，会有越来越多的纳米材料走进人们的生活，为人类造福。 



纳米是英文namometer的译音，是一个物理学上的度量单位，1纳米是1米的十亿分之一；相当于45个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。当物质到纳米尺度以后，大约是在1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米材料。过去，人们只注意原子、分子或者宇宙空间，常常忽略这个中间领域，而这个领域实际上大量存在于自然界，只是以前没有认识到这个尺度范围的性能。第一个真正认识到它的性能并引用纳米概念的是日本科学家，他们在20世纪70年代用蒸发法制备超微离子，并通过研究它的性能发现：一个导电、导热的铜、银导体做成纳米尺度以后，它就失去原来的性质，表现出既不导电、也不导热。磁性材料也是如此，象铁钴合金，把它做成大约20—30纳米大小，磁畴就变成单磁畴，它的磁性要比原来高1000倍。80年代中期，人们就正式把这类材料命名为纳米材料。 



在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小；航空航天、新型军事装备及先进制造技术等对材料性能要求越来越高。新材料的创新，以及在此基础上诱发的新技术。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技中最为活跃、最接近应用的重要组成部分。近年来，纳米材料和纳米结构取得了引人注目的成就。例如，存储密度达到每平方厘米400g的磁性纳米棒阵列的量子磁盘，成本低廉、发光频段可调的高效纳米阵列激光器，价格低廉高能量转化的纳米结构太阳能电池和热电转化元件，用作轨道炮道轨的耐烧蚀高强高韧纳米复合材料等的问世，充分显示了它在国民经济新型支柱产业和高技术领域应用的巨大潜力。正像美国科学家估计的“这种人们肉眼看不见的极微小的物质很可能给予各个领域带来一场革命”。纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。 研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。 1研究形状和趋势 纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。 纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu提高5倍；晶粒为7urn的pd，屈服应力比粗晶pd高5倍；具有高强度的金属间化合物的增塑问题一直引起人们的关注，晶粒的纳米化为解决这一问题带来了希望， 根据纳米材料发展趋势以及它在对世纪高技术发展所占有的重要地位，世界发达国家的政府都在部署本来10～15年有关纳米科技研究规划。美国国家基金委员会（nsf）1998年把纳米功能材料的合成加工和应用作为重要基础研究项目向全国科技界招标；美国darpa（国家先进技术研究部）的几个计划里也把纳米科技作为重要研究对象；日本近年来制定了各种计划用于纳米科技的研究，例如 ogala计划、erato计划和量子功能器件的基本原理和器件利用的研究计划，1997年，纳米科技投资1.28亿美元；德国科研技术部帮助联邦政府制定了1995年到2010年15年发展纳米科技的计划；英国政府出巨资资助纳米科技的研究；1997年西欧投资1.2亿美元。据1999年7月8日《自然》最新报道，纳米材料应用潜力引起美国白宫的注意；美国总统克林顿亲自过问纳米材料和纳米技术的研究，决定加大投资，今后3年经费资助从2.5亿美元增 加至5亿美元。这说明纳米材料和纳米结构的研究热潮在下一世纪相当长的一段时间内保持继续发展的势头。 2国际动态和发展战略 1999年7月8日《自然》（400卷）发布重要消息 题为“美国政府计划加大投资支持纳米技术的兴 起”。在这篇文章里，报道了美国政府在3年内对纳米技术研究经费投入加倍，从2.5亿美元增加到5亿美元。克林顿总统明年2月将向国会提交支持纳米技术研究的议案请国会批准。为了加速美国纳米材料和技术的研究，白宫采取了临时紧急措施，把原1.97亿美元的资助强度提高到2.5亿美元。《美国商业周刊》8月19日报道，美国政府决定把纳米技术研究列人21世纪前10年前11个关键领域之一，《美国商业周刊》在掌握21世纪可能取得重要突破的3个领域中就包括了纳米技术领域（其它两个为生命科学和生物技术，从外星球获得能源）。美国白宫之所以在20世纪即将结束的关键时刻突然对纳米材料和技术如此重视，其原因有两个方面：一是德科学技术部1996年对2010年纳米技术的市场做了预测，估计能达到14400亿美元，美国试图在这样一个诱人的市场中占有相当大的份额。美国基础研究的负责人威廉姆斯说：纳米技术本来的应用远远超过计算机工业。美国白宫战略规划办公室还认为纳米材料是纳米技术最为重要的组成部分。在《自然》的报道中还特别提到美国已在纳米结构组装体系和高比表面纳米颗粒制备与合成方面领导世界的潮流，在纳米功能涂层设计改性及纳米材料在生物技术中的应用与欧共体并列世界第一，纳米尺寸度的元器件和纳米固体也要与日本分庭抗礼。1999年7月，美国加尼福尼亚大学洛杉矾分校与惠普公司合作研制成功100urn芯片，美国明尼苏达大学和普林斯顿大学于1998年制备成功量子磁盘，这种磁盘是由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系，10bit／s尺寸的密度已达109bit／s，美国商家已组织有关人员迅速转化，预计2005年市场为400亿美元。1988年法国人首先发现了巨磁电阻效应，到1997年巨磁电阻为原理的纳米结构器件已在美国问世，在磁存储、磁记忆和计算机读写磁头将有重要的应用前景。 最近美国柯达公司研究部成功地研究了一种即具有颜料又具有分子染料功能的新型纳米粉体，预计将给彩色印橡带来革命性的变革。纳米粉体材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面很可能给传统产业和产品注入新的高科技含量，在未来市场上占有重要的份额。纳米材料在医药方面的应用研究也使人瞩目，正是这些研究使美国白宫认识到纳米材料和技术将占有重要的战略地位。原因之二是纳米材料和技术领域是知识创新和技术创新的源泉，新的规律新原理的发现和新理论的建立给基础科学提供了新的机遇，美国计划在这个领域的基础研究独占“老大”的地位。 3国内研究进展 我国纳米材料研究始于80年代末，“八五”期间，“纳米材料科学”列入国家攀登项目。国家自然科学基金委员会、中国科学院、国家教委分别组织了8项重大、重点项目，组织相关的科技人员分别在纳米材料各个分支领域开展工作，国家自然科学基金委员会还资助了20多项课题，国家“863”新材料主题也对纳米材料有关高科技创新的课题进行立项研究。1996年以后，纳米材料的应用研究出现了可喜的苗头，地方政府和部分企业家的介入，使我国纳米材料的研究进入了以基础研究带动应用研究的新局面。 目前，我国有60多个研究小组，有600多人从事纳米材料的基础和应用研究，其中，承担国家重大基础研究项目的和纳米材料研究工作开展比较早的单位有：中国科学院上海硅酸盐研究所、南京大学。中国科学院固体物理研究所、金属研究所、物理研究所、中国科技大学、中国科学院化学研究所、清华大学，还有吉林大学、东北大学、西安交通大学、天津大学、青岛化工学院、华东师范大学，华东理工大学、浙江大学、中科院大连化学物理研究所、长春应用化学 研究所、长春物理研究所、感光化学研究所等也相继开展了纳米材料的基础研究和应用研究。我国纳米材料基础研究在过去10年取得了令人瞩目的重要研究成果。已采用了多种物理、化学方法制备金属与合金（晶态、非晶态及纳米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物纳米粉体，建立了相应的设备，做到纳米微粒的尺寸可控，并制成了纳米薄膜和块材。在纳米材料的表征、团聚体的起因和消除、表面吸附和脱附、纳米复合微粒和粉体的制取等各个方面都有所创新，取得了重大的进展，成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷；在世界上首次发现纳米氧化铝晶粒在拉伸疲劳中应力集中区出现超塑性形变；在颗粒膜的巨磁电阻效应、磁光效应和自旋波共振等方面做出了创新性的成果；在国际上首次发现纳米类钙钛矿化合物微粒的磁嫡变超过金属gd；设计和制备了纳米复合氧化物新体系，它们的中红外波段吸收率可达 92％，在红外保暖纤维得到了应用；发展了非晶完全晶化制备纳米合金的新方法；发现全致密纳米合金中的反常hall－petch效应。 近年来，我国在功能纳米材料研究上取得了举世瞩目的重大成果，引起了国际上的关注。一是大面积定向碳管阵列合成：利用化学气相法高效制备纯净碳纳米管技术，用这种技术合成的纳米管，孔径基本一致，约20urn，长度约100pm，纳米管阵列面积达到 3mm 3mm。其定向排列程度高，碳纳米管之间间距为100pm。这种大面积定向纳米碳管阵列，在平板显示的场发射阴极等方面有着重要应用前景。这方面的文章发表在1996年的美国《科学》杂志上。二是超长纳米碳管制备：首次大批量地制备出长度为2～3mm的超长定向碳纳米管列阵。这种超长碳纳米管比现有碳纳米管的长度提高1～2个数量级。该项成果已发表于1998年8月出版的英国《自然》杂志上。英国《金融时报》以“碳纳米管进入长的阶段”为题介绍了有关长纳米管的工作。三是氮化嫁纳米棒制备：首次利用碳纳米管作模板成功地制备出直径为3～40urn、长度达微米量级的发蓝光氮化像一维纳米棒，并提出了碳纳米管限制反应的概念。该项成果被评为1998年度中国十大科技新闻之一。四是硅衬底上碳纳米管阵列研制成功，推进碳纳米管在场发射平面和纳米器件方面的应用。五是制备成功一维纳米丝和纳米电缆，该成果研究论文在瑞典召开的1998年第四届国际纳米会议宣读后，许多外国科学家给予高度评价。六是用苯热法制备纳米氮化像微晶；发现了非水溶剂热合成技术，首次在300℃左右制成粒度达30urn的氮化锌微晶。还用苯合成制备氮化铬（crn）、磷化钴（cop）和硫化锑（sbs）纳米微晶，论文发表在1997年的《科学》杂志上。七是用催化热解法制成纳米金刚石；在高压釜中用中温（70℃）催化热解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉，论文发表在1998年的《科学》杂志上。美国《化学与工程新闻》杂志还发表题为“稻草变黄金---从四氯化碳（cc14）制成金刚石”一文，予以高度评价。 我国纳米材料和纳米结构的研究已有10年的工作基础和工作积累，在“八五”研究工作的基础上初步形成了几个纳米材料研究基地，中科院上海硅酸盐研究所、南京大学、中科院固体物理所、中科院金属所、物理所、中国科技大学、清华大学和中科院化学所等已形成我国纳米材料和纳米结构基础研究的重要单位。无论从研究对象的前瞻性、基础性，还是成果的学术水平和适用性来分析，都为我国纳米材料研究在国际上争得一席之地，促进我国纳米材料研究的发展，培养高水平的纳米材料研究人才做出了贡献。在纳米材料基础研究和应用研究的衔接，加快成果转化也发挥了重要的作用。目前和今后一个时期内这些单位仍然是我国纳米材料和纳米结构研究的中坚力量。 在过去10年，我国已建立了多种物理和化学方法制备纳米材料，研制了气体蒸发、磁控溅射、激光诱导cvd、等离子加热气相合成等10多台制备纳米材料的装置，发展了化学共沉淀、溶胶一凝胶、微乳液水热、非水溶剂合成和超临界液相合成制备包括金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物、离子晶体和半导体等多种纳米材料的方法，研制了性能优良的多种纳米复合材料。近年来，根据国际纳米材料研究的发展趋势，建立和发展了制备纳米结构（如纳米有序阵列体系、介孔组装体系、mcm－41等）组装体系的多种方法，特别是自组装与分子自组装、模板合成、碳热还原、液滴外延生长、介孔内延生长等也积累了丰富的经验，已成功地制备出多种准一维纳米材料和纳米组装体系。这些方法为进一步研究纳米结构和准一纳米材料的物性，推进它们在纳米结构器件的应用奠定了良好的基础。纳米材料和纳米结构的评价手段基本齐全，达到了国际90年代末的先进水平。 综上所述，“八五”期间我国在纳米材料研究上获得了一批创新性的成果，形成了一支高水平的科研队伍，基础研究在国际上占有一席之地，应用开发研究也出现了新局面，为我国纳米材料研究的继续发展奠定了基础。10年来，我国科技工作者在国内外学术刊物上共发表纳米材料和纳米结构的论文2400多篇，在国际上排名第五位，其中纳米碳管和纳米团簇在1998年度欧洲文献情报交流会上德国马普学会固体所一篇研究报告中报道中国科技工作者发表论文已超过德国，在国际排名第三位，在国际历次召开的有关纳米材料和纳米结构的国际会议上，我国纳米材料科技工作者共做邀请报告24次。到目前为止，纳米材料研究获得国家自然科学三等奖1项，国家发明奖2项；院部级自然科学一、二等奖3项，发明一等奖3项，科技进步特等奖1项；申请专利 79项，其中发明专利占50％，已正式授权的发明专利6项，已实现成果转化的发明专利6项。 最近几年，我国纳米科技工作者在国际上发表了一些有影响的学术论文，引起了国际同行的关注和称赞。在《自然》和《科学》杂志上发表有关纳米材料和纳米结构制备方面的论文6篇，影响因子在6以上的学术论文（phys．rev．lett，j．ain．chem．soc ．）近20篇，影响因子在3以上的31篇，被sci和ei收录的文章占整个发表论文的 59％。 1998年 6月在瑞典斯特哥尔摩召开的国际第四届纳米材料会议上，对中国纳米材料研究给予了很高评价，指出这几年来中国在纳米材料制备方面取得了激动人心的成果，在大会总结中选择了8个纳米材料研究式作取得了比较好的国家在闭幕式上进行介绍，中国是在美国、日本、德国、瑞典之后进行了大会发言。 



4 纳米产业发展趋势 



（1）信息产业中的纳米技术：信息产业不仅在国外，在我国也占有举足轻重的地位。2000年，中国的信息产业创造了gdp5800亿人民币。纳米技术在信息产业中应用主要表现在3个方面：①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米结构器件、芯片技术以及高清晰度数字显示技术。因为不管通讯、集成还是显示器件，都要原器件，美国已经着手研制，现在有了单电子器件、隧穿电子器件、自旋电子器件，这种器件已经在实验室研制成功，而且可能在2001年进入市场。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件，这方面我国还很落后，但是这些原器件转为商品进入市场也还要10年时间，所以，中国要超前15年到20年对这些方面进行研究。③网络通讯的关键纳米器件，如网络通讯中激光、过滤器、谐振器、微电容、微电极等方面，我国的研究水平不落后，在安徽省就有。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。 



（2）环境产业中的纳米技术：纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不可替代的技术。要净化环境，必须用纳米技术。我们现在已经制备成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到0.1ppm，该设备已进入实用化生产阶段；利用多孔小球组合光催化纳米材料，已成功用于污水中有机物的降解，对苯酚等其它传统技术难以降解的有机污染物，有很好的降解效果。近年来，不少公司致力于把光催化等纳米技术移植到水处理产业，用于提高水的质量，已初见成效；采用稀土氧化铈和贵金属纳米组合技术对汽车尾气处理器件的改造效果也很明显；治理淡水湖内藻类引起的污染，最近已在实验室初步研究成功。 



(3)能源环保中的纳米技术：合理利用传统能源和开发新能源是我国当前和今后的一项重要任务。在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们能使煤充分燃烧，燃烧当中自循环，使硫减少排放，不再需要辅助装置。另外，利用纳米改进汽油、柴油的添加剂已经有了，实际上它是一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。在开发新能源方面国外进展较快，就是把非可燃气体变成可燃气体。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。 



(4)纳米生物医药：这是我国进入wto以后一个最有潜力的领域。目前，国际医药行业面临新的决策，那就是用纳米尺度发展制药业。纳米生物医药就是从动植物中提取必要的物质，然后在纳米尺度组合，最大限度发挥药效，这恰恰是我国中医的想法。在提取精华后，用一种很少的骨架，比如人体可吸收的糖、淀粉，使其高效缓释和靶向药物。对传统药物的改进，采用纳米技术可以提高一个档次。 



(5)纳米新材料：虽然纳米新材料不是最终产品，但是很重要。据美国测算，到21世纪30年代，汽车上40％钢铁和金属材料要被轻质高强材料所代替，这样可以节省汽油40％，减少co2，排放40％，就这一项，每年就可给美国创造社会效益1000亿美元。此外，还有各种功能材料，玻璃透明度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能，还有光的变色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸收、贮藏等功能。 



(6)纳米技术对传统产业改造：对于中国来说，当前是纳米技术切入传统产业、将纳米技术和各个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业。合肥美菱集团从1996开始研制纳米冰箱，可折叠的pvc磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都采用纳米材料，发展轻工、电子和家用电器可以带动涂料、材料、电子原器件等行业发展；其次是纺织。人造纤维是化纤和纺织行业发展的趋势，中国纺织要在进入wto后能占据有利地位，现在就必须全方位应用纳米技术、纳米材料。去年关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术，特殊功能的有防静电的、阻燃的等等，把纳米的导电材料组装到里面，可以在11万伏的高压下，把人体屏蔽，在这一方面，纺织行业应用纳米技术形势看好；第三是电力工业。利用纳米技术改造20万伏和11万伏的变压输电瓷瓶，可以全方位提高11万伏的瓷瓶耐电冲击的性能，而且釉不结霜，其它综合性能都很好；第四是建材工业中的油漆和涂料，包括各种陶瓷的釉料、油墨，纳米技术的介入，可以使产品性能升级。 



1999年8月20日《美国商业周刊》在展望21世纪可能有突破性进展的领域时，对生命科学和生物技术、纳米科学和纳米技术及从外星球上索取能源进行了预测和评价，并指出这是人类跨入21世纪面临的新的挑战和机遇。诺贝尔奖获得者罗雷尔也曾说过：70年代重视微米的国家如今都成为发达国家，现在重视纳米技术的国家很可能成为下一世纪先进的国家。挑战严峻，机遇难得，我们必须加倍重视纳米科技的研究，注意纳米技术与其它领域的交叉，加速知识创新和技术创新，为21世纪中国经济的腾飞奠定雄厚的基础。 



编者按：激动人心的纳米时代已经到来，人们的生活即刻将发生巨大的变化，然而，我们也要清醒地看到，市场上真正成熟的纳米材料并不是很多。中科院院士白春礼院士认为，“真正意义的纳米时代还没有到来，我们正在充满信心地迎接纳米时代的到来。” 



白春礼说，“人类进入纳米科技时代的重要标志是纳米器件的研制水平和应用程度。”纳米科技发展到今天，距离纳米时代的到来还有多远呢，白春礼说，“纳米研究目前还有许多基础研究在进行中，在纳米尺度上还有大量原理性问题尚待研究，纳米科技现在的发展水平大概相当于计算机技术在20世纪50年代的发展水平，人类最终进入纳米时代还需要30到50年的时间，50年后纳米科技有可能像今天计算机技术一样普及。” 

对于纳米科技，科学的态度是积极参与，脚踏实地地推动这一前沿科技的健康发展，既不需要商业炒作，也不需要科学炒作。