第一篇：納米材料及其應用

暑 假 實習論 文

題 目: 納米材料及其應用 學 院 軟件與通信工程學院 學生姓名 XXX 學 號 XXXX 專 業(yè) 電子科學與技術

屆 別 2011屆 指導教師 白耀輝博士 李剛博士 堯文元博士

二O一一 年 七 月

納米材料及其應用

內容摘要

1.納米材料定義 2.國內外研究進展 3.應用領域及原理 應用領域

◇納米技術在陶瓷領域方面的應用

◇納米技術在微電子學上的應用

◇納米技術在生物工程上的應用 應用原理 ◇量子尺寸效應

◇小尺寸效應

◇納米材料的熱學特性 ◇納米材料的磁學特性 ◇納米材料的光學特性 4.制備方法

◇激光誘導化學氣相沉積法

◇低溫等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）◇液相法制備納米材料

一． 納米材料定義

納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9米)的超細材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100~102nm。它包括體積分數(shù)近似相等的兩個部分：一是直徑為幾個或幾十個納米的粒子二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結構，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結構。從材料的結構單元層次來說，它介于宏觀物質和微觀原子、分子的中間領域。在納米材料中，界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結構互不相關，從而構成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結構狀態(tài)。

在納米材料中，納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長程有序，通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級，高濃度晶界及晶界原子的特殊結構導致材料的力學性能、磁性、介電性、超導性、光學乃至熱力學性能的改變。納米相材料跟普通的金屬、陶瓷，和其他固體材料都是由同樣的原子組成，只不過這些原子排列成了納米級的原子團，成為組成這些新材料的結構粒子或結構單元。其常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100 nm，包含的原子不到幾萬個。一個直徑為3 nm的原子團包含大約900個原子，幾乎是英文里一個句點的百萬分之一，這個比例相當于一條300多米長的帆船跟整個地球的比例。

納米材料研究是目前材料科學研究的一個熱點，其相應發(fā)展起來的納米技術被公認為是21世紀最具有前途的科研領域。二.應用領域及原理 1.應用領域

（1）納米技術在陶瓷領域方面的應用

陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產(chǎn)生，希望以此來克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。英國材料學家Cahn指出納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰(zhàn)略途徑。

所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。要制備納米陶瓷，這就需要解決：粉體尺寸形貌和粒徑分布的控制，團聚體的控制和分散。塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。

Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小為幾個納米的晶粒組成，則能夠在低溫下變?yōu)檠有缘?，能夠發(fā)生100%的范性形變。并且發(fā)現(xiàn)，納米TiO2陶瓷材料在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在180℃經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。許多專家認為，如能解決單相納米陶瓷的燒結過程中抑制晶粒長大的技術問題，從而控制陶瓷晶粒尺寸在50nm以下的納米陶瓷，則它將具有的高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等傳統(tǒng)陶瓷無與倫比的優(yōu)點。上海硅酸鹽研究所在納米陶瓷的制備方面起步較早，他們研究發(fā)現(xiàn)，納米3Y-TZP陶瓷(100nm左右)在經(jīng)室溫循環(huán)拉伸試驗后，在納米3Y-TZP樣品的斷口區(qū)域發(fā)生了局部超塑性形變，形變量高達380%，并從斷口側面觀察到了大量通常出現(xiàn)在金屬斷口的滑移線。Tatsuki等人對制得的Al2O3-SiC納米復相陶瓷進行拉伸蠕變實驗，結果發(fā)現(xiàn)伴隨晶界的滑移，Al2O3晶界處的納米SiC粒子發(fā)生旋轉并嵌入Al2O3晶粒之中，從而增強了晶界滑動的阻力，也即提高了Al2O3-SiC納米復相陶瓷的蠕變能力。

雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優(yōu)良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景（2）納米技術在微電子學上的應用

納米電子學是納米技術的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。

目前，利用納米電子學已經(jīng)研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調諧的納米發(fā)光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經(jīng)問世。并且，具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學的發(fā)展起到了關鍵的作用。

碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運動在徑向上受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限制效應，而在軸向上則不受任何限制。以碳納米管為模子來制備一維半導體量子材料，并不是憑空設想，清華大學的范守善教授利用碳納米管，將氣相反應限制在納米管內進行，從而生長出半導體納米線。他們將Si-SiO2混合粉體置于石英管中的坩堝底部，加熱并通入N2。SiO2氣體與N2在碳納米管中反應生長出Si3N4納米線，其徑向尺寸為4~40nm。另外，在1997年，他們還制備出了GaN納米線。1998年該科研組與美國斯坦福大學合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長，它將大大推進碳納米管在場發(fā)射平面顯示方面的應用。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規(guī)模集成電路，超導線材等領域。

早在1989年，IBM公司的科學家就已經(jīng)利用隧道掃描顯微鏡上的探針，成功地移動了氙原子，并利用它拼成了IBM三個字母。日本的Hitachi公司成功研制出單個電子晶體管，它通過控制單個電子運動狀態(tài)完成特定功能，即一個電子就是一個具有多功能的器件。另外，日本的NEC研究所已經(jīng)擁有制作100nm以下的精細量子線結構技術，并在GaAs襯底上，成功制作了具有開關功能的量子點陣列。目前，美國已研制成功尺寸只有4nm具有開關特性的納米器件，由激光驅動，并且開、關速度很快。

美國威斯康星大學已制造出可容納單個電子的量子點。在一個針尖上可容納這樣的量子點幾十億個。利用量子點可制成體積小、耗能少的單電子器件，在微電子和光電子領域將獲得廣泛應用。此外，若能將幾十億個量子點連結起來，每個量子點的功能相當于大腦中的神經(jīng)細胞，再結合MEMS（微電子機械系統(tǒng)）方法，它將為研制智能型微型電腦帶來希望。

納米電子學立足于最新的物理理論和最先進的工藝手段，按照全新的理念來構造電子系統(tǒng)，并開發(fā)物質潛在的儲存和處理信息的能力，實現(xiàn)信息采集和處理能力的革命性突破，納米電子學將成為對世紀信息時代的核心。

（3）納米技術在生物工程上的應用

眾所周知，分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態(tài)變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。美國南加州大學的Adelman博士等應用基于DNA分子計算技術的生物實驗方法，有效地解決了目前計算機無法解決的問題—“哈密頓路徑問題”，使人們對生物材料的信息處理功能和生物分子的計算技術有了進一步的認識。

雖然分子計算機目前只是處于理想階段，但科學家已經(jīng)考慮應用幾種生物分子制造計算機的組件，其中細菌視紫紅質最具前景。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩(wěn)定性，并且，其奇特的光學循環(huán)特性可用于儲存信息，從而起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。在整個光循環(huán)過程中，細菌視紫紅質經(jīng)歷幾種不同的中間體過程，伴隨相應的物質結構變化。Birge等研究了細菌視紫紅質分子潛在的并行處理機制和用作三維存儲器的潛能。通過調諧激光束，將信息并行地寫入細菌視紫紅質立方體，并從立方體中讀取信息，并且細菌視紫紅質的三維存儲器可提供比二維光學存儲器大得多的存儲空間。

到目前為止，還沒有出現(xiàn)商品化的分子計算機組件。科學家們認為：要想提高集成度，制造微型計算機，關鍵在于尋找具有開關功能的微型器件。美國錫拉丘茲大學已經(jīng)利用細菌視紫紅質蛋白質制作出了光導“與”門，利用發(fā)光門制成蛋白質存儲器。此外，他們還利用細菌視紫紅質蛋白質研制模擬人腦聯(lián)想能力的中心網(wǎng)絡和聯(lián)想式存儲裝置。

納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發(fā)生質的飛躍。它將突破傳統(tǒng)極限，使單位體積物質的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現(xiàn)電子學上的又一次革命。2.應用原理

納米材料應用原理即納米材料的各種特性（1）量子尺寸效應

以下兩種情形均稱為量子尺寸效應：

一是納米粒子尺寸小到某一值時，在費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散的現(xiàn)象；二是納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能級間隔變寬現(xiàn)象。當能級間隔大于熱能、磁能、靜電能、光子能量或超導態(tài)的凝聚能時，就必須要考慮量子尺寸效應。量子尺寸效應導致納米微粒的磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏觀特性有著顯著的不同。例如，當溫度為1K時，Ag納米微粒粒徑< 14nm時，Ag納米微粒變?yōu)榻饘俳^緣體

（2）小尺寸效應

當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性呈現(xiàn)新的變化，稱為小尺寸效應。

例如，光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無序態(tài)轉變；超導相向正常相的轉變；聲子譜發(fā)生改變等。

（3）納米材料的熱學特性 納米微粒的熔 點、燒結溫度

和晶化溫度均

比常規(guī)粉體低 得多。這是納 米微粒量子效 應造成的。

（4）納米材料的磁學特性 納米微粒的小尺寸效應、量子尺寸效應、表面效應，使其具有常規(guī)粗晶材料不具備的磁特性。主要表現(xiàn)為：超順磁性、矯頑力、居里溫度和磁化率（5）納米材料的光學特性

◆寬頻帶強吸收

當尺寸減小到納米級時，各種金屬納米微粒幾乎都呈黑色，它們對可見光的反射率極低。這就是納米材料的強吸收率、低反射率。例如，鉑金納米粒子的反射率為1%。納米氮化硅、碳化硅及三氧化二鋁對紅外有一個寬頻帶強吸收譜?！艏{米微粒分散物系的光學性質和發(fā)光效應

納米微粒分散于介質中形成分散物系（溶膠），納米微粒稱為膠體（或分散相）。由于在溶膠中膠體的高分散性和不均勻性，使得分散物系具有特殊的光學特性，例如丁達爾效應。三．制備方法

1.激光誘導化學氣相沉積法

（LICVD）基本原理——利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收，引起反應氣體分子激光光解、激光熱解、激光光敏化和激光誘導合成，在一定工藝條件下，獲得納米微粒。優(yōu)點——表面清潔、納米微粒大小可精確控制、無粘結、粒度分布均勻。2.低溫等離子體增強化學氣相沉積法（PECVD）

基礎——化學氣相沉積法原理——由于等離子體是不等溫系統(tǒng)，其中“電子氣”具有比中性粒子和正離子大得多的平均能量；電子的能量足以使氣體分子的化學鍵斷裂，并導致化學活性高的粒子（離子、活化分子等基團）的產(chǎn)生。即反應氣體的化學鍵在低溫下就可以被分解，從而實現(xiàn)高溫材料的低溫合成。

◆低溫等離子體增強化學氣相沉淀技術的優(yōu)點： ①

運行氣壓低。

②

等離子體密度高。

③

無內電極放電，雜質少，污染小。④

微波能量轉換率高，達95%。⑤

離子能量低。

⑥

可穩(wěn)態(tài)運行，參數(shù)易于控制。⑦

速率高、納米材料純度高。⑧

提高了反應物的活性。

⑨

有良好的各向異性刻蝕性能

3.液相法制備納米材料

化學共沉淀是利用各種組分元素的可溶性鹽類，把它們按一定的比例配制成液體，然后加入

NH4CO3沉降劑，如

NH

OH

、等，使得各種組分元素共同形成沉淀，4并通過控制溶液濃度、PH值等來控制形成沉淀粉體的性能。最后經(jīng)過過濾、洗滌，對沉淀物進行加熱分解，得到各種組分元素的氧化物均勻復合粉體。

四.國內外研究進展

1984年德國薩爾蘭大學的Gleiter以及美國阿貢試驗室的Siegel相繼成功地制得了純物質的納米細粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結得到納米微晶塊體，從而使納米材料進入了一個新的階段。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學技術會議，正式宣布納米材料科學為材料科學的一個新分支。

納米技術作為一種最具有市場應用潛力的新興科學技術，其潛在的重要性毋庸置疑，一些發(fā)達國家都投入大量的資金進行研究工作。如美國最早成立了納米研究中心，日本文教科部把納米技術，列為材料科學的四大重點研究開發(fā)項目之一。在德國，以漢堡大學和美因茨大學為納米技術研究中心，政府每年出資6500萬美元支持微系統(tǒng)的研究。在國內，許多科研院所、高等院校也組織科研力量，開展納米技術的研究工作，并取得了一定的研究成果，主要如下：

定向納米碳管陣列的合成，由中國科學院物理研究所解思深研究員等完成。他們利用化學氣相法高效制備出孔徑約20納米，長度約100微米的碳納米管。并由此制備出納米管陣列，其面積達3毫米×3毫米，碳納米管之間間距為100微米。

氮化鎵納米棒的制備，由清華大學范守善教授等完成。他們首次利用碳納米管制備出直徑3~40納米、長度達微米量級的半導體氮化鎵一維納米棒，并提出碳納米管限制反應的概念。并與美國斯坦福大學戴宏杰教授合作，在國際上首次實現(xiàn)硅襯底上碳納米管陣列的自組織生長。

準一維納米絲和納米電纜，由中國科學院固體物理研究所張立德研究員等完成。他們利用碳熱還原、溶膠—凝膠軟化學法并結合納米液滴外延等新技術，首次合成了碳化鉭納米絲外包絕緣體SiO2納米電纜。

用催化熱解法制成納米金剛石，由中國科學技術大學的錢逸泰等完成。他們用催化熱解法使四氯化碳和鈉反應，以此制備出了金剛石納米粉。

但是，同國外發(fā)達國家的先進技術相比，我們還有很大的差距。德國科學技術部曾經(jīng)對納米技術未來市場潛力作過預測：他們認為到2000年，納米結構器件市場容量將達到6375億美元，納米粉體、納米復合陶瓷以及其它納米復合材料市場容量將達到5457億美元，納米加工技術市場容量將達到442億美元，納米材料的評價技術市場容量將達到27.2億美元。并預測市場的突破口可能在信息、通訊、環(huán)境和醫(yī)藥等領域。

總之，納米技術正成為各國科技界所關注的焦點，正如錢學森院士所預言的那樣：“納米左右和納米以下的結構將是下一階段科技發(fā)展的特點，會是一次技術革命，從而將是21世紀的又一次產(chǎn)業(yè)革命。”

第二篇：納米材料的應用

納米材料的應用

納米是英文namometer的譯音，是一個物理學上的度量單位，1納米是1米的十億分之一；相當于45個原子排列起來的長度。通俗一點說，相當于萬分之一頭發(fā)絲粗細。就象毫米、微米一樣，納米是一個尺度概念，并沒有物理內涵。當物質到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個范圍空間，物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家，他們在20世紀70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個導電、導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現(xiàn)出既不導電、也不導熱。磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約20—30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環(huán)境、先進制造技術和國防的高速發(fā)展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸?shù)葘Σ牧系某叽缫笤絹碓叫?；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎上誘發(fā)的新技術。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對社會發(fā)展、經(jīng)濟振興、國力增強最有影響力的戰(zhàn)略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。納米材料和納米結構是當今新材料研究領域中最富有活力、對未來經(jīng)濟和社會發(fā)展有著十分重要影響的研究對象，也是納米科技中最為活躍、最接近應用的重要組成部分。

近年來，納米材料和納米結構取得了引人注目的成就。1988年法國人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應，到1997年巨磁電阻為原理的納米結構器件已在美國問世，在磁存儲、磁記憶和計算機讀寫磁頭將有重要的應用前景。最近美國柯達公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體，預計將給彩色印橡帶來革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品注入新的高科技含量，在未來市場上占有重要的份額。納米材料在醫(yī)藥方面的應用研究也使人矚目，正是這些研究使美國白宮認識到納米材料和技術將占有重要的戰(zhàn)略地位。原因之二是納米材料和技術領域是知識創(chuàng)新和技術創(chuàng)新的源泉，新的規(guī)律新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎科學提供了新的機遇，美國計劃在這個領域的基礎研究獨占“老大”的地位。我國納米材料研究始于80年代末，“八五”期間，“納米材料科學”列入國家攀登項目。國家自然科學基金委員會、中國科學院、國家教委分別組織了8項重大、重點項目，組織相關的科技人員分別在納米材料各個分支領域開展工作，國家自然科學基金委員會還資助了20多項課題，國家“863”新材料主題也對納米材料有關高科技創(chuàng)新的課題進行立項研究。1996年以后，納米材料的應用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，地方政府和部分企業(yè)家的介入，使我國納米材料的研究進入了以基礎研究帶動應用研究的新局面。目前，我國有60多個研究小組，有600多人從事納米材料的基礎和應用研究，其中，承擔國家重大基礎研究項目的和納米材料研究工作開展比較早的單位有：中國科學院上海硅酸鹽研究所、南京大學。中國科學院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國科技大學、中國科學院化學研究所、清華大學，還有吉林大學、東北大學、西安交通大學、天津大學、青島化工學院、華東師范大學，華東理工大學、浙江大學、中科院大連化學物理研究所、長春應用化學研究所、長春物理研究所、感光化學研究所等也相繼開展了納米材料的基礎研究和應用研究。我國納米材料基礎研究在過去10年取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理、化學方法制備金屬與合金（晶態(tài)、非晶態(tài)及納米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，建立了相應的設備，做到納米微粒的尺寸可控，并制成了納米薄膜和塊材。在納米材料的表征、團聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復合微粒和粉體的制取等各個方面都有所創(chuàng)新，取得了重大的進展，成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；

近年來，我國在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國際上的關注。根據(jù)國際納米材料研究的發(fā)展趨勢，我國建立和發(fā)展了制備納米結構（如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、mcm－41等）組裝體系的多種方法，特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長、介孔內延生長等也積累了豐富的經(jīng)驗，已成功地制備出多種準一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進一步研究納米結構和準一納米材料的物性，推進它們在納米結構器件的應用奠定了良好的基礎。納米材料和納米結構的評價手段基本齊全，達到了國際90年代末的先進水平。綜上所述，“八五”期間我國在納米材料研究上獲得了一批創(chuàng)新性的成果，形成了一支高水平的科研隊伍，基礎研究在國際上占有一席之地，應用開發(fā)研究也出現(xiàn)了新局面，為我國納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎。10年來，我國科技工作者在國內外學術刊物上共發(fā)表納米材料和納米結構的論文2400多篇，在國際上排名第五位，1998年 6月在瑞典斯特哥爾摩召開的國際第四屆納米材料會議上，對中國納米材料研究給予了很高評價，指出這幾年來中國在納米材料制備方面取得了激動人心的成果，在大會總結中選擇了8個納米材料研究式作取得了比較好的國家在閉幕式上進行介紹，中國是在美國、日本、德國、瑞典之后進行了大會發(fā)言。

第三篇：納米材料航天應用

納米材料定義：

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成的材料，這大約相當于10~100個原子緊密排列在一起的尺度。納米材料特性

特性 :（1）表面與界面效應

這是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。例如粒子直徑為10納米時，微粒包含4000個原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時，微粒包含有30個原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時，比表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象，如金屬納米粒子在空中會燃燒，無機納米粒子會吸附氣體等等。

（2）小尺寸效應

當納米微粒尺寸與光波波長，傳導電子的德布羅意波長及超導態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學等性能呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。例如，銅顆粒達到納米尺寸時就變得不能導電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時卻開始導電。再譬如，高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅硬。利用這些特性，可以高效率地將太陽能轉變?yōu)闊崮堋㈦娔?，此外又有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身技術等等。

（3）量子尺寸效應

當粒子的尺寸達到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級。當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態(tài)的凝聚能時，會出現(xiàn)納米材料的量子效應，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會變得完全不透明。

（4）宏觀量子隧道效應

微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。納米材料發(fā)展：

納米技術的靈感，來自于已故物理學家理查德·費曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當時在加州理工大學任教的教授向同事們提出了一個新的想法。從石器時代開始，人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術，都與一次性地削去或者融合數(shù)以億計的原子以便把物質做成有用的形態(tài)有關。范曼質問道，為什么我們不可以從另外一個角度出發(fā)，從單個的分子甚至原子開始進行組裝，以達到我們的要求?他說：“至少依我看來，物理學的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性?！?/p>

1990年，IBM公司阿爾馬登研究中心的科學家成功地對單個的原子進行了重排，納米技術取得一項關鍵突破。他們使用一種稱為掃描探針的設備慢慢地把35個原子移動到各自的位置，組成了ibm三個字母。這證明范曼是正確的，二個字母加起來還沒有3個納米長。不久，科學家不僅能夠操縱單個的原子，而且還能夠“噴涂原子”。使用分子束外延長生長技術，科學家們學會了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法，每次只造出一層分子。目前，制造計算機硬盤讀寫頭使用的就是這項技術。

著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德· 費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關于納米技術最早的夢想;

70年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的構想，1974年，科學家唐尼古奇最早使用納米技術一詞描述精密機械加工;

1982年，科學家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進作用;

1990年7月，第一屆國際納米科學技術會議在美國巴爾的摩舉辦，標志著納米科學技術的正式誕生;

1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質量是相同體積鋼的六分之一，強度卻是鋼的10倍，成為納米技術研究的熱點，諾貝爾化學獎得主斯莫利教授認為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導線、超微開關以及納米級電子線路等;

1993年，繼1989年美國斯坦福大學搬走原子團“寫”下斯坦福大學英文、1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用36個氙原子排出“ibm”之后，中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“ 中國”二字，標志著中國開始在國際納米科技領域占有一席之地;

1997年，美國科學家首次成功地用單電子移動單電子，利用這種技術可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計算機;

1999年，巴西和美國科學家在進行納米碳管實驗時發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當于一個病毒的重量;此后不久，德國科學家研制出能稱量單個原子重量的秤，打破了美國和巴西科學家聯(lián)合創(chuàng)造的紀錄;

到1999年，納米技術逐步走向市場，全年基于納米產(chǎn)品的營業(yè)額達到500億美元;

近年來，一些國家紛紛制定相關戰(zhàn)略或者計劃，投入巨資搶占納米技術戰(zhàn)略高地。日本設立納米材料研究中心，把納米技術列入新5年科技基本計劃的研發(fā)重點;德國專門建立納米技術研究網(wǎng);美國將納米計劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國政府部門將納米科技基礎研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。

2003年，納米技術在基礎研究和應用研究方面都取得了突破性進展。如：美國利用超高密度晶格和電路制作新方法，獲得高密度的鉑納米線；日本用單層碳納米管與有機熔鹽制成高度導電的聚合物納米管復合材料等。納米材料缺點

生產(chǎn)出來的成本高，應用不廣泛，同時生產(chǎn)出來的納米產(chǎn)品的毒理學沒有廣泛的深入，在某種意義上講一些東西處于探索階段

前言納米材料由于具有獨特的小尺寸效應而表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的物理和化學性質。利用納米材料這些獨特的性質?？蓪鹘y(tǒng)材料進行改性，進而開發(fā)出更高性能的材料．開辟出新的材料生產(chǎn)途徑．以滿足傳統(tǒng)材料所不能達到的要求．尤其是滿足航天航空領域對材料性能的特殊要求。應用納米材料可減小航天器電子元器件的體積和質量．并提高其可靠性。納米材料的發(fā)展方向主要有功能納米材料及結構納米材料納米材料在航天器結構材料上的應用 1．金屬及金屬基復合材料晶粒細化是提高金屬材料強度最有效的方法之一。利用添加納米陶瓷來增強金屬合金基材料的方法，就是把納米陶瓷粉體均勻分散于合金中．以提高合金的成核速率．同時抑制晶粒長大．從而起到晶粒細化的作用。抑制材料使用過程中微裂紋的擴展．提高產(chǎn)品的強度。例如，將納米碳化硅、納米氮化硅、納米氮化鈦、納米硅粉添加到金屬基體(鋁、銅、銀、鋼、鐵等合金)中?？芍圃斐鲑|量輕、強度高、耐熱性好的新型合金材料。

(1)納米氮化鈦應用于合金鋼、鐵納米氮化鈦具有硬度和熱穩(wěn)定性高、粒度小，以及分散性好的特點。在鋼水冷卻結晶過程中．納米氮化鈦成為晶核相．可大大增加成核數(shù)量，減小晶粒尺寸．達到細化合金晶粒的效果．使合金的綜合性能大大改善。

(2)納米碳化硅應用于銀基復合材料通過向基體中加入均勻、細J．J＼，具有良好穩(wěn)定性的顆粒．達到彌散強化合金的目的．是制備高強高導合金材料的重要途徑之一。納米碳化硅對于銀合金來說是一種有效的增強相．當納米碳化硅的質量百分含量為l％時．強化效果佳．材料的抗拉強度可達39IMPa．相對電導率為60．2％，強度和耐磨性均有所提高。(3)納米碳化硅彌散強化銅基復合材料高強高導銅基復合材料在集成電路的引線框架 各類點焊、滾焊機的電極、觸頭材料，電樞、電動工具的換相器等電子設備中具有廣泛的用途。但銅合金的高強度和高導電性一直是一對互相矛盾的特性．一般只能在犧牲電導率和熱導率的前提下改善銅的力學性能，以獲得高強度。采用納米碳化硅穩(wěn)定彌散強化銅基材料是解決 這一矛盾的較好方法 通過向基體中加入均勻、細小，具有良好穩(wěn)定性的納米碳化硅顆粒以達到彌散強化銅合金的目的．已成為制備高強高導銅基復合材料的研究熱點。

(4)納米碳化鋯應用于硬質合金納米碳化鋯是一種重要的高熔點、高強度和耐腐蝕的高溫結構材料 納米碳化鋯用于硬質合金材料中．可提高材料的強度和耐腐蝕性等性能。

2．聚合物基復合材料納米粒子加入聚合物基體后．可提高其耐磨性、硬度、強度和耐熱性等性能

(1)納米氮化鋁應用于環(huán)氧樹脂在納米氮化鋁一環(huán)氧樹脂體系中．納米氮化鋁的用量為1％～5％時．玻璃化轉變溫度提高．彈性模量達到極大值。將納米氮化鋁添)30~0環(huán)氧樹脂中制得的復合材料．在結構上完全不同于添加粗晶的氮化鋁一環(huán)氧樹脂基復合材料：粗晶氮化鋁一般作為補強劑加入．其主要分布在高分子材料的鏈間．而納米氮化鋁由于表面嚴重的配不足、龐大的比表面積使其表現(xiàn)出極強的活性．同時。尚有一部分納米氮化鋁顆粒分布在高分子鏈的空隙中。與粗晶氮化鋁相比．納米氮化鋁具有很高的流動性．可使環(huán)氧樹脂的強度、韌性及延展性均大幅提高。

(2)納米碳化硅在橡膠輪胎中的應用在橡膠輪胎中添加一定量的納米碳化硅．在不改變原橡膠配方的條件下進行改性處理．可在不降低其原有性能和質量的前提下．將耐磨性提高 15％～30％。另外。納米碳化硅還可應用于橡膠膠輥、打印機定影膜等需耐磨、散熱、耐溫的橡膠產(chǎn)品中。

3．-r-程塑料及其它復合材料納米材料與工程塑料復合既能提高工程塑料的固有性能．又可賦予其高導電性、高阻隔性及優(yōu)良的光學性能等。因此。把納米材料應用于工程

塑料的改性．可進一步拓寬工程塑料的應用范圍。

(1)工程塑料，{I內米粒子復合材料采用納米粒子對有一定脆性的工程塑料增韌是改善工程塑料韌性和強度等力學性能的一種行之有效的方法。只要納米粒子與基體樹脂結合良好． 2010 6軍民兩用技術與產(chǎn)品納米粒子也可承受拉伸應力．增韌、增強作用明顯少量納米氮化鈦粉體用于改性熱塑性工程塑料時．可起到結晶成核劑的作用。將納米氮化鈦分散于乙二醇中．通過聚合使納米氮化鈦更好地分散于PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)工程塑料中．可加快PET工程塑料的結晶速率．使其成型簡單．擴大其應用范圍。而大量納米氮化鈦顆粒彌散 于PET中．可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗沖擊性能。

(2)工程塑料／納米磁性金屬及其氮化物復合材料這種復合材料具有特殊的光電功

能(對電磁波有特殊的吸收作用)和優(yōu)良的磁性能及導電性．可廣泛應用于軍事、航空航天、電子通訊等高技術領域 用偶聯(lián)劑進行表面處理后的納米碳化硅．在添加量為10％左右時． 可大大改善和提高PI(聚酰亞胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特種塑料的性能．全面提高材料的耐磨、導熱、絕緣、抗拉伸、耐沖擊、耐高溫等性能。

4．陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料是以陶瓷為基體．與各種納米材料復合制得的材料。陶瓷基體包括氮化硅、碳化硅等。這些先進陶瓷具有耐高溫、強度和硬度高、相對重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能．而其致命的弱點是具有較強的脆性。在應力作用下．會產(chǎn)生裂紋。甚至斷裂導致材料失效 而將納米材料與陶瓷基體復合．是提高陶瓷韌性和可靠性的一種有效方法．可得到韌性優(yōu)良的納米增強陶瓷基復合材料陶瓷基復合材料已實用化或即將實用化的領域有刀具、滑動構件、發(fā)動機制件、能源構件等。例如，納米氮化硅摻雜制造的精密陶瓷結構器件可用于冶金、化工、機械、航空、航天及能源等行業(yè)中使用的滾動軸承的滾珠和滾子、滑動軸承、套、閥．以及有耐磨、耐高溫、耐腐蝕要求的結構器件中 納米材料在航天器功能

1．雷達及紅夕 隱身材料納米材料具有的小尺寸和量子尺寸效應等特性．使金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料在細化過程中．處于表面的原子越來越多．懸掛鍵增多、界面極化增強．為吸波材料應用提供了可能性。多重散射及量子尺寸效應使納米粒子的電子能級能隙變寬．能隙寬度處于微波范圍(10％V 10-SeV)內。因而可能成為新的吸波通道。納米陶瓷粉體是陶瓷類紅外吸收劑的一種新類型．主要包括納米碳化硅粉、納米氮化硅粉等。納米陶瓷類紅外吸收劑具有吸收波段寬及吸收強度大等特性。納米碳化硅和磁性納米吸收劑(如磁性納米金屬粉等)復合后。吸波效果還能大幅度提高。納米氮化物吸收劑主要有氮化硅和氮化鐵．納米氮化硅在IOOH一1MHz范圍內有比較大的介電損耗．納米氮化硅的這種強介電損耗是由于界面極化引起的納米氮化鐵具有很高的飽和磁感應強度和飽和磁流密度．有可能成為性能優(yōu)良的納米雷達波吸收劑。

2．導電、導熱等功能材料納米氮化鈦具有優(yōu)良的導電性能．在A1，O 基體中加入納米氮化鈦顆?？捎行Ы档推潆娮杪?。隨著納米氮化鈦加入量的增加．復合材料的電阻率逐漸降低．當加入的納米氮化鈦體積含量達~U20％以后．復合材料的電阻率趨于穩(wěn)定。為5．5x10-3~．cm。添加超高導熱納米氮化鋁的硅膠具有良好的導熱性和電絕緣性、較寬的電絕緣使用溫度 工作溫度一6oX3200~2)、較低的稠度和良好的施工性能．可廣泛應用于子器件的熱傳遞介質中．能夠提高工作效率．如CPU與散熱器填隙、大功率三極管、可控 硅元件、二極管、與基材接觸的細縫處的熱傳遞介質等納米氮化鋁粉體可大幅提高塑料的導熱率。將納米氮化鋁粉體以5％～10％的質量比例添加到塑料中．可使塑料的導熱率從0．3w／(ni．k)提高到5W／(m．k)，導熱率提高了l6倍多。與目前市場上的導熱填料(氧化鋁或氧化鎂等)相比，其添加量低。對制品的機械性能有提高作用。目前，相關廠家已大規(guī)模采購納米氮化鋁粉體．新型納米導熱塑料將投放市場納米氮化鋁粉體與二氧化硅的匹

配性能好．在橡膠中容易分散．在不影響橡膠的機械性能的前提下(實驗證明．對橡膠的機械性能還有提高作用)可大幅提升硅橡膠的導熱率．在添加過程中不像氧化物等會使黏度下降慢．添加量很小，現(xiàn)已廠泛應用于軍事、航空。以及信息工程領域。

3．涂層材料

納米材料用作涂層可提高工件的耐磨性、抗剝蝕性和抗氧化性。研究表明，用納米碳化硅、碳化鋯、碳化鈦、氮化鈦、碳化硼等粉體作為金屬表面的復合涂層．可獲得超強耐磨性和潤滑性．其耐磨性比軸承鋼高100倍．摩擦系數(shù)為0．06～0．1．同時還具有高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性。在液體火箭發(fā)動機關鍵零部件中應用納米技術．可大大延長這些零部件的使用壽命 4．特種密封材料發(fā)動機出現(xiàn)故障最多的是各種密封面的失效．密封面的表面質量是決定密封性能好壞的主要因素．和用納米材料改性密封零件基體或在密封表面覆蓋一層納米粉末極大地改善其密 性能。目前。密封橡膠所用的增強劑多為納米級炭黑．若改用納米氮化硅使其拉伸強度提高1 4倍．并改善其耐磨性和密封性。5．固體火箭推進劑 將納米金屬粉添加到固體火箭推進劑中．可顯著改善固體推進劑的燃燒性能。例如，在固體火箭推進劑中添加納米級鋁粉或鎳粉．推進劑燃燒效率可得到較大提高、燃速顯著增大。含有納米金屬鋁粉的固體推進劑燃速比含有常規(guī)鋁粉的固體推進劑的燃速高5 20倍.

第四篇：淺論納米材料的特性及應用

淺論納米材料的特性及應用

人類 論文關鍵詞：納米尺寸；性能

論文摘要：納米尺寸開辟科學新領域，介紹納米材料的神奇特性及在生活中的應用。

對物質世界的研究，曾小到原子、分子，大到宇宙空間。從無限小和無限大兩個物質尺寸去認識物質，使人們了解到世界是物質的。物質是由原子或分子構成的，原子、分子是保持物質化學、物理理特性的最小微粒。這為人類認識世界、改造世界推進科學的向前發(fā)展提供了堅實的理論基礎，也產(chǎn)生了一個個的科學原理和定理，推動了人類生產(chǎn)和生活的不斷向前發(fā)展。

隨著科學研究的進一步發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)當物質達到納米尺度以后，大約在這個范圍空間。物質的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀物質的特殊性能的物質構成的材料，即為納米材料。

過去，人們只注意原子、分子，或者宇宙空間，常常忽略他們的中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，它的性能并引用納米概念的是日本科學家。他們發(fā)現(xiàn)：一個導電，米尺度以后，它就失去原來的性質，度，大約是在1效應，量子隧道效應等及由這些效應所引起的諸多奇特性能。學特性，這些特性在光、電、磁、催化等方面具有非常重大應用價值。

近年來，已在醫(yī)藥、1醫(yī)學方面的應用：

目前，國際醫(yī)學行業(yè)面臨新的決策，從動植物中提取必要的物質，的想法，隨著健康科學的發(fā)展，高藥效，發(fā)展藥物定向治療，必須憑借納米技術。數(shù)層納米粒子包裹的智能藥物進入人體，以納米磁性材料作為藥物載體的靶定向藥物，覆蛋白質表面攜帶藥物，納米粒子的尺寸小，可以在血管中自由的滾動，因此可以用檢查和治療身體各部位的病變。利用納米系統(tǒng)檢查和給藥，受人們的歡迎。

2在涂料方面的應用；

納米材料由于其表面和結構的特殊性，的涂層技術，再給涂料中添加納米材料，傳統(tǒng)涂層功能改性從而獲得傳統(tǒng)涂層沒有的功能，耐腐蝕、變色等。在涂料中加入納米材料，可進一步提高其防護能力，實現(xiàn)防紫外線照射，耐大氣侵害和抗降解等，在衛(wèi)生用品上應用可起到殺菌保結作用。在建材產(chǎn)品如玻璃中加入適宜的納米材料，可達到減少光的透射和熱估遞效果，產(chǎn)生隔熱，阻燃等效果。由于氧化物納米微粒的顏色不同，黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。色的效應。在汽車的裝飾噴涂業(yè)中，將納米使涂層產(chǎn)生豐富而神秘的色彩效果，從而使傳統(tǒng)汽車面色彩多樣化。

3在化工方面的應用；只是以前沒有認識到這個尺度的范圍的性能。表現(xiàn)出既不導電，也不導熱。納米這個范圍空間，就會產(chǎn)生特殊的表面效應，體積效應，量子尺寸生物、環(huán)境保護和化工等方面得到了應用，那就是用納米尺度發(fā)展制藥業(yè)。然后在納米尺度組合，人們對藥物的要求越來越高?？芍鲃铀阉鞑⒐舭┘毎蛐扪a損傷組織，注射到人體血管中，避免身體健康部位受損，可獲得納米復合體系涂層，實現(xiàn)功能的飛躍，納米材料的顏色不僅限粒徑而變，第一個真正認識到導熱的銅、材料在尺寸上達到納米尺擁有一系列的新穎的物理和化 并顯示出它的獨特魅力。納米生物醫(yī)學就是最大限度發(fā)揮藥效，這恰恰是我國中醫(yī)控制藥物釋放減少副作用，提納米粒子可使藥物在人體內方便傳輸。用稱為“定向導彈”。該技術是在磁性納米微粒包通過磁場導航輸送到病變部位，可以大大減小藥物的毒副作用，如；有超硬、耐磨，抗氧化、這樣可以通過復合控制涂料的顏色，而具有隨角度變Tio2添加在汽車、轎車的金屬閃光面漆中，能 ～100納米 尤其是因而深借助于傳統(tǒng)使得阻燃、克服碳1銀導體做成納～100然后釋放藥物。

具有一般材料難以獲得的優(yōu)異性能。耐熱、化工業(yè)影響到人類生活的方方面面，如果在化工業(yè)中采用納米技術，將更顯示出獨特畦力。在橡膠塑料等化工領域，納米材料都能發(fā)揮重要作用。如在橡膠中加入納米Sio2，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。納米Al2O3和SiO2,加入到普通橡膠中，可以提高橡膠的耐磨性和介電特性，而且彈性也明顯優(yōu)于用白炭黑作填料的橡膠。塑料中添加一定的納米材料，可以提高塑料的強度和韌性，而且致密性和防水性也相應提高。最近又開發(fā)了食品包裝的TiO2.納米TiO2能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產(chǎn)生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業(yè)廢水中的有利污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優(yōu)點，在環(huán)保水處理中有著很好的應用前景。

4其他生活方面的應用：

納米技術正在悄悄地滲透到老百姓衣、食、住、行各個領域?；w布料制成的衣服雖然艷麗，但因摩擦容易產(chǎn)生靜電，因而在生產(chǎn)時加入少量金屬納米微粒，就可以擺脫煩人的靜電現(xiàn)象。不久前，關于保溫被、保溫衣的電視宣傳，提到應用了納米技術。納米材料可使衣物防靜電、變色、貯光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣機等一些電器時間長了容易產(chǎn)生細菌，而采用了納米材料，新設計的冰箱、洗衣機既可以抗菌，又可以除味殺菌。紫外線對人體的害處極大，有的納米微粒卻可以吸收紫外線對人體有害的部分，市場上的許多化妝品正是因為加入了納米微粒而具備了防紫外線的功能。傳統(tǒng)的涂料耐洗刷性差，時間不長墻壁就會變的班駁陸離，納米技術應用之后，涂料的技術指標大大提高，外墻涂料的耐洗刷性提高很多，以前的電視、音響等家電外表一般都是黑色的，被稱為黑色家電，這是因為家電外表材料中必須加入碳黑進行靜電屏蔽。如今可以通過控制納米微粒的種類，進而可控制涂料的顏色，使黑色家電變成彩色家電。

其實，納米技術最早只是合成，限于納米微粒，后來有了其他形貌，大概3-40年。第二階段是復合，核殼結構，薄膜，分形等，都是這個階段，大概在90年代到2000年。第三階段是功能化，現(xiàn)在的文章也很注重應用了，沒有應用前景的是發(fā)不了高檔次的，當然，功能化還是有點復合的味道的，因為這是一個不可分割的過程。我么現(xiàn)在所處的時段就是功能化。

在我的觀點看來，至于納米材料的前景，很大程度上要看這一二十年了，如果沒有不可代替的應用必要，那么其前景將暗淡，會想超導材料一樣，熱了幾十年，現(xiàn)在限于停滯，國外基本上不大規(guī)模搞了。

任何一項技術的進展都是十分緩慢的，既然我們生存的一個宏觀世界，納米世界的物質的安全性也要考慮的，所以很多應用還只是實驗室階段，這就限制了應用，但是這是發(fā)展的必要。

總之，在未來生活中，納米技術將帶給我們無限的舒心與時尚，使人類的生存的條件更加優(yōu)越。

第五篇：納米材料的制備及應用要點

本科畢業(yè)論文(設計)

題目： 納米材料的制備及應用

學院： 物理與電子科學學院

班級： XX級XX班

姓名： XXX

指導教師： XXX 職稱：

完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日

納米材料的制備及應用

摘要:近幾年來，由于納米材料有眾多特殊性質，人們越來越關注納米材料?？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，以及納米技術在將來的應用。關鍵詞：納米材料 物理方法

化學方法應用前景

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.高頻感應加熱法.........................................................................5 1.4.濺射法..................................................................................................6 2.納米材料的化學制備方法.................................................................................7 2.1化學沉淀法............................................................................................8 2.2化學氣相沉積法...................................................................................8 2.3化學氣相冷凝法....................................................................................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.納米材料的應用前景.....................................................................................14 5.總結.............................................................................................................14 參考文獻..........................................................................................................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，如小尺寸效應可引起物理性質的突變，從而具有獨特的性能；量子尺寸效應和表面與界面效應使其具有了一般大顆粒物不具備的性質，如對紅外線、紫外線有很強的反射作用，應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)學方面都有非常重要的價值[1]。多年以來，通過科學家們的潛心研究，使納米材料在其制備及其應用中得到了很大的發(fā)展。納米材料將逐漸進入人們的日常生活，并將成為未來新工業(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.機械粉碎法儀器圖

1.2球磨法

球磨法是將材料放入球磨機內，在球磨機的轉動或振動過程中，鋼球與原料之間產(chǎn)生劇烈的碰撞，再經(jīng)過攪拌、研磨，形成納米微粒。該方法操作比較簡單，效率高，能獲得常規(guī)方法不易得到的高熔點合金，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，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)、電弧高頻反應等方法使原料生成等離子體，再在介質中冷卻凝結行成納米微粒。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，氣相反應物可在吸收傳遞能量之后快速凝結成核、長大、終止[3]。用該方法可以達到減少雜質的目的，實驗過程容易控制，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)法制備納米顆粒實驗裝置圖

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），然后對物質進行真空加熱，使其蒸發(fā)形成原子霧，原子霧遇冷凝結形成納米顆粒[4]。這種在高溫下獲得的納米微粒很?。尚∮?0nm），在制備過程中無其它雜質污染，反應快，成品純度高，材料組織好。但這種方法僅能制備成分單

一、熔點低的物質。在制備金屬氧化物、氮化物等高熔點物質的納米微粒時還存在很大局限性。而且此方法對設備要求高、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)后遇冷凝結成核、長大，最終形成納米微粒。此方法只可以用來制備金屬納米粉末。

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性氛圍中，通過直流放電來使氣體電離，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、氮化物等高熔點物質納米微粒的制備。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驗裝置圖

1.3.5.高頻感應加熱法

高頻感應加熱法：用高頻線圈作為熱源，坩堝內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行成納米微粒[6]。此方法僅限于制備低熔點的物質，并不適合于沸點高的金屬盒難熔化物質，且成本加高，一般不采用。

圖8.高頻感應加熱法制備納米納米微粒實驗裝置圖

1.4.濺射法

濺射法：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽極，兩極之間充入Ar氣，壓強在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合力強、鍍膜層致密、均勻等優(yōu)點。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.納米材料的化學制備方法

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

2.1化學沉淀法

化學沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑，使其反應生成難溶物或水和氧化物，再經(jīng)過慮、干燥、分解得到納米化合物微粒；化學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，均勻沉淀法是預沉淀劑在溶液中緩慢反應釋放出沉淀劑，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，再進行熱分解或得納米微粒；此方法是液相化學合成納米微粒應用最多的方法之一，其中關鍵是控制粉末成分的均勻，避免形成硬團聚。這種方法在冷凍干燥過程中，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聚現(xiàn)象[9]。沉淀法制備納米微粒時成品的影響因素比較多，如過濾過程，洗滌液的濃度、酸堿度等都會影響納米微粒的大小；此種方法操作簡單，但很容易引入新的雜質，影響產(chǎn)品的純度。2.2化學氣相沉積法.化學氣相沉積法又叫CVD法，就是原材料在氣相中發(fā)生化學反應得到納米材料，所用的加熱源與物理氣相沉積法相同[10]。普通的化學氣相沉積法得到的納米微粒易團聚燒結，而且比較粗，用等離子體增強化學氣相沉積法就可以很好的避免上述情況的發(fā)生?；瘜W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，化學氣相沉積法由于制備工藝簡單，設備投資少，方便操作，適于大規(guī)模生產(chǎn)，工業(yè)應用前景較好。化學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、復合氧化物等膜材料。隨著制備納米材料的技術逐步完善，化學氣相沉積法將會由更廣泛的應用[11]。

圖10.化學氣相沉積法制備納米微粒的實驗裝置圖

圖11.化學氣相沉積法制備納米微粒的原理圖

圖12.化學氣相沉積法獲得的各種形態(tài)固體示意圖

2.3化學氣相冷凝法

化學氣相冷凝法就是在真空室中充入惰性氣體，壓強在10Pa左右，原材料和惰性氣體先在磁控濺射裝置中反應，在經(jīng)過冷凝得到納米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，簡稱CVC法，目前已經(jīng)成功應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，溶質發(fā)生水解生成納米級的微粒并形成溶膠，溶膠經(jīng)過蒸發(fā)、干燥轉變?yōu)槟z(該法在低溫下反應，允許摻雜大量的無機物和有機物)，再經(jīng)過干燥、燒結等后處理獲得氧化物納米微粒；這種方法常涉及的反應有聚合反應、水解反應[13]。目前，溶膠--凝膠法一般又分為兩種：膠體化學法和金屬醇鹽水解法。其優(yōu)點是操作簡單，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構，表面積較大，在氣敏、濕敏及催化方面有很大的應用，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容器中，將水溶液作反應體系，對水溶液加熱增大體系壓強來制備無機材料，再經(jīng)過分離、熱處理得到納米微粒；離子反應和水解反應在水熱條件下可得到加速、促進，常溫下反應很慢的熱力學反應，在水熱條件下就可以快速反應；在高壓下，大部分反應物能部分溶于水中，使得反應在液相或氣相中進行[14]。

水熱法可以控制微粒的形態(tài)、結晶度、組成和大小，使用此法獲得的粉體具有較低的表面能，因此粉體一般無團聚或少團聚。這一特點大幅度提高了粉體的燒結性能，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。水熱法缺點是一般只能制備氧化物納米粉體，對晶核的形成過程以及晶體生長過程中的控制影響因素等許多方面還缺乏深入研究。此外，水熱法制備過程中有高溫、高壓步驟，對生產(chǎn)設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高質量的晶體薄膜。在真空條件下，加熱裝有各種所需組分的爐子，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過小孔形成分子束或原子束，直接噴到單晶基片上，同時控制分子束，對襯底掃描，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

分子束外延法生長溫度低，能減少不希望的熱激活過程，生長速度緩慢，外延層厚度可得到精確控制；生長表面可達到原子級光滑度，可制備極薄的薄膜；生長的薄膜可以保持原來靶材料的化學計量比；把分析測試設備與生長系統(tǒng)結合在一起，實現(xiàn)薄膜生長的原位監(jiān)測[16]。分子束外延法也有不足的地方，如對真空要求非常高，分子束外延設備貴投資大，能耗大。3.2靜電紡絲法

靜電紡絲法是在高壓電場作用下使聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電，當電場力達到一定程度時，聚合物液滴在電場力作用下克服表面張力形成噴射流[17]。噴射時，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)點很多，如裝置簡單、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。納米技術的發(fā)展使靜電紡絲作為一種簡便有效的生產(chǎn)納米纖維的新型制備技術，將會在生物、醫(yī)用、催化、光電、食品工程、化妝品等領域發(fā)揮巨大的作用。4.納米材料的應用前景

納米材料有很多優(yōu)異的特點，使得納米材料有很多不同于一般材料的奇特性質。納米材料的應用有著廣闊的應用前景。采用納米技術制造的納米結構微處理器在微電子和計算機技術方面其效率要比普通微處理器的效率高100萬倍；納米存儲器的密度比普通存儲器的要高1000倍；而納米技術與集成技術結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能電池的能量轉換效率，還可以用來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（油污、細菌）在光的照射下，通過Ti02催化劑催化作用，變成氣體或容易被擦掉的物質。納米催化劑還可以徹底消除水或空氣中的有害物質。納米材料在減少環(huán)境污染、凈化環(huán)境上有廣闊的應用前景。在生物學工程與醫(yī)學方面，將磁性納米材料做為藥物載體，在外磁場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，可以實現(xiàn)免疫學的間接凝聚實驗,實現(xiàn)快速診斷。用納米材料制成的機器人，用來人體進行全方位的檢查，可消除血栓、心臟動脈脂肪沉積物。5.總結

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將隨著科學技術的發(fā)展更加成熟，將對人們的生活和人類生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。

隨著納米技術的發(fā)展，各個學科領域都開始廣泛應用納米材料。這必將會不斷出現(xiàn)更新更好的制備方法，希望在將來以下幾個方面可取得突破。

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

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

(3)設計出新的制備方法，采用新的制備工藝，在原有納米材料的基礎上，提高納米材料的功能。

參考文獻

[1].張立德，牟季美。納米材料和納米結構[M].北京:科學出版社，2001.146 [2].齊民，楊大智，朱敏.機械合金化過程的固態(tài)相變[J].功能材料.1995(26):472-475 [3].郭永，鞏雄，楊宏秀.納米微粒的制備方法及其進展[3].化學通報，1996,3.1 [4].Gleiter H , On the structure of grain boundaries in metals [J].Mater Sci.Eng,1982,52,91 [5].Vissokov G.P, Plasmachemical technology for high-dispersion products[J],J.Master.Sci,1988,23,2415 [6].馬劍華.納米材料的制備方法[J].溫州大學學報，2002,6（15）.[7].林峰.納米材料的制備方法及應用[J].廣東技術師范學院學報,2007,7 [8].劉珍，梁偉，許并社，市野瀨英喜.納米材料制備方法及其研究進展[J].2000,9(3).[9].徐華蕊，李鳳生.沉淀法制備納米粒子的研究[J].化工進展.1996(5)29-33 [10].IZAKI K, HAKKEI K.Ultrastructure progressing for advanced ceramic [M].Willey.1988.[11].ALKIMUNE Y.High pressure research on nanocrystallin solid materials [J].J Mater Sic, 1990(25):3439-3445.[12].陳月輝，趙光賢.納米材料的特性和制備方法及應用[J].橡膠工業(yè)，2004,51.[13].劉珍，梁偉，許并社，市野瀨英喜.納米材料制備方法及其研究進展[J].2000,9(3).15

[14].馬劍華.納米材料的制備方法[J].溫州大學學報，2002,6（15）.[15].王兆陽，胡禮中，孫捷，等．激光分子束外延技術及其在氧化鋅薄膜制備中的應用[J]．中國稀土學報，2003，12(1)：141-143．

[16].王兆陽，胡禮中，孫捷，等．激光分子束外延技術及其在氧化鋅薄膜制備中的應用[J]．中國稀土學報，2003，12(1)：141-143．

[17].吳大誠，杜仲良，高緒珊．納米纖維[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2003：23-26． [18].劉新云.納米材料的應用前景及其研究進展[J].安徽化工，2002（5）

致謝

本論文在XXX的悉心指導下完成的，她淵博的專業(yè)知識，嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度使我受益非淺。在此謹向XXX老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。感謝我的學友和朋友對我的關心和幫助。

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