认识纳米材料必读.doc

纳米材料从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在.微米以下（注米厘米，厘米微米，微米纳米，纳米埃），即纳米以下。因此，颗粒尺寸在纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。 纳米金属材料是世纪年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。纳米材料比表面积研究是非常重要的，纳米材料比表面积检测数据只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，国内目前有很多仪器只能做直接对比法的检测，现在国内也被淘汰了。目前国内外比表面积测试统一采用多点BET法，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，请参看我国国家标准（GB/T 19587-2004）-气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。比表面积检测其实是比较耗费时间的工作，由于样品吸附能力的不同，有些样品的测试可能需要耗费一整天的时间，如果测试过程没有实现完全自动化，那测试人员就时刻都不能离开，并且要高度集中，观察仪表盘，操控旋钮，稍不留神就会导致测试过程的失败，这会浪费测试人员很多的宝贵时间。F-Sorb 2400比表面积测试仪是真正能够实现BET法检测功能的仪器（兼备直接对比法），更重要的F-Sorb 2400比表面积测试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。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。纳米材料具有一定的独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。就熔点来说，纳米粉末中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体，当粒子尺寸小至无法区分出其磁区时，即形成单磁区之磁性物质。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜时，将成为优异的磁性材料。纳米粒子的粒径（10纳米100纳米）小于光波的长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成强烈对比。纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。纳米材料分类纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。纳米粉末： 又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏感元件；高韧性陶瓷材料（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等。纳米纤维： 指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。纳米膜： 纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可用于：气体催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。纳米块体： 是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。纳米材料的用途很广，主要用途有： 医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。 家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。 电子计算机和电子工业 可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。 环境保护 环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染，并能够对这些制剂进行过滤，从而消除污染。 纺织工业 在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。 机械工业 采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。新发布的七项纳米材料标准内容简介纳米材料是20世纪80年代末90年代初发展起来的前沿性、交叉性的新兴材料。纳米材料的研究中涉及了许多未知过程和新奇现象，很难用传统的术语定义和标准进行解释。为了指导和规范纳米材料的发展，2002年科技部将制定“纳米材料标准”标准列为“基础性研究课题”。2004年9月29日和12月27日国家标准化管理委员会分别以国标委标批函2004146号、147号、148号和 173号文批准发布了纳米材料术语(GB/T19619-2004)等七项纳米材料国家标准，并于2005年4月1日起正式实施。这是我国首次批准发布有关纳米材料领域的国家标准，也是世界上首次以国家标准形式颁布的纳米材料标准。2005年2月28日国家质量监督检验检疫总局和国家标准化管理委员会在京联合召开我国首批七项“纳米材料国家标准新闻发布会”。该七项国家标准的主要起草单位是冶金工业信息标准研究院、钢铁研究总院、天津化工研究设计院、中科院纳米中心和有色金属技术经济研究院等单位。为了配合标准的贯彻实施，现将这七项标准作如下简要介绍。 新发布的七项纳米材料标准内容简介 -全国纳米材料标准化联合工作组 纳米材料术语随着纳米材料研究的发展和应用领域的逐步扩大，纳米材料有关术语标准的制定也渐渐为人们所重视。制定“纳米材料术语”标准，一方面对术语的概念严格定义，明确其内涵与外延，反映出基本特征，为人们概念选择提供最适当的术语，另一方面，也可以避免信息交流过程中的歧义和误解。该标准规定了纳米材料的一般概念的术语和纳米材料的特性、制备与处理方法、材料种类、以及表征方法等方面的具体概念的术语。但不包括由纳米材料制造的制品。本标准中有些术语的定义是直接引用现有的相关国家标准中的定义，或根据专家意见对现有的国家标准中的某些同名术语的定义略加修改；有些术语的定义是主要来自纳米材料相关书籍和文献资料，后经反复征求专家意见，不断修改后确定的。标准中的每个术语都列入英语对应词。确定其英语对应词的依据主要是以直接采用ISO标准中的英语术语为主，其次是参考采用现行标准、权威出版物、文献、辞书和手册中的最常见的英语用语。为了便于检索，该标准在附录中还分别列了汉语拼音索引和英文索引。 该标准适用于纳米材料的标准化文件和技术文件，用于定义共用的术语。值得一提的是，纳米材料术语是一个新的技术词汇，它所定义的技术范畴，随着该类技术的深入和扩展将变得越来越广泛。该标准中有些术语和定义可能对纳米材料表述不太确切，有些术语和定义还缺乏必要的理论依据，限于该标准起草小组的水平，疏漏和错误之处在所难免，欢迎专家批评指正。GB/T13321-2004纳米粉末粒度分布的测定-X射线小角散射法 X射线小角散射是发生在原光束附近O至几度范围内的相干散射现象，物质内部尺度在1纳米至数百纳米范围内的电子密度起伏是产生这种散射效应的根本原因。该标准规定了利用X射线小角散射技术测定纳米粉末粒度分布的方法。它适用于测定颗粒尺度在1nm300nm范围内的粉末的粒度分布，对于无机、有机溶胶和各种悬浮液中微粒尺寸的测定，也可参照执行。其粒度分析结果所反映的既非晶粒亦非团粒，而是一次颗粒的尺寸，即使它们发生团聚，也不会对测试结果产生重大影响，因此其制样方法相对比较简单，对颗粒分散的要求不像其他方法那样严格。另外，在测定中参与散射的颗粒一般高达数十亿个，在统计学上有充分的代表性，数据的重复性良好。在制定该标准时，起草小组对上述关键问题作了充分的实验验证。 当粉末的颗粒形状偏离球形时，该标准方法给出的是等效散射球直径。对于有微孔存在的粉末(或多孔固体)，当颗粒(或骨架)的尺寸大于0.5um时，该方法也可以用来测定其中的纳米孔径分布。 该标准以坚实的理论基础和大量的实验验证为依据，规范了X射线小角散射粒度分析的环境条件、仪器要求、样品制备、操作方法、数据处理和结果的报出等重要环节。它是在“lSO/TS13762：2001Particlesizeanalysis-SmallangleX- rayscatteringmethod的基础上，又吸纳了近年来相关的技术进步，并利用各种机会广泛征求了专家意见，通过审查会逐字逐句的推敲琢磨，反复修改而最终定稿的。标准中所采用的数据处理方法由起草单位提出，他们还开发出相应的计算机软件，使这项颇为复杂的测试分析上作变得比较简便易行，对此我国拥有独立的知识产权。GB/T19587-2004气体吸附BET法测定固态物质比表面积放入气体中的样品，其物质表而(颗粒外部和内部通孔的表面)在低温下将发生物理吸附。当吸附气体达到平衡时，测量平衡吸附压力和吸附的气体量，根据BET方程式，可求出试样单分子层吸附量，从而计算出试样的比表面积。 该标准根据气体吸附的BET原理，规定了测定固态物质比表而积的方法。它适用于粉末及多孔材料(包括纳米粉末及纳米级多孔材料)比表面积的测定，其测定范围是O.00l1000平方米/g。测量方法计有容量法、重量法和气相色谱法。一般采用氮气作为吸附气体，但比表面积极小的样品可选用氪气。在测量之前，必须对试样进行脱气处理，这一点对于纳米材料尤为重要。通过脱气可除去试样表面原来吸附的物质，但要避免表面之不可逆的变化。该标准为非等效采用IS09277：1995Determinationofthespecificsurfaceareaof _ solids bygasadsorptiOnusingtheBETmethod. GB/T19588-2004纳米镍粉 纳米镍粉的早期制取完全是出于军事目的。自上世纪60、70年代以来，随着工业发展，纳米镍粉也应用到民用上业领域中去，如超大规模集成电路用的导电胶，阴极射线管用的吸气剂、颜料等等。其制取方法也出现了蒸发冷凝法、电爆炸法、等离子电弧法、水热氢还原法等等。国内有钢铁研究总院、吉林大学、沈阳工业大学、深圳尊业纳米材料公司等多家单位从事纳米镍粉的研究和生产工作。很多厂家的产品供应出口。各生产厂家和研究单位的生产方法不同，产品牌号的划分及检测方法也不统一，情况比较混乱。 该标准的主要内容是规定了纳米镍粉的要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输、贮存及合同内容。该标准全而涵盖各种不同生产方法的产品，将纳米镍粉的产品牌号划分为3种牌号。对于氧含量的技术指标各生产厂家的分歧严重，最后达成一致。关于纳米镍粉产品的检查、验收、组批、取样方法、判定检验结果等都在标准中作了详细的规定，并得到专家的一致认可。为了避免标准文本的繁琐，也避免衍生出新的标准，该标准尽可能引用相关国家标准，如已存在的包装、检验分析的国家标准。但纳米镍粉有易吸湿、易氧化、易燃烧、易爆炸、化学性质活泼的特点，其包装、运输、储存有相对的特殊性，该标准对此也有相应的规定GB/T19590-2004超微细碳酸钙 碳酸钙按平均粒径可分为5个粒度等级：微粒(5um)、微粉(15um)、微细(0.151um)、超细(0.01O.1um)、超微细 (0.O1um以下)，主要用于塑料、橡胶、造纸、涂料、油墨等行业。超微细碳酸钙即为纳米碳酸钙，由于其粒子的超细化，其晶体结构和表而电子结构发生变化，产生了普通碳酸钙所不具备的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应，在磁性、催化性、光热阻和熔点等方面与常规材料相比显示出更优越的性能。将其填充在橡胶、塑料中能使制品表而光艳、伸长度大、抗张力高、抗撕力强、耐弯曲、龟裂性良好，是优良的白色补强性填料。在高级油墨、涂料中具有良好的光泽、透明、稳定、快干等特性。 纳米碳酸钙指标项目的设立是基于表征纳米碳酸钙和实际应用两方面的需要，同时参考了国外某些公司纳米级碳酸钙的化学指标和物理指标，考虑到目前国际上比较高档的纳米碳酸钙产品的粒径都在50nm以下，相应比表面积也较高，因而该国家标准中将产品分为两个牌号：NCC-50和NCC-100。综合上述情况确定纳米碳酸钙指标：_主含量、粒径、团聚指数、比表而积、吸油量、白度、水分、pH、盐酸不溶物；同时提出屈服值和透明度两项应用指标。 试验方法采用容量法、透射电镜法、XRD线宽化法、BET氮气吸附法、激光散射法、重量法、三茨基值白度测定法等。GB/T19589-2004纳米氧化锌 氧化锌的用途很广，一可作为天然橡胶、合成橡胶及胶乳的硫化活性剂和补强剂以及着色剂；纳米氧化锌由于颗粒细，比表而积大，更能增强硫化橡胶的物理性能。二可作催化剂、脱硫剂；纳米氧化锌的表面高活性可以提高催化剂的选择性能和催化效率。三可作为涂料的填料防腐剂和发光剂；纳米氧化锌优异的紫外线屏蔽能力，除上述性能外，使其在涂料的抗老化等方向具有更为突出的特性。四可作为玻璃和陶瓷的助熔剂：纳米氧化锌由于颗粒细、活性高，可以降低玻璃和陶瓷的烧结温度，此外利用纳米氧化锌制备的陶瓷釉面更加光洁，而且具有抗菌、防酶、除臭等功效。五在电子工业中是压敏电阻的主原料，也是磁性、光学等材料的丰要添加剂；采用纳米氧化锌制备压敏电阻，不仅具有较低的烧结温度，而且压敏电阻性能得到提高，如通流能力、非线性系数等。纳米氧化锌在光学器件中的应用将随着纳米氧化锌光学性能的深入研究会取得比较大的突破。另外，还可在印染工业中作为防染剂等 制定纳米氧化锌标准遵循的基本思路是既体现出表征纳米颗粒特性的参数，同时又能适应各种生产方法，结合纳米氧化锌的主要应用领域要求，如橡胶行业、化妆品行业、化纤行业、电子行业等。经调查国内目前生产纳米氧化锌的规模工艺主要是水热法和碳酸盐分解法，基于这两种工艺产品的特点，再根据应用的实际要求，将产品划分了三个类别： 1类：主要用于医药、化妆品、电了材料；2类：主要用于橡