纳米材料的应用及发展

1、湖北汽车工业学院 本 科 生 课 程 论 文论 文 题 目 纳米材料的应用与发展 学生专业班级 材料科学与工程高分子KT1033-3 学生姓名（学号） 高凌瑞 20109330320 指 导 教 师（职称） 王天国 完 成 时 间 2013-12-22 纳米材料的应用与发展材料科学与工程高分子 高凌瑞指导老师 王天国摘要：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10100个原子紧密排列在一起的尺度，纳米材料又称为超细粉末。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。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

2、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，性能检测技术。近年来，纳米材料在生活，生产个领域都得到了应用。本文首先介绍了纳米材料的简史，然后分析了纳米材料的应用以及其未来的发展前途。关键词：纳米材料 纳米技术 纳米技术发展 纳米技术应用 纳米材料的前途Abstract: In a three-dimensional nano material is a space in at least one dimension in the nanoscale range (1-100nm), or by their basic unit composed of a materia

3、l, which corresponds to approximately 10 to 100 atomic scale closely spaced together, nanomaterials also known as ultra-fine powder. Nanotechnology is the worlds most promising decisive technology. Broad range of nanotechnology could include technical aspects of nanomaterials and nano processing tec

4、hnology, nano measurement technology, nanotechnology applications and so on. Which focuses on the production of nano-materials technology, performance testing technology of nano functional materials. In recent years, nanomaterials in life, production areas have been applied. This paper describes the

5、 brief history of nanomaterials, and then analyzed the application and its future development prospects of nanomaterials.Keywords: Nanomaterials Nanotechnology Nanotechnology development of future applications of nanomaterials.前言诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会

6、看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是现在的纳米材料。纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开的第一届国际纳

7、米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列

8、成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点，其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。1.介绍纳米材料1.1什么是纳米材料纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10100个原子紧密排列在一起的尺度1。从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化

9、的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。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。 图1.1纳米材料 图1.2纳米材料1.2纳米材料的发展史1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1100nm的粒子体系的研究工作。

10、到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段2。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布纳米材

11、料科学为材料科学的一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段（19901994年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段（1994年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新

12、热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本 内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有 纳米结构的体系3。2.纳米材料在各领域的应用2.1纳米材料在医疗上的应用血液中红血球的大小为6 0009 000 nm，而纳米粒子只有几个纳米大小，实际上比红血球小得多，因此它可以在血液中自由活动。如果把各种有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位，便可以检查病变和进行治疗，其作用要比传统的打针、吃药的效果好。碳材料的血液相溶性非常好，21世纪的人工心瓣都是在材料基底上沉积一层热解碳或类金刚石碳。但是这种沉积工艺比较复杂，而且一般只适

13、用于制备硬材料。介入性气囊和导管一般是用高弹性的聚氨酯材料制备，通过把具有高长径比和纯碳原子组成的碳纳米管材料引入到高弹性的聚氨酯中，我们可以使这种聚合物材料一方面保持其优异的力学性质和容易加工成型的特性，一方面获得更好的血液相溶性。实验结果显示，这种纳米复合材料引起血液溶血的程度会降低，激活血小板的程度也会降低。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4。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

14、中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。通过纳米粒子的特殊性能在纳米粒子表面进行修饰形成一些具有靶向，可控释放，便于检测的药物传输载体，为身体的局部病变的治疗提供新的方法，为药物开发开辟了新的方向。2.2纳米材料在污水处理中的应用在污水中通常含有有毒有害物质、悬浮物、泥沙、铁锈、异味污染物、细菌病毒等5。污水治理就是将这些物质从水中去除。由于传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题，污水治理一直得不到很好解决。纳米技术的发展和应用很可能彻底解决这一难题。污水中的贵金属是对人体极其有害的物质。它从污水中流失，也是资源的浪费。新的一种纳米技术可以将污水中的贵金属如金、钌、钯、铂等完全提炼出来，

15、变害为宝。一种新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力。它的吸附能力和絮凝能力是普通净水剂三氯化铝的1020倍6。因此它能将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来，先使水中不含悬浮物，然后采用纳米磁性物质、纤维和活性炭的净化装置，能有效地除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物。经前二道净化工序后，水体清澈，没有异味，口感也较好。再经过带有纳米孔径的特殊水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装的处理装置后，可以将水中的细菌、病毒100%去除，得到高质量的纯净水，完全可以饮用。这是因为细菌、病毒的直径比纳米大，在通过纳米孔径的膜和陶瓷小球时，就会被过滤掉，水分子及水分子直径以下的矿物质、元素则保留下来。该技术在

16、医学领域血透中已开始应用，有“体外肾脏”之称。肝、肾功能衰竭者饮用这种水后，会大大减轻肝、肾脏的负担。2.3纳米材料在生物工程上的应用 众所周知，分子是保持物质化学性质不变的最小单位7。生物分子是很好的信息处理材料，每一个生物大分子本身就是一个微型处理器，分子在运动过程中以可预测方式进行状态变化，其原理类似于计算机的逻辑开关，利用该特性并结合纳米技术，可以此来设计量子计算机。美国南加州大学的Adelman博士等应用基于DNA分子计算技术的生物实验方法，有效地解决了目前计算机无法解决的问题-哈密顿路径问题，使人们对生物材料的信息处理功能和生物分子的计算技术有了进一步的认识。未来，纳米计算机的问世

17、，将会使当今的信息时代发生质的飞跃。它将突破传统极限，使单位体积物质的储存和信息处理的能力提高上百万倍，从而实现电子学上的又一次革命。2.4纳米碳管的应用1991年，日本电气公司的专家制备出了一种称为“纳米碳管”的材料，它是由许多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物，也可以是由同轴的几根管状物套在一起组成的。这种单层和多层的管状物的两端常常都是封死的，如图所示。这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的，因此被称为纳米碳管。它的抗张强度比钢高出100倍，导电率比铜还要高。在空气中将纳米碳管加热到700 左右，使管子顶部封口处的碳原子因被氧化而破坏，成了开口的纳米碳管。然后用电子

18、束将低熔点金属（如铅）蒸发后凝聚在开口的纳米碳管上，由于虹吸作用，金属便进入纳米碳管中空的芯部。由于纳米碳管的直径极小，因此管内形成的金属丝也特别细，被称为纳米丝，它产生的尺寸效应是具有超导性。因此，纳米碳管加上纳米丝可能成为新型的超导体。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12。2.5在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行，不仅造成生产

19、原料的巨大浪费，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高1015倍。纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，非凡是在有机物制备方面。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应13。光催化反应涉及到许多反应类型，如

20、醇与烃的氧化，无机离子氧化还原，有机物催化脱氢和加氢、氨基酸合成，固氮反应，水净化处理，水煤气变换等，其中有些是多相催化难以实现的。半导体多相光催化剂能有效地降解水中的有机污染物。例如纳米TiO2，既有较高的光催化活性，又能耐酸碱，对光稳定，无毒，便宜易得，是制备负载型光催化剂的最佳选择。已有文章报道，选用硅胶为基质，制得了催化活性较高的TiOSiO2负载型光催化剂。Ni或Cu一Zn化合物的纳米颗粒，对某些有机化合物的氢化反应是极好的催化剂，可代替昂贵的铂或钮催化剂。纳米铂黑催化剂可使乙烯的氧化反应温度从600降至室温。用纳米微粒作催化剂提高反应效率、优化反应路径、提高反应速度方面的研究，是未

21、来催化科学不可忽视的重要研究课题，很可能给催化在工业上的应用带来革命性的变革。2.6纳米材料在环保领域的应用噪声控制飞机、车辆、船舶等发动机工作的噪声可达上百分贝，容易对环境造成噪声污染。当机器设备等被纳米技术微型化以后，其互相撞击、磨擦产生的交变机械作用力将大为减少，噪声污染便可得到有效控制。运用纳米技术开发的润滑剂，既能在物体表面形成永久性的固态膜，产生极好的润滑作用，大大降低机器设备运转时的噪声，又能延长设备的使用寿命。防止电磁辐射近年来，有关工频电磁场对人体健康的影响问题已众所周知，可现在，我们再也不能为了防电磁辐射而担忧。若在强烈辐射区工作井需要电磁屏蔽时，可以在墙内加入纳米材料层，

22、或者涂上纳米涂料，能大大提高遮挡电磁辐射性能。我们知道，紫外线对人体的害处极大，但有的纳米微粒可以吸收紫外线对人体有害的部分14。从而使纳米粒子在防紫外线方面也有较大的应用前景用作清洁涂料纳米TiO2由于其表面具有超亲水性和超亲油性，因此其表面具有自清洁效应。在汽车挡风玻璃，后视镜表面镀上TiO2薄膜，可防止镜面结雾。实验表明，镀有纳米TiO2薄膜的表面显示出高度的自清洁效应，污染不易在表面附着，附着少量污物在外部风力，水淋冲力，自重等作用下，也会自动从TiO2表面剥离下来。这一技术将广泛应用于汽车表面涂层。建筑等玻璃外墙等。处理城市中的垃圾纳米TiO2可以加速城市生活垃圾的降解，其降解速度是

23、大颗粒TiO2的10倍以上，从而可降解大量生活垃圾给城市环境带来的压力，避免了因焚烧处理而带来的二次环境污染问题15。3.纳米技术的发展前景与存在的问题3.1纳米材料的发展前景纳米科技是21世纪科技产业革命的重要内容之一,纳米技术会将人类带入一个奇迹层出不穷的时代。科学家认为如果能在原子尺寸基准上控制纳米机器的结构造型,那么纳米技术就将给我们带来数不尽的新产品、新工艺、新技术和潜在的利益。纳米技术能够改变材料制造业的现状,制造出纯度更高的材料;可以制造超级嗅觉器,用来检验毒品、炸药、工厂泄漏物质等。纳米机器可以奇迹般地回收并提取微量元素(如果使用其它方法来回收,这些微量元素会散失到环境中去),

24、还能清除废水中的有毒化学物质。纳米机器每秒能完成数十亿次操作,目前需几天或几个月完成的事情,有可能在几分乃至几秒钟内完成,因此,可以奇迹般地缩短产品从设计到批量生产所需要的时间。使用纳米机器,还可以使传统的装配工艺变成一次成型工艺8。它可以做修理工作,其工作范围从消除发动机的腐蚀损坏与细小裂纹到医治患者的病变、修复损坏的器官、进行人体肢体再生、人体整容等。近几年来,人们在制造分子机器方面已取得许多突破性进展。能攻击病菌的抗生素,就是一个杰出的例子。人类一旦制造出了新型纳米机器,就可以使它像脱氧核糖核酸DNA以及它的伴生酶那样,根据所储存的指令或控制输入来完成各种通常方法不能完成的任务。纳米逻辑

25、器件具有先进水平,亿倍于目前微处理器和随机存取存储器芯片的容量9。纳米机器不仅可以控制单个电子,而且可以控制单个光子,实现通讯瞬息化。近年来刚刚发展的纳米材料出现许多传统材料不具备的奇异特性,已引起科学家极大兴趣的纳米陶瓷的研究成功,使那些为陶瓷增韧奋斗将近一个世纪的材料科学家们看到了希望。3.2 纳米材料在未来的发展中存在的问题我国绝大多数企业都是生产型的，缺乏持续的创新和应用开发能力。在科技成果转化成产业化生产的整个链条中，企业往往选择十分靠后的阶段切入10。并且我国的科研所，往往认识不到或无力做到从实验室小试成果到实施产业化这一更加复杂的工程化、系统化工作，常常急功近利，小试成果一出来，

26、就认为完成任务，不能潜心于后续的应用开发和技术支持，科研院所选择的退出地点又十分靠前；两者衔接地点的差异，产生了产业化链条上薄弱、空白地区，严重影响纳米材料产业化的顺利实现，使得我国纳米材料产业的发展严重滞后。解决这一矛盾，作为科研单位必须加强工程化意识，需要发展一批既熟悉纳米材料的基础研究、又能洞悉纳米材料制备的工程放大、过程优化，以及应用开发的研究机构，而这正是制约我国纳米材料产业化发展的“瓶颈”所在。4.结束语经过几十年对纳米技术的研究探索，现在科学家已经能够在实验室操纵单个原子，纳米技术有了飞跃式的发展。纳米技术的应用研究正在半导体芯片、癌症诊断、光学新材料和生物分子追踪4大领域高速发

27、展。可以预测：不久的将来纳米金属氧化物半导体场效应管、平面显示用发光纳米粒子与纳米复合物、纳米光子晶体将应运而生；用于集成电路的单电子晶体管、记忆及逻辑元件、分子化学组装计算机将投入应用；分子、原子簇的控制和自组装、量子逻辑器件、分子电子器件、纳米机器人、集成生物化学传感器等将被研究制造出来。我国也已建立纳米材料和技术的生产线十多条。纳米复合、塑料、橡胶和纤维的改性、纳米功能涂层材料的设计和应用、纳米材料在能源和环保等方面的应用开发已在我国兴起。以纳米材料和纳米技术注册的公司近百个,企业家对纳米材料和技术的关注和介入,为纳米技术产业的形成注入了新的活力11。值此论文完成之际，我深深地感谢指导老师王天国给予我的悉心指导、多方面的入微关怀和帮助。老师渊博的知识、扎实的理论功底、高深的学术造诣、严谨的治学态度和胸怀宽宏的高尚品质，让我受益匪浅，终身难忘。在整个设计过程中，出现过很多的难题，但都在老师和同学的帮助下顺利解决了，在不断的学习过程中我体会到：写论文是一个不断学习的过程，我体会到实践对于学习的重要性，以前只是明白理论，没有经过实践考察，对知识的理解不够明确，通过这次的做，真正做到理论时间相结合。总之，通过毕业设计,我深刻体会到要做好一个完整的事情，需要有系统的思维方式和方法，对待要解决的问题，要耐心、要善于运用已有的资源来充实自己。同时我也深刻的认识到，在对待一个新事物时，