第一篇：納米材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景要點(diǎn)

納米材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

摘要：文章總結(jié)了納米粉體材料、納米纖維材料、納米薄膜材料、納米塊體材料、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)的制備方法，綜述了納米材料的性能和目前主要應(yīng)用領(lǐng)域，并簡(jiǎn)單展望了納米科技在未來(lái)的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：納米材料；納米材料制備；納米材料性能；應(yīng)用 0 引言

自從1984年德國(guó)科學(xué)家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得鐵納米微粒以來(lái)，納米材料的制備、性能和應(yīng)用等各方面的研究取得了重大進(jìn)展。納米材料的研究已從最初的單相金屬發(fā)展到了合金、化合物、金屬無(wú)機(jī)載體、金屬 有機(jī)載體和化合物無(wú)機(jī)載體、化合物有機(jī)載體等復(fù)合材料以及納米管、納米絲等一維材料，制備方法及應(yīng)用領(lǐng)域日新月異。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，包括納米粉體(零維納米材料，又稱納米粉末、納米微粒、納米顆粒、納米粒子等)、納米纖維(一維納米材料)、納米薄膜(二維納米材料)、納米塊體(三維納米材料)、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)等。納米粉體是一種介于原子、分子與宏觀物體之間的、處于中間物態(tài)的固體顆粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。納米粉體研究開(kāi)發(fā)時(shí)間最長(zhǎng)、技術(shù)最成熟，是制備其他納米材料的基礎(chǔ)。納米粉體可用于：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(xué)器件拋光材料、微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、先進(jìn)的電池電極材料、太陽(yáng)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、人體修復(fù)材料、抗癌制劑等。納米纖維指直徑為納米尺度而長(zhǎng)度較大的線狀材料，如納米碳管，可用于微導(dǎo)線、微光纖(未來(lái)量子計(jì)算機(jī)與光子計(jì)算機(jī)的重要元件)材料、新型激光或發(fā)光二極管材料等。納米薄膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒薄膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜；致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的薄膜。可用于氣體催化材料、過(guò)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(dǎo)材料等。納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料，主要用途為超高強(qiáng)度材料、智能金屬材料等。納米復(fù)合材料包括納米微粒與納米微粒復(fù)合(0-0 復(fù)合)、納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合(0-3復(fù)合)、納米微粒與薄膜復(fù)合(0-2 復(fù)合)、不同材質(zhì)納米薄膜層狀復(fù)合(2-2 復(fù)合)等。納米復(fù)合材料可利用已知納米材料奇特的物理、化學(xué)性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有優(yōu)良的綜合性能，可應(yīng)用于航空、航天及人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活的各個(gè)領(lǐng)域。納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)，按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新體系。這些物質(zhì)單元包括納米微粒、穩(wěn)定的團(tuán)簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。

我國(guó)于20世紀(jì)80年代末開(kāi)始進(jìn)行納米材料的研究，近年來(lái)，在納米材料基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，取得了重大的進(jìn)展，已能采用多種方法制備金屬與合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，研制了相應(yīng)的設(shè)備，做到了納米微粒的尺寸可控，并研制了納米薄膜和納米塊體。在納米材料的表征、團(tuán)聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復(fù)合等許多方面有所創(chuàng)新。成功地研制出致密度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米氧化鋯晶粒在拉伸疲勞中應(yīng)力集中區(qū)出現(xiàn)超塑性形變； 在顆粒膜的巨磁電阻效應(yīng)、磁光效應(yīng)和自旋波共振等方面做出了創(chuàng)新性的成果；在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)納米類鈣鈦礦化合物微粒的磁熵變超過(guò)金屬Gd；發(fā)展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發(fā)現(xiàn)全致密納米合金中的反常Hall-Petch效應(yīng)等。納米材料制備技術(shù)現(xiàn)狀

納米粉體、納米纖維、納米薄膜、納米塊體、納米復(fù)合材料和納米結(jié)構(gòu)等納米材料的制備方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工藝上有顯著的差異。關(guān)于納米材料的制備方法方面的文獻(xiàn)較多，各種制備方法的工藝過(guò)程、特點(diǎn)及適用范圍在相關(guān)的文獻(xiàn)中均有較詳細(xì)的介紹[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 納米材料的力學(xué)和熱學(xué)性能

納米材料由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，因而與常規(guī)材料相比，在力學(xué)和熱學(xué)上表現(xiàn)出一些奇異的特性。實(shí)驗(yàn)表明，粒徑達(dá)8nm的鐵的強(qiáng)度為常規(guī)材料的數(shù)倍，其硬度是常規(guī)材料的近千倍。長(zhǎng)期以來(lái)，為解決陶瓷在常溫下的易碎問(wèn)題不斷尋找陶瓷增韌技術(shù)，如今納米陶瓷的出現(xiàn)輕而易舉地解決了這個(gè)難題。實(shí)驗(yàn)證明，納米TiO2在800-1000熱處理后，其斷裂韌性比常規(guī)TiO2多晶和單晶都高，而其在常溫下的塑性形變竟高達(dá)100%。中科院金屬研究所曾成功地將納米鐵經(jīng)反復(fù)鍛壓，其形變高達(dá)300%。

目前各種發(fā)動(dòng)機(jī)采用的材料都是金屬，而人們一直期望能用性能優(yōu)異的高強(qiáng)陶瓷取代金屬，這也是未來(lái)發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展的方向。而納米陶瓷的出現(xiàn)為人們打開(kāi)了希望之門。納米陶瓷的超高強(qiáng)度，優(yōu)異的韌塑性使其取代金屬用來(lái)制作機(jī)械構(gòu)件成為可能。中科院上海硅酸鹽研究所制成的納米陶瓷在800下具有良好的彈性。

納米微粒由于顆粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近鄰配位不全，化學(xué)活性大，因而其燒結(jié)溫度和熔點(diǎn)都有不同程度的下降。常規(guī)Al2O3燒結(jié)溫度在1650以上，而在一定的條件下，納米Al2O3可在1200左右燒結(jié)。利用納米材料的這一特性，可以在低溫下燒結(jié)一些高熔點(diǎn)材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于納米微粒具有低溫?zé)Y(jié)，流動(dòng)性大，燒結(jié)收縮大的特性，可以作為燒結(jié)過(guò)程的活性劑，起到加速燒結(jié)過(guò)程，降低燒結(jié)溫度，縮短燒結(jié)時(shí)間的作用。有人曾作過(guò)實(shí)驗(yàn)，在普通鎢粉中加入0.1%-0.5%的納米鎳粉，其燒成溫度從3000降到1200-1300。復(fù)相材料由于不同相的熔點(diǎn)及相變溫度不同而燒結(jié)困難，但納米粒子的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使各相熔點(diǎn)降低，各相轉(zhuǎn)變溫度也會(huì)降低。在低溫下就能燒結(jié)成性能良好的復(fù)相材料。納米固體低溫?zé)Y(jié)特性還被廣泛用于電子線路襯底，低溫蒸鍍印刷和金屬陶瓷的低溫接合等。

此外，利用納米微粒構(gòu)成的海綿體狀和輕燒結(jié)體可制成多種用途的器件，廣泛應(yīng)用于各種過(guò)濾器、活性電極材料、化學(xué)成分探測(cè)器和熱變換器，例如備受人們關(guān)注的汽車尾氣凈化器。有報(bào)道說(shuō)，以色列科學(xué)家成功地用Al2O3制備出耐高溫的保溫泡沫材料，其氣孔率高達(dá)94%，能承受1700的高溫。

2.2 納米材料的光學(xué)特性

納米粒子的一個(gè)明顯特征是尺寸小。當(dāng)納米粒子的粒徑與超導(dǎo)相干波長(zhǎng)，玻爾半徑以及電子的德布羅意波長(zhǎng)相當(dāng)、甚至更小時(shí)，其量子尺寸效應(yīng)將十分顯著，使得納米材料呈現(xiàn)出與眾不同的光學(xué)特性。

納米材料對(duì)可見(jiàn)光具有反射率低、吸收率高的特性。一般來(lái)說(shuō)，大塊金屬都具有不同顏色的光澤。但實(shí)驗(yàn)證明，金屬納米微粒幾乎都呈黑色。如鉑金納米粒子反射率僅有1%，這表明它們對(duì)可見(jiàn)光的低反射率、高吸收率導(dǎo)致粒子變黑。由于體積效應(yīng)，能級(jí)間距的增大和納米的量子限域效應(yīng)，納米粒子對(duì)光的吸收還表現(xiàn)出藍(lán)移現(xiàn)象。利用納米材料的這一特性，制成紫外吸收材料，可用作半導(dǎo)體器件的紫外線過(guò)濾器。還可在稀土熒光粉中摻入納米粉，吸收掉日光燈發(fā)射出的有害紫外線。將其應(yīng)用在紡織物中，與粘膠纖維相混合，制成的功能粘膠纖維，具有抗紫外線、抗電磁波和抗可見(jiàn)光的特性，可用來(lái)制做宇航服。

2.3 納米材料的化學(xué)活性、敏感性

化學(xué)催化劑是一種不斷接受熱源使化學(xué)反應(yīng)穩(wěn)定進(jìn)行的功能材料。催化劑的作用主要有以下幾個(gè)方面:一是提高反應(yīng)速度和效率，縮短反應(yīng)時(shí)間；二是改善反應(yīng)的條件，如降低反應(yīng)溫度、壓強(qiáng)、真空度等；三是在決定反應(yīng)的路徑方面，使化學(xué)反應(yīng)按預(yù)計(jì)的方向進(jìn)行，即具有選擇性。從以上不難看出，人們總是期望單位質(zhì)量催化劑表面能同時(shí)接納盡可能多的反應(yīng)物，納米微粒的表面積效應(yīng)恰好符合了這一點(diǎn)。而且納米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子臺(tái)階，此外原子表面懸鍵多，反應(yīng)活性大。這些都有利于加速化學(xué)反應(yīng)，提高催化劑的反應(yīng)活性。例如采用納米Ni 作為火箭固體燃料的催化劑，燃燒率可提高100倍。納米材料不僅能極大提高催化劑的催化活性，而且還表現(xiàn)出令人驚異的化學(xué)選擇性。這在有機(jī)化學(xué)工業(yè)上有著廣闊的應(yīng)用前景，可用來(lái)提高原料的利用率，降低生產(chǎn)成本。如在環(huán)辛二烯加氫生成環(huán)辛烯的反應(yīng)中，常規(guī)的Ni催化劑選擇性僅為24，而采用粒徑為30nm的Ni時(shí)選擇性提高到210，是原來(lái)的9倍。

納米微粒具有大的比表面積，高的表面活性以及與氣體相互作用強(qiáng)等特性，導(dǎo)致納米微粒對(duì)周圍環(huán)境的變化十分敏感。如光、溫度、濕度、氣氛、壓強(qiáng)的微小變化都會(huì)引起其表面或界面離子價(jià)態(tài)和電子遷移的變化。這正滿足了傳感器功能上所要求的靈敏度高、響應(yīng)速度快以及檢測(cè)范圍廣的要求。目前科學(xué)家已發(fā)現(xiàn)多種納米材料對(duì)一些特定的物質(zhì)具有敏感反應(yīng)。

2.4 納米材料的電學(xué)、磁學(xué)效應(yīng)

超順磁性是納米微粒的一大磁學(xué)特性。當(dāng)納米微粒尺寸小到一定臨界值時(shí)，其磁化率就不再服從經(jīng)典的居里一外斯定律而進(jìn)入超順磁狀態(tài)?？茖W(xué)家認(rèn)為納米微粒出現(xiàn)超順磁性，其原因在于粒徑小于臨界值，各向異性能減小到與熱運(yùn)動(dòng)能可比擬時(shí)，磁化方向就不在固定的一個(gè)異磁方向。異磁方向作無(wú)規(guī)律的變化，這就導(dǎo)致了超順磁化的出現(xiàn)。磁性液體正是利用納米微粒的這一特性而制成的。磁液體是由具有超順磁性的強(qiáng)磁性微顆粒包一層長(zhǎng)鏈有機(jī)分子的界面活性劑，彌散于一定的基液中形成的膠體，具有固體的強(qiáng)磁性和液體的流動(dòng)性，在工業(yè)廢液處理方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和廣闊的應(yīng)用前景。

納米微粒進(jìn)入臨界尺寸呈現(xiàn)出超順磁性，但在粒徑大于臨界尺寸時(shí)，卻表現(xiàn)出高的矯頑力。另外，當(dāng)納米粒子的尺寸小到一定值時(shí)，每個(gè)粒子就是一個(gè)單磁疇，實(shí)際上就成為永久磁鐵。具有上述兩種特性的磁性納米粉是未來(lái)磁記錄材料的發(fā)展趨勢(shì)。磁記錄材料發(fā)展的總趨勢(shì)是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求記錄材料具備每1cm2 記錄信息1000萬(wàn)條以上，這就要求每條信息記錄在幾個(gè)平方微米內(nèi)，只有納米的尺寸才能達(dá)到這一點(diǎn)。磁性納米材料具有尺寸小、單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力高等特性，使得制作的磁記錄材料具有穩(wěn)定性好、圖象清晰、信噪比高、失真十分小等優(yōu)點(diǎn)。日本松下電器公司已成功研制出納米磁記錄材料，我國(guó)也開(kāi)展了這方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。納米材料的主要應(yīng)用[22]-[27]

借助于納米材料的各種特殊性質(zhì)，科學(xué)家們?cè)诟鱾€(gè)研究領(lǐng)域都取得了性的突破，這同時(shí)也促進(jìn)了納米材料應(yīng)用的越來(lái)越廣泛化。3.1特殊性能材料的生產(chǎn)

材料科學(xué)領(lǐng)域無(wú)疑會(huì)是納米材料的重要應(yīng)用領(lǐng)域。高熔點(diǎn)材料的燒結(jié)納米材料的小尺寸效應(yīng)(即體積效應(yīng))使得其在低溫下燒結(jié)就可獲得質(zhì)地優(yōu)異的燒結(jié)體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結(jié)溫度低、流動(dòng)性大、滲透力強(qiáng)、燒結(jié)收縮大等燒結(jié)特性，所以它又可作為燒結(jié)過(guò)程的活化劑使用，以加快燒結(jié)過(guò)程、縮短燒結(jié)時(shí)間、降低燒結(jié)溫度。例如普通鎢粉需在3 000℃高溫時(shí)燒結(jié)，而當(dāng)摻入0.1%-0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)成形溫度可降低到1200℃-1311℃。復(fù)合材料的燒結(jié)由于不同材料的熔點(diǎn)和相變溫度各不相同，所以把它們燒結(jié)成復(fù)合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)，不僅使其熔點(diǎn)降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進(jìn)行固相反應(yīng)，得到燒結(jié)性能好的復(fù)合材料。納米陶瓷材料的制備通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點(diǎn)低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產(chǎn)出質(zhì)地致密、性能優(yōu)異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強(qiáng)、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應(yīng)，這些都將成為材料開(kāi)拓應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，并將會(huì)對(duì)高技術(shù)和新材料的開(kāi)發(fā)產(chǎn)生重要作用。

3.2生物醫(yī)學(xué)中的納米技術(shù)應(yīng)用

從蛋白質(zhì)、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結(jié)構(gòu)也是生命現(xiàn)象中基本的東西。細(xì)胞中的細(xì)胞器和其它的結(jié)構(gòu)單元都是執(zhí)行某種功能的“納米機(jī)械”，細(xì)胞就象一個(gè)個(gè)“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級(jí)的結(jié)構(gòu)精確，神經(jīng)系統(tǒng)的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過(guò)程已成為啟發(fā)和制造新的納米結(jié)構(gòu)的源泉，研究人員正效法生物特性來(lái)實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的納米級(jí)控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內(nèi)的細(xì)胞、紅血球還要小，這就為醫(yī)學(xué)研究提供了新的契機(jī)。目前已得到較好應(yīng)用的實(shí)例有：利用納米SiO2微粒實(shí)現(xiàn)細(xì)胞分離的技術(shù)，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細(xì)胞內(nèi)部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進(jìn)行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細(xì)胞芯片、蛋白質(zhì)芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應(yīng)用于臨床診斷，藥物開(kāi)發(fā)和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時(shí)隨地都可享受醫(yī)療，而且可在動(dòng)態(tài)檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)疾病的先兆信息，使早期診斷和預(yù)防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內(nèi)的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監(jiān)測(cè)和治療。各式納米機(jī)械系統(tǒng)可以快速地辨別病區(qū)所在，并定向地將藥物注入病區(qū)而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術(shù)或微制造。

3.3納米生物計(jì)算機(jī)開(kāi)發(fā)

生物計(jì)算機(jī)的主要原材料之一是生物工程技術(shù)產(chǎn)生的蛋白質(zhì)分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運(yùn)算速度要比當(dāng)今最新一代計(jì)算機(jī)快10倍以至幾萬(wàn)倍，能量消耗僅相當(dāng)于普通計(jì)算機(jī)的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質(zhì)分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計(jì)算機(jī)具有生物體的一些特點(diǎn)，如能發(fā)揮生物本身的調(diào)節(jié)機(jī)能、自動(dòng)修復(fù)芯片上發(fā)生的故障，還能使其模仿人腦的機(jī)制等。世界上第一臺(tái)生物計(jì)算機(jī)是由美國(guó)于1994年11月首次研制成功的。

科學(xué)家們預(yù)言，實(shí)用的生物分子計(jì)算機(jī)將于今后幾年問(wèn)世，它將對(duì)未來(lái)世界產(chǎn)生重大影響。制造這類計(jì)算機(jī)離不開(kāi)納米技術(shù)。生物納米計(jì)算機(jī)和納米機(jī)器人的結(jié)合體則是另一類更高層次上的可以進(jìn)行人機(jī)對(duì)話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數(shù)十億次操作，屆時(shí)人類的勞動(dòng)方式將產(chǎn)生徹底的變革。

目前納米科學(xué)技術(shù)正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動(dòng)，并引起關(guān)心未來(lái)發(fā)展的全世界科學(xué)家的思索。人們正注視著納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不斷涌現(xiàn)出的奇異現(xiàn)象和新進(jìn)展，這一領(lǐng)域前景十分誘人。它與其它學(xué)科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學(xué)科或?qū)W科群，其有關(guān)發(fā)展將對(duì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、國(guó)防實(shí)力、科技發(fā)展乃至整個(gè)社會(huì)文明進(jìn)步產(chǎn)生巨大影響。

3.4新的國(guó)防科技革命

納米技術(shù)將對(duì)國(guó)防軍事領(lǐng)域帶來(lái)革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)和戰(zhàn)場(chǎng)上的實(shí)時(shí)聯(lián)系；對(duì)化學(xué)、生物、核武器的納米探測(cè)系統(tǒng)；新型納米材料可以提高常規(guī)武器的打擊與防護(hù)能力；由納米微機(jī)械系統(tǒng)制造的小型機(jī)器人可以完成特殊的偵察和打擊任務(wù)；納米衛(wèi)星可用一枚小型運(yùn)載火箭發(fā)射千百顆，按不同軌道組成衛(wèi)星網(wǎng)，監(jiān)視地球上的每一個(gè)角落，使戰(zhàn)場(chǎng)更加透明。而納米材料在隱身技術(shù)上的應(yīng)用尤其引人注目。在雷達(dá)隱身技術(shù)中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關(guān)鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應(yīng)使得電子的能級(jí)分裂，分裂的能級(jí)間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創(chuàng)造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場(chǎng)的輻照下，運(yùn)動(dòng)加劇，增加電磁能轉(zhuǎn)化為熱能的效率，從而提高對(duì)電磁波的吸收性能。美國(guó)研制的“超黑粉”納米吸波材料對(duì)雷達(dá)波的吸收率達(dá)99％，法國(guó)最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復(fù)合材料，在2-7GHz范圍內(nèi)，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國(guó)外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見(jiàn)光等波段的納米復(fù)合材料，并提出了單個(gè)吸收粒子匹配設(shè)計(jì)機(jī)理，這樣可以充分發(fā)揮單位質(zhì)量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時(shí)，普遍兼?zhèn)淞吮?、輕、寬、強(qiáng)等特點(diǎn)。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應(yīng)用都將大有作為。

3.5其他領(lǐng)域

除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環(huán)境能源、微電子學(xué)等其他領(lǐng)域也有著逐漸廣泛的應(yīng)用，納米材料在這些領(lǐng)域都在逐漸發(fā)揮著光和熱。納米材料的應(yīng)用前景展望

在未來(lái)的幾十年中，納米技術(shù)將逐步滲透到科學(xué)技術(shù)的各個(gè)領(lǐng)域，并在很大程度上改變?nèi)藗兊纳a(chǎn)和生活觀念。納米技術(shù)將影響的幾個(gè)領(lǐng)域[ 10][ 22]：

(1)海水脫鹽凈化技術(shù)。由于人口的快速增長(zhǎng)，預(yù)計(jì)到2025年，全球?qū)⒂?8 個(gè)

國(guó)家、32%的人口面臨著缺水的困境。而解決缺水困難的根本出路就是海水脫鹽凈化技術(shù)，碳納米管的發(fā)現(xiàn)及納米技術(shù)的發(fā)展為這一技術(shù)提供了一種可能的發(fā)展方向。

(2)照明系統(tǒng)。在照明中用于制造發(fā)光二極管的半導(dǎo)體將逐漸在納米尺寸范圍內(nèi)制作，在納米尺度上制作的發(fā)光二極管的效率現(xiàn)在已經(jīng)可以與可見(jiàn)光譜上白熾光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低發(fā)熱特性，將很快在展覽、汽車照明燈、普通照明以及指示器中獲得廣泛應(yīng)用。

(3)醫(yī)學(xué)和生物領(lǐng)域。納米技術(shù)將使適用于制藥的化學(xué)物質(zhì)的數(shù)量增加約1 倍；

可用尺寸為50-100nm的納米顆粒對(duì)腫瘤部位進(jìn)行治療，因?yàn)楦蟮牧Ｗ訜o(wú)法穿過(guò)腫瘤上的小孔，納米顆粒卻能輕松進(jìn)入腫瘤內(nèi)部；納米技術(shù)將使癌癥在僅有少量癌細(xì)胞出現(xiàn)的早期即被檢出。

(4)微電子和計(jì)算機(jī)。納米結(jié)構(gòu)的微處理器的效率將提高100萬(wàn)倍，并實(shí)現(xiàn)兆兆比特的存儲(chǔ)器，研制量子計(jì)算機(jī)和光子計(jì)算機(jī)。

(5)環(huán)境和能源。利用納米技術(shù)發(fā)展綠色能源和環(huán)境處理技術(shù)，減少污染和恢復(fù)被破壞的環(huán)境；制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染；成倍提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率等。利用納米材料特殊的磁、光、電等性質(zhì)，還可以開(kāi)發(fā)出無(wú)以計(jì)數(shù)的新型材料，21世紀(jì)的納米材料必將在微電子、信息、能源、環(huán)保、通訊、航空航天、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人們的日常生活等領(lǐng)域中發(fā)揮出巨大的作用，從而促進(jìn)生產(chǎn)力的提高，推動(dòng)社會(huì)的發(fā)展。參考文獻(xiàn)

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第二篇：石墨烯研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

石墨烯材料研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

崔志強(qiáng)

（重慶文理學(xué)院材料與化工學(xué)院，重慶

永川

402160）

摘要：近幾年來(lái), 石墨烯材料以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的性能, 在化學(xué)、物理和材料學(xué)界引起了轟動(dòng)。本文引用大量最新的參考文獻(xiàn),闡述了石墨烯的制備方法如機(jī)械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法、石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法等，分析了各種制備方法的優(yōu)缺點(diǎn)。論述了石墨烯材料在透明電極、傳感器、超級(jí)電容器、能源儲(chǔ)存、復(fù)合材料等方面的應(yīng)用，同時(shí)簡(jiǎn)要分析了石墨烯材料研究的現(xiàn)實(shí)意義，展望了其未來(lái)的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：石墨烯材料；制備方法；現(xiàn)實(shí)意義；發(fā)展現(xiàn)狀；應(yīng)用前景 中圖分類號(hào): TQ323

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):

Research status and application prospect of graphene materials

Cui Zhiqiang(Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160)Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties.Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods.This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development.Keywords: graphene materials;preparation methods;practical significance;development status;application prospect

0 引言

1985 年英美科學(xué)家發(fā)現(xiàn)富勒烯和1991 年日本物理學(xué)家Iijima 發(fā)現(xiàn)碳納米管，加之英國(guó)曼徹斯特大學(xué)科學(xué)家于2004 年成功制備石墨烯之后，金剛石（三維）、石墨（三維）、石墨烯（二維）、碳納米管（一維）和富勒烯（零維）組成了一個(gè)完整的碳系材料“家族”。從理論上說(shuō)，石墨烯是除金剛石外所有碳晶體的基本結(jié)構(gòu)單元，如果從石墨烯上“剪”出不同形狀的薄片，進(jìn)一步就可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆疊成三維的石墨，如圖1 所示。由于石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、熱學(xué)、力學(xué)性能，近年來(lái)各國(guó)科研人員對(duì)其的研究日益增長(zhǎng)，已經(jīng)是材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。2010 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)揭曉[5-6]

[4]

[3]

[1]

[2]之后，人們對(duì)石墨烯的研究和關(guān)注越來(lái)越多，新的發(fā)現(xiàn)不斷涌現(xiàn)。在不斷深入研究石墨烯的制備方法和性質(zhì)的過(guò)程中，其應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大。由于石墨烯缺乏帶隙以及在室溫下的超高電子遷移率、低于銀銅的電阻率、高熱導(dǎo)率等，在光電晶體管、生化傳感器、電池電極材料和復(fù)合材料方面有著很高[7]的應(yīng)用價(jià)值；由于它很低的電阻率和極大的載流子遷移率，人們很快發(fā)現(xiàn)了石墨烯在光電探測(cè)領(lǐng)域的潛能，并且認(rèn)為將會(huì)是很具發(fā)展前途的材料之一。石墨烯材料的制備方法

1.1 石墨烯制備方法

目前，石墨烯的制備手段通?？梢苑譃閮煞N類型，化學(xué)方法和物理方法。物理方法，是從具有高晶格完備性的石墨或者類似的材料來(lái)獲得，獲得的石墨烯尺度都在80 nm 以上。而化學(xué)方法是通過(guò)小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10 nm 以下。物理方法包括：機(jī)械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法；化學(xué)方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學(xué)法、化學(xué)氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法。

這些制備方法有著各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如機(jī)械剝離法簡(jiǎn)單，可獲得高品質(zhì)的石墨烯，但重復(fù)性差、產(chǎn)量和產(chǎn)率很低;溶液液相剝離法制備過(guò)程簡(jiǎn)單且未破壞石墨烯面內(nèi)原子結(jié)構(gòu)，但該法效率低，而且單片層和多層石墨烯共存，很難將單片層石墨烯分離出來(lái);外延生長(zhǎng)法可制備得到大面積的單層石墨烯，但是該方法制備條件苛刻，需要高溫和高真空，且石墨烯難從襯底上轉(zhuǎn)移出來(lái);化學(xué)氣相沉積法制備的石墨烯具有較完整的晶體結(jié)構(gòu)，石墨烯面積大，在透明電極和電子設(shè)備等領(lǐng)域表現(xiàn)出很明顯的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，但存在產(chǎn)量較低，成本偏高，石墨烯難轉(zhuǎn)移等缺點(diǎn)。

對(duì)比上述方法，還原氧化石墨烯法是指先將石墨在強(qiáng)酸和強(qiáng)氧化劑作用下進(jìn)行氧化，制備氧化石墨烯(GO)，然后再還原除去含氧官能團(tuán)制備石墨烯

［8］

盡管還原氧化石墨烯法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團(tuán)，制備的石墨烯存在缺陷和導(dǎo)電性差等缺點(diǎn)，但是其宏量和廉價(jià)制備為其在聚合物復(fù)合材料等宏量應(yīng)用研究中提供了機(jī)會(huì)。1.2 石墨烯基復(fù)合材料的制備

由于薄層石墨烯片合成方法的潛力巨大、成本低廉，所以石墨烯片作為新興填料在石墨烯復(fù)合材料上會(huì)有廣泛的應(yīng)用。將石墨烯與無(wú)機(jī)物、聚合物等復(fù)合可以形成石墨烯復(fù)合材料。因?yàn)槭┚哂歇?dú)特的優(yōu)異性能，能夠展示良好性能的石墨烯復(fù)合材料令人期待。Ｓ．Ｈ．Ｙｕ等

［9］

證實(shí)：在還原態(tài)石墨烯片上，通過(guò)在聚合醇中高溫分解前驅(qū)體乙酰丙酮鐵就可以成功合成磁性化還原態(tài)石墨烯。通過(guò)有效控制石墨烯片上的表面電荷密度和磁性納米顆粒的尺寸就可以調(diào)節(jié)復(fù)合材料的磁性，其獨(dú)特的性質(zhì)使其在磁共振成像或蛋白質(zhì)分離方面具有一定的應(yīng)用潛力。目前，石墨烯基復(fù)合材料的制備方法主要有化學(xué)耦合法、原位還原－萃取分散技術(shù)、共沉淀法、催化還原反應(yīng)

［10］

等。氧化石墨烯是結(jié)晶性高的石墨強(qiáng)力氧化后加水分解得到的化合物，與氟化石墨一樣可以歸類為有共價(jià)鍵的石墨層間化合物。氧化石墨烯片表面帶有大量親水性酸性官能團(tuán)，具有良好的潤(rùn)濕性能和表面活性，從而使其能在稀堿水和純水中分散，形成穩(wěn)定的膠狀懸浮液，這使得石墨烯與其他材料的復(fù)合形式多樣化。如Graeme等［11］將TiO2吸附在氧化石墨烯上通過(guò)紫外線輔助的催化還原合成了TiO2－石墨烯納米復(fù)合材［12］料；Nethravathi等通過(guò)氧化石墨烯與活性陰離子的復(fù)合，經(jīng)還原制備了石墨烯－無(wú)機(jī)物納米復(fù)合材料，說(shuō)明氧化石墨烯的特殊結(jié)構(gòu)使得石墨烯基復(fù)合材料的制備更容易以多樣化的過(guò)程實(shí)現(xiàn)。

石墨烯復(fù)合材料的制備是目前石墨烯研究中的一大熱點(diǎn)，因?yàn)殡m然石墨烯本身的性能很好，但是與實(shí)際應(yīng)用還有較大的距離，許多研究者希望通過(guò)石墨烯的復(fù)合達(dá)到在電學(xué)、電化學(xué)等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的目的。石墨烯材料的應(yīng)用研究

2.1 透明電極

工業(yè)上已經(jīng)商業(yè)化的透明薄膜材料是氧化銦錫(ITO), 由于銦元素在地球上的含量有限, 價(jià)格昂貴,尤其是毒性很大, 使它的應(yīng)用受到限制。作為炭質(zhì)材料的新星, 石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)被認(rèn)為是氧化銦錫的替代材料, 石墨烯以制備工藝簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)為其商業(yè)化鋪平了道路。Mullen 研究組通過(guò)浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯, 薄膜電阻為900 , 透光率為70% , 薄膜被做成了染料太陽(yáng)能電池的正極, 太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)化效率為0.26%。2009 年, 該研究組采用乙炔做還原氣和碳源, 采用高溫還原方法制備了高電導(dǎo)率(1425S/ cm)的石墨烯,為石墨烯作為導(dǎo)電玻璃的替代材料提供了可能。

2.2 傳感器

電化學(xué)生物傳感器技術(shù)結(jié)合了信息技術(shù)和生物技術(shù), 涉及化學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)和電子學(xué)等交叉學(xué)科。石墨烯出現(xiàn)以后, 研究者發(fā)現(xiàn)石墨烯為電子傳輸提供了二維環(huán)境和在邊緣部分快速多相電子轉(zhuǎn)移, 這使它成為電化學(xué)生物傳感器的理想材料。Chen 等采用低溫?zé)嵬嘶鸬姆椒ㄖ苽涞氖┳鳛閭鞲衅鞯碾姌O材料, 在室溫下可以檢測(cè)到低濃度NO2 , 作者認(rèn)為如果進(jìn)一步提高石墨烯的質(zhì)量, 則會(huì)提高傳感器對(duì)氣體檢測(cè)的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現(xiàn)出不同于其它材料的潛能, 使越來(lái)越多的醫(yī)學(xué)家關(guān)注它, 目前石墨烯還被用于醫(yī)學(xué)上檢測(cè)多巴胺、葡萄糖等。2.3 超級(jí)電容器

超級(jí)電容器是一個(gè)高效儲(chǔ)存和傳遞能量的體系, 它具有功率密度大, 容量大, 使用壽命長(zhǎng), 經(jīng)濟(jì)環(huán)保等優(yōu)點(diǎn), 被廣泛應(yīng)用于各種電源供應(yīng)場(chǎng)所。石墨烯擁有高的比表面積和高的電導(dǎo)率, 不像多孔碳材料電極要依賴孔的分布, 這使它成為最有潛力的電極材料。Chen 等

[ 13]

以石墨烯為電極材料制備的超級(jí)電容器功率密度為10kW/ kg , 能量密度為28.5Wh/ kg , 最大比電容為205F/ g, 而且經(jīng)過(guò)1200次循環(huán)充放電測(cè)試后還保留90% 的比電容, 擁有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命。石墨烯在超級(jí)電容器方面的潛在應(yīng)用受到更多的研究者關(guān)注。2.4 能源存儲(chǔ)

眾所周知, 材料吸附氫氣量和其比表面積成正比, 石墨烯擁有質(zhì)量輕、高化學(xué)穩(wěn)定性和高比表面積的優(yōu)點(diǎn), 使其成為儲(chǔ)氫材料的最佳候選者。希臘大學(xué)Fro udakis 等設(shè)計(jì)了新型3D 碳材料, 孔徑尺寸可調(diào), 他們將其稱為石墨烯柱。當(dāng)這種新型碳材料摻雜了鋰原子時(shí), 石墨烯柱的儲(chǔ)氫量可達(dá)到6.1%(w t)。Ataca 等用鈣原子(Ca)摻雜石墨烯, 利用第一性原理和從頭算起的方法得到石墨烯被Ca 原子摻雜后儲(chǔ)氫量約為8.4%(w t);他們還發(fā)現(xiàn)氫分子的鍵能適合在室溫下吸/ 放氫, Ca 會(huì)留在石墨烯表面, 有利于循環(huán)使用。Ataca 的研究結(jié)果又一次推動(dòng)石墨烯儲(chǔ)氫向前邁進(jìn)一步。2.5 復(fù)合材料

石墨烯獨(dú)特的物理、化學(xué)和機(jī)械性能為復(fù)合材料的開(kāi)發(fā)提供了原動(dòng)力, 可望開(kāi)辟諸多新穎的應(yīng)用領(lǐng)域, 諸如新型導(dǎo)電高分子材料、多功能聚合物復(fù)合材料和高強(qiáng)度多孔陶瓷材料等。Fan 等

[14]

利用石墨烯的高比表面積和高的電子遷移率, 制備了以石墨烯為支撐材料的聚苯胺石墨烯復(fù)合物, 該復(fù)合物擁有高的比電容(1046F/ g)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純聚苯胺的比電容115F/ g。石墨烯的加入提高了復(fù)合材料的多功能性和復(fù)合材料的加工性能等, 為復(fù)合材料提供了更廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。圖3 對(duì)比了幾種納米填料對(duì)橡膠增強(qiáng)效率，可以看到石墨烯具有更顯著的增強(qiáng)效果

[15]

。展望

石墨烯自2004年以穩(wěn)定的形態(tài)出現(xiàn)以來(lái)，因其獨(dú)特的性能和二維納米結(jié)構(gòu)受到科學(xué)界的普遍關(guān)注。無(wú)論在理論還是實(shí)驗(yàn)研究方面，石墨烯都展示出重大的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。近年來(lái)，石墨烯的研究不斷取得重要進(jìn)展，在石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的結(jié)構(gòu)、性能、制備等方面也已經(jīng)取得了很多的研究成果，但也存在不少問(wèn)題。由于制作大面積石墨烯薄膜時(shí)會(huì)混入雜質(zhì)，產(chǎn)生缺陷，因此大多數(shù)以石墨烯薄膜為器件的導(dǎo)電性及透明性都未達(dá)到ITO的水平。為了使石墨烯透明導(dǎo)電薄膜達(dá)到實(shí)際應(yīng)用水平，還需要繼續(xù)探索透明導(dǎo)電薄膜的制備方法以實(shí)現(xiàn)大面積化及量產(chǎn)化；開(kāi)發(fā)有效的摻雜技術(shù)以使石墨烯薄膜具有理想的載流子密度；研究更有效的還原與結(jié)構(gòu)修復(fù)方法以制備不含缺陷及雜質(zhì)的高品質(zhì)石墨烯薄膜。

理論上看，石墨烯是一種理想的太陽(yáng)電池透明電極材料。然而，目前以石墨烯作透明電極的太陽(yáng)電池光電轉(zhuǎn)化效率都低于ITO/FTO基太陽(yáng)電池。這是由于采用各種方法制備的石墨烯電阻較大，影響了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。所以石墨烯作透明電極的研究重點(diǎn)主要集中在如何采用合適的制備方法，獲得電性能、透光性、力學(xué)性能等綜合性能好的石墨烯。對(duì)石墨烯內(nèi)部的位錯(cuò)、晶界、應(yīng)變等缺陷進(jìn)行理論模擬計(jì)算，并用來(lái)指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)研究，最終通過(guò)控制位錯(cuò)、晶界等缺陷的運(yùn)動(dòng)，使其性能得到有效控制，實(shí)現(xiàn)理論指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證理論、理論與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合。這是獲得大面積、高性能石墨烯的新的著眼點(diǎn)。另外，石墨烯作透明電極時(shí)，也會(huì)與太陽(yáng)電池其它部分直接接觸。在未來(lái)的研究中，制備高性能石墨烯的同時(shí)，也應(yīng)該關(guān)注太陽(yáng)電池中石墨烯與其它部分的界面情況。

目前，關(guān)于石墨烯材料的制備和其在電化學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用研究仍在如火如荼地進(jìn)行。人們的研究主要集中于３個(gè)方面：一是石墨烯的低成本大規(guī)模制備的基礎(chǔ)研究，二是石墨烯基復(fù)合材料的制備與性能研究，三是石墨烯材料在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究。隨著人們對(duì)石墨烯及其復(fù)合材料研究的深入以及制備方法的改進(jìn)，石墨烯及其復(fù)合材料在電化學(xué)中的應(yīng)用將會(huì)得到更為廣泛的關(guān)注。以下幾方面研究較少，值得關(guān)注：(1)石墨烯在鋰離子電池正極材料研究方面（如石墨烯／磷酸亞鐵鋰）；(2)含氮或硼石墨烯在電化學(xué)中的應(yīng)用；(3)氧化石墨烯復(fù)合材料在燃料電池中的應(yīng)用；(4)氧化石墨烯復(fù)合材料在電化學(xué)傳感器中的應(yīng)用。與碳納米管的發(fā)現(xiàn)與研究應(yīng)用過(guò)程類似，在今后的若干年里石墨烯的研究會(huì)越來(lái)越深入，其最終進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用階段是必然的。石墨烯材料是當(dāng)今世界新材料科技發(fā)展的又一制高點(diǎn)，對(duì)其深入研究與開(kāi)發(fā)將給許多領(lǐng)域的發(fā)展帶來(lái)巨大機(jī)會(huì)。

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第三篇：納米材料的制備及應(yīng)用要點(diǎn)

本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))

題目： 納米材料的制備及應(yīng)用

學(xué)院： 物理與電子科學(xué)學(xué)院

班級(jí)： XX級(jí)XX班

姓名： XXX

指導(dǎo)教師： XXX 職稱：

完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日

納米材料的制備及應(yīng)用

摘要:近幾年來(lái)，由于納米材料有眾多特殊性質(zhì)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注納米材料?？萍嫉难该桶l(fā)展使納米材料的制備變得更加成熟。本論文講述納米材料的制備，以及納米技術(shù)在將來(lái)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：納米材料 物理方法

化學(xué)方法應(yīng)用前景

目 錄

引言..................................................................................................................1 1.納米材料的物理制備方法.................................................................................1 1.1物理粉碎法............................................................................................1 1.2球磨法...................................................................................................2 1.3.蒸發(fā)—冷凝法........................................................................................2 1.3.1.激光加熱蒸發(fā)法...........................................................................2 1.3.2.真空蒸發(fā)—冷凝法........................................................................4 1.3.3.電子束照射法..............................................................................4 1.3.4.等離子體法.................................................................................5 1.3.5.高頻感應(yīng)加熱法.........................................................................5 1.4.濺射法..................................................................................................6 2.納米材料的化學(xué)制備方法.................................................................................7 2.1化學(xué)沉淀法............................................................................................8 2.2化學(xué)氣相沉積法...................................................................................8 2.3化學(xué)氣相冷凝法....................................................................................10 2.4溶膠--凝膠法.......................................................................................10 2.5水熱法.................................................................................................11 3.納米材料的其他制備方法...............................................................................12 3.1分子束外延法.......................................................................................12 3.2靜電紡絲法..........................................................................................13 4.納米材料的應(yīng)用前景.....................................................................................14 5.總結(jié).............................................................................................................14 參考文獻(xiàn)..........................................................................................................15 致謝................................................................................................................16

引言

納米材料是指任一維空間尺度處于1—100nm之間的材料。它有著不同尋常的性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)可引起物理性質(zhì)的突變，從而具有獨(dú)特的性能；量子尺寸效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)使其具有了一般大顆粒物不具備的性質(zhì)，如對(duì)紅外線、紫外線有很強(qiáng)的反射作用，應(yīng)用到紡織品中有抗紫外線，隔熱保溫作用。納米材料的這些特性使其在化工、物理、生物、醫(yī)學(xué)方面都有非常重要的價(jià)值[1]。多年以來(lái)，通過(guò)科學(xué)家們的潛心研究，使納米材料在其制備及其應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。納米材料將逐漸進(jìn)入人們的日常生活，并將成為未來(lái)新工業(yè)革命的必備材料。

1.納米材料的物理制備方法 1.1物理粉碎法

物理粉碎法就是用機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法得到納米微粒[2]。此方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，但得到的納米微粒純度不高，分布也不均勻。

圖1.機(jī)械粉碎法儀器圖

1.2球磨法

球磨法是將材料放入球磨機(jī)內(nèi)，在球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)過(guò)程中，鋼球與原料之間產(chǎn)生劇烈的碰撞，再經(jīng)過(guò)攪拌、研磨，形成納米微粒。該方法操作比較簡(jiǎn)單，效率高，能獲得常規(guī)方法不易得到的高熔點(diǎn)合金，如金屬陶瓷納米微粒；球磨法此外還可以將相圖上本來(lái)不互溶的納米元素制成固溶體，但該方法得到的納米微粒分布不均勻，而且很容易引入新的雜質(zhì)，有次得到的納米微粒純度不高。

圖2.球磨法示意圖

1.3.蒸發(fā)—冷凝法

蒸發(fā)-冷凝法也稱為物理氣相沉積法，即使用激光、電子束照射、真空蒸發(fā)、電弧高頻反應(yīng)等方法使原料生成等離子體，再在介質(zhì)中冷卻凝結(jié)行成納米微粒。這種方法大致又分一下幾種: 1.3.1.激光加熱蒸發(fā)法

光加熱蒸發(fā)法：用激光作為加熱源，氣相反應(yīng)物可在吸收傳遞能量之后快速凝結(jié)成核、長(zhǎng)大、終止[3]。用該方法可以達(dá)到減少雜質(zhì)的目的，實(shí)驗(yàn)過(guò)程容易控制，但這種方法電能消耗比較大，生產(chǎn)效率低，成本高，不宜大規(guī)模生產(chǎn)。

圖3.激光加熱蒸發(fā)法制備納米顆粒實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4.激光加熱法制成的TiO2顆粒

1.3.2.真空蒸發(fā)—冷凝法

真空 蒸發(fā)—冷凝法：在真空室里通入惰性氣體（He、Ar氣），然后對(duì)物質(zhì)進(jìn)行真空加熱，使其蒸發(fā)形成原子霧，原子霧遇冷凝結(jié)形成納米顆粒[4]。這種在高溫下獲得的納米微粒很?。尚∮?0nm），在制備過(guò)程中無(wú)其它雜質(zhì)污染，反應(yīng)快，成品純度高，材料組織好。但這種方法僅能制備成分單

一、熔點(diǎn)低的物質(zhì)。在制備金屬氧化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)的納米微粒時(shí)還存在很大局限性。而且此方法對(duì)設(shè)備要求高、成本也比較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。

圖5.真空蒸發(fā)—冷凝法制備納米顆粒示意圖

1.3.3.電子束照射法

電子束照射法：原材料（一般指金屬氧化物）在高能電子束的照射下獲得能量，金屬—氧鍵斷裂，金屬原子蒸發(fā)后遇冷凝結(jié)成核、長(zhǎng)大，最終形成納米微粒。此方法只可以用來(lái)制備金屬納米粉末。

圖6.電子束照射法制備納米微粒裝置圖

1.3.4.等離子體法

等離子體法：原材料在惰性或反應(yīng)性氛圍中，通過(guò)直流放電來(lái)使氣體電離，從而熔融、蒸發(fā)、冷凝得到納米微粒[5]。用此種方法制得的產(chǎn)品分布均勻、純度高，適合于金屬及金屬氧化物、碳化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)納米微粒的制備。但此方法離子槍短、功率低。

圖7.等離子體法制備納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3.5.高頻感應(yīng)加熱法

高頻感應(yīng)加熱法：用高頻線圈作為熱源，坩堝內(nèi)的原材料在低壓氣體（一般為He、Ne等惰性氣體）中蒸發(fā)，原子蒸發(fā)后與惰性氣體碰撞凝結(jié)行成納米微粒[6]。此方法僅限于制備低熔點(diǎn)的物質(zhì)，并不適合于沸點(diǎn)高的金屬盒難熔化物質(zhì)，且成本加高，一般不采用。

圖8.高頻感應(yīng)加熱法制備納米納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.4.濺射法

濺射法：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽(yáng)極，兩極之間充入Ar氣，壓強(qiáng)在40—250Pa。由于兩極放電使得Ar氣體電離且撞擊陰極材料表面，陰極材料表面的分子或原子蒸發(fā)出來(lái)沉積到基片上，形成納米顆粒[7]。目前，常用的濺射法有離子束濺射法，陰極濺射法，直流磁控濺射法等。此方法有鍍膜層與基材結(jié)合力強(qiáng)、鍍膜層致密、均勻等優(yōu)點(diǎn)。但產(chǎn)品分布不均勻，產(chǎn)量較低。

圖9.濺射法制備納米微粒原理圖

2.納米材料的化學(xué)制備方法

納米材料的化學(xué)制備方即通過(guò)化學(xué)反應(yīng)，從原子、離子、分子出發(fā)，制備納米微粒。常用的化學(xué)制備法有沉淀法、氣相沉積法、等離子體誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法、氣相冷凝法、溶膠冷凝法、光化學(xué)合成法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、水熱法、熔融法、火焰水解法、輻射合成法等。

2.1化學(xué)沉淀法

化學(xué)沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑，使其反應(yīng)生成難溶物或水和氧化物，再經(jīng)過(guò)慮、干燥、分解得到納米化合物微粒；化學(xué)沉淀法又有均勻沉淀法、直接沉淀法、醇鹽水解沉淀法、共沉淀法；其中，均勻沉淀法是預(yù)沉淀劑在溶液中緩慢反應(yīng)釋放出沉淀劑，沉淀劑與金屬離子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀劑與金屬離子直接反應(yīng)形成沉淀

[8]；醇鹽水解沉淀法就是金屬醇鹽遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金屬鹽溶液中加入沉淀劑，獲得混合沉淀，再進(jìn)行熱分解或得納米微粒；此方法是液相化學(xué)合成納米微粒應(yīng)用最多的方法之一，其中關(guān)鍵是控制粉末成分的均勻，避免形成硬團(tuán)聚。這種方法在冷凍干燥過(guò)程中，冷凍液體不收縮，形成的納米微粒表面積較大，可以很好的消除粉末團(tuán)聚現(xiàn)象[9]。沉淀法制備納米微粒時(shí)成品的影響因素比較多，如過(guò)濾過(guò)程，洗滌液的濃度、酸堿度等都會(huì)影響納米微粒的大?。淮朔N方法操作簡(jiǎn)單，但很容易引入新的雜質(zhì)，影響產(chǎn)品的純度。2.2化學(xué)氣相沉積法.化學(xué)氣相沉積法又叫CVD法，就是原材料在氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到納米材料，所用的加熱源與物理氣相沉積法相同[10]。普通的化學(xué)氣相沉積法得到的納米微粒易團(tuán)聚燒結(jié)，而且比較粗，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法就可以很好的避免上述情況的發(fā)生?；瘜W(xué)氣相沉積法得到的納米微粒分布比較均勻，粒度小，純度高，化學(xué)活性高，而且成本低、生產(chǎn)效率高，是目前制備納米材料最常用的方法之一。此外，化學(xué)氣相沉積法由于制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，方便操作，適于大規(guī)模生產(chǎn)，工業(yè)應(yīng)用前景較好?；瘜W(xué)氣相沉積法可以制備幾乎所有的金屬、氮化物、氧化物、碳化物、復(fù)合氧化物等膜材料。隨著制備納米材料的技術(shù)逐步完善，化學(xué)氣相沉積法將會(huì)由更廣泛的應(yīng)用[11]。

圖10.化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖11.化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的原理圖

圖12.化學(xué)氣相沉積法獲得的各種形態(tài)固體示意圖

2.3化學(xué)氣相冷凝法

化學(xué)氣相冷凝法就是在真空室中充入惰性氣體，壓強(qiáng)在10Pa左右，原材料和惰性氣體先在磁控濺射裝置中反應(yīng)，在經(jīng)過(guò)冷凝得到納米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，簡(jiǎn)稱CVC法，目前已經(jīng)成功應(yīng)用這種方法獲得了二氧化鈦、二氧化鋯、氮化硅、碳化硅的納米材料[12]。2.4溶膠--凝膠法 溶膠--凝膠法是以易溶于水的金屬化合物為原材料，使其在溶液中與水反應(yīng)，溶質(zhì)發(fā)生水解生成納米級(jí)的微粒并形成溶膠，溶膠經(jīng)過(guò)蒸發(fā)、干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z(該法在低溫下反應(yīng)，允許摻雜大量的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物)，再經(jīng)過(guò)干燥、燒結(jié)等后處理獲得氧化物納米微粒；這種方法常涉及的反應(yīng)有聚合反應(yīng)、水解反應(yīng)[13]。目前，溶膠--凝膠法一般又分為兩種：膠體化學(xué)法和金屬醇鹽水解法。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，在低溫環(huán)境下就可以獲得分布均勻、純度較高的納米微粒，而且可以用來(lái)獲得一般方法難以得到納米材料。用溶膠－凝膠法制備的 10

納米材料有多孔狀結(jié)構(gòu)，表面積較大，在氣敏、濕敏及催化方面有很大的應(yīng)用，可以使氣敏、濕敏特性和催化率得到較大提高。此外，這種方法是制備涂層以及薄膜非常有效的方法之一，也特別適合制備非晶態(tài)納米材料。但這種方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收縮、開(kāi)裂，所以使用范圍不廣。

圖13.溶膠--凝膠法制備納米材料的流程圖

2.5水熱法

水熱法是指在封閉的反應(yīng)容器中，將水溶液作反應(yīng)體系，對(duì)水溶液加熱增大體系壓強(qiáng)來(lái)制備無(wú)機(jī)材料，再經(jīng)過(guò)分離、熱處理得到納米微粒；離子反應(yīng)和水解反應(yīng)在水熱條件下可得到加速、促進(jìn)，常溫下反應(yīng)很慢的熱力學(xué)反應(yīng)，在水熱條件下就可以快速反應(yīng)；在高壓下，大部分反應(yīng)物能部分溶于水中，使得反應(yīng)在液相或氣相中進(jìn)行[14]。

水熱法可以控制微粒的形態(tài)、結(jié)晶度、組成和大小，使用此法獲得的粉體具有較低的表面能，因此粉體一般無(wú)團(tuán)聚或少團(tuán)聚。這一特點(diǎn)大幅度提高了粉體的燒結(jié)性能，所以此法非常適合于陶瓷的生產(chǎn)；并且，水熱法的反應(yīng)溫度低，活性高，為大規(guī)模的生產(chǎn)納米材料提供了非常有利的條件；水熱法的低溫 11

條件有利于合成熔點(diǎn)較低的化合物；水熱法合成的高壓和低溫條件，便于制成晶型完好、取向規(guī)則的晶體材料，而且合成產(chǎn)物的純度較高。水熱法缺點(diǎn)是一般只能制備氧化物納米粉體，對(duì)晶核的形成過(guò)程以及晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的控制影響因素等許多方面還缺乏深入研究。此外，水熱法制備過(guò)程中有高溫、高壓步驟，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的安全性要求較高。3.納米材料的其他制備方法

納米材料的制備方法有很多種，除了上述方法之外還有分子束外延法、靜電紡絲法等。3.1分子束外延法

分子束外延法就是在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜。在真空條件下，加熱裝有各種所需組分的爐子，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過(guò)小孔形成分子束或原子束，直接噴到單晶基片上，同時(shí)控制分子束，對(duì)襯底掃描，就可以使按晶體排列的分子或原子一層層地生長(zhǎng)在基片上形成薄膜[15]。

圖14.分子束外延法原理圖

分子束外延法生長(zhǎng)溫度低，能減少不希望的熱激活過(guò)程，生長(zhǎng)速度緩慢，外延層厚度可得到精確控制；生長(zhǎng)表面可達(dá)到原子級(jí)光滑度，可制備極薄的薄膜；生長(zhǎng)的薄膜可以保持原來(lái)靶材料的化學(xué)計(jì)量比；把分析測(cè)試設(shè)備與生長(zhǎng)系統(tǒng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的原位監(jiān)測(cè)[16]。分子束外延法也有不足的地方，如對(duì)真空要求非常高，分子束外延設(shè)備貴投資大，能耗大。3.2靜電紡絲法

靜電紡絲法是在高壓電場(chǎng)作用下使聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電，當(dāng)電場(chǎng)力達(dá)到一定程度時(shí)，聚合物液滴在電場(chǎng)力作用下克服表面張力形成噴射流[17]。噴射時(shí)，射流中的溶液發(fā)生蒸發(fā)或自身發(fā)生固化形成纖維，最終落在接收裝置上，獲得納米材料。

圖15.所示為靜電紡絲原理圖

靜電紡絲法制備納米材料優(yōu)點(diǎn)很多，如裝置簡(jiǎn)單、成本低、可紡物多、工藝易控制，是制備納米纖維材料的有效方法。納米技術(shù)的發(fā)展使靜電紡絲作為一種簡(jiǎn)便有效的生產(chǎn)納米纖維的新型制備技術(shù)，將會(huì)在生物、醫(yī)用、催化、光電、食品工程、化妝品等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。4.納米材料的應(yīng)用前景

納米材料有很多優(yōu)異的特點(diǎn)，使得納米材料有很多不同于一般材料的奇特性質(zhì)。納米材料的應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。采用納米技術(shù)制造的納米結(jié)構(gòu)微處理器在微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)方面其效率要比普通微處理器的效率高100萬(wàn)倍；納米存儲(chǔ)器的密度比普通存儲(chǔ)器的要高1000倍；而納米技術(shù)與集成技術(shù)結(jié)合又可制成納米傳感器；用納米材料做成的具有巨大表面積的電極，可以大幅度的提高放電效率；用納米材料制成的磁記錄材料可以將磁帶記錄的密度提高數(shù)十倍。在環(huán)境與能源方面，納米材料可提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，還可以用來(lái)消除空氣中的污染物。例如將Ti02催化劑涂在物體上，可以使物體具有自潔功能，任何粘在物體表面上的物質(zhì)（油污、細(xì)菌）在光的照射下，通過(guò)Ti02催化劑催化作用，變成氣體或容易被擦掉的物質(zhì)。納米催化劑還可以徹底消除水或空氣中的有害物質(zhì)。納米材料在減少環(huán)境污染、凈化環(huán)境上有廣闊的應(yīng)用前景。在生物學(xué)工程與醫(yī)學(xué)方面，將磁性納米材料做為藥物載體，在外磁場(chǎng)作用下集中于病患處，有利于提高藥效，也可以減少藥物副作用[18]。用納米材料制成的溶液加上抗原或抗體，可以實(shí)現(xiàn)免疫學(xué)的間接凝聚實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)快速診斷。用納米材料制成的機(jī)器人，用來(lái)人體進(jìn)行全方位的檢查，可消除血栓、心臟動(dòng)脈脂肪沉積物。5.總結(jié)

納米材料作為一種新興材料，具有十分廣闊和誘人的發(fā)展前景。納米材料的制備方法和技術(shù)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展更加成熟，將對(duì)人們的生活和人類生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。

隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都開(kāi)始廣泛應(yīng)用納米材料。這必將會(huì)不斷出現(xiàn)更新更好的制備方法，希望在將來(lái)以下幾個(gè)方面可取得突破。

(1)在結(jié)構(gòu)、組成、排布、尺寸、等方面，制備出更適合各領(lǐng)域發(fā)展需要，具有更多預(yù)期功能的納米材料；

(2)從節(jié)能、節(jié)約材料、提高效率等角度出發(fā)，研制出更多的新設(shè)備，以便制備出更多的新型納米材料；

(3)設(shè)計(jì)出新的制備方法，采用新的制備工藝，在原有納米材料的基礎(chǔ)上，提高納米材料的功能。

參考文獻(xiàn)

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致謝

本論文在XXX的悉心指導(dǎo)下完成的，她淵博的專業(yè)知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度使我受益非淺。在此謹(jǐn)向XXX老師致以誠(chéng)摯的謝意和崇高的敬意。感謝我的學(xué)友和朋友對(duì)我的關(guān)心和幫助。

The preparation of nanomaterials and their application prospects

Abstract：Nanomaterials are attracting great intense in recent years，for its special properties.With the rapid develope of science and technology , the preparation of nanomaterials has become more skilled.In this paper we mainly introduce the preparation of nanomaterials,including physical and chemical methods,and prospect of nanotechnology in 21st.Keywords: nanomaterials physical method chemical method application prospect

第四篇：納米材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景趨勢(shì)分析

納米材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及前景趨勢(shì)分析

資料來(lái)源：前瞻網(wǎng)：2013-2017年中國(guó)納米材料行業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告，百度報(bào)告名稱可查看報(bào)告詳細(xì)內(nèi)容。

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，大約相當(dāng)于10-100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。

納米材料行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀：

在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國(guó)防的高速發(fā)展必然對(duì)材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)葘?duì)材料的尺寸要求越來(lái)越?。缓娇蘸教?、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對(duì)材料性能要求越來(lái)越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)、新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來(lái)10年對(duì)社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)振興、國(guó)力增強(qiáng)最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。

納米材料自問(wèn)世以來(lái)，受到科學(xué)界追捧，成為材料科學(xué)現(xiàn)今最為活躍的研究領(lǐng)域。納米材料根據(jù)不同尺寸和性質(zhì)，在電子行業(yè)、生物醫(yī)藥、環(huán)保、光學(xué)等領(lǐng)域都有著開(kāi)發(fā)的巨大潛能。在將納米材料應(yīng)用到各行各業(yè)的同時(shí)，對(duì)納米材料本身的制備方法和性質(zhì)的研究也是目前國(guó)際上非常重視和爭(zhēng)相探索的方向。

中國(guó)在納米科技領(lǐng)域的研究起步較早，基本上與國(guó)際發(fā)展同步。中國(guó)已經(jīng)初步具備開(kāi)展納米科技的研究條件，國(guó)家重點(diǎn)研究機(jī)構(gòu)及相關(guān)高科技技術(shù)企業(yè)對(duì)納米材料的研究步伐不斷加快；在納米科技領(lǐng)域，我國(guó)“十五”、“十一五”期間取得了一批重要的研究成果，在部分領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。這些都為實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展提供了可能。

中國(guó)在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展、在節(jié)省能源和資源方面，納米材料和納米技術(shù)將發(fā)揮重要作用。結(jié)合國(guó)家戰(zhàn)略需求，納米材料和納米技術(shù)在能源、環(huán)境、資源和水處理產(chǎn)業(yè)應(yīng)用近年來(lái)出現(xiàn)了良好的開(kāi)端。納米凈化劑、納米助燃劑、納米固硫劑、用于水處理的納米絮凝劑等新型產(chǎn)品相繼開(kāi)發(fā)成功，在這些產(chǎn)品基礎(chǔ)上，發(fā)展了一些新型納米產(chǎn)業(yè)，前景看好。

納米材料行業(yè)前景趨勢(shì)分析：

市場(chǎng)成長(zhǎng)迅速、國(guó)家對(duì)高科技新材料產(chǎn)業(yè)的重視、中國(guó)的納米材料技術(shù)水平的進(jìn)一步突破、納米材料與日常起居結(jié)合緊密、納米材料應(yīng)用領(lǐng)域不斷開(kāi)拓等等這些因素必將使中國(guó)的納米產(chǎn)業(yè)未來(lái)更加光明。

前瞻網(wǎng)：2013-2017年中國(guó)納米材料行業(yè)發(fā)展前景與投資預(yù)測(cè)分析報(bào)告，共十二章。首先介紹了納米材料的定義、分類和特性等，接著全面分析了新材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，然后對(duì)國(guó)際國(guó)內(nèi)納米材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r做出了細(xì)致透析，并具體介紹了納米復(fù)合材料、納米塑料、納米涂料、納米金屬、納米陶瓷等的發(fā)展。隨后，報(bào)告對(duì)納米材料行業(yè)做了區(qū)域發(fā)展分析，還詳細(xì)剖析了納米材料科研技術(shù)發(fā)展、應(yīng)用領(lǐng)域以及重點(diǎn)企業(yè)的經(jīng)營(yíng)狀況。最后，報(bào)告重點(diǎn)分析了納米材料行業(yè)的投資狀況，并對(duì)納米材料行業(yè)前景趨勢(shì)做出了科學(xué)的預(yù)測(cè)。

（復(fù)制轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處，否則后果自負(fù)?。?/p>

第五篇：乳制品包裝現(xiàn)狀及應(yīng)用前景[模版]

乳制品包裝現(xiàn)狀及應(yīng)用前景

王海東（西北農(nóng)林科技大學(xué)

食品學(xué)院 食工064班 10106097）

【摘要】：本文主要對(duì)當(dāng)前我國(guó)乳制品包裝的現(xiàn)狀，存在的一些待解決的問(wèn)題盒和解決的方法。及乳制品包裝的應(yīng)用前景，主要介紹的了PET瓶包裝乳制品發(fā)展趨勢(shì)和一些待解決的問(wèn)題的解決方法。高質(zhì)量的包裝是實(shí)現(xiàn)乳品食用安全、功能、環(huán)保的保證, 包裝材料的應(yīng)用在于提高乳品包裝的杭滲、杭漏及杭溶解性, 塑料被廣泛應(yīng)用是不可回避的趨勢(shì)。

【關(guān)鍵詞】：食品包裝材料乳制品包裝 紙質(zhì)包裝 塑料 PET

Abstract：This paper mainly on the current status quo of China's dairy packaging, some of the issues to be resolved boxes and solutions.And dairy products packaging applications, mainly introduced by the PET bottle packaging dairy development trends and some of the issues to be resolved solution.Packaging is to achieve high-quality dairy food safety, function, to ensure environmental protection, packaging materials is to improve the dairy packaging Hang seepage, leakage and Hang solubility, plastics are widely used is an unavoidable trend.Keyword：Food packaging materials, dairy products packaging, paper packaging, plastics, PET

一、乳制品的包裝及簡(jiǎn)介

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB4122-83 對(duì)包裝明確定義:“包裝是指在流通過(guò)程中保護(hù)產(chǎn)品, 方便儲(chǔ)存, 促進(jìn)銷售, 按一定技術(shù)方法而采用的容器、材料及輔助物等的總體名稱”。

乳制品包裝, 就是采用適當(dāng)?shù)陌b材料、容器和包裝技術(shù), 把乳制品灌充、裝載或包裹起來(lái), 以使乳制品在運(yùn)輸和貯藏過(guò)程中保持其價(jià)值和原有狀態(tài)。乳品包裝作為乳品生產(chǎn)的最后工序, 是乳品流通銷售的保障, 直接影響著乳品業(yè)的發(fā)展。

乳制品的包裝, 可以是復(fù)合紙盒、玻璃瓶、復(fù)合塑料袋、金屬盒包裝等, 玻璃由于重而易碎等因素, 不適合工業(yè)生產(chǎn), 鐵盒也主要用外包裝, 實(shí)際使用塑

料瓶、袋, 如紙盒等奶制品和其它食品包裝一樣, 基本是以塑料作為內(nèi)包裝, 或者以塑料作為內(nèi)層的復(fù)合包裝。常見(jiàn)乳制品包括:

液體乳類(LiquitMilk), 如殺菌乳GB5408.1;滅菌乳GB5408.2;酸牛乳GB2746;配方乳等。

乳粉類(MilkPowders), 如全脂乳粉、脫脂乳粉、全脂加糖乳粉和調(diào)味乳粉GB5410;嬰幼兒乳粉GB10765、GB10766、GB10767;其他配方乳粉。

煉乳類(CondensedMilk), 如全脂無(wú)糖煉乳(淡煉乳)。全脂加糖煉乳GB5417;調(diào)味煉乳;配方煉乳等。

乳脂肪類(MilkFats), 如稀奶油GB5414;奶油GB5415;無(wú)水奶油等。含乳制品的焙烤食品, 如糕餅點(diǎn)心, 也需要對(duì)其中的乳制品保鮮。

因?yàn)榕Ｄ烫貏e易變質(zhì), 因此無(wú)論是長(zhǎng)效奶(UHT)還是保鮮奶, 都對(duì)包裝提出了嚴(yán)格的質(zhì)量要求, 此外, 便于攜帶和飲用方便, 也是對(duì)乳品包裝的基本要求。

乳業(yè)近年來(lái)一直圍繞在價(jià)格、奶源、資本、圈地、廣告等方面競(jìng)爭(zhēng), 2007 年競(jìng)爭(zhēng)的已轉(zhuǎn)移到產(chǎn)品和工藝創(chuàng)新方向, 國(guó)內(nèi)消費(fèi)觀念逐漸成熟、從“有奶喝”轉(zhuǎn)為“喝好奶”的需求日益強(qiáng)烈, 競(jìng)爭(zhēng)也上了一個(gè)新臺(tái)階。高質(zhì)量的包裝是乳品生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)本地市場(chǎng)滲透和外地市場(chǎng)擴(kuò)張的一個(gè)必然選擇。

二、當(dāng)前液體乳制品的包裝的問(wèn)題及解決的方法

中國(guó)液體乳產(chǎn)業(yè)是在過(guò)去10 年中逐漸發(fā)展起來(lái)，但發(fā)展速度是一年勝于一年，消費(fèi)者對(duì)健康的日益關(guān)注推動(dòng)了乳業(yè)的發(fā)展。早期由于冷藏手段的不完善，需要保存期長(zhǎng)的包裝形式，如無(wú)菌磚和無(wú)菌枕等，但隨著主要城市的零售市場(chǎng)快速發(fā)展，保鮮奶日益受到人們的關(guān)注，包裝形式也向巴氏塑袋、奶杯以及屋頂包過(guò)渡。

由于保鮮奶的生產(chǎn)、包裝、運(yùn)輸和貯藏的復(fù)雜性，鮮奶的銷售增長(zhǎng)受到了一定的影響。主要體現(xiàn)在以下方面：原奶的微生物數(shù)量同國(guó)際水平比較相對(duì)較高，則要求加工的溫度必須提高，而且存貨周期受到限制；乳業(yè)及其配套包裝供應(yīng)企業(yè)，對(duì)屋頂包紙合等新包裝形式的制造和灌裝還處于學(xué)習(xí)摸索階段；野蠻裝卸，長(zhǎng)途和條件惡劣的運(yùn)輸仍然比較常見(jiàn)；冷鏈不完善，而且冷藏溫度在某些環(huán)節(jié)還

不夠低；零售商和消費(fèi)者對(duì)如何保證鮮奶的新鮮還不太了解。

保鮮牛奶面臨的問(wèn)題，特別是冷藏控制和運(yùn)輸條件問(wèn)題都是暫時(shí)的，它們都會(huì)得到解決，這一點(diǎn)叢亞洲市場(chǎng)保鮮奶的包裝形式的發(fā)展歷史可以預(yù)見(jiàn)。

乳制品在中國(guó)的市場(chǎng)前景非?？捎^，目前液體乳占整個(gè)飲料市場(chǎng)的12%，并且這個(gè)份額正在不斷擴(kuò)大。政府部門制定的的消費(fèi)目標(biāo)是：2010 年：每人每年18kg2028 年：每人每年28kg2040 年：每人每年41kg

牛奶和其制品長(zhǎng)期以來(lái)被認(rèn)為是富含高質(zhì)量的蛋白質(zhì)、鈣、維生素以及鋅、鎂等其他微量元素的食品。牛奶的營(yíng)養(yǎng)保全最佳的是巴氏殺菌形態(tài)，無(wú)菌包裝是一種好的包裝形式，但是一般來(lái)說(shuō)無(wú)菌包裝牛奶從生產(chǎn)到飲用的時(shí)間間隔要大于屋頂包裝。牛奶對(duì)紫外線非常敏感，在透光包裝中，牛奶的維生素喪失和口感改變很快。牛奶加工受熱時(shí)間越短，貯藏溫度越低，貯藏時(shí)間越短，受紫外線照射越少，其口感就越好。在大多數(shù)崇尚鮮奶的市場(chǎng)，保鮮奶都享有較高的售價(jià)，在這些市場(chǎng)，保鮮風(fēng)味奶的市場(chǎng)在逐漸擴(kuò)大。生產(chǎn)過(guò)程的衛(wèi)生控制非常重要，而純度高的原奶需要的殺菌溫度相對(duì)較低，對(duì)營(yíng)養(yǎng)和口感的保全也就更加充分。牛奶在灌裝后的正確貯藏，運(yùn)輸過(guò)程的條件改善，減少運(yùn)輸距離和時(shí)間可以幫助確保鮮奶的質(zhì)量。

衛(wèi)生 灌裝機(jī)設(shè)備調(diào)整和良好的維護(hù)是保證灌裝質(zhì)量的重要條件，不同紙盒生產(chǎn)商提供的紙盒在上機(jī)前，需要在機(jī)器上作適當(dāng)微調(diào)，使紙盒和灌裝機(jī)更加貼合。保證低溫恒定也非常重要。保鮮牛奶的最佳貯藏溫度是4℃，避免頂封溫度過(guò)高可以幫助改善漲包問(wèn)題。

搬運(yùn) 粗野的搬運(yùn)會(huì)導(dǎo)致屋頂包的破損，必須在整個(gè)灌裝，裝卸和堆放過(guò)程中避免突然墜落或其他不合理的操作。

運(yùn)輸 雖然路況在改善，但是運(yùn)輸過(guò)程仍然具有挑戰(zhàn)性，紙盒包裝箱應(yīng)當(dāng)受到良好保護(hù)和支持，避免翻落損傷里面的裝滿牛奶的紙盒。

除了這些舉措外，采用加厚的液體面PE 淋膜厚度、選用挺度更高的原紙、增加尼龍阻氧隔離淋膜等都可以提高運(yùn)輸過(guò)程耐久性。

零售商對(duì)品質(zhì)的影響很大，貨架溫度是具有決定性的，垂直排放紙盒既能防止?jié)B漏，而且有助于向消費(fèi)者展示紙盒表面的印刷宣傳圖案。保持紙盒之間互相接觸和固定，可以最大限度地減少漲包的影響，而且可以提高紙盒的握度舒適程

度。

消費(fèi)者對(duì)牛奶的營(yíng)養(yǎng)和新鮮的好處有較好的一般認(rèn)知程度，但是還有提高的空間，另外，需要增加對(duì)保鮮牛奶包裝的貯藏和飲用知識(shí)的積累。屋頂包側(cè)立面的廣告展示是向消費(fèi)者傳播信息的最佳方式。除了介紹品牌以外，還可以增加營(yíng)養(yǎng)成分，飲用方法，貯藏方法的經(jīng)驗(yàn)介紹。

我們相信保鮮牛奶在克服了短期出現(xiàn)的問(wèn)題之后，會(huì)成為中國(guó)液體乳市場(chǎng)的主導(dǎo)力量，因?yàn)樾迈r和營(yíng)養(yǎng)是人們選擇食品的首要原則。

三、現(xiàn)代的新型包裝在乳制品中的應(yīng)用

使用PET 瓶包裝乳制品是目前乳制品包裝市場(chǎng)的一大趨向。消費(fèi)者喜愛(ài)透明的包裝，他們想看到自己關(guān)注的食品。這也可以解釋為什么現(xiàn)今很多乳制品公司不僅提供經(jīng)典的PET 瓶裝pH 值小于4 的小麥乳制品、酸奶或透明PET 瓶裝中性乳制品的微生物檢測(cè)安全，尤其是當(dāng)制品被拿到冰箱以外的地方銷售時(shí)，這是一個(gè)成功的技術(shù)突破。與pH 值小于4 的乳飲料相比，中性pH 值的乳制品中微生物的敏感度高。當(dāng)然，目前使用的加工過(guò)程是趨近無(wú)菌操作的。十多年來(lái)PET酸性軟飲料的無(wú)菌瓶裝技術(shù)證明，其得益于發(fā)展中的技術(shù)革新。

光不穩(wěn)定呈味物質(zhì)對(duì)制品造成危害在克服了微生物障礙后，技術(shù)突破點(diǎn)聚焦在不同貯藏環(huán)境下的終產(chǎn)品的穩(wěn)定性。要求終產(chǎn)品有物理/化學(xué)穩(wěn)定性，最重要的是口感穩(wěn)定，尤其是如果它們?cè)诶滏溨獾沫h(huán)境下分配和貯藏。貯藏試驗(yàn)和感官鑒評(píng)顯示，即使是在一個(gè)有顏色的PET 瓶中，由于它沒(méi)有一個(gè)特殊的光保護(hù)系統(tǒng)，在幾天以后，制品口感也被檢測(cè)出有所損壞?？诟械膿p壞通常與乳制品組分的變化有關(guān)。例如Vb2，牛奶中的重要組分，對(duì)光照極其敏感，見(jiàn)光分解，使牛奶口感變壞。

具有光保護(hù)作用的PET 塑料瓶處理這個(gè)包裝技術(shù)缺陷問(wèn)題的主要手段是在PET塑料瓶中加入特殊的光保護(hù)系統(tǒng)。標(biāo)準(zhǔn)PET 瓶上不可視，在最大波長(zhǎng)為380nm的紫外線范圍內(nèi)具有光保護(hù)活性的光線。而牛奶中光敏物質(zhì)的感受波長(zhǎng)是300~500nm，所以在包裝中形成完全保護(hù)是不可能的。如果以保護(hù)光敏度波長(zhǎng)在380nm 以外的制品為目的，包裝將呈現(xiàn)從黃到紅的顏色變化。

HDPE 包裝高氧滲透性，但不透明另一個(gè)常用的包材是HDPE，與PET 相比，這種材料具有高氧滲透性，通常為白色，不透明。

解決光照問(wèn)題在使用透明塑料包材時(shí)，會(huì)不可避免的出現(xiàn)氧氣和光線的相互作用。光照激活氧分子，使制品質(zhì)量加速下降。

當(dāng)代乳制品制造商將在加工中使用低氧灌裝，這是塑料包裝更需要的。為乳制品加工提供的利用基材和水果制備相結(jié)合的特殊技術(shù)幫助確定制品免于有害光線的照射和高穿透力氧分子的滲入。

盡管在技術(shù)上仍然要有很大突破，PET 瓶裝乳制品的包裝趨勢(shì)是確定的。這種包材對(duì)于消費(fèi)者來(lái)說(shuō)是非常熟悉的：材料透明、不易碎、能夠再次使用并且樣式新穎。然而，對(duì)于乳制品，優(yōu)勢(shì)是包裝材料提供了一個(gè)廣泛的設(shè)計(jì)范圍并且是技術(shù)改革中最理想的包材選擇。

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