纳米材料试验-2

实验五固相反应法制备纳米颗粒

固相反应法是制备纳米材料的一个常用方法，广义地讲，凡是有固相参与的化学反应都可称为固相反应。例如固体的热分解、氧化以及固体与固体、固体与液体之间的化学反应等都属于固相反应范畴之内。

[实验目的]

1. 学习固相反应法制备纳米

2. 掌握固相研磨一低温煅烧法制备钛酸钡纳米粉体

3. 了解纳米粒性和物性

[仪器及试剂]

仪器:

恒温磁力搅拌器，烧杯(100 mL) ，研钵，马弗炉，恒温干燥箱

试剂:

钛酸正四丁脂（分析纯），无水乙醇（分析纯），冰醋酸（分析纯），氢氧化钡、蒸馏水。

[实验原理]

气相法和液相法制备的微粒大多数情况都必须再进一步处理，大部分的处理是把盐转变成氧化物等等，使其更容易烧结，这属于固相法范围。再者，像复合氧化物那样含有两种以上金属元素的材料，当用液相或气相法的步骤难于制备时，必须采用通过高温固相反应合成化合物的步骤，这也属于固相法一类。

固相法是通过对进行加工得到超细粉体的方法。初始原料中至少有一种是固态，产物颗粒是在固相表面生成而不是在气相或液相中成核长大。固相合成法，通过化学反应或相变，使固态的物料经历晶核形成和生长两个过程形成固体超细粒子来制备超微粉体，即自下而上（bottom up）法。其特征是不像气相法和液相法伴随有气相→固相、液相→固相那样的状态（相）变化。对于气相或液相，分子（原子）具有大的易动度，所以集合状态是均匀的，对外界条件的反应很敏感。另一方面，对于固相，分子（原子）的扩散很迟缓，集合状态是多样的。固相法其原料本身是固，这较之于液体和气体有很大的差异。固相法所得的固相粉体和最初固相原料可以是同一物质，也可以不是同一物质。

影响固相反应的主要因素有生料的细度和均匀性，生料愈细，则其颗粒尺寸

愈小，比表面积愈大，各组分之间的接触面积愈大，同时表面的质点自由能亦大，使反应和扩散能力增强，因此反应速度愈快。但是，当生料磨细到一定程度后，如继续再细磨，则对固相反应的速度增加不明显，而磨机产量却会大大降低，粉磨电耗剧增．因此，必须综合平衡，优化控制生料细度。生料的均匀性好，即生料内各组分混合均匀，这就可以增加各组分之间的接触，所以能加速固相反应。其次是温度和时间，当温度较低时，固体的化学活性低，质点的扩散和迁移速度很慢，因此固相反应通常需要在较高的温度下进行，提高反应温度，可加速固相反应；由于固相反应时离子的扩散和迁移需要时间，所以必须要有一定的时间才能使固相反应进行完全。原料性质影响固相反应的另一个因素，当原料中含有结晶SiO2 (如隧石、石英砂等）和结晶方解石时，由于破坏其晶格困难，所以使固相反应的速度明显降低，特别是原料中含有粗粒石英砂时，其影响更大。矿化剂能加速结晶化合物的形成，使水泥生料易烧的少量外加物称为矿化剂。加入矿化剂可以通过与反应物形成固溶体而使晶格活化，从而增加反应能力，或是与反应物形成低共熔物，使物料在较低温度下出现液相，加速扩散和对固相的溶解作用，或是可促使反应物断键而提高反应物的反应速度，因此加入矿化剂可以加速固相反应。

固相化学反应法又可分为高温和室温固相反应法。高温固相反应法是将反应原料按一定比例充分混合研磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制得或再次粉碎制得超微粉。粉体间的反应相当复杂，反应虽从固体间的接触部分通过离子扩散来进行，但接触状态和各种原料颗粒分布情况显著的受各颗粒的性质（粒径、颗粒形状和表面状态等）和粉体处理方法（团聚状态和填充状态等）的影响。加热粉体时，固相反应以外的现象也同时进行。一个烧结，另一个是颗粒生长，这两种现象均在同种原料间和反应生成物间出现。烧结是粉体在低于其熔点的温度以下颗粒间产生结合，颗粒间是由粒界区分开来；粒界移动即为颗粒生长(颗粒数量减少)。烧结在低温下进行，而颗粒长大则在高温下才开始明显。实际上，烧结体的相对密度超过90％以上则颗粒长大比烧结变得显著。烧结和长大的缺点是对于固相反应合成的化合物，原料的烧结和颗粒长大均使原料的反应性降低，并且导致扩散距离增加和接触点密度的减少。应尽量抑止烧结和颗粒长大，使组分原料间紧密接触对进行反应有利。因此应降低原料粒径并充分混合。

例子：如制备BaTiO3就是将TiO2和BaCO3等物质的量混合后在800至1200℃下煅烧，发生固相反应：

BaCO3 + TiO2 = BaTiO3 +CO2

合成BaTiO3后再进行粉碎即得成品。

Al2O3+MgO→MgAlO4

3Al2O3+2SiO2→3Al2O3·2SiO2

低温固相反应合成纳米粉体是指将反应物在低于3O0 °C的温度下按一定比例充分混合研磨制得前驱物，然后进行煅烧最后得到纳米材料的方法。低温固相反应合成法是一种廉价而又简易的制备方法，塔克服了传统湿法存在团聚现象的缺点，同时还具有工艺简单，产率高，反应条件易掌握，处理量大。无需溶剂，污染少，可避免在液相中易出现的硬团聚现象，是一种极有应用价值的制备纳米材料的方法。举例：纳米氧化锌的合成，可用锌盐与氢氧化钠、碳酸钠、草酸、8-羟基喹啉等发生室温固相反应，生成前驱物Zn(OH)2、Na2CO3、ZnC2O4、8-羟基喹啉合锌，前驱物在一定温度下灼烧分解即得纳米氧化锌。

影响低温固相反应的因素有热力学条件、反应物的选择、反应过程的控制、表面活性剂与反应物配比。低热固相化学反应具有不同于液相反应的规律，固相化学反应一般要经过扩散、反应、成核、生长几个阶段，每一步都可能是反应速率的控制步骤。和液相反应一样，固相化学反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，接着发生化学反应而生成产物分子，此时生成的产物分散在母体反应物中，只能当作一种杂质或缺陷而分散存在，只有当产物集聚到一定量时才能成为晶核，而后晶核长大，成为独立的晶相。对于固相反应来说，系统的吉布斯自由能在始态与终态之间，没有最低点。在反应过程中，始终是△G<0，因而反应一直进行到完全也不能建立平衡，所以固相反应的产率很高。从系统的熵值看，固相反应物都是纯物，反应的生成物中含有反应物的物质，其排列方式变复杂，混乱度增加，熵值也增加，有利于过程的进行。固相化学反应能否进行取决于固体反应物的结构和热力学函数，所有的固相反应必须遵守热力学定律，即整个反应的吉布斯函数的改变小于零，根据热力学公式自由能变△G = △H - T△S，固体反应中△S →0，又因固相反应得以进行的前提条件△G < 0，所以△H < 0，

因此固相反应大多是放热反应，这些热为反应物分子的结合提供了能量。

在满足热力学条件下，固体反应物的结构成了固相反应进行速率的决定因素。大多数固相反应在较低温度下难以进行，而有些体系即使在室温都可以发生固相反应，这些物质通常为固体中具有低熔点或含结晶水的无机物及大多数有机物和固态配合物。结晶水的存在可以降低固相反应的温度，反应物利用微量结晶水提供的反应场所，粒子相互碰撞，迅速成核，但由于离子通过各物相，特别是产物相的扩散速度很慢，核不能迅速长大，根据结晶学原理，如果成核速度快，而晶核生长速度慢，因而能够生成粒径小的产物。

固相反应的发生起始于两个反应物分子的扩散接触，固相反应进行程度大致可通过研磨时间及反应温度来控制，温度越高，反应进行得越快。低热固相反应合成纳米粉体研磨是必要步骤，研磨增加了反应物的接触面积，缩短了反应时间，促进了反应的发生，粒子的大小与研磨时间长短关系不大。另外，充分研磨为反应提供了微量热。

表面活性剂对固相反应的影响是一个复杂的课题，到目前表面活性剂对固相反应的影响还没有人做过专门的研究。文献报道对于带正电荷的生成物加入阴离子表面活性剂会对反应起阻碍作用，这是因为阴离子表面活性剂会被生成物吸附，增加了离子间的扩散阻力，阻碍了反应物间的接触，从而阻止了固相反应的进行；非离子表面活性剂的加入会使固相反应速度降低，这是因为非离子表面活性剂阻碍了固相反应的接触点与反应机率，并且阻止产物的长大，对控制产物的粒度有很好的作用。文献报道表面活性剂的加入量对产物粒度有影响，有一最佳用量。表面活性剂的加入主要作用有消除颗粒间的硬团聚，对产物起稳定分散作用，由于表面活性剂吸附在固体微粒表面，从而增加了微粒重新聚集的阻力，并且表面活性剂降低了固一液界面张力，即增加了分散体系的热力学稳定性。

反应物配比对反应进行得是否完全，以及反应产物的粒度都有一定的影响。比如在Zn(NO3)·6H2O与Na2CO3反应合成纳米氧化锌过程中，Na2CO3与

Zn(NO3)·6H2O 的配比过小时，由于粒子间的排斥力减少，团聚加剧，粒子粒径较大；配比过大时，使成核速率降低，粒子粒径也会较大。此外在CuCl2·2H2O 和NaOH合成纳米CuO过程中，增加NaOH的量可使产物的分散性得到改善，但颗粒大小分布不均匀。

本实验是采用固相研磨一低温煅烧法制备钛酸钡纳米粉体。钛酸钡是一种具有很高的介电常数及优异的铁电、压电、耐压和绝缘性能的电子陶瓷材料，广泛用于制作非线性元件、介电放大器、多层陶瓷电容器、热变电阻器、动态随机存取存贮器和其它光电器。随着现代科学技术的发展，钛酸钡的用途将会越来越广泛。传统钛酸钡的制备主要采用高温煅烧碳酸钡和二氧化钛的混合物或高温煅烧草酸氧钛钡的方法，它是我国目前工业制备钛酸钡的主要方法，但由于煅烧温度高达1000～1200℃，因而制得的粉体硬团聚严重、颗粒大而粒度分布不均匀，纯度低，烧结性能差。为克服高温固相煅烧法的缺点，广大科技工作者经过不懈的努力，开发了一系列钛酸钡粉体的液相制备方法，如化学共沉淀法、溶胶一凝胶法、水热法、微乳法、喷雾热解法、液相直接沉淀法等，但由于这些方法存在生产成本高、易引入溶液中的杂质、产品粒子容易团聚以及生产效率低等缺点而一直未能实现工业化生产。为了克服上述缺点，实现高效、简便、低成本、高质量地制得钛酸钡电子陶瓷粉体以适应现代技术发展的要求，本实验为固相研磨一低温煅烧法制备钛酸钡纳米粉体。

采用室温下将氢氧化钡与钛酸丁酯混合研磨，再在较低温度(<3O0℃)下煅烧的方法制得了钡钛物质的量比约为1.01:1.0 、颗粒大小分布均匀、粒径在15~20nm 的钛酸钡纳米粉体，既克服了高温固相煅烧法反应温度高、产品质量低的缺点，又克服了液相法在水溶液中制备易引入杂质、粒子易团聚等缺点。

[实验步骤]

（1）称取4．67g Ba(OH)2·8H2O于研钵中研细后，加入lml无水乙醇，拌匀，使Ba(OH)2·8H2O被乙醇充分湿润。

（2）加入5．0ml钛酸丁酯(使反应物中钡与钛的物质的量之比为1．01：1．0)，混匀后，研磨30min，得白色糊状物，放置24h，变为白色粉末状固体。（3）研细后，置于马弗炉中在不同温度下煅烧3h(将马弗炉加热到所需温度后再放人样品)。

（4）产物冷却后，用50ml 0．1mol／L的HAc溶液浸泡lh(洗去反应过程中Ba(OH)。吸收空气中的CO。生成的BaTiO3。)，离心分离。

（5）先用蒸馏水洗涤3次，再用蒸馏水和无水乙醇交替洗涤2次，置于恒温干燥箱中于8O℃干燥6h，得BaTiO3纳米粉体。

[表征]

XRD分析其晶体结构。

图5-1 不同煅烧温度不同2θ时BaTiO3纳米粉体的XRD 图谱图为不同煅烧温度所得样品在衍射角2θ为20°～90°之间的XRD谱图(图5-1(a))和θ在30°～35°之间(110)晶面的精细XRD谱图(图5-1(b))。由图5-1(a)可见，研磨后没有煅烧样品的XRD谱没有BaTiO3的衍射峰，说明仅研磨得不到产品；研磨后在200℃煅烧所得样品的XRD谱出现了BaTiO3的衍射峰，将该谱图与BaTiO3的准卡片JCPDS75-0213对照，所得BaTiO3为立方相，没有杂质峰，说明产品纯度高；当煅烧温度由200℃升至500℃时，没有新的衍射峰出现，但衍射强度逐渐增加，说明没有新的物种或晶相出现，但晶体发育逐渐趋于完整，粒径有所增大。根据布拉格方程2dsinθ=nλ和晶面间距公式对(110)晶面的衍射峰进行计算，可算出BaTiO3的晶胞参数a和晶面间距d；根据Scherrer公式由(110)晶面衍射峰的半峰宽可算得BaTiO3纳米粉体的晶粒粒径D，将结果一并标于图5-1(b)。由图5-1(b)可以看出，随煅烧温度的升高，一方面衍射峰逐渐向高角度方向移动，晶面间距d和晶格常数a有所减少，晶胞体积有所收缩；另一方面晶粒粒径会增大。

实验六溶胶一凝胶法纳米材料的制备

溶胶－凝胶法是60年代发展起来的—种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，近年来许多人用此法来制备纳米微粒。其基本原理是；将金属醇盐或无机盐经水解,然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧除去有机成分，最后得到无机材料。是制备纳米材料常用的方法之一。

[实验目的]

1. 溶胶－凝胶法合成纳米级半导体材料TiO 2

2. 复习及综合应用无机化学的水解反应理论，物理化学的胶体理论

3. 了解纳米粒性和物性

4. 通过实验，进一步加深对基础理论的理解和掌握，做到有目的合成，提高实验思维与实验技能

[仪器及试剂]

仪器:

恒温磁力搅拌器，搅拌子，三口瓶(250 mL)，恒压漏斗(50 mL)，量筒(10 mL, 50 mL)，烧杯(100 mL)

试剂:

钛酸正四丁脂（分析纯），无水乙醇（分析纯），冰醋酸（分析纯），盐酸（分析纯）、蒸馏水

[实验原理]

纳米粉体是指颗粒粒径介于1～100 nm之间的粒子。由于颗粒尺寸的微细化，使得纳米粉体在保持原物质化学性质的同时，与块状材料相比，在磁性、光吸收、热阻、化学活性、催化和熔点等方面表现出奇异的性能。

纳米TiO2具有许多独特的性质。比表面积大，表面张力大，熔点低，磁性强，光吸收性能好，特别是吸收紫外线的能力强，表面活性大，热导性能好，分散性好等。基于上述特点，纳米TiO2具有广阔的应用前景。利用纳米TiO2作光催化剂，可处理有机废水，其活性比普通TiO2(约10 μm)高得多；利用其透明性和散射紫外线的能力，可作食品包装材料、木器保护漆、人造纤维添加剂、化妆品防晒霜等；利用其光电导性和光敏性，可开发一种TiO2感光材料。如何开

发、应用纳米TiO2，已成为各国材料学领域的重要研究课题。目前合成纳米二氧化钛粉体的方法主要有液相法和气相法。由于传统的方法不能或难以制备纳米级二氧化钛，而溶胶-凝胶法则可以在低温下制备高纯度、粒径分布均匀、化学活性大的单组分或多组分分子级纳米催化，因此，本实验采用溶胶-凝胶法来制备纳米二氧化钛光催化剂。

溶胶－凝胶法是60年代发展起来的—种制备玻璃、陶瓷等无机材料的新工艺，近年来许多人用此法来制备纳米微粒。其基本原理是将金属醇盐或无机盐经水解，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、煅烧除去有机成分，最后得到无机材料。胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000 nm 之间。凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。

图6-1 溶胶-凝胶技术示意图

溶胶－凝胶法制备纳米材料的过程可以用示意图1表示，操作过程大致如下：先将金属醇盐或无机盐类协调水解得到均相溶胶后，加入溶剂、催化剂和螯合剂等形成无流动水凝胶，再在一定的条件下转化为均一凝胶，然后除去有机物、水

和酸根，最后进行干燥处理得到超细化粉体。主要可以分为下面三个过程：一般将制备溶胶的方法分为聚合法和颗粒法。对醇盐来说，这两种方法的区别在于加水量的多少。在溶胶－凝胶法中，最终产品的结构在溶液中以初步形成，后续工艺与溶胶的性质直接相关，因此溶胶的质量是十分重要的。醇盐的水解和缩聚反应使均相溶液转变为溶胶，显然控制醇盐水解缩聚的条件是制备高质量溶胶的前提。影响溶胶质量的因素主要有加水量、催化剂种类、溶液pH值、水解温度，醇盐品种以及在溶液中的浓度和溶剂效应等。其次是溶胶向凝胶的转变过程，即聚合反应形成的聚合物或粒子聚集体长大为小粒子簇，逐渐相互连接成三维网络结构，最后凝胶硬化。因此可以把凝胶化过程视为两个大的粒子簇组成的一个横跨整体的簇，形成连续的固体网络。在不同介质中陈化时，凝胶的干缩结构也不同。在陈化过程中，胶体粒子逐渐聚集形成网络结构。但这种聚集和粒子团聚成沉淀完全不同。形成凝胶时，由于液相被包裹于固相骨架中，整个体系失去流动性，同时胶体粒子逐渐形成网络结构，并带有明显的触变性。最后是凝胶干燥；湿凝胶干燥时，表观上表现为收缩、硬固，产生应力，最后可能导致凝胶开裂。这是因为湿凝胶中包裹着大量水分，有机基团和有机溶剂。同时在干凝胶中留下大量开口和闭口气孔，这些孔将影响以后的烧结。使凝胶开裂的应力主要来自于凝胶骨架空隙中液体的表面张力所引起的毛细管力，它使凝胶颗粒重排，体积收缩。

通常溶胶—凝胶过程根据原料的种类可分为有机途径和无机途径两类，在有机途径中，通常是以金属有机醇盐为原料，通过水解与缩聚反应而制得溶胶，并进一步缩聚而得到凝胶。金属醇盐的水解和缩聚反应可分别表示为：

水解M(OR)4 + nH2O M(OR)4-n(OH)n + nHOR

缩聚2M(OR)4-n(OH)n [M(OR)4-n(OH)n-1]2O+H2O 式中：M为属；R为有机基因，如烷基。

经加热去除有机溶液得到金属氧化物超微粒子。在无机途径中原料一般为无机盐。由于原料的不同，制备方法不同，没有统一的工艺。但这一途径常用无机盐作原料，其价格便宜，比有机途径更有前途。

在无机途径中，溶胶可以通过无机盐的水解来制得，即:

M+ + nH2O M(OH)n + n H+

通过向溶液中加入碱液(如氨水)使得这一水解反应不断地向正方向进行，并逐渐形成M(OH)n沉淀，然后将沉淀物充分水洗、过滤并分散于强酸溶液中使得到稳定的溶胶，经某种方式处理(如加热脱水)使溶胶变成凝胶，经干燥和煅烧后形成金属氧化物粉体。

溶胶凝胶法的基本原理用化学式可表示为

溶剂化：

M(H2O)n z+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+

水解反应：

M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH—M(OH)n

缩聚反应：

失水缩聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O

失醇缩聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH

影响溶胶-凝胶法的因素很多，比如加水量，加水量一般用物质的量之比R = n (H2O)Bn[M(OR)n] 表示。加水量很少，一般R在15↔110的范围, 此时水解产物与未水解的醇盐分子之间继续聚合，形成大分子溶液，颗粒不大于1nm，体系内无固液界面，属于热力学稳定系统; 而加水过多( R ≥ 100) , 则醇盐充分水解, 形成存在固液界面的热力学不稳定系统。由此可见, 调节加水量可以制备不同性质的材料。酸碱作为催化剂，其催化机理不同，因而对同一体系的水解缩聚，往往产生结构、形态不同的缩聚物。研究表明，酸催化体系的缩聚反应速率远大于水解反应，水解由H3O+的亲电机理引起，缩聚反应在完全水解前已开始，因而缩聚物的交联度低，所得的干凝胶透明，结构致密。碱催化体系的水解反应是由OH- 的亲核取代引起的，水解速度大于亲核速度，水解比较完全，形成的凝胶主要由缩聚反应控制，形成大分子聚合物，有较高的交联度，所得的干凝胶结构疏松，半透明或不透明。

溶胶的浓度主要影响胶凝时间和凝胶的均匀性。在其它条件相同时，随溶胶浓度的降低，胶凝时间延长、凝胶的均匀性降低，且在外界条件干扰下很容易发生新的胶溶现象。所以为减少胶凝时间，提高凝胶的均匀性，应尽量提高溶胶的浓度。提高温度对醇盐的水解有利，对水解活性低的醇盐( 如硅醇盐)，常在加热下进行水解，以缩短溶胶制备及胶凝所需的时间。但水解温度太高，将发生有多种产物的水解聚合反应，生成不易挥发的有机物，影响凝胶性质。有时水解温度还会影响水解产物的相变化，影响溶胶的稳定性。因此在保证能生成溶胶的情况下，尽可能采取较低温度。添加络合剂可以解决金属醇盐在醇中的溶解度小、反应活性大、水解速度过快等问题，是控制水解反应的有效手段之一。电解质的含量可以影响溶胶的稳定性。与胶粒带同种电荷的电解质离子可以增加胶粒双电层的厚度，从而增加溶胶的稳定性。与胶粒带不同电荷的电解质离子会降低胶粒双电层的厚度，降低溶胶的稳定性。电解质离子所带电荷的数量也会影响溶胶的稳定性，所带电荷越多，对溶胶的影响越大。高分子化合物的使用: 高分子化合物可以吸附在胶粒表面，从而产生位阻效应，避免胶粒的团聚；增加溶胶的稳定性。

溶胶-凝胶法的优点有很多，首先，它的工艺过程温度低，在玻璃和陶瓷方面，可以制得一些传统方法难以制得或根本得不到的材料；而且工艺温度的大大降低也使得材料的制备过程易于控制。其次，由于溶胶－凝胶工艺是由溶液反应开始的，从而所制备的材料非常的均匀，这对于控制材料的物理性质及化学性能至关重要。通过计算反应的成分配比可以严格控制产物材料的成分，对于一些电子陶瓷材料来说非常重要。此外，溶胶－凝胶工艺制备的产物纯度较高。正因为溶胶－凝胶工艺具有如此多的优点，近年来它已越来越广泛地应用到电子陶瓷、光学、热学、化学以及复合材料等领域。人们可以采用溶胶－凝胶工艺制备出各种形状的材料，包括块体、圆棒状、空心管状、纤维、薄膜等。

简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。可低温合成氧化物，使得制造不允许在高温下加热的

制品成为可能。例如，高能放射性废物的低温玻璃固体烧制，及集成电路用陶瓷基板配线之后的烧制；提高材料的均匀性，多成分系溶液是分子级、原子级的混合。因此，由它制得的玻璃和多成分系的多结晶陶瓷具有均匀的成分；可提高生产效率，与功能材料合成用的气相蒸镀和溅射法相比，提高生产效率是可能的。高纯度，粉材制备过程无需机械混合，不易引进杂质；化学均匀性好：由于溶胶－凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，故胶粒内及胶粒间化学成分完全一致；颗粒细：胶粒尺寸小于0.1 m。该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分：不溶性颗粒均匀分散在不生成沉淀的组分的溶液，经胶凝化，不溶性组分可自然的固定在凝胶体系中，不溶性组分颗粒越细，体系化学均匀性越好。

本实验制备溶胶所用的原料为钛酸四丁脂(Ti(O-C4H9 )4)、水、无水乙醇(C2H5OH)以及冰醋酸。反应物为Ti(O-C4H9 )4和水，分相介质为C2H5OH，冰醋酸可调节体系的酸度防止钛离子水解过速。使Ti(O-C4H9 )4在C2H5OH中水解生成Ti(OH)4，脱水后即可获得TiO2。在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得金红石型和锐钛型二氧化钛。

钛酸四丁脂在酸性条件下，在乙醇介质中水解反应是分步进行的，总水解反应表示为下式，水解产物为含钛离子溶胶。

Ti(O-C4H9 )4+ H2O →Ti(OH)4 + C4H9OH

一般认为，在含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团。上述溶胶体系静置一段时间后，由于发生胶凝作用，最后形成稳定凝胶。

Ti(OH)4 + Ti(O-C4H9 )4 → TiO2+ C4H9OH

Ti(OH)4 + Ti(OH)4 → TiO2+ H2O

[实验步骤]

以钛酸正丁酯[Ti(O-C4H9 )4]为前驱物，无水乙醇(C2H5OH)为溶剂，冰醋酸CH3COOH)为螯合剂，制备二氧化钛溶胶。

室温下量取10mL 钛酸丁酯，缓慢滴入到35mL 无水乙醇中，用磁力搅拌器强力搅拌10min，混合均匀，形成黄色澄清溶液A。将 4 mL 冰醋酸和10mL 蒸馏水加到另35mL无水乙醇中，剧烈搅拌，得到溶液B，滴入1-2滴盐酸，

调节pH 值使pH ≤3。室温水浴下，在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液 A 缓慢滴入溶液B中，滴速大约3 mL/min。滴加完毕后得浅黄色溶液，继续搅拌半小时后，40 °C水浴加热，2h 后得到白色凝胶(倾斜烧瓶凝胶不流动)。置于80 °C下烘干，大约20h，得黄色晶体，研磨，得到淡黄色粉末。在不同的温度下(300, 400, 500, 600 °C)热处理2h，得到不同的二氧化钛(纯白色)粉体。

[产品的表征]

X射线衍射(XRD)谱图

XRD技术所能解决是根据谱图中衍射峰的宽度定性判断所检测物质（粉末或

薄膜）的粒径大小，因为同种晶体的粒径大小与其衍射峰的宽度成反比关系。将经300, 400, 500, 600℃热处理的纳米二氧化钛作XRD特性表征，测得的谱图如图下。

X射线衍射谱图

由图可知：锐钛矿相的特征峰出现在2θ= 25.14, 37.18 ,47.16; 金红石相的特征峰出现在2θ= 27.14, 36.10, 54.13。将测得的谱图与标准谱图比较可知：300 °C

处理过的二氧化钛为锐钛矿相,其中含有部分不定型态，400 °C得到的为纯度较好锐钛矿相二氧化钛，500 °C时部分锐钛矿相开始转化为金红石相，600 °C得到的为金红石相二氧化钛其中含有少量锐钛矿相。X 射线衍射表征的结果说明纳米二氧化钛粉体经过不同温度的处理所得粉体呈现不同的结晶状态。

思考题

1. 加入冰醋酸的作用是什么？

2. 为何本实验中选用钛酸正丁酯为前驱物？而不选用四氯化钛为前驱物？

3. 简述TiO2做为光催化剂降解废水的原理？

实验七溶剂热法制备纳米颗粒

溶剂热法是指高温高压下在溶剂中(水，水溶液，水蒸气和有机溶剂）中进行有关化学反应的总称，其中最为常见的为水热法。水热法是19 世纪中叶地质学家模拟自然界成矿作用而开始研究的。目前用水热法已制备出百余种晶体。水热法又称热液法,属液相化学法的范畴。是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。水热反应依据反应类型的不同可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。本实验为钛酸钡纳米粉体的水热合成法制备。水热合成法已成为当今制造高性能高可靠性功能陶瓷材料的一种具有竞争性的方法。这种方法在水品制造、湿式冶金、环境保护、煤的液化等诸多领域也具有广阔的前景。

[实验目的]

1. 学习溶剂热法（水热法）制备纳米颗粒的基本原理

2. 掌握溶剂热合成法制备氧化物纳米颗粒的方法

3. 通过XRD分析，掌握纳米颗粒的宽化效应以及纳米颗粒洁净度的分析方法[实验设备和试剂]

1.主要设备：恒温水浴，

2.实验原料：氢氧化钡、钛酸四丁酯、乙醇、去离子水

[实验原理]

纯净物质根据温度和压力的不同呈现出液体、气体、固体等状态变化。如果提高温度和压力，就会发现如果达到特定的温度、压力，会出现液体与气体界面消失的现象，该点被称为临界点。在临界点附近，会出现流体的密度、粘度、溶解度、热容量、介电常数等所有流体的物性发生急剧变化的现象。温度及压力均处于临界点以上的液体叫超临界流体。例如：当水的温度和压强升高到临界点(t=374.3 ℃，p=22.05 MPa)以上时，就处于一种既不同于气态，也不同于液态和固态的新的流体态─超临界态，该状态的水即称之为超临界水。超临界流体由于液体与气体分界消失，即使提高压力也不液化的非凝聚性气体。超临界流体的物性兼具液体性质与气体性质。它基本上仍是一种气态，但又不同于一般气体，是一种稠密的气态。其密度比一般气体要大两个数量级，与液体相近。它的粘度比液体小，但扩散速度比液体快(约两个数量级)，所以有较好的流动性和传递性

能。它的介电常数随压力而急剧变化(如介电常数增大有利于溶解一些极性大的物质)。另外，根据压力和温度的不同，其物性会发生变化。

水热法是利用高温高压的水溶液使在大气条件下不溶或难溶的的物质溶解，或反应生成该物质的溶解产物，通过控制高压釜内溶液的温差使产生对流以形成过饱和状态而析出生长晶体的方法。广泛用于分子筛合成、晶体生长和纳米材料制备。自然界热液成矿就是在一定的温度和压力下，成矿热液中成矿物质从溶液中析出的过程。水热法合成宝石就是模拟自然界热液成矿过程中晶体的生长。

水热法合成法采用的主要装置为高压釜，在高压釜内悬挂种晶，并充填矿化剂。水热法采用的高压釜一般可承受1100度的温度和109Pa的压力，具有可靠的密封系统和防爆装置。因为具潜在的爆炸危险，故又名“炸弹”。高压釜的直径与高度比有一定的要求，对内径为100-120mm的高压釜来说，内径与高度比以1：16为宜。高度太小或太大都不便控制温度的分布。由于内部要装酸、碱性的强腐蚀性溶液，当温度和压力较高时，在高压釜内要装有耐腐蚀的贵金属内衬，如铂金或黄金内衬，以防矿化剂与釜体材料发生反应。也可利用在晶体生长过程中釜壁上自然形成的保护层来防止进一步的腐蚀和污染。例如合成水晶时，由于溶液中的SiO2与Na2O和釜体中的铁能反应生成一种在该体系内稳定的化合物，即硅酸铁钠（锥辉石NaFeSi2O6，acmite）附着于容器内壁，从而起到保护层的作用。

用水热法制备的超细粉末，最小粒径已经达到数纳米的水平。归纳起来可分成以下几种类型：

水热氧化：典型反应可用下式表示

mM+nH2O→M n O n+H2

其中M可为铬、铁及合金等。

水热沉淀：如

kF+MnCl2→kMnF2

水热合成：如

FeTiO3+KOH →K2O•nTiO2

水热还原：如

Me x O y+yH2→xMe+yH2O

其中Me可为Cu、Ag等。

水热分解：如

ZrSiO4+NaOH →ZrO2+Na2SiO3

水热结晶：如

Al(OH)3 →Al2O3•H2O

该方法的特点有在水溶液中离子混合均匀；水随温度升高和自生压力增大变成一种气态矿化剂，具有非常大的解聚能力。水热物系在有一定矿化剂存在下，化学反应速度快，能制备出多组份或单一组份的超微结品粉末；离子能够比较容易地按照化学计量反应，晶粒按其结晶习性生长，在结晶过程中，可把有害杂质自排到溶液当中，生成纯度较高的结晶粉末；反应物活性改变和提高，有可能代替固相反应，并可制备出固相反应难以制备出的材料；中间态、介稳态以及特殊相易于生成，能合成介稳态或者其他特殊凝聚态的化合物、新化合物；能够合成熔点低、蒸气压高、高温分解的物质；低温、等压、溶液条件，有利于生长缺陷少、取向好、完美的晶体，并且产物晶体的粒度可控；由于环境气氛可调，因而可合成低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成，并能进行均匀搀杂。

通常，在水溶液中，利用化学共沉淀法能够获得金属氢氧化物或难溶盐的沉淀，再经过高温处理转变为陶瓷氧化物粉体。由于很多氢氧化物常以一种凝胶形式存在，对下一步水洗净化和脱水造成了很大的困难。如果能实现从溶液中直接制取氧化物陶瓷粉体，，对粉体性能的提高具有重要的意义，也就是说，在粉体干燥之前，已经成为氧化物结晶粉末，从而避免高温煅烧，大大抑制团聚的产生，保证了粉体的高温烧结活性。

此外，由于水热合成法是在高温、高压、强碱环境下直接合成纳米氧化物粉体的一种有效方法。其关键在于溶液中形成沉淀的同时，如何实现化合水的去除和晶相的形成。这里的化合水是指氢氧化物中的羟基可以按照水的比列脱去水。化合水的去除和晶相的形成是相互关联的。如果去除了沉淀物中的化合水，可以削弱沉淀物与溶剂水之间的相互作用，有利于结晶的形成。

众所周知，结晶体中所含结晶水的多少与温度密切相关。在高温下结晶，水合物中结晶水的数目较少或完全不含结晶水，而在较低温度下结晶，则会有较多的结晶水，如下列反应式所示：

A· nH2O ↔ A ·(n-m)H2O + mH2O

因此，高温时沉淀物脱水的有效手段，而很多情况下，100 °C以下的温度并不能有效实现化合水的脱去，需要更高的温度。而水体系中，要获得超过水的沸点温度，就会带来高压的问题。强碱性有利于原料的溶解和粉体颗粒的晶化和析出，减少粉体颗粒之间碰撞而发生团聚。如果要想在常压下直接合成氧化物陶瓷粉体。就需使合成温度低于溶液的沸点。其关键在于能否有效地脱去沉淀物中的化合水，亦即避免氢氧化物的生成。另外，将有机溶剂加入水溶液中，可以降低水的表面张力，减弱水溶液中氢键的作用，同时很多有机溶剂同样具有脱水的作用，如乙醇。如果采用醇水混合体系，则可以使氧化物陶瓷粉体的直接合成温度降低至体系沸点之下，从而在常压下实现溶液中的粉体直接合成，钛酸钡粉体在这种体系中可以在60 °C下有效合成，并可以避免水热法所需要的高温高压。

采用溶剂化学和成法制得的粉末体系在干燥过程中，伴随这水或溶剂的脱去，粉体常常发生板结，这是团聚产生的主要阶段。溶剂的极性强弱多团聚有重要作用。通常沉淀出的粉体，结晶态较非晶态凝胶更不容易发生板结形成硬团聚。另外，用无水乙醇做溶剂比用水做溶剂所得粉体情况要好得多。本实验内容为钛酸钡纳米粉体的水热合成法制备。

[实验内容和步骤]

（一）钛酸钡纳米颗粒的制备

1.将6.31克氢氧化钡溶解到50 mL水中，加热到60 °C ，作为底液。

2.将6.80克钛酸四丁酯溶解到50 mL无水乙醇中。

3.将钛酸四丁酯的乙醇溶液慢慢地加入到底液中，同时剧烈搅拌，整个过程必

须保持底液温度大致恒定，以利于粉体性能控制。

4.反应终结后，抽滤。

5.将固体部分在60 °C 下烘干。

（二）钛酸钡纳米颗粒的测试

在室温下用XRD检测所得粉体的物相及结晶度。

实验八水解法制备纳米颗粒

金属醇盐水解法制备纳米SiO2粉体。

水解法它是在高温下先将金属盐的溶液水解，生成水合氧化物或氢氧化物沉淀，再加热分解得到纳米粒子的一种方法。水解法包括无机水解法、金属醇盐水解法、喷雾水解法等，其中金属醇盐水解法最为常用，其最大特点是从物质的溶液中直接分离所需要的粒径细、粒度分布范围窄的超微粉末。该法具有制备工艺简单、化学组成精确控制、粉体的性能重复性好及产率高等优点。

[实验目的]

1. 学习金属醇盐水解法制备纳米颗粒的基本原理

2. 掌握金属醇盐水解法法制备氧化物纳米颗粒的方法

3. 通过XRD分析，掌握纳米颗粒的宽化效应以及纳米颗粒洁净度的分析方法[实验仪器和试剂]

仪器：电磁搅拌器，烧杯等实验室常用的玻璃仪器。

试剂：正硅酸乙酯、蒸馏水、氨水、乙醇。

[实验原理]

众所周知，很多化合物可水解生成沉淀。其中有些广泛用来合成超微粉。反应的产物一般是氢氧化物或水合物。因为原料是水解反应的对象即金属盐和水，所以如果能高度精制金属盐，就很容易得到高纯度的微粉。水解法可划分为无机盐水解法、金属醇盐水解法、喷雾水解法等。

无机盐水解法是指利用金属的氯化物、硫酸盐、硝酸盐溶液，通过胶体化的手段合成超微粉的方法。它是人们熟知的制备金属氧化物或水合金属氧化物的方法。通过控制水解条件来合成单分散球形微粉的方法，广泛的应用于新材料的合成中。

喷雾水解法是将一种盐的超微粒子，由情性气体载入含有金属醇盐的蒸气室、金属醇盐蒸气附着在超微粒的表面．与水蒸气反应分解后形成氢氧化物微粒，经焙烧后获得氧化物的超细微粒。这种方法获得的微粒纯度高，分布窄，尺小可控。具体尺寸大小主要取决于盐的微粒大小。

金属醇盐水解法是利用金属有机醇盐能溶于有机溶剂并可发生水解，生成氢

氧化物或氧化物沉淀的特性，制备粉料的一种方法。该方法特点是：1）采用有机试剂作金属醇盐的溶剂，由于有机试剂纯度高，因此氧化物粉体纯度高。2）可制备化学计量的复合金属氧化物粉末。金属醇盐与水反应生成氧化物、氢氧化物、水合氧化物的沉淀。除硅和磷的醇盐外，几乎所有的金属醇盐与水反应都很快，沉淀是氧化物时就可以直接干燥，产物中的氢氧化物、水合物煅烧后成为氧化物粉末。迄今为止，已制备了100多种金属氧化物或复合金属氧化物粉末。本实为金属醇盐水解法制备纳米TiO2粉体。

例如，由金属醇盐合成的SrTiO3通过50个粒子进行组分分析结果见表。

图8-1金属醇盐合成的SrTiO3的组分分析

由表可知，不同浓度醇盐合成的SrTiO3粒子的Sr/Ti之比都非常接近1，这表明合成的粒子，以粒子为单位都具有优良的组成均一性，符合化学计量组成。

金属醇盐水解法的基本步骤分金属醇盐的制备与金属醇盐的水解，其中金属醇盐的制备是金属醇盐水解法的首要步骤，其方法很多，可以通过下列方法可以合成:

金属与醇反应：碱金属、碱土金属、镧系等元素可以与醇直接反应生成金属醇盐和氢。

M + nROH → M(OR)n + 1/2 H2

其中R为有机基因，如烷基—C3H7，—C4H9等，M为金属，Li，Na，K，Ca，Sr，Ba等强正电性元素在惰性气氛下直接溶于醇而制得醇化物。但是Be，Mg，Al，Y，Yb等弱正电性元素必须在催化剂(I2，HgCl2，HgI2)存在下进行反应。

纳米材料与细胞相互作用的实验操作步骤

纳米材料与细胞相互作用的实验操作步骤 纳米材料在生物医学领域的广泛应用为实验研究提供了许多新的机会和挑战。研究纳米材料与细胞相互作用的实验操作步骤对于了解纳米材料在生物系统中的行为和潜在影响至关重要。以下是一种常见的纳米材料与细胞相互作用实验的操作步骤供参考。 实验步骤1：准备实验材料和设备 首先，准备实验所需的材料和设备。这包括纳米材料样品、细胞培养物、无菌培养皿、离心管、培养皿、镜片等。确保所有实验材料和设备都是无菌和清洁的，以避免外界因素对实验结果的影响。 实验步骤2：细胞培养与处理 将要研究的细胞种类培养至适当的细胞密度，并将其分配到培养皿或镜片中。在培养期间，细胞需要维持在适当的温度和湿度条件下，并定期更换新的培养物。 根据实验的要求，可以将纳米材料与细胞共同培养，或将纳米材料添加到培养皿中进行处理。在处理纳米材料之前，应根据实验需要选择适当的处理浓度和处理时间。 实验步骤3：纳米材料与细胞交互作用 将纳米材料添加到细胞培养皿中，并确保其均匀分布在培养物中。根据实验要求，可以将纳米材料直接添加到培养物中，或将其通过离心等方法使其与细胞更好地接触。 为了验证纳米材料与细胞的相互作用效果，可以使用成像技术（如荧光显微镜或透射电子显微镜）观察并记录细胞内纳米材料的位置和分布情况。此外，还可以通过流式细胞术等方法，定量分析纳米材料与细胞的相互作用效果。

实验步骤4：细胞活力和毒性分析 为了评估纳米材料对细胞的生存和功能的影响，可以进行细胞的活力和毒性分析。常用的方法包括细胞计数、细胞增殖试验、细胞凋亡检测以及细胞代谢活性的测定等。这些分析可以帮助研究人员评估纳米材料对细胞的影响程度，并了解它们对细胞生理过程的潜在影响。 实验步骤5：数据分析与结果解读 根据实验结果，进行数据的统计分析和结果的解读。通过比较不同条件下的实验结果，可以得出纳米材料与细胞相互作用的相关性以及可能的机制。此外，还可以通过研究结果，进一步了解纳米材料的生物相容性和应用潜力。 总结： 纳米材料与细胞相互作用的实验操作步骤十分重要，可以帮助研究人员了解纳米材料在生物体内的行为和潜在影响。在进行此类实验时，应确保实验材料和设备的无菌和清洁，并注意细胞培养和处理的条件。通过对纳米材料与细胞的相互作用进行观察和分析，可以得出有关纳米材料生物学行为的有价值的信息，并为纳米材料的应用提供科学依据。

纳米材料的制备方法

纳米材料的制备方法 一、前言 纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代，英国化学家Thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时，其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应，这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制备了碳纳米管以来，一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。 应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。 纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间存在近似线性的关系，所以也可以用作新型的磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，而且对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比FeBO3和FeF3透明体至少高1个数量级，从而在光磁系统、光磁材料中有着广泛的应用。 二、纳米材料的制备方法 （一）、机械法 机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部

纳米材料的物理性能.

《材料科学前沿》 学号：S1******* 流水号：S2******* 姓名：张东杰 指导老师：郝耀武

纳米晶材料的物理性能 摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。 关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能 1、引言 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。 纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。

制备纳米材料的实验技术详解

制备纳米材料的实验技术详解 纳米材料因其独特的性质在各个领域展现出巨大的潜力，如电子、生物、医药等。而其中关键的一环就是如何有效地制备纳米材料。本文将详细介绍几种常用的纳米材料制备实验技术，并探讨其原理和应用。 1. 溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法是一种常用的纳米材料制备方法，适用于无机材料的制备。其基本原理是通过逐渐加热和干燥，使溶解在溶剂中的金属盐或有机化合物逐渐形成固体凝胶。随着温度的升高，溶胶中的小颗粒逐渐成长为纳米颗粒。这种方法可以在较低的温度下制备出高质量的纳米材料，并且有较好的控制性和可扩展性。 2. 水热法 水热法是另一种制备无机纳米材料的常见方法，它利用高温高压下溶剂的特殊性质，使溶质在水中反应形成纳米级的颗粒。水热法具有简单、易控制、操作灵活等优点，适用于制备各种金属氧化物、金属硫化物、金属碳酸盐等纳米材料。它在电子器件、催化剂等领域有广泛的应用。 3. 高能球磨法 高能球磨法是一种机械力促进的纳米材料制备技术。其原理是在高速旋转的球磨罐中，通过球磨颗粒之间的碰撞和摩擦，使大颗粒逐渐破碎成纳米级颗粒。高能球磨法可以制备各种材料的纳米颗粒，例如金属、陶瓷、高分子等。它具有操作简单、样品可扩展等优点，广泛用于材料研究和应用开发。 4. 气溶胶法 气溶胶法是一种通过气相化学反应制备纳米材料的技术。其核心原理是将气体状态的前驱物经过化学反应或热分解形成固态颗粒。气溶胶法可以制备各种纳米材

料，例如金属氧化物、金属硫化物、金属氢化物等。该方法具有制备纯度高、纳米颗粒均匀分散等特点，广泛应用于电化学储能、催化剂等领域。 总结起来，制备纳米材料的实验技术有溶胶-凝胶法、水热法、高能球磨法和气溶胶法等。这些方法各有优势和适用范围，可以根据需要选择合适的制备技术。随着纳米科技的发展，不断有新的制备方法被创新出来，推动了纳米材料的应用领域的拓展和深化。 需要注意的是，在实验过程中，不仅要控制好温度、压力和反应时间等参数，还要注意安全性和环境问题。纳米材料虽然具有很多独特的性质和应用，但其生产过程中也存在着一些潜在的风险。因此，在制备纳米材料时，应该充分了解各种方法的原理和操作步骤，并且遵循相关实验室安全规范，确保实验的顺利进行。 总之，纳米材料的制备技术是纳米科技的重要基础，对于纳米材料的应用和发展起着至关重要的作用。通过不同的制备方法，我们可以获得具有不同性质和应用的纳米材料，这将进一步推动纳米科技在各个领域的发展和应用。

纳米材料特性

纳米材料特性

《纳米材料导论》作业 1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？ 答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。 原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。 按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。 2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。 答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移； 磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。 三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的 比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。 3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？ 答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。 4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。 答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间， T时，位错的行为决定了材料的力学性能。随着晶粒尺寸的减小，位温度<0.5 m

纳米材料检测方法

纳米材料检测方法 1.X射线衍射分析（XRD) X射线粉末衍射法的基本原理是:一束单色X射线碰击到研成细粉的样品上，在理想情况下，样品中晶体按各个可能的取向随机排列。在这样的粉末样品中，各种点阵面也以每个可能的取向存在。因此，对每套点阵面，至少有一些晶体的取向与入射束成Bragg角e，于是对这些晶体和晶面发生衍射。衍射束采用与图象记录仪相连的可移动检测仪Geiger，如计数器(衍射仪)检测，在记录纸上画出一系列峰。峰度位置和强度很容易从谱图上得到，从而使它成为物相分析的极为有用和快速的方法。 2.光谱分析方法 2.1激光拉曼光谱分析(LR) 拉曼散射的过程涉及光的弹性散射和非弹性散射，当一束频率为n。的单色光照射到样品上时，都会发生散射现象，产生散射光，将产生弹性散射(Rayleighscattering)和非弹性散射(Raman scattering)。散射光的大部分具有与入射光(激发光)相同的频率，即散射光的光子能量与入射光的相同，这就是弹性散射，称为瑞利散射。当散射光的光子能量发生改变与入射光不同时，其频率高于和低于入射光即非弹性散射，称为拉曼散射。频率低于激发光的拉曼散射叫斯托克斯散射，频率高于激发光的拉曼散射叫反斯托克散射。其中Stokes线(v0一△v)与Anti-stokes线(v0+△v)对称分布在激发线(n0)。由于拉曼位移△、只取决于散射分子的结构而与v0无关，所以拉曼光谱可以作为分子振动能级的指纹光谱。拉曼位移△v(散射光的波数与入射光波数之差)反映了分子内部的振动和转动方式。由此可以研究分子的结构和分析鉴定化合物。 2.2紫外一可见吸收光谱分析(UV-VIS) 电磁波可以和物质发生作用，物质吸收电磁波就可以产生电磁波谱。物质的运动包括宏观运动和微观运动。在微观运动中组成分子的原子之间的键在不断振动，当电磁波的频率等于振动的频率时，分子就可以吸收电磁波，使振动加剧。化学键的振动频率位于红外区，所以这种吸收光谱称为红外吸收光谱。原子由原子核和核外电子组成，核外电子在不断的运动着。当用紫外光照射分子时，电子就会吸收紫外光跃迁到能量更高的轨道上运动，由此产生的电磁波谱称为电子波谱或称为紫外一可见吸收光谱。原子核也处于不断的运动中，具有自旋的原子核置于外磁场中时可以吸收特定波段的电磁波，发生核磁共振，由此得到核磁共振谱。 2.3红外光谱分析(IR) 红外光谱是根据物质吸收红外辐射能量后引起分子振动和转动的能级跃迁，记录跃迁过程吸收或发射的电磁波，而获得该分子的红外吸收光谱。不同物质对红外辐射的吸收不同，其红外光谱图也不相同。

纳米二氧化钛的制备及性质实验

纳米二氧化钛的制备及性质实验 一、实验目的 1、了解TiO2纳米材料制备的方法。 2、掌握用溶胶-凝胶法制备TiO2纳米材料的原理和过程。 3、掌握纳米材料的标准手段和分析方法。 二、实验背景 实验前一个星期，本人通过查阅相关资料及文献了解 到，纳米粉体是指颗粒粒径介于1～100 nm之间的粒子， 由于颗粒尺寸的微细化，使得纳米粉体在保持原物质化学 性质的同时，与块状材料相比，在磁性、光吸收、热阻、 化学活性、催化和熔点等方面表现出奇异的性能。纳米TiO2粉体是一种重要的无机功能材料，纳米TiO2粉体无毒，氧化能力强，是优良的光催化剂、传感器的气敏元件、催化剂载体或吸附剂，也是功能陶瓷、高级涂料的重要原料，热稳定性好且原材料广泛易得，它有三种晶型:板钛矿、锐钛型和金红石型。在多相光催化体系中，由于纳米二氧化钛粉体与污染物有更大的接触面积，体系中二氧化钛表现出更高的光催化活性。 二氧化钛纳米材料的制备方法分为：物理法和化学法。 物理法是最早采用的纳米材料制备方法，其方法采用高能消耗的方式，“强制”材料“细化”得到纳米材料。且常用有构筑法（气相沉积法等）和粉碎法（高能球磨法等）。物理法制备纳米材料的优点是产品纯度高，缺点是产量低、设备投入大。而化学法采用化学合成的方法，合成制备纳米材料。例如，沉淀法、化学气相凝聚法、水热法、溶胶-凝胶法、热解法和还原法等。TiO2纳米材料的制备方法分为：气相法、液相法和固相法[1]。 目前制备TiO2纳米材料应用最广泛的方法是各种前驱体的液相合成法，这种方法优点是：原料来源广泛、成本较低、设备简单、便于大规模生产，但是产品的均匀性差，在干燥和煅烧过程中易发生团聚。当前实际中应用最普遍的液相制备法主要有：液相沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法和水解法。本次实验将使用溶胶-凝胶法。 三、实验原理

《材料化学综合实验II》实验指导书-2012-2013年第二学期-20130315

《材料化学综合实验II》实验指导书

实验一 纳米二氧化钛的制备及光催化性能研究 一、实验目的 1. 掌握二氧化钛的溶胶-凝胶的制备方法。 2. 了解二氧化钛光催化降解污染物的原理。 3. 熟悉测定光催化性能的方法。 二、 实验原理 1、溶胶-凝胶法制备二氧化钛 溶胶-凝胶法是20世纪 80年代兴起的一种制备纳米粉体的湿化学方法，具有分散性好、煅烧温度低、反应易控制等优点。制备溶胶所用的原料为钛酸丁酯(Ti(O-C 4H 9)4)、水、无水乙醇(C 2H 5OH)以及盐酸（或者醋酸、硝酸等）。反应物为钛酸丁酯和水，分散介质为乙醇，盐酸用来调节体系的酸度防止钛离子水解过速，使钛酸丁酯在乙醇中水解生成钛酸（Ti(OH)4），钛酸脱水后即可获得TiO 2。水解反应方程式如下。 Ti(O-C 4H 9)4+4H 2O Ti(OH)44C 4H 9OH + Ti(OH)4Ti(OH)42TiO 24H 2O + 在后续的热处理过程中，只要控制适当的温度条件和反应时间，就可以获得不同晶型的二氧化钛。 2、二氧化钛光催化降解污染物 二氧化钛作为光催化剂的代表，在太阳能光解水, 污水处理等方面有着重要的应用前景。TiO 2有三种晶型，四方晶系的锐钛矿型、金红石型和斜方晶系的板钛型。此外，还存在着非晶型TiO 2。其中板钛型不稳定；金红石型禁带宽度为3ev ，表现出最高的光敏性，但因为表面电子-空穴对重新结合的较快，几乎没有光催化活性；锐钛矿禁带宽度稍大一些，为3.2ev ，在一定波长范围的紫外光辐照下能被激发，产生电子和空穴，且二者能发生分离，另外它的表面对O 2的吸附能力较强，具有较高的光催化活性。当它受到波长小于或等于387.5nm 的光(紫外光)照射时，价带的电子就会获得光子的能量而越前至导带，形成光生电子（e -）;而价带中则相应地形成光生空穴(h +)，如图1所示。如果把分散在溶液中的每一颗TiO 2粒子近似看成是小型短路的光电化学电池，则光电效应应产生的光生电

聚合物纳米材料的研究及其应用

聚合物纳米材料的研究及其应用 聚合物纳米材料是近年来材料科学领域的重要研究方向之一。这种新型材料具有特殊的物理、化学和生物学性质，可用于生物医学、能源、环境保护、光电等多个领域，被认为是未来材料领域的研究重点之一。 一、聚合物纳米材料的定义及种类 所谓聚合物纳米材料是由聚合物分子和纳米颗粒组成的复合材料。它不仅拥有聚合物分子的特殊性质，还有纳米颗粒的特殊性质。根据纳米颗粒的种类，聚合物纳米材料可分为金属纳米颗粒/纳米粉末、无机纳米颗粒/纳米粉末、半导体纳米颗粒/纳米粉末、碳纳米管、氧化石墨烯等。 二、聚合物纳米材料的制备方法 1. 模板法制备 模板法制备聚合物纳米材料的方法是先制备纳米孔道模板，然后通过聚合物的化学反应将聚合物分子填充到模板孔道内，在经过后续的处理过程，得到具有纳米孔道的聚合物材料。 2. 正交设计法制备 正交设计法指利用正交表选取一组试验点，通过对每个试验点的不同实验条件进行试验，最终通过数学计算找到最适宜的实验条件来制备聚合物纳米材料。 3. 基底溶液法制备 基底溶液法是基于去离子水与反应物在基底条件下形成稳定的协同体系而制备的，通过控制各种基底溶液的pH值，调节溶液的酸碱度和溶液中络合物的浓度来制备聚合物纳米材料。 三、聚合物纳米材料在生物医学领域中的应用

聚合物纳米材料因其特殊的物理、化学和生物学性质，被广泛应用于生物医学 领域，包括生物成像、疾病治疗和生物传感器等方面。 1. 生物成像 在肿瘤检测方面，聚合物纳米材料作为一种新型的造影剂可以被用来对肿瘤进 行成像，有效识别出肿瘤的位置和形状。 另外，纳米颗粒可以利用可以利用其特异性吸附能力通过对待测物的无损动态 检测，从而获得目标物分子的图像信息。 在这方面的研究上，不经常有让聚合物纳米材料改变颜色进行检测的方法，吸 附在纳米颗粒表面上的特定生物分子可以在光谱范围内吸收或发射光，从而产生颜色变化，这与纳米颗粒表面的工作环境相应变化而紧密相关。 2. 疾病治疗 在疾病治疗方面，聚合物纳米材料可用于制备药物传输系统，有效地输送药物 到目标组织或细胞内部，实现对靶向组织或细胞的药物输送，并降低药物治疗的副作用。 同时，聚合物纳米材料还可以利用其特殊的电化学和磁学性质，在情况下，输 送药物部分有可能依靠聚合物纳米材料的自发运动来实现，这使得这种药物传输系统具有更好的可控性和高效性。 3. 生物传感器 聚合物纳米材料还可以制备高灵敏的生物传感器，通过对生物分子的特异性吸收，实现对待测分子的定量检测。 四、聚合物纳米材料在其他领域的应用 除了在生物医学方面的应用，聚合物纳米材料在其他领域也有广泛的应用前景。

纳米材料在冲击试验机中的表现与性能分析

纳米材料在冲击试验机中的表现与性能分析摘要： 本文旨在探讨纳米材料在冲击试验机中的表现与性能分析。纳米材料具有独特 的物理和化学特性，因此在冲击试验中的应用也与传统材料有所不同。文章首先介绍了纳米材料的基本概念、制备方法和常见的纳米材料类型。随后，重点讨论了纳米材料在冲击试验机中的表现，包括其抗冲击性能、力学性能以及热学性能等方面。最后，还对纳米材料在冲击试验机中的应用前景进行了展望。 1. 引言 纳米材料是近年来发展起来的一种新型材料，具有尺寸特征在10-9米量级的 特点。由于其特殊的物理和化学特性，纳米材料在许多领域都显示出巨大的应用前景。冲击试验机是一种常用的实验设备，用于测试材料在冲击力作用下的性能。本文将对纳米材料在冲击试验机中的表现以及相关性能进行分析。 2. 纳米材料的基本概念和制备方法 纳米材料的基本概念是指具有至少一个纳米尺度尺寸约束的材料。纳米材料可 以通过多种制备方法获得，包括溶胶凝胶法、气相沉积法、球磨法等。常见的纳米材料类型有金属纳米颗粒、纳米薄膜、纳米线和纳米多孔材料等。 3. 纳米材料在冲击试验机中的抗冲击性能 纳米材料在冲击试验机中的抗冲击性能是衡量其性能的重要指标。纳米材料由 于具有更高的比表面积和较小的尺寸效应，通常表现出了优异的抗冲击性能。纳米颗粒材料的高表面能量可以在冲击过程中吸收更多的冲击能量，使其承受更大的冲击载荷。此外，纳米材料还具有较高的强度和韧性，能够有效地抵抗冲击力的破坏。因此，纳米材料在冲击试验机中有望表现出更好的抗冲击性能。 4. 纳米材料在冲击试验机中的力学性能分析

纳米材料的力学性能在冲击试验中也起着关键作用。由于纳米材料的尺寸效应和界面效应，其力学性能与传统材料存在差异。纳米颗粒材料的力学性能受到晶界和界面的影响更加显著，力学性能的提升主要来自界面强化效应。此外，纳米材料还表现出了超塑性、超弹性和超强度等特殊的力学性能，有望在冲击试验机中展现出更好的力学性能。 5. 纳米材料在冲击试验机中的热学性能分析 纳米材料的热学性能在冲击试验中也非常重要。由于纳米颗粒的尺寸效应和界面效应，纳米材料的热传导性能、热膨胀系数等热学性能与传统材料存在差异。纳米材料通常具有较高的热传导性能和较低的热膨胀系数，这有助于在冲击试验中更好地分散和传导冲击热能，减少因冲击而产生的热应力。 6. 纳米材料在冲击试验机中的应用前景 纳米材料在冲击试验机中的性能表现使得其在多个领域具有广阔的应用前景。例如，在航空航天领域，纳米材料可以应用于制造飞机结构材料和发动机部件，以提高航空器的性能和安全性。在汽车工业中，纳米材料的应用可以提高汽车的抗冲击性能，保护乘客在碰撞事故中的安全。此外，纳米材料还可以在电子器件、建筑材料和防弹衣等领域中得到广泛应用。 结论： 本文对纳米材料在冲击试验机中的表现与性能进行了详细的分析。纳米材料由于其独特的物理和化学特性，具有出色的抗冲击性能、力学性能和热学性能。纳米材料在冲击试验机中的应用前景广阔，有望在航空航天、汽车工业等领域得到更广泛的应用。然而，还需要进一步的研究来深入理解纳米材料在冲击试验机中的行为机制，以实现其更好的性能和应用。

纳米银材料溶血试验研究

纳米银材料溶血试验研究 杨立峰;颜林;柯军;曹穗兰;田胜慧 【摘要】Objective: To test and compare the different concentration of hemolysis rate of silver nanoparticles, Obtained the relationship between the concentration of nano silver and the hemolysis rate was.Methods: Prepared 20μg/mL, 10μg/mL, 5μg/mL, 2.5μg/mL, 1.25μg/mL ifve different concentration of silver nanoparticles solution, The method reference to GB/T14233.2. In addition, two kinds of nano silver antimicrobial dressing on the market were selected to carry out hemolysis test.Conclusion: The higher the concentration of nano silver, the greater the hemolysis rate. The nano silver solution was more than 2.5 g/mL, and the hemolysis rate was more than 5%. The hemolysis rate of two kinds of nano silver antimicrobial dressing was greater than 5%.%目的：检测并比较不同浓度纳米银的溶血率，得出纳米银浓度与溶血率的关系。方法：依次制备20μg/mL、10μg/mL、 5μg/mL、2.5μg/mL、1.25μg/mL五个不同梯度浓度的纳米银颗粒溶液，参照G B/T14233.2的方法进行溶血试验，同时选择两种市面上的纳米银抗菌敷料进行溶血试验。结论：纳米银浓度越高其溶血率越大，浓度为2.5μg/m L以上的纳米银溶液溶血率均大于5%，两种纳米银抗菌敷料的溶血率也均大于5%。 【期刊名称】《中国医疗器械信息》 【年(卷),期】2016(022)013 【总页数】4页(P50-52,75)

SnO_2纳米材料微结构及其掺杂的气敏性能研究

SnO_2纳米材料微结构及其掺杂的气敏性能研究 随着现代科技的快速发展, 大气污染问题越来越严重, 可挥发性有机气体、易燃易爆等危险气体的检测和控制已成为研究热点之一。由于金属氧化物半导体传感器具有性能优良、成本较低、使用方便等优点, 研制具有良好通透性的金属氧化物气敏基体材料,有效控制气敏材料的微结构、形貌及比表面积, 选择合适的掺杂或催化手段等,可有效改善或提升气敏性能, 有利于气体传感器的更加广泛应用。 为此，本文主要研究不同维度多种形貌的SnO2纳米材料微结构的制备方法，探索提升SnO2气体传感器性能的有效途径，利用密度泛函理论进行计算机模拟计算,从电子级别上对SnO2纳米材料的气敏机理进行初步探讨。利用溶胶凝胶法制备了具有金红石结构的SnO2纳米颗粒,分别掺入适量TiO2和碳纳米管,采用本文创建的“液滴引导定位涂覆法” , 制作了低功耗微热板式气敏元件。 分析了SnO2/TiO2 复合材料对乙醇气体具有较高灵敏度的原因, 主要是由于两种粒子晶界处的费米能级位置不同，电子从TiO2流向SnO2在SnO2材料表面形成电子累积层,促进了氧在材料表面的吸附及电离, 材料在空气中的电阻值升高;当还原性气体与材料表面吸附氧进行反应时,释放电子进入材料表面, 使得表面电子数量增加并向材料内部扩散, 材料电阻值降低, 灵敏度升高。SnO2/CNT 材料中的CNT具有疏松多孔的中空管道结构，利于改善材料内部气体输运通道，增加气体与材料表面的接触机会,适量掺入CNT可 引进“溢出”机制,进一步促进氧在材料表面吸附, 从而改善材料的气敏性能。 利用密度泛函理论计算了Sn02块体材料、SnO2(110)晶面的表面结构及其 物理性质，分析了氧在Sn02(110)晶面的吸附，以及乙醇等气体在吸附氧的SnO2(110)晶面的吸附现象。计算结果表明，乙醇与材料表面的吸附能和净转移电荷的数值最大,材料带隙变化最大,因此气敏材料对乙醇的选择性最强,这与气敏元件的测试结果相吻合。 为了利用纳米颗粒结晶度高、电子迁移率高等优点,同时避免出现较为严重的团聚现

纳米复合材料的强度与韧性测试

纳米复合材料的强度与韧性测试 近年来，随着科技的飞速发展，人们对材料的要求也越来越高。纳米复合材料 作为一种新型材料，不仅具有原料成本低、制备工艺简单等优点，更重要的是其强度和韧性都远超过传统材料。然而，要充分发挥纳米复合材料的优势，就需要对其强度与韧性进行准确的测试。 首先，对纳米复合材料的强度进行测试是至关重要的。强度是材料抵抗外力破 坏的能力。通常，我们通过拉伸试验来评估材料的强度。在确保样品的一致性和精准性的前提下，将样品锚定在拉伸机上，施加外力，测量材料的断裂强度。但是，纳米复合材料的强度测试存在一定的挑战。一方面，纳米材料具有较小的尺寸，样品的制备和操作非常困难，容易受到外界环境的影响；另一方面，纳米复合材料通常含有复杂的组分，材料的异质性对测试结果产生较大影响。因此，为了准确评估纳米复合材料的强度，我们需要在合适的温度、湿度和力量条件下进行测试，并运用先进的仪器设备，如原子力显微镜和电子显微镜，对样品进行观察和分析，以得出准确的测试结果。 与强度测试相比，韧性测试对纳米复合材料的性能评估同样重要。韧性是材料 在受到外力作用时，能够吸收和消耗能量的能力。对纳米复合材料的韧性测试通常采用冲击试验、缺口冲击试验和剪切测试等方法。在冲击试验中，将冲击载荷施加在样品上，并测量材料的断裂韧性。而在缺口冲击试验中，通过在样品上引入缺口，增加材料的应力集中程度，以评估材料的断裂韧性。剪切测试则是将样品置于剪切装置中，施加剪切应力，并测量材料的切削强度。无论采用何种方法，韧性测试都需要严格控制试验条件，以确保测试结果的准确性。 除了传统的强度与韧性测试方法，还有一些新兴的测试技术被用于纳米复合材 料的性能评估。例如，纳米压痕测试技术可以通过在材料表面施加小范围的力量，来评估材料的硬度和弹性模量。该方法不仅可以准确测量纳米复合材料的硬度，还可以评估其变形能力和塑性。此外，还有一种新兴的技术被应用于纳米复合材料的

混凝土中添加纳米二氧化硅的性能研究

混凝土中添加纳米二氧化硅的性能研究 一、研究背景 混凝土是一种广泛应用的建筑材料，其使用量在全球建筑材料中占据 了主导地位。然而，传统混凝土存在一些问题，如易龟裂、易开裂、 易受腐蚀等等。为了提高混凝土的性能，近年来，人们开始研究添加 纳米材料来改善混凝土的性能。其中，纳米二氧化硅是一种常用的添 加剂，可以显著提高混凝土的力学性能和耐久性能。因此，本文将对 混凝土中添加纳米二氧化硅的性能进行研究。 二、研究目的 本研究旨在探究混凝土中添加不同比例的纳米二氧化硅对混凝土性能 的影响，包括力学性能、耐久性能和微观结构等方面的变化。通过实 验研究，为混凝土添加纳米材料提供理论依据和实验基础。 三、研究方法 本研究采用实验方法进行，具体步骤如下： 1.准备试验材料：水泥、砂子、碎石、混凝土添加剂（纳米二氧化硅）； 2.根据不同配比比例制备混凝土试件，分别为控制组和实验组； 3.对试件进行各项力学性能测试，包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量等； 4.对试件进行耐久性能测试，如冻融循环试验、碱-骨架反应试验等；

5.通过扫描电子显微镜（SEM）观察混凝土微观结构的变化。 四、实验结果与分析 1.力学性能测试结果 通过对试件的力学性能测试，得到以下结果： （1）抗压强度：在添加纳米二氧化硅的情况下，混凝土的抗压强度明显提高，其中添加量为5%时，抗压强度最高，较控制组提高了20%；（2）抗拉强度：在添加纳米二氧化硅的情况下，混凝土的抗拉强度也有所提高，其中添加量为5%时，抗拉强度最高，较控制组提高了15%； （3）弹性模量：在添加纳米二氧化硅的情况下，混凝土的弹性模量也有所提高，其中添加量为5%时，弹性模量最高，较控制组提高了10%。 2.耐久性能测试结果 通过对试件的耐久性能测试，得到以下结果： （1）冻融循环试验：在添加纳米二氧化硅的情况下，混凝土的耐久性有所提高，其中添加量为5%时，混凝土经过50次冻融循环后，抗压强度仅降低了5%，而控制组则降低了15%； （2）碱-骨架反应试验：在添加纳米二氧化硅的情况下，混凝土的耐 久性也有所提高，其中添加量为5%时，混凝土的碱-骨架反应等级为 可接受，而控制组则为不可接受。

纳米材料的研究及应用

纳米材料的研究及应用 纳米材料的讨论及应用 纳米材料的讨论及应用 魏方芳 ( 福建师范高校化学与材料学院重点试验室. 福建 3 0 0 ) 5 摘要: 介绍纳米材料的范围、定义、四个基本效应及应用领城。关镶词: 纳来材并; 基本效应; 应用 1 概述 纳米材料是近年来进展起来的一种新型高性能材料。纳米材料 ( 又称超微小粒) 是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统，依据其形 象即为外表效应[ 。主 1 3 要表现为熔点降低、比热 增大。 超微颗粒的外表具有很高的活性，在空气中金属颗粒会快速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采纳外表包覆或有意识地掌握氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保外表稳定化。利用外表活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。 态分为零维、一可维、二维和三维纳米材料t 。 l 纳米材料的晶粒尺寸、晶界尺寸、缺陷尺寸均在 l o nm 以下，随着晶格数量大幅度增加，材料的强度、韧性和超塑性都大为提高，对材料的电学、磁学、光学等性能产生重要

的影响。目前对纳米材料的定义为: 粒径为1一100nm 的纳米粉，直径为 1一10O 的纳米线，厚度为 1一lo n 的纳米薄 m n o m 2。小尺寸效应 2 在肯定条件下，颗粒尺寸的量变，会引起颗粒 的质变。由于颖粒尺寸变小所引起的宏观物理性质 膜，且现米应材 [ 。并出纳效的料 1 2 2 纳米材料的基本特性 纳米材料有四个基本的效应，即小尺寸效应、外表与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，因此消失常规材料所没有的一些特殊性能，如 的改变称为小尺寸效应4]。对超微颐粒而言，尺【 寸变小，同时比外表积亦显著增加，从而产生一系列新颖的性质。 ) 1 热学性质改变大尺寸固态物质经过超微小化后，发觉其熔点将显著降低，当颗粒小于 1 纳米量级时尤为显著。 0 例如，金的常规熔点为1 64℃，当颗粒尺寸减小 0 到 10 纳米尺寸时，则降低 27℃，2 纳米尺寸时的熔点仅为32 ℃左右; 银的常规熔点为67 ℃，而 7 0 超微银颗粒的熔点可低于100℃。因此，超细银粉制成的导电浆料使膜厚匀称，掩盖面积大，可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采纳耐高温的陶 瓷材料。 高强度和高韧性、高热膨胀系数、高比热和低熔 点、奇怪的磁性和极强的吸波性等，从而使纳米材料己获得

Ag掺杂MoS_2纳米材料制备及理论研究

Ag掺杂MoS_2纳米材料制备及理论研究 MoS2属于过渡金属硫化物,具有天然可调控的电子带隙结构。二维层状MoS2不同于传统材料,在本文中,通过掺杂对材料的电学和光 学性能进行调控,本文从实验制备和理论计算两方面研究了本征单层MoS2和Ag掺杂MoS2纳米材料,另外本文还进行了Sb元素掺杂MoS2 的理论研究。在本文中,实验部分主要通过水热法分别合成了本征MoS2纳米片和Ag掺杂的MoS2纳米片,纳米片的厚度范围为0.9至1.1 nm;此外,紫外可见光吸收测试表明Ag掺杂MoS2纳米片的吸收光谱随Ag含量的增加而增加:同时也对对Ag掺杂MoS2纳米片的光催化性能进行了测试,结果显示Ag掺杂的MoS2纳米片的光催化制氢率可达到2695 umol h-1 g-1且具有良好的稳定性。理论部分采用密度泛函理论研究了未掺杂单层MoS2与Ag掺杂单层MoS2的介电函数、吸收系数、折射率和电子结构。模拟结果显示,Ag掺杂MoS2结构体系在紫 外-可见光区域的吸收强度显着增强,并且Ag掺杂单层MoS2体系的导带与本征MoS2相比是降低的。因此,Ag掺杂MoS2可以优化能带结构,从而提高光催化活性。以上研究表明实验测试与理论计算结果相吻合。基于第一性原理还研究了本征MoS2和Sb掺杂单层MoS2的电子结构 和光学性质,结果显示:未掺杂MoS2和Sb替位式Mo掺杂单层MoS2是带隙分别为1.68 eV和1.06 eV的直接带隙半导体,然而,Sb替位式S 掺杂单层MoS2是带隙为1.47 eV的间接带隙半导体,故掺杂Sb可以 很好地调控MoS2的能带结构。Sb掺杂后MoS2吸收光谱的能量宽度 明显变大,吸收明显增强。这些理论结果有望为基于单层MoS2的光电

纳米材料考试参考答案

纳米材料考试参考答案 1. 纳米科学技术(Nano-ST): 20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。 2纳米材料 •把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。 •即三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 •纳米材料有两层含义：其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性。量子尺寸效应 3 巨磁电阻效应： 1988年，法国的费尔在铁、铬相间的多层膜电阻中发现，微弱的磁场变化可以导致电阻大小的急剧变化，其变化的幅度比通常高十几倍，他把这种效应命名为巨磁电阻效应 4 “自上而下” (top down) ：是指通过微加工或固态技术, 不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化。 5 “自下而上” (bottom up) ：是指以原子分子为基本单元, 根据人们的意愿进行设计和组装, 从而构筑成具有特定功能的产品，这种技术路线将减少对原材料的需求, 降低环境污染。 6 量子器件:利用量子效应而工作的电子器件称为量子器件 7 纳米材料与传统材料的主要差别： 第一、这种材料至少有一个方向是在纳米的数量级上。比如说纳米尺度的颗粒，或者是分子膜的厚度在纳米尺度范围内。 第二、由于量子效应、界面效应、表面效应等，使材料在物理和化学上表现出奇异现象。 8 纳米科技的分类 纳米科技从研究内容上可以分为三个方面： •纳米材料纳米材料是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度, 并且具有特殊性能的材料。是纳米科技发展的物质基础•纳米器件所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。纳米器件的研制和应用水平是进入纳米时代的重要标志。 •纳米尺度的检测和表征 9 纳米技术与微电子技术的主要区别是： •纳米技术研究的是以控制单个原子、分子来实现设备特定的功能，是利用电子的波动性来工作的； •而微电子技术则主要通过控制电子群体来实现其功能，是利用电子的粒子性来工作的。 •人们研究和开发纳米技术的目的，就是要实现对整个微观世界的有效控制。 第二页 1、了解纳米技术提出的背景及发展过程背景：1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用； 发展过程：1987年，Bell实验室的科学家发明了一种靠单电子作为电流开头的晶体管。世界上第一个单电子晶体管诞生。 1988年，Dupont公司的科研人员 W.Degrado等无意中设计出一种新的蛋白质，世界上第一个人为设计的蛋白质诞生了。 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生； 1993年，第一个致力于纳米技术研究的实验室在美国Rice大学诞生。 1999年，美国耶鲁大学的科学家创造了单分子有机开关。 2000年，美国政府启动了“国家纳米行动计划(NNI)，NNI 的提出统一了对纳米技术的展望，并使这种展望得到普遍的接受。自此，全球掀起了纳米科技研究的热潮。 2、什么是纳米世界的“眼”和“手” 扫描隧道显微镜（STM）和原子力显微镜（AFM） 3、与纳米技术相关的诺贝尔奖有几个？ 1986年：鲁斯卡（德国）设计第一台透射电子显微镜；比尼格（德国）、罗雷尔（瑞士）设计第一台扫描隧道电子显微镜 2010年：英国曼彻斯特大学科学家安德烈•盖姆和康斯坦丁•诺沃肖洛夫因在二维空间材料石墨烯的突破性实验获奖。4、世界上第一个单电子晶体管何年诞生？（1987） 5、世界上第一个人为设计的蛋白质何年诞生？（1988） 6、第一届国际纳米科技会议何年在哪召开？

纳米技术2

纳米技术2 纳米技术一般指纳米级(0.1-100nm)的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。纳米技术主要包括：纳米级精度和表面形貌的测量；纳米级表层物理、化学、机械性能的检测；纳米级精度的加工和纳米级表层的加工原子和分子的去除、搬迁和重组；纳米材料；纳米级微传感器和控制技术；微型和超微型机械；微型和超微型机电系统和其他综合系统；纳米生物学等。 1 纳米级测量技术 纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。纳米级测量技术主要有两个发展方向。光干涉测量技术可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。扫描探针显微测量技术主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜(STM)、原子显微镜(AFM)等。为对这些纳米级测量方法的测量分辨率、测量精度、测量范围等性能有更好的对比了解，在附表中给出了 量性能对比。 2 纳米级表层物理、力学性能的 检测 各种材料的极薄表层的物理、 化学、力学性能和材料内部的性能 常有很大差异。而正是这极薄的表 面材料在摩擦磨损、物理、化学、 机械行为中起着主导作用。反映在 现在“信息时代”的新型“智能型”材料的出现，如计算机磁盘、光盘等，要求表层不但有优良的电、磁、光性能，而且要求有良好的润滑性、摩擦小、耐磨损、抗化学腐蚀、组织稳定和优良的力学性能。因此，世界各国都非常重视材料的纳米级表层的物理、化学、机械性能及其检测方法的研究。 表层显微力学探针检测法是连续记录探针针尖加载、逐步压入和卸载、逐步退出试件表层的全过程的压痕深度变化。因其中包含试件表层的弹性变形、塑性变形、蠕变、变形速率等多种信息，所以通过这信息可测出表层材料的多项力学性能。 用显微力学探针法检测涂层材料的表层硬度等力学性能极为方便有效。这种方法还可检测复合材料界面的物理力学性能，对改善和发展新型材料极为有用。 随着20世纪80年代尖端技术的发展，特别是计算机磁盘的发展，提出并促进了纳米级摩擦磨损问题的研究和发展。人们要求极大地提高计算机磁盘的容量，并且要求软磁盘的磨损率小于一个原子层(0.1-0.3nm)，硬磁盘的磨损率为零。由于工程实际的需要和测试技术的突破，如原子力显微镜、表面力测量仪、垫层光干涉法等的应用，使纳米摩擦学获得很大的发展。纳米级摩擦副材料的研究发展，大大减少了材料表层的磨损。例如，固体表面加上单分子有序排列的LB 膜，可使金属的动摩擦系数自0.8降到0.2。利用LB膜技术，磁记录体的薄膜润滑达到分子级水平，大大提高其耐磨性。 3 纳米级加工技术和微细加工技术