纳米材料1范文

纳米材料纳米材料1 1范文范文 纳米材料的合成制备 表征及应用等方面的研究进展Modern ChemicalProgress姓名李伟班级07级化学工程与工艺学号xx1090103 4指导教师邹敏 田从学攀枝花学院 生物与化学工程学院 化学工 程与工艺纳米材料的合成制备 表征及应用等方面的研究进展李伟 攀枝花学院 四川攀枝花 617000 摘要纳米材料是由尺度在1 100nm的微小颗粒组成的体系 由于它具有独特的性能而备受关注 本文主要介绍当前纳米材料的研究进展和一些特定纳米材料的研究 情况 并对纳米材料的发展方向提出个人的看法 关键词纳米材料Preparation ofnano materials synthesis characterization andapplications ofthe research progress LiWei Panzhihua University SiChuan Panzhihua 617000 Abstract Nanometarials are1 100nm tinyparticles inthe airsystem Due toits uniqueperformance andconcern This papermainly introducesthe currentnanomaterials the researchprogress andsome specificresearchprogressof nanomaterials and developmentof nanometermaterials directionputs forwardpersonal opinions Key word nanomaterials1引言著名物理学家 诺贝尔奖获得者理查德 费曼预言 人类可以用小的机器制作更小的机器 最后实现根据人 类意愿逐个排列原子 制造产品 这是关于纳米科技最早的梦想 1991年 美国科学家成功地合成了碳纳米管 并发现其质量仅为同 体积钢的1 6 强度却是钢的10倍 因此称之为超级纤维 这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度 纳米材料正式出现在我们的生活之中 一般认为纳米材料应该包括两个基本条件一是材料的特征尺寸在1 100nm之间 二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化 学特性 就是由于纳米材料这种特殊的物理性质 在21世纪它的应用和发展 备受关注 2纳米材料研究进展2 1制备与合成进展从Gleiter等应用惰性气体凝 聚 IGC 结合原位冷压成型法在实验室首次制备出纳米晶体样品以 来 又提出和发展了机械研磨法 非晶态晶化法 电沉积法等许多种制 备方法 纳米材料的制备及合成方法一直是纳米材料研究领域的一个很重要 的课题 因为制备工艺和过程的研究与控制对超微粒的微观结构和宏观性能 具有重要的影响 所以纳米超微粒的制备技术成为关键 制备纳米超微粒的途径大致有两种一是粉碎法 即通过机械作用将粗 颗粒物质逐步粉碎而得 另一种是造粉法 即利用原子 离子或分子 通过成核和长大两个阶段合成而得 以物料状态来分则可归纳为三类气相法 包括物理气相沉积 化学气 相沉积 微波等离子体 溅射法等 液相法 包括化学沉积 溶胶一 凝胶过程 凝胶一燃烧法 溶液的热分解和沉淀 快速凝固 电沉 积法等 固相法包括非晶态晶化 高能机械球磨 严重塑性变形 等槽角压 高能粒子辐照和火花蚀刻等 其中 以惰性气体冷凝法最 具有代表性 目前在制备及合成技术中存在两个主要的困难1 目前的合成技术难 于合成理想的 即大尺寸 无污染 无微孔隙且晶粒尺寸细小均匀的 纳米样品 2 由于成本昂贵 样品尺寸及材料类型的限制 使得大多数合成纳米 材料的技术尚难于实现工业化 关于纳米材料制备科学的研究主要集中在两个方面1 纳米粉末的制 备技术 理论机制和模型 以便提高纳米材料的质量和产量 2 纳米粉末的固结技术 以获得密度和微结构可人为控制的材料纳 米材料的制备及合成技术必将成为今后一段时间纳米材料的一个主 要的研究方向 因为它不仅直接影响到对纳米材料的结构和性能的深 入研究 而且也对它的应用起着决定性的作用 2 2纳米材料的应用由于纳米微粒的小尺寸小英 表面效应 量子尺 寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁 光 电 敏感等方面 呈现常规材料的不具备的特性 因此纳米颗粒在磁性材料 电子材料 光学材料 高致密度材料的 烧结 催化 传感 陶瓷增韧等方面有广阔的引用前景 可以预见其将在新世纪中在新材料 能源 信息等各个领域发挥愈 来愈重要的作用 纳米材料的应用领域性能磁性磁记录 磁性液体 永磁材料 吸波 材料 磁光元件 慈存储 磁探测器 磁制冷材料光学性能吸波隐 身材料 光反射材料 光通信 光存储 光开关 光过滤材料 光 导电体发光材料 光学非线性元件 红外线传感器 光折变材料电 学性能导电浆料 电极 超导体 量子器件 压敏和非线性电阻敏 感性能热敏 湿敏 气敏 热释电热学性能低温烧结材料 热交换 材料 耐热材料显示 记忆性能力学性能超硬 高强 高韧 超塑 性材料 高性能陶瓷和高韧高硬图层催化性能催化剂燃烧特性固体 火箭和液体燃料的阻燃剂 助燃剂流动性固体润滑剂 油墨悬浮特 性各种高精度抛光液其他医用过滤器 能源材料 环保用材2 3纳米 材料的结构表征用途显示装置 电学装置 电泳装置 7 8 若干结构表征方法包括X 射线法 XRD 扩展X射线精细结构吸收谱 EXAFS X 射线光电子能谱 XPS 光谱法 扫描隧道显微镜 原子力显微镜 STM AFM 和有机质谱法 OMS 这简单介绍几种2 3 1X射线法 XRD 通过对X射线衍射分布和强度 的分析和解析 可获得有关晶体的物质组成 结构 原子的三维立 体坐标 化学键 分子立体构型和构象 价电子云密度等 及分子 间的相互作用的信息 X射线衍射也是测量纳米微粒的常用手段 它不仅可确定试样物相及其相含量 还可判断颗粒尺寸大小 2 3 2光谱法红外光谱是在电磁波红外区 15000 10cm 1 观察物质吸收和发射 以研究分子的振动和转动光谱的谱学方法 它根据谱带的特征频率研究物成分 定性 根据谱带强度确定样 品中某个组分含量 定量 它还可研究分子结构 如官能团 化 学键 鉴定异构体判断化合物结构 又利用谱带变化还可研究分子间的相互作用 此法优点是普适性强 应用范围广 对气 液 固态样品均可以测 定 除由各种官能团产生峰位相对稳定特征吸收峰外 还有对分子结构 变化极为敏感的 指纹区 1300 400cm 1 从而为物成分及结构分析提供可靠测定方法 2 3 3扫描隧道显微镜 STM 原子力显微镜 AFM 扫描隧道显微 镜 Scanning TunnelingMicroscopy 是一种基于电子隧道原理的显微镜 在2个距离非常小 典型的只有几 的导体间并在外加电场作用下 电子可以穿过2个导体间势垒而流动的现象称为隧道效应 这个穿越非常薄绝缘层 例如真空 空气或液体 的隧穿电子 就产 生可量度电流 其量值与2个导体距离 即操作针尖与分析样品表面 间距离或2导体间绝缘层厚度 呈指数关系 I Vexp C S 1 2 其中I 隧道电流 V 加在导体间电压 有效隧穿位垒 eV C 常数 S 两导体间距 原子力显微镜 Atomic forcemicroscopy 它的主要特征是不要求电导的表面 因为它测量 的是扫描探针和它的样品表面间的相互作用力 包括静电的 范德 华的 摩擦的 表面张力的 毛细的 和磁力的 因此它克服了STM 方法不足并成为它的互补 除了上述的谱学方法 其余方法可以参考文献 7 8 外 还有 各种磁谱 穆斯堡尔谱 各种表面分析谱和动态结构谱 如所周知 仅表面分析与表面结构表征方法即有100多种 这说明表 面表征的难度 在进行表面和其结构表征时 需要综合使用各种不 同的分析和结构表征方法以取长补短 相互印证 2 4微观结构研究纳米材料的微观结构直接影响到它的各种性质 因 此 对纳米材料的原子尺度和纳米尺度的微观结构的了解是很重要 关于纳米材料的微观结构 Siegel曾作过一个回顾 目前对纳米材料的微观结构研究主要集中在晶粒内部结构 晶界结 构和结构的稳定性2 5纳米材料的性能纳米材料主要集中在力学性能 和热力学性能的疲劳行为研究的比较少 有些结论甚至互相矛盾 总之 纳米材料呈现与普通多晶体材料截然不同的热力学 力学性能 与它的独特的微观结构 制备工艺 热历史有着密切的关系 如何正确地阐明纳米材料的结构与性能之间的关系 将是一项重要而 又艰巨的工作 2 三个方面 2 上的研究 目前对纳米材料3我国纳米材料研究情况及成果 3 1 在大尺寸纳 米氧化物体材料制备方面 成功地研制出致密度高 形状复杂 性 能优越的纳米陶瓷 处于国际领先地位 2 对颗粒膜巨磁电阻效应与微结构的关系 提出了在国际上有影响 的学术观点 3 对单一纳米材料 如Al2O 3 TiO 2 SiO 2 MnO 2 Fe2O3纳米微粒光吸收谱与颗粒尺寸 镶嵌介质的关系进行了系 统研究 4 研制了电变色NiO纳米微粒膜 纳米透明导电薄膜和非晶LaxTaOy 纳米固体电解质薄膜 5 系统开展了用液相化学还原法制备多个过渡金属元素 Fe Co Ni 等 和类金属 B P 纳米非晶合金 6 将水热合成推广到非水体系中 从而建立了溶剂加压热合成技术 4部分纳米材料研究进展4 1碳化硅纳米材料研究进展SiC材料是人造 共价键化合物材料 以其优异的高温强度 高热导率 高耐磨性和 耐腐蚀性 在航空航天 汽车 机械 电子 化工等工业领域得到 广泛的应用 在SiC纳米微粉的制备中方法很多 其中激光诱导化学气相沉积法制 备的SiC超微粒具有表面清洁 粒子大小可精确控制 无黏结 粒度 分布均匀等优点 并可制备非晶态纳米微粒 溶胶一凝胶工艺制备出纯度为99 92 颗粒尺寸10nm左右的B SiC纳米粉体 较为先进和国际广泛应用的是微波等离子法 与电弧等离子体技术 相比 微波等离子体为无极放电 可获得纯净且密度较高的粉体 与直流电弧或高频等离子体技术相比 它温度较低 在热解过程中 不致引起致密化或晶粒过大 SiC纳米晶须 包括纳米棒 纳米丝 纳米线 制备方法 主要有碳纳 米管模板法 纳米尺度液滴外延法 溶胶凝胶法与碳热还原法 但是 目前正在研究的制备方法都存在产量小 成本高 工序复杂 等缺点 如何降低成本 扩大规模是未来SiC纳米材料制备研究的重 点 而在SiC纳米颗粒制备技术的研究方面 还有许多理论和实践问题有 待研究 如1 对纳米颗粒的生成机理缺乏深入研究 2 对纳米颗粒的合成装置缺乏工程研究 3 纳米颗粒的收集和存放问题 4 2ZnO 维纳米材料的研究进展ZnO 维纳米材料结合ZnO本体性能和纳米尺度效应而具有独特的电 光 磁性能 有望在微电子器件和光电器件中发挥重要作用 在其制备方面 还是主要集中在固相和液相法 基于ZnO 维纳米材料合成方法和生长机制的不断发展 生长机制和控制原理 组成结构和物性的关系是当前纳米科学技术研究与发展的关键 就现在的研究情况看 要使ZnO纳米材料独特性能得到更充分地发挥 应用 还有很长的一段路要走 4 3纳米二氧化钛的研究进展纳米二氧化钛的制备方法主要有1 气 相法代表产品是德固赛 该法反应温度较高 设备腐蚀严重 工艺 参数要求高 因此产品成本较高 也不便对 4 5 纳米TiO2进 行形貌控制及掺杂改性 2 液相法有水解法 沉淀法 水热法 溶胶 凝胶法和微乳液法等 是制备纳米TiO2及其掺杂材料的重要方法 所得产品纯度高 质量 好 便于涂覆在各种载体上形成负载型催化体系 纳米二氧化钛的应用主要是1 光催化方面的应用有机污染废水处理 无机污染废水处理 杀菌材料 空气净化材料2 紫外屏蔽剂3 表面自清洁材料4 随角异色效应涂料5 静电屏蔽材料6 红外反射 材料7 红外吸收材料8 隐身材料9 增韧增强材料 5纳米材料的展望 6 5 1纳米技术在纺织领域的应用目前 纳米技 术在纺织方面的应用主要表现在纳米复合纤维及纳米技术在纺织后 等方面 纳米复合纤维化学纤维中加入纳米级添加剂 可以制造出新一代功 能性更强的 不同用途的优良复合化学纤维 这种方法的技术难度比直接制造纳米纤维的难度要低 是近期内纳 米技术在纺织领域中应用的主导方向 结合当前的实际情况 应考虑发展以下几类纤维抗紫外纤维 抗菌 和抑菌和除臭纤维 导电纤维 远红外纤维 空气负离子纤维 高 强高模量纤维 除了上述功能纤维以外 采用纳米粉体对纤维进行改性 还可以开 发多种功能纤维 如变色纤维 耐热纤维 芳香纤维 磁性纤维 储能纤维 发光纤维 阻燃纤维 吸水吸湿纤维 防水拒油纤维等 5 2纳米技术在织物后中的应用5 2 1直接涂层法获得功能性涂层先 将纳米微粒直接加入到织物剂中 使其均匀分散 然后使织物通过 包含纳米微粒的液 在粘合剂作用下直接涂覆在织物表面 形成功 能性涂层 5 2 2接枝技术法获得功能性涂层对于某些涂层牢度不够 功能性不 持久的情况 可采用接枝技术 具体可采用两条技术路线一是将对纳米材料有很强的配位能力的有 机化合物接枝到棉纤维上 制成简单的有机分子模板 再将纳米团 簇组装到纤维上 二是在制备纳米微粒时 用可接枝到纤维上的化 合物作为捕获剂 使纳米微粒通过捕获剂进行表面修饰形成 团簇 再把 团簇 接枝到纤维上 5 3纳米改性涂料实验研究表明 在各类涂料中添加纳米材料 如纳 米TiO2 可以制造出杀菌 防污 除臭 自洁的抗菌防污涂料 广 泛应用于医院和家庭内墙涂饰 防紫外线涂料 用于生产防紫外线 阳伞 吸波隐身涂料 用于隐形飞机 隐形军舰等国防工业领域及 其他需要电磁波屏蔽场所的涂敷 在涂料中添加纳米SiO2 可使涂料的抗老化性能 光洁度及强度成 倍提高 涂料的质量和档次大大升级 纳米二氧化钛超亲水性和超亲油性的开发应用将为涂层材料带来革 命 使表面具有自清洁功效 防污 防雾 易洗 易干 纳米材料改性外墙涂料的耐洗刷性可由原来的1000多次提高到1万多 次 老化时间延长2倍多 利用纳米材料的光学性能改性后的颜料色 彩艳丽 保持持久且极易分散 5 4纳米稀土纳米稀土是目前国内纳米材料发展的热点之一 目前正在重点开发纺织纤维用纳米稀土材料 PDP LED用稀土发光 材料 稀土荧光粉和高性能稀土合金 纳米稀土的主要应用方向为汽车尾气催化剂 如纳米CeO2 纺织 纤维添加剂 高性能稀土发光材料 陶瓷及涂层等 5 5纳米陶瓷氧化钇锆是一种应用广泛的陶瓷材料 用纳米氧化钇和 氧化锆能在较低温度下烧结成氧化锆陶瓷 具有很高的强度和韧性 可用作刀具和耐磨零件 也可制成陶瓷发动机部件