前言 | 奈米晶粒材料 |
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前言 |
| 過去二十年在精密材料與科學界出現了許多冠有”nano”的新名詞，如：nanostructured, nanocrystalline, nanoscale等。奈米結構材料與傳統多晶質材料的差異在於其組成顆粒的大小。典型的奈米晶粒的直徑只有約10 nm大小，其成分則可能為陶瓷、金屬、或半導體材料。 |
| 它們表現出的卓越特性使世界各地的公司都很感興趣。所參與的各種產業之多令人驚異。除了許多新成立的公司想要將其技術商業化外，更有一群「主幹公司」早在這波奈米科技出現前就已開始製造奈米結構材料，至今已有三十多年之久。 |
| 1. 材料種類與性質 （Material Type and Properties） |
| 許多種類的陶瓷、金屬、合金、半導體、和複合材料已被製成奈米晶粒結構。常見的例如 |
| ：氧化物、碳化物、氮化物陶瓷；鎳、鈦、與鉻等過渡元素；鐵基和鎳基合金；矽、硫化鋅、和 |
| 硒化鎘(cadmium selenide)等半導體；以及奈米晶粒與聚合體組成的複合材料。雖然以粉末顆粒的 |
| 型態最為常見，但也可製成緻密的護層(coatings)或塊體(bulk solids)。若是粉末顆粒型態，則常分 |
| 散於水溶液或有機介質中，以供特定用途使用。 |
| 材料的巨觀性質會受到其微構造的影響；奈米晶就顯現與傳統材料非常不同的性質。 |
| 2. 奈米材料特性 | |
顆粒至奈米晶粒大小時性質的各種改變 |
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| 性質 | 變化 |
| (1) 電性質 | 1. 陶瓷與磁性奈米複合材料的導電性變高。而成的高分子量物質。 2. 金屬的電阻變高。 |
| (2) 磁性質 | 1. 顆粒在奈米晶粒範圍內逐漸減小至一臨界晶粒，矯頑磁場增加。 2. 顆粒小於臨界晶粒，矯頑磁場降低，造成超順磁性質。 |
| (3) 機械性質 | 1. 金屬與合金之硬度與強度增加。 2. 陶瓷之延展性、韌性、和加工成形性質增強。 |
| (4) 光學性質 | 1. 被量子化的奈米晶粒之光譜顯現藍位移。 2. 半導體之螢光效率增加。 |
| 資料來源：Business Communication Co. | |
| 3. 商業上的應用與產品 (Commercial Applications/Products) |
| 儘管這個領域大多還在發展階段，但的確在市場上已有奈米結構材料產品。奈米顆粒已被 |
| 加到一些普通商業產品如：研磨打光液、耐火塗料、磁性流體、磁帶、防曬油、透明木漆和其他 |
| 產品。至於高性能奈米結構護層的商業用途則有限，主要還停在發展原型階段。目前唯一真正有 |
| 工業用途的奈米結構塊體材料是德國Vacuumschmelze製造的鐵基合金軟磁鐵。 |
| 除了日本用作磁帶所製造的金屬奈米顆粒外，已具有工業規模產量的奈米結構粉末與分散 |
| 液的材料就是陶瓷（主要是氧化物）。奈米矽石與氧化鐵粉末已商業化達半個世紀，另外氧化鋁 |
| 、氧化銻與其他材料則是最近才進入此市場。至於已有商業產量的非氧化物陶瓷奈米粉末有各種 |
| 碳化物，尤其是碳化鎢。這些粉末目前可買到的粒徑最小是在約50~200 nm的範圍。 |
| 4. 奈米晶粒工業之歷史 (History of the Industry) |
| 極細粒粉末已被製造與研究數十年。Michael Faraday在1857年合成膠質金粒，奈米結構催化 |
| 劑的製程與性質也被研究了七十多年。1930年代，美國的A.H. Pfund 與德國的H.C. Burger and P.H. |
| Van Cittert各別發展出目前最常用來製造奈米晶粒的氣體凝結技術。 |
| 工業用途的奈米結構塊體材料是德國Vacuumschmelze製造的鐵基合金軟磁鐵。 |
| 1940年代早期，美國與德國已經在製造與販售沈澱(precipitated)與煙霧(fumed)矽石奈米晶粒。 |
| 二次世界大戰時，德國因為石油要供應軍用，因此發展出用煙霧矽石來取代橡膠中碳黑強化物的 |
| 功能。之後，奈米無晶質矽石顆粒即被用在許多消費產品，涵蓋從非乳製咖啡奶精到汽車輪胎等 |
| 用途。 |
| 基於60年代的發展，日本研究與發展公司在1971年進行了一項五年計畫，全力發展用在磁 |
| 帶的金屬奈米粉末製造。1974年時，真空冶金有限公司製造出銅、銀、鋁、鎳、鈷、和鐵的奈米 |
| 晶粒粉末。就在這十年間，NASA在60年代末期所發展出的製造含有懸浮氧化鐵奈米晶粒的磁流 |
| 體技術也進入美國市場。1976年康乃爾大學的C.G. Granqvist and R.A. Buhrman發表了一篇重要且常 |
| 被引用的用惰性氣體蒸發法製造奈米晶體的文章。 |
| 5. 近年重要事件 （Recent Events） |
| 1981年日本在Explortory Research for Advanced Technology Program下推動另一超微晶粒的五年計 |
| 畫。1980年代德國 H. Gleiter發表他開創性工作，包括奈米晶粒首次在真空下凝結，而且也報告了 |
| 奈米相材料塊體的性質。 |
| 80年代的其他進展有： |
 發現「機械研磨」也是一種製造奈米晶粒材料的方法。 |
| 用電化學與無晶質結晶法製造奈米晶粒材料塊體。 |
| 開始大量針對半導體奈米晶粒（量子點）之合成、構造與性質的研究。 |
| 出現了一些創始公司，如：Nanophase
Technologies Corp.和Nanodyne Inc.等，努力將實驗室 |
| 的新技術轉移至工業界。 |
| 6. 今日現況 （Today） |
| 從1991年來，與奈米材料相關的文章已有2775篇出版（僅1996年就有約925篇），相關的美 |
| 國專利則有300多項。美國政府也透過Small Business Innovation Research and Technology Transfer |
| program投入超過20 million funding發展奈米結構材料的商業化工作。 |
| 越來越多的商業公司（目前只在美國就有超過50家公司）朝著擴大生產與投入既有市場努 |
| 力。其中有超過一打的公司正以工業級規模產製奈米結構材料。其他新興企業則大多數是從事少 |
| 量製造與R&D的公司。各種不同工業中的許多主要公司也都在發展奈米結構材料的研究，以因應 |
| 內部的需求。 |
| 美國以外的國家，如日本已經在奈米材料的發展與製造上努力多年，此外其他亞洲與歐洲 |
| 國家（特別是德國）也有工業級的發展動態。 |
| 7. 美國市場 （U.S. Markets） | |||||
| 奈米結構材料之美國市場總值
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1996 |
2001 |
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| $(millions) |
% |
$(millions) |
% |
AAGR#(%) |
|
Particles* |
41.3 |
97.6 |
148.6 |
96.1 |
29.2 |
Coatings |
1.0 |
2.4 |
6.0 |
3.9 |
43.1 |
|
Total |
42.3 |
100.0 |
154.6 |
100.0 |
72.3 |
| *乾粉末顆粒與分散液 (Dry powders and liquid dispersion.) | |||||
| # 平均年成長率(Average Annual Growth Rate) | |||||
| 資料來源: A technical-market research study -- “Opportunities in Nanostructured Materials,” by Business communications Co. | |||||
| 上表之顆粒包括商業化大量製造，用來作成產品或原型的陶瓷、金屬、半導體、和鑽石奈 | |||||
| 米結構材料。但不包括總值達數億美元的奈米無晶質矽石粉末。 | |||||
| Particles的成長主要是在陶瓷奈米晶粒的部份。 | |||||
| 近期將出現的新產品，例如：奈米結構碳化鎢鈷精密微鑽頭（用在電路版製造）；奈米晶 | |||||
| 粒多層鈦酸鋇電容器。 | |||||
參考資料：Rittner, M.N. and Abraham T. (1997) The Nanostructured
Materials Industry.
The American Ceramic Society Bulletin, V.76, no.6, p.51-53.
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單元八 |
單元九 |