纳米材料的研究进展

纳米材料的研究进展

1碳纳米管及纳米材料纳米是一种新型材料，具有广阔的应用前景。纳米材料中最具典型的应该是碳纳米管。碳纳米管是由炭原子排列成六角网状的石墨薄片卷成具有螺旋周期的管状构造。管子一般由多层组成,两端封闭,直径在数至数十之间,长度为数μm左右的微小管状结晶。有关碳纳米管的研究,在世界范围内已成为新的研究热点。九十年代初,Iijima(饭岛,日本NEC研究所)首先发现了碳纳米管,这使富勒烯研究领域进一步得到扩展。而且,碳纳米管在制备方面也在几年前得到了比较成功的工艺方法。由于此工艺方法并不十分复杂,甚至比C60的合成容易,产量也较高。进而,使更多的研究人员对碳纳米管及纳米材料的研究产生了很大兴趣。研究表明,纳米材料有其独特的结构和性质,表现在:一是有体效应,即由于纳米级的材料体积小,质量轻,不存在以体系含有无限多粒子为条件的那些宏观性质,却出现种种因粒子尺寸受限而引出的新效应,其中包括量子尺寸效应和量子隧道效应等;二是有纳米材料表面和界面效应,即由于组成纳米材料的基本单元—超微粒子表面原子的不稳定性和纳米材料界面组成的气体样结构而引出的效应。这两种效应互相影响,互相制约,一种具体的宏观特异性质可能是二者共同作用的结果。纳米材料被发现以来,有关碳纳米管及纳米材料的研究取得了不少的成果。尤其是纳米材料所具备的各种优异性能及其潜在的应用价值已被人们所认识。纳米材料已开始走向人们的生活,运用纳米材料的高效吸附性能制成的纳米磁贴已在市场上出售。2目前，关于纳米应用技术的研究2.1作为复合镀层的优点研究人员从碳纳米管的研究过程中,逐渐发现了它的多样的结构和形状,因而便知道碳纳米管一定具有许多应用价值。首先,笔者所在的浙江大学富勒烯跨学科研究小组,在研究中已经发现碳纳米管具有很强的力学性能,如它具有很高的扬氏模量、较强的韧性及高强度。因此,用其作为金属表面上的复合镀层,可以获得超强的耐磨性和自润滑性,其耐磨性要比轴承钢高100倍,磨擦系数为0.06～0.1;其次,还发现该复合镀层还具有高热稳定性和耐腐蚀性等优异性能;第三,碳纳米管还可以增强工程材料的韧性。由于纳米碳管具有上述的优异性能,因此,可以用其制造高品质的物品。例如:利用其高耐磨性、高热稳定性和耐腐蚀性,可以用其制造刀具和模具等,这不仅能够提高产品的耐磨性,还可以提高用其加工出的工件的精度及使用寿命。若能实现产业化,其经济效益和社会效益是非常巨大的。很多领域如在航天、航空机械、化工、汽车、冶金工业部门都可获得巨大的效益。利用纳米材料的自润滑性,可以用来制造润滑材料,关于这一点,已获得可喜的成果。利用其高效吸收性能,用其制造保鲜除臭产品。目前,市场上已有纳米磁贴出售。2.2碳纳米管作场发射电子源由于纳米材料的理论研究不断发展,人们已经考虑运用纳米材料制造电子器件以便使电子产品的体积进一步缩小,使其性能更加出类拔萃。随着科学技术的不断发展,电子器件越来越小,有人预料,到下个世纪初,计算机芯片上的功能元件的尺寸将进入纳米范围。因此,现在已有不少的科研人员开始从事纳米电子器件的研究与开发。在日本,已经启动量子功能器件基础和应用研究,九六年,日本NTT公司已经研制成功接近实验工作的单电子晶体管(SET)信息读写,给出了36*36的信息存储点阵,其信息斑点为10nm。最近,瑞士科学家deHeer等人利用碳纳米管作场发射电子源的工作,被评为碳纳米管的实际应用跨出了第一步的学者。由于纳米碳管有管帽封闭的纳米级端部,能提供一个很好的尖端,纳米碳管本身的尺寸为10nm左右,从而限制了大的电流。deHeer等人利用已制备好的取向排列的纳米管膜,成功地制成场发射电子源。这种纳米管是由很多垂直于表面的碳纳米管阵列构成的,其电导是各向异性的。这种场发射电子源具有较大的发射强度,可以在荧光屏上激发出图像。它的出现为制备平面薄形荧光屏提供了新的选择,有可能成为液晶平面显示器的强有力对手。这是因为这种场发射电子源制备工艺简单,价格便宜,而且,可以制备出非常薄的荧光屏。我国也将从基础设计出发,研究复合材料等的纳米线、纳米点的制备技术,并用其构造原型纳米电子器件,制造单电子器件。同时,对纳米点阵功能元件组装制作技术及性能检测方法进行研究。对超高密度信息存储功能材料的写入读出擦拭方法和纳米集成器件的信息输入输出的加工机理也纳入研究工作计划。2.3纳米碳结构材料浙大富勒烯小组及其它科研单位都对碳纳米管等纳米材料作为锂离子电池负极材料进行了研究。由于碳纳米管是纳米级的同轴碳管组成的分子,具有层状结构,具备作为锂离子电池用负极材料的候选。而且,纳米碳管的直径仅为纳米级尺寸,管之间间隙也只有纳米量级,其层间距比石墨大2.27%,存在局部无序结构,有望大大提高其贮锂量。从而成为很有前景的锂离子电池的负极材料。单壁纳米磁管用于贮氢材料也获得了成果。3纳米应用技术的最新技术3.1提高太阳能发电效率的研究取纳米材料用于太阳能电池,是一个创新的设想浙江大学富勒稀跨学科研究小组在提高太阳能光电转化技术方面进行了深入的研究。参照太阳能光电转化的技术原理及科研新成果,研究运用复合纳米碳管材料制成光电转换薄膜。该技术的特点是材料成本低廉,材料来源丰富,光电转化效率高,无污染,理论计算效率为60%,目前世界上各种不同类型的太阳能电池,其实验室效率也只有26%。无论从哪方面讲,该技术具有非常大的潜在的应用前景或应用价值。可以说该技术的研究若能成功,将是太阳能发电技术上的重大突破。此外,国外也有将纳米级氧化物表面包敷有机物的小颗粒加到塑料中,以此提高材料的强度和熔点,并提高防水能力,改善光透射率。如添加高介电纳米颗粒,可以增强材料的绝缘性。3.2国外研究现状由于纳米材料应用技术的研究具有重大的理论意义和应用前景,其研究的内容之一就是纳米电子器件。目前,美国、日本、德国等国家给予了高度的重视,在这方面投入了大量的人力和财力,研究成果不断出现。不久以前,他们观测到了室温单电子现象,如硅/氧化物,Au/有机物及硫化镉/有机物纳米粒子组装结构。在C60和纳米碳管的各种组合结构中,也观测到了单电子输运现象。3.3铁氧体的重要原料首先,纳米微晶软磁性材料的应用领域,将沿着高频多功能发展,如功率变压器、脉冲变压器、高频变压器、扼流圈、互感器磁头、磁开关、传感器等,它将成为铁氧体有力的竞争者,新近发现的纳米微晶软磁材料在高频场中具有巨磁阻抗效应。其次,纳米微晶稀土永磁材料,其磁性高于铁氧体5～8倍,而且,稀土含量减少了2/3,生产成本下降,并且,不易被氧化、腐蚀,可以作为粘结永磁体的原材料。用于磁致冷具有效率高、功耗低、噪声小、体积小、无污染等优点,更重要的是如果实现磁致冷工质纳米化,则可用来展扩致冷温区。3.4改性纳米涂层纳米材料作为新型涂料的研究是最近的事情,用纳米材料制备的涂层具有特有的优异性能。目前,已有美国的研究人员用纳米级二氧化锡、二氧化钛、三氧化二铬等与树脂复合作为静电屏蔽的涂层;用纳米级钛酸钡制成高介电绝缘涂层;用纳米级34作为磁性涂层等。还可以根据纳米材料的特性设计其它性能的各种涂层,如紫外线反射涂层,各种屏蔽的红外线吸收涂层等。美日等国在静电屏蔽涂层和绝缘涂层工艺上有所突破,已进入产业化阶段。国内也有人将纳米金属(Fe、Co、Ni等)与合金的复合粉体,采用多相复合方式,用于纳米雷达波吸收剂的报道。此外,一些纳米氧化物(Fe3O4、Fe2O3、ZnO、NiO2、TiO2、MoO2等)的粉体,纳米石墨,纳米碳化硅及混合物粉体也可以作为纳米雷达波吸收剂。4纳米材料的应用纳米材料应用技术还在不断地发展,尽管在应用方面还存在各种问题,但是,随着科学技术的不断进步,终将会得到逐步解决。纳米材料所具有的各种潜在的应用价值,已经被人们所认识。纳米材料可以应用于