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纳米材料应用现状及发展趋势

纳米材料应用现状及发展趋势
纳米材料应用现状及发展趋势

NANO MATERIAL NANO MATERIAL NANO MATERIAL 纳米材料

应用现状及发展趋势

北京有色金属研究总院李明怡

摘要纳米材料是近期发展起来的多功能材料,本文概述了纳米材料的结构特性、主要制备工艺及应用现状和发展趋势,由于纳米材料具有许多特殊功能和效应,将在工业和国防等领域中发挥巨大潜力,并将为人类社会带来巨大影响。

关键词纳米结构功能材料制备工艺应用现状发展趋势

1前言

纳米材料是指由极细晶粒组成,特征维度尺寸在1~100纳米范围内的一类固体材料,包括晶态、非晶态和准晶态的金属、陶瓷和复合材料等,是80年代中期发展起来的一种新型多功能材料。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒内缺陷中心的原子,纳米材料在物化性能上表现出与微米多晶材料巨大的差异,具有奇特的力学、电学、磁学、光学、热学及化学等诸方面的性能,目前已受到世界各国科学家的高度重视。以纳米材料及其应用技术为重要组成部分的纳米科学技术,被认为对当代科学技术的发展有着举足轻重的作用。美国IB M公司首席科学家Ar mstrong认为:/正像70年代微电子技术产生了信息革命一样,纳米科学技术将成为下一代信息的核心。0我国科学家钱学森也指出:/纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科学技术发展的重点,会是一次技术革命,从而将引起21世纪又一次产业革命。0由于纳米科学技术具有极其重要的战略意义,美、英、日、德等国都非常重视这一技术的研究工作。美国国家基金会把纳米材料列为优先支持项目,拨巨款进行专题研究。英国从1989年起开始实施/纳米技术研究计划0。日本把纳米技术列为六大尖端技术探索项目之一,并提供1187亿美元的专款发展纳米技术。我国组织实施的新材料高技术产业化专项中也将纳米材料列为其中之一。纳米材料正在向国民经济和高技术各个领域渗透,并将为人类社会进步带来巨大影响。

2纳米材料的结构和特性

我们所使用的常规材料在三维方向上都有足够大的尺寸,具有宏观性。纳米材料则是一些低维材料,即在一维、二维甚至三维方向上尺寸极小,为纳米级(无宏观性),故纳米材料的尺寸至少在一个方向上是几个纳米长(典型为1~10nm)。如果在三维方向上都是几个纳米长,为3D纳米微晶,如在二维方向上是纳米级的,为2D纳米材料,如丝状材料和纳米碳管;层状材料或薄膜等为1D纳米材料。纳米颗粒可以是单晶,也可以是多晶,可以是晶体结构,也可以是准晶或无定形相(玻璃态);可以是金属,也可以是陶瓷、氧化物或复合材料等。纳米微晶的突出特征是晶界原子的比例很大,有时与晶内的原子数相等。这表明纳米微晶内界面很多,平均晶粒直径越小,晶界

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越多,在晶界面上的原子也越多;此外,晶粒越小,比表面积越大,表面能也越高。

近几年来的研究结果表明,在纳米微晶内,所有的晶间区域包括晶界、三角结合处(即三个或更多的相邻晶粒的交线)甚为重要。晶界上原子的排列结构相当复杂,到目前为止还没能获得准确的结论。据分析认为,晶界上的原子排列类似于气态而不同于晶态或玻璃态。

正是由于纳米微晶在结构上与组成上的特殊性,使得纳米材料具有许多与众不同的特异性能,主要表现在以下几方面:

211力学性能

许多纳米金属的室温硬度比相应粗晶高2~7倍;纳米材料具有更高的强度,例如,6nm的纳米铁晶体的强度比多晶铁提高12倍,硬度提高了2~3个数量级;韧性更大,如美国Argonnel实验室制成的纳米CsF2陶瓷晶体在室温下可弯曲100%。室温下的纳米TiO2陶瓷晶体表现出很高的韧性,压缩至原长度的1P4仍不破碎。

212热学性能

一般纳米金属材料的热容是传统金属的2倍;直径为10nm的Fe、Au和Al熔点分别由其粗晶熔点的1540e、1063e和660e降到33e、27e和18e。2nm 的金的颗粒熔点仅为330e,比通常金的熔点低700e以上,而纳米银粉的熔点仅为100e;此外,纳米材料的热膨胀可调,可用于具有不同热膨胀系数的材料的连接。

213磁学性能

当晶粒尺寸减小到纳米级时,晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要影响,使得纳米材料具有高磁化率和高矫顽力,低饱和磁矩和低磁耗纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍,而饱和磁矩是普通金属的1P2。

214光学性能

各种纳米微粒几乎都呈黑色,它们对可见光的反射率将显著降低,一般低于1%。粒度越细,光的吸收越强烈,利用这一特性,纳米金属有可能用于制作红外线检测元件、隐身飞机上的雷达波吸收材料。215电学性能

电导率低,纳米固体中的量子隧道效应使电子运输表现出反常现象,例如,纳米硅氢合金中的氢含量大于5%(原子分数)时,电导率下降2个数量级,并出现通道电阻效应。纳米材料的电导率随颗粒尺寸的减小而下降。

216高扩散性

纳米晶体的自扩散速率为传统晶体的1016至1019倍,是晶界扩散的100倍。高的扩散速率使纳米材料的固态反应可在室温或低温下进行。

217表面活性

随着纳米微粒粒径减小,比表面积增大,表面原子数增多及表面原子配位不饱和性导致大量的悬键和不饱和键等,使得纳米微粒具有高的表面活性,适于作催化剂和贮氢材料。例如,纳米晶Li-MgO对甲烷向高级烃转化的催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200e;又如,普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行,低温吸氢需长时间或高压力,而纳米晶Mg2Ni在200e以下,即可吸氢,无须活化处理。

3纳米材料的制备方法

由于纳米材料具有独特的结构和特征,使其表现出一系列与普通多晶体和非晶物质不同的力学、磁、光、电、声等性能,使得对纳米材料的制备、结构、性能及其应用研究成为90年代材料科学研究的热点。纳米材料的合成与制备包括粉体、块体及薄膜材料的制备,其制备方法有物理法、化学法、物理-化学法和机械法等,也可以按照制备环境对一些常用的合成和制备纳米材料的方法进行分类。

目前应用较广的制备方法主要有以下几种:

311惰性气体凝聚原位加压成形法

该法首先由H.V.Gleiter教授提出,其装置主要由蒸发源、液氮冷却的纳米微粉收集系统、刮落运输系统及原位加压成形(烧结)系统组成。其制备过程是:在高真空反应室中惰性气体保护下使金属受热升华并在液氮冷却镜壁上聚集、凝结为纳米尺寸的超微粒子,刮板将收集器上的纳米微粒刮落进入漏斗并导入模具,在10-6Pa高真空下,加压系统以1-5GPa的压力使纳米粉原位(加压)烧结成块。采用该法已成功制得Pd、Cu、Fe、Ag、Mg、Sb、Ni3Al、Ni A l、Ti A l、Fe5Si95等合金块状纳米材料。近年来,在该装置基础之上,通过改进金属升华的热源及方式(如采用感应加热、

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等离子法、电子束加热法、激光热解法、磁溅射等)以及改良其它装备,可以获得克级到几十克级的纳米晶体样品。如采用等离子喷射加热法,可使高熔点的W、Mo、Ta、Al2O3、SiO2和C等物质稳定地蒸发;美国采用激光加热制备出Si3N4、SiC、B N、非晶Si等无机非金属纳米粉;日本则在激光制备纳米金属粉末方面取得了显著成果,已制备出Fe、Ti、Ni、Cr、Sn、Zr、Mo、Ta、W及其化合物,平均粒度在4-100nm范围内。纳米超饱和合金、纳米复合材料等也正在利用此法进行研究。目前该法正向多组分、计量控制、多副模具、超高压力等方向发展。

这种方法的特点是适用范围广,微粉表面洁净,有助于纳米材料的理论研究。但工艺设备复杂,产量极低,很难满足性能研究及应用的要求。近年来,尽管发展了一些新的纳米粉制备方法如电化学沉积、电火花侵蚀,但与这些方法相衔接的纳米粉的分散、表面处理及成形方法尚未得到发展。

312机械合金化法

机械合金化法是INC O公司于60年代末发展起来的技术。将合金粉末或预合金粉末在氩气等保护性气氛中,通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞,对粉末粒子反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使晶粒不断细化,达到纳米尺寸。此方法可将金属粉末、金属间化合物粉末或难混溶粉末研磨成纳米颗粒。在大多数情况下,只需研磨几个小时或十几个小时就足以形成要求的纳米颗粒。如钛合金采用机械合金法可制得10nm左右的颗粒。通过高能球磨已制备出纳米晶纯金属如C、Si、Ge;金属间化合物如Ti N i、Al3Fe、Ni3Al、Ti3Al;过饱和固溶体如Ti-Mg、Fe-Al、Cu-Ag;复合材料如Fe-SiC、Al-SiC、Cu-Fe3O4等。机械合金化可以使相图上几乎互不相溶的几种元素制成固溶体,这是常规熔炼方法无法做到的。

机械合金化法工艺简单、体系广、产量大、操作成分可连续调节,特别是在难熔金属的合金化、非平衡相的生成及开发特殊使用合金等方面显示出较强的活力,该法在国外已进入实用化阶段。如美国INC O 公司使用的球磨机直径为2m,长3m,每次可处理约1000kg粉体。该法在我国也受到重视,但该法也存在一些问题,如晶粒尺寸不均匀、球磨及氧化带来污染等,很难得到洁净的纳米晶体界面,对一些基础性研究工作不适宜。

313非晶合金晶化法

该法是近年来发展极为迅速的一种新工艺,它是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程使晶化的产物为纳米尺寸的晶粒。非晶晶化法制备纳米材料的前提是将原料用急冷技术制成非晶薄带或薄膜,然后控制退火条件,使非晶全部或部分晶化,生成晶粒尺寸保持在纳米级。晶化通常采用等温退火法,近年来还发展了分级退火、脉冲退火、激波诱导等方法。目前利用该法已制备出Ni、Fe、Co、Pd基等多种合金系列的纳米晶体,也可制备出金属间化合物和单质半导体纳米晶体。此法在纳米软磁材料的制备方面应用最为广泛。

该法的特点是成本低、产量大、界面清洁致密,样品中无微孔隙,晶粒度变化易控制,并有助于研究纳米晶的形成机理及用来检验经典的形核长大理论在快速凝固条件下应用的可能性。其局限性只适用于非晶形成能力较强的合金系。

314高压高温固相淬火法

该法是将真空电弧炉熔炼的样品置于高压腔体内,加压至数GPa后升温,通过高压控制原子的长程扩散及晶体的生长速率,从而实现晶粒的纳米化,然后再从高温下固相淬火以保留高温、高压组织。

该法的特点是工艺简单,界面清洁,能直接制备大块致密的纳米晶,但需很高的压力,大块尺寸获得困难。

315大塑性变形法

早在90年代初,俄罗斯科学院的R.Z.Valiev等人即发现采用纯剪切大变形方法可获得亚微米级晶粒尺寸的纯铜组织,近年来,他们在发展多种塑性变形方法的基础上,已成功制备出晶粒尺寸为20-30纳米的纯Fe、Fe-C-Mn-Si-V低合金钢、Al-Cu-Zr、Al-Mg-Li-Zr、Ti-Al-Mo-Si等合金的块体纳米材料。

这种方法使用范围宽,可制造大体积试样,试样无残留缩孔,特别有利于研究其组织与性能关系的特点并可采用多种变形方法制备界面清洁的纳米材料,是今后制备块体金属纳米材料很有潜力的一种方法。如将此法与粉末冶金及深过冷技术相结合,有望利用

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此法制备金属陶瓷纳米复合材料,并拓宽其所能制备的合金成分范围。

316溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法是制备材料的湿化学方法中的一种,将易于水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应,经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化,再经干燥、烧结等后处理,制得所需纳米材料。其基本反应有水解反应和聚合反应。

用此法制备出的球形C-Al2O3和A-Al2O3粉末,平均粉径为40nm和100nm,具有良好的压制性和烧结特性。对凝胶干燥后的产物进行还原处理,还可制备一些纯金属、纯金属-氧化物纳米颗粒体如Fe -SiO2、Ni-SiO2、Fe-Cu、Co-Cu等。此外,溶胶凝胶法还可用来制备纳米薄膜。

溶胶-凝胶法通常是在室温合成无机材料,能从分子水平上设计和控制材料的均匀性及粒度,得到高纯、超细、均匀的纳米材料。该法可容纳不溶性组分或不沉淀组分。不溶性组分颗粒越细,体系化学均匀性越好。但该法制备出的球形凝胶颗粒之间烧结性差,块体材料烧结性不好,此外干燥时收缩大。

其它常用的方法还有化学气相沉积法、离子注入法等。目前,关于纳米材料制备技术的研究主要集中在两个方面:一是纳米粉末的固结技术、理论机制和模型,目的是改进纳米材料的品质和质量;二是纳米粉末的固结技术,以获得高密度和微结构可控的块体材料或表面涂层。

4纳米材料的应用及发展方向

纳米材料分别以粉末状态、多孔材料和致密化状态三种形式加以应用。金属纳米粉末可用作高弥散材料的弥散物。纳米晶金属粉末变成绝缘体,用于厚膜技术中,使得制备细长的导电隧道变为现实;多孔的纳米晶体烧结体具有特殊的和活性极强的表面,适合于做催化剂和大功率电容器;纳米晶体的致密块材有广阔的应用前景,除用于传统的结构材料外,作为晶面材料在强度上发挥了它的优势。纳米晶陶瓷在相对低的温度下具有良好的可塑性,易于成形。纳米材料还可作为化工催化材料、敏感(气、光)材料、吸波材料、阻燃涂层材料、陶瓷扩散连接材料等得到实际应用,下面就简单介绍一下纳米材料在这几方面的应用情况。

411化工催化材料

纳米粒子对催化氧化、还原和裂解反应都具有很高的活性和选择性,对光解水制氢和一些有机合成反应也有明显的光催化活性。国际上已把纳米粒子催化剂称为第四代催化剂。纳米催化剂具有高比表面和表面能,活性点多,因而其催化活性和选择性大大高于传统催化剂。如用Rh纳米粒子做光解水催化剂,比常规催化剂产率提高2-3个数量级。用粒径为30nm的Ni作环辛二烯加氢生成环辛烯反应的催化剂,选择性为210,而用传统Ni催化剂时选择性仅为24;火箭发射用的固体燃料推进剂中,如添加约1%的纳米镍微粒,每克燃料的燃烧热可增加一倍。对推进剂燃烧催化剂亚铬酸铜的研究表明,普通微米级亚铬酸铜的燃速为48mm P s(P=9181MPa),而纳米级亚铬酸铜的燃速为52m m P s,提高了4mm P s。

412陶瓷材料增韧改性

高强度铝基陶瓷中添加0101%~5%(质量分数)的NiO纳米粉,可提高材料的弯曲强度和结构强度。用作磁性滑动触头的非磁性陶瓷中,添加5%~ 50%的NiO纳米粉体,可使陶瓷具有与磁性薄膜相同的热膨胀系数和良好的选择性。另外,陶瓷材料通常是宏观脆性材料,当其晶粒尺寸达到纳米量级时,可变成宏观塑性材料,可加工性能明显改善,有望用于航天飞行器。

413纳米雷达波吸收剂

隐身技术作为提高武器系统生存和突防能力,提高总体作战效能有效手段,受到世界各军事大国的高度重视,隐身材料的发展和应用是隐身技术发展的关键因素之一。雷达波吸收材料是隐身材料中发展最快、应用最为广泛的材料,而制造吸波材料的关键是要有性能优异的雷达波吸收剂,它是吸波材料的核心,吸波材料主要靠吸收剂吸收和衰减雷达波。纳米材料由于具有特殊的光学性能,有可能实现高吸收、宽频带、质轻层薄、红外微波吸收兼顾等要求,是一种非常有发展前途的新型军用雷达波吸收剂。

目前国内外研究的纳米雷达波吸收剂主要有以下几种类型:

41311纳米金属与合金吸收剂

其吸波性能优于单相纳米金属粉体,吸收率大于

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10dB的带宽可达312GHz,谐振频率点的吸收率均大于20dB。

41312纳米氧化物吸收剂

包括Fe2O3、Fe3O4、ZnO、NiO、MoO2等单一氧化物和LaFe O3、La1-x Sr x FeO3等复合氧化物纳米微粉,它们不仅吸波性能优异,而且还兼有抑制红外辐射等数种功能。

41313纳米碳化硅吸收剂

碳化硅不仅吸波性能好,能减弱发动机红外信号,而且有耐高温、相对密度小、韧性好、强度大、电阻率高等优点,是国内外发展很快的吸收剂之一,其对毫米和厘米波段均有很好的吸收效果。

41314纳米金属膜P绝缘介质膜吸收剂

这种吸收剂是将金属沉积到绝缘介质膜上,金属膜和绝缘介质膜的厚度均保持在纳米量级。法国科学家最近研制成功一种宽频微波吸收涂层,该涂层由粘结剂和纳米级微屑填充材料构成,填充微屑由超薄不定形磁性薄膜及绝缘层堆叠而成,磁性层厚度为3nm,绝缘层厚度为5nm。这种吸收涂层具有很高的磁导率,均大于6(约为011~18GHz)。

414纳米结构软磁材料

纳米材料的磁学性质十分特殊,如单轴临界尺寸的强磁颗粒Fe-Co合金和氮化铁有极高的饱和磁化强度和较高的矫顽力,用它制成的磁记录介质材料不仅音质、图象和信噪比好,而且记录密度比目前的C -Fe2O3高10倍以上。纳米晶软磁材料综合性能高于传统的坡莫合金和非晶态合金,目前已在工业上投入生产,在电源开关、继电器等上得到应用。

415纳米涂层和刀具材料

利用纳米材料在高温下的高强、高韧、稳定性好的特点,可改造传统工具和工件。纳米涂层和刀具材料已进入市场,纳米结构的WC-Co已用作保护涂层和切削刀具,高能球磨或化学合成的WC-Co纳米合金已经工业化。芬兰、美国在普通工具钢刀具上覆盖了纳米涂层,其硬度可提高几倍,产品已进入市场。欧、美一些发达国家都把纳米陶瓷刀具作为跨世纪刀具工业革命的目标,已与企业界商业界合作,正由实验室转为工业化生产,预计21世纪这种刀具将在市场上成为主角。416复合纳米材料

纳米相复合材料发展很快,例如,含有20%超微钴颗粒的金属陶瓷是火箭喷口的耐高温材料;铝基纳米复合材料以其超高强度(可达116GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上扩散分布着纳米尺度的A-Al粒子。温挤Al基纳米复合材料已经商业化。雾化的粉末可固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为。用纳米颗粒制成的精细陶瓷,正在试用于陶瓷绝热涡轮复合发动机、陶瓷涡轮机、耐高温、耐腐蚀轴承及滚球等。

另外,国家高技术新材料领域的专家也对纳米材料的发展方向进行了预测。他们认为,纳米结构的重要发展方面是纳米组装体系和纳米器件。纳米器件的诞生意味着微电子器件即将进入一个新的时代。单电子晶体管和三基色可调谐的发光二极管等量子器件已在实验室问世。利用具有半导体性质的纳米管与具有金属性质的纳米管可组装成具有隧道结构的纳米碳管,很可能发展成新型的纳米器件,在机械、电子、光学、磁学、化学和生物学上有着广泛的应用前景。

目前,纳米材料及其相应的产品已陆续进入市场,所创造的经济效益以20%速度增长。据悉,美国纳米结构的超细粉末和涂层材料市场投入额,在1998年为017亿美元,预计2001年将增长到116亿美元,年平均增长3219%。纳米材料和性能的研究,将随着制备方法的改进和新型纳米材料的开发而不断拓宽和深入。

总之,由于纳米材料尺度的减少和表面状态的改变,使其不同于宏观物体,具有许多特殊的功能和效应,随着对纳米材料进一步深入研究以及规模生产与应用,纳米材料将在工业和国防等领域中发挥出巨大潜力,并将在下个世纪得到广泛应用。

参考文献

1、马如璋等,5功能材料学概论6,冶金工业出版社,1999,465

2、Gleiter H.V,Trans Japan Inst M etal Suppl,1986(27):43

3、张汝冰等,兵器材料科学与工程,1999,22(5):27-31

4、朱诚意等,功能材料,1999,30(4):345~346

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纳米材料的特性及相关应用

纳米材料的研究属于一种微观上的研究,纳米是一个十分小的尺度,而一些物质在纳米级别这个尺度,往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么,关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢?下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级,将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说:被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉,其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理,可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉,这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的,微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的,但通过控制制备条件,可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说,通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积,每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡,这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂,在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料,我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术,我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件,减小器件的体

积,使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等),对纳米陶瓷来说,纳米化可望解决陶瓷的脆性问题,并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体,用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动,材料质脆,烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小,晶粒容易在其他晶粒上运动,因此,纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形,然后做表面退火处理,就可以使

纳米材料的制备技术及其特点

纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中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。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法

纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中

纳米材料的发展及应用

课程名称:化工新材料概论姓名:邓元顺 学号:1208110201 专业:化学工程与工艺班级:化工122

浅析纳米材料的发展及应用 摘要:纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭义是指纳米颗粒构成的固体材料, 其中米颗粒的尺寸最多不超过100nm。广义是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1-100nm)限制的各种固体超细材料。【2】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。纳米材料在力学、磁学、电学、热学、光学和生命等方面的重要作用和应用前景。 Abstract:Nanometer material is the abbreviation of nano structured materials.The narrow sense refers to the solid material of nano particles, in which the size of the meter particles is not more than 100nm. Generalized refers to a variety of solid ultrafine materials which are limited by nano scale (1-100nm) in the one-dimensional direction at least in one dimension.. Nanotechnology is the most promising technology in the world today. Nano materials in mechanics, magnetism, electricity, heat, optics and life and so on the important role and the application prospect. 关键词:纳米材料纳米技术发展应用 前言:纳米材料和纳米结构无论在自然界还是在工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然纳米结构,只不过在透射电镜的应用以前人们没有发现而已。在工程方面,纳米材料80年代初发展起来的,纳米材料其粒径范围在1—100nm之间,故纳米材料又称超微晶材料。它包括晶态、非晶态、准晶态的金属、陶瓷和复合材料等。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子,纳米材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异,具有奇特的力学、电学、瓷学、光学、热学及化学等多方面的性能,从而使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。目前已受到世界各国科学家的高度重视。美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”,欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术;英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破;我国的自然科学基金“863”计划、“793”计划以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目。【1】美国科学技术委员会把“启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心” 一、纳米材料的发展史 1965年诺贝尔物理学奖获得者、美国加利福尼亚工学院教授费曼(R.P.Feynman)曾在1959年预言:“如果有一天可以按照人的意志来安排一个个原子,将会产生怎样的奇迹?”

纳米材料应用特点

超细微粒、超细粉末,这些其实都是纳米材料的别称。它具有自己的一些性能特点,同时应用范围较广,例如生物医药、能源环保、化工等等行业。本文就给大家详细介绍一下。 一、应用 由于纳米颗粒粉体具有电、磁、热、光、敏感特性和表面稳定性等性能,显著不同于通常颗粒,故其具有广泛的应用前景。经过多年探索研究,已经在物理、化学、材料、生物、医学、环境、塑料、造纸、建材、纺织等许多领域获得广泛应用。下面为大家例举几个纳米材料的应用实例。 (1)纳米材料的用途十分的广泛,比如目前在许多医药领域使用了纳米技术,这样能使药品生产非常的精细,它直接利用原子或者分子的排布制造一些有特殊功能的药品。由于纳米材料所使用的颗粒比较小,所以这种药品在人体内的传输是相当方便的,有些药品会采用多层纳米粒子包裹,这种智能药物到人体后可直接并攻击癌细胞或者对有损伤的组织进行修复。纳米技术也可以用来监测诊少量血液,通过对人体中的蛋白质的分析诊断出许多种疾病。 (2)在家电方面,选用那么材料制成的产品有许多的特性,如具有抗菌性、防腐抗紫外线防老化等的作用。在电子工业方面应用那么材料技术可以从扩大其

产品的存储容量,目前是普通材料上千倍级的储器芯片已经投入生产并广泛应用。在计算机方面的应用是可以把电脑缩小成为“掌上电脑”,使电脑使用起来更为方便。在环境保护领域未来将出现多功能纳米膜。这种纳米膜能够对化学或生物制剂造成的污染进行过滤,从而改善环境污染。在纺织工业方面通过在原始材料中添加纳米ZnO等复配粉体材料,再通过经抽丝、织布,然后能够制成除臭或抗紫外线辐射等特殊功能的服装,这些产品可以满足国防工业要求。 (3)纳米材料技术现在已广泛应用于遗传育种中,该技术能够结合转基因技术并且已经在培育新品种方面取得了很大的进展。这种技术是通过纳米手段将染色体分解为单个的基因,然后对它们进行组装,这种技术整合成的基因产品的成功率几乎可以达到100%。经过实践证明,科研人员能够让单个的基因分子链展现精细的结构,并可以通过具体的操纵其实现分子结构改变其性能,从而形成纳米图形,这样就能使人们可以在更小的世界范围内、更加深的一种层次上进行探索生命的秘密。 (4)纳米材料技术在发动机尾气处理方面的应用,目前有一种新型的纳米级净水剂有非常强的吸附能力,它是一般净水剂的20倍左右。纳米材料的过滤装置,还能有效的去除水中的一些细菌,使矿物质以及一些微量元素有效的保留下来,经过处理后的污水可以直接饮用。纳米材料技术的为解决大气污染方面的问题提供了新的途径。这种技术对空气中的污染物的净化的能力是其它技术所不可替代的。 二、特点 当粒子的尺寸减小到纳米量级,将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说:被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉,其吸收带边界和发光光谱的

纳米技术的应用与前景

纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技,我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技,有着我们未所发掘到潜能与实用价值,在这个世代,各种技术的发展迅速,随着纳米技术的进一步发展,可以作为一种催化剂,促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米(一种长度计量单位,等于1/1000,000,000米)尺度附近的物质,其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”,其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域,包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲,包括如下领域: 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程,但纳米技术已经证明,可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体,使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式,如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力,它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说:“当我们进入21世纪时,纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响,至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计,纳米技术在新世纪中的应用前景广阔,已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域,信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看,人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究,则是1959年,这一年,著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为,能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器,而这较小的机器又可制作更小的机器,这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末,美国MIT(麻省理工大学)的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初,德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒,并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来,这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言,尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成,碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子,其强度是钢的100倍,直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达,一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学,因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业,是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处理

纳米科学与技术的发展历史

纳米科学与技术的发展历史 物三李妍 1130060110 纳米科学与技术(简称纳米科技)是80年代后期发展起来的,面向21 世纪的综合交叉性 学科领域,是在纳米尺度上新科学概念和新技术产生的基础.它把介观体系物理、量子力学、混沌物理等为代表的现代科学和以扫描探针显微技术、超微细加工、计算机等为代表的高技术相结合, 在纳米尺度上(0.1nm到10nm之间)研究物质(包括原子、分子)的特性和相互 作用,以及利用原子、分子及物质在纳米尺度上表现出来的特性制造具有特定功能的产品,实现生产方式的飞跃。 历史背景 对于纳米科技的历史, 可以追溯到30多年前着名物理学家、诺贝尔奖获得者Richard Feynman于美国物理学会年会上的一次富有远见性的报告 . 1959 年他在《低部还有很大 空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说, 人类 能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态, 最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。他在这篇报告中幻想了在原子和分子水平上操纵和控制物质.他的设想 包括以下几点: (1)如何将大英百科全书的内容记录到一个大头针头部那么大的地方; (2) 计算机微型化; (3)重新排列原子.他提醒到, 人类如果有朝一日能按自己的主观意愿排列原子的话, 世界将会发生什么? (4) 微观世界里的原子.在这种尺度上的原子和在体块材 料中原子的行为表现不同.在原子水平上, 会出现新的相互作用力、新颖的性质以及千奇 百怪的效应. 就物理学家来说, 一个原子一个原子地构建物质并不违背物理学规律.这正 是关于纳米技术最早的构想。20 世纪70 年代, 科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist 和Buhrman 利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒, 提出了纳米晶体材料的概念, 成为纳米材料的创始者。之后, 麻省理工学院教授德雷克斯勒积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。纳米科技的迅速发展是在20 世纪 80 年代末、90 年代初。1981 年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——— 扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM), 为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984 年德国学者格莱特把粒径6 nm 的金属粉末压成纳米块, 经研究其内部结构, 指出了它界面奇异结构和特异功能。1987 年, 美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO2 多晶体。1990 年7月第一届国际纳米科学技术会议与第五届国际扫描隧道显微学会议在美国巴尔

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪,纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用,并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词:纳米材料;功能;应用; 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成,也正因为这样,纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如:其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等,这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题,可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低,位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型,其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大,增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大,所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生,这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史,由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。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。 2、热学性质 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。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用,从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 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。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管,表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性,成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展,已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

纳米材料新进展及应用

纳米材料应用的新进展 来源:全球电源网 世界上已经研制成功四种贮氢合金材料:即稀土镧镍系、铁一钛系、镁系以及钒、铌、锆等多元素系合金材料。但它们全都是非纳米材料。最近几年世界各国在大力开发纳米贮氢电极材料,一系列纳米贮氢材料不断问世。它们的进展为更好利用氢能带来了福音。目前开发的主要材料系列有镁镍合金、碳纳米管和纳米铁钛合金。三种纳米材料的开发已经形成热潮。美洲和欧洲国家开发工作最集中的是镍金属氢化物电池用的镁镍合金和碳纳米管,其次是燃料电池用的铁钛合金及碳纳米管。包括中国在内的亚洲国家开发纳米镁镍合金主要是针对镍金属氢化物电池的应用,开发纳米铁钛合金及碳纳米管主要是针对燃料电池的应用。在开发金属氢化物储氢方面,过去的主要问题是贮氢量低,成本高及释氢温度高。现在在开发纳米储氢材料过程中这些问题仍是值得注意的问题。本文介绍目前科研人员针对上述问题开发纳米储氢材料方面的进展。1 镁镍合金开发继续升温镁系贮氢合金是最具开发前途的贮氢材料之一,所以目前开发最热的是镁镍合金。镁镍合金成本低,其贮氢质量高,若以CD ( H )代表合金贮氢的质量分数, 理论上纯镁的质量分数为7.6% ,而稀土LaNi5 的只有1.4% ,钛系TiFe 只为1.9%。这就是形成镁系合金开发热潮的原因。以前主要使用熔铸法和快速凝固法生产镁合金。能够体现出高技术的发展水平是现在的机械研磨技术。也就是先在600 C以上使镁与镍形成合金,经过检测确定是Mg2Ni合金以后,然后进行机械研磨。目前普遍用机械研磨法生产多元纳米贮氢合金、纳米复合贮氢合金。新型纳米镁镍合金同稀土系、钛系和锆系贮氢材料相比具有许多优点。镁系合金中最典型的是Mg2Ni 合金。其氢化物Mg2NiH4 合金贮氢量为3.6%。1.1 代换镁的金属呈增加趋势国内外制备传统镁系合金采取的措施是添加铝、铁、钴、铬、钒、锰、铜、钛及镧等元素来替换镁,使其形成多元镁镍合金。第二种是将 纯镁粉与低稳定性的贮氢合金复合。第三种是把镁系合金与别的合金混合制成复 合贮氢材料。最后就是将负极浸入铜、镍-硼或镍-磷等镀液里,使镀上一层金属膜,镀

电化学在制备纳米材料方面的应用

电化学在制备纳米材料方面的应用 摘要:应用电化学方法制备纳米材料是近年来发展起来的一项新技术。本文对应用电化学技术制备纳米材料的方法进行分类,着重介绍了电化学沉积法、电弧法、超声电化学法和电化学腐蚀法,并对其应用前景做了展望。 关键词:电化学纳米材料电沉积 1 前言 纳米材料和纳米技术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。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。当材料的粒子尺寸小至纳米级时,材料就具有普通材料所不具备的三大效应:(1)小尺寸效应,指当纳米粒子的尺寸与传统电子的德布罗意波长以及超导体的相干波长等物理尺寸相当或更小时,其周期性的边界条件将被破坏,光吸收、电磁、化学活性、催化等性质发生很大变化的效应;(2)表面效应,指纳米微粒表面原子与总原子数之比。纳米微粒尺寸小,表面能高,位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小,表面原子数迅速增加。由于表面原子数增加,原子配位不足及高的表面能,使得这些表面原子具有高的活性,极不稳定,使其在催化、吸附等方面具有常规材料无法比拟的优越性;(3)宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。研究发现,一些宏观量,如纳米粒子的磁化强度、量子相干器件中的磁通量也具有隧道效应,称为宏观量子隧道效应。正是由于纳米材料具有上面的三大效应,才使它表现出:(1)高强度和高韧性;(2)高热膨胀系数、高比热容和低熔点;(3)异常的导电率和磁化率;(4)极强的吸波性;(5)高扩散性等令人难以置信的奇特的宏观物理特性。 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。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”,我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。 由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺寸的控制在纳米材料合成中是非常重要的。 目前制备纳米材料主要采用机械法、气相法、磁控溅射法等物理方法和溶胶—凝胶法、离子液法、溶剂热法、微乳法化学方法。但在这些方法中,机械法、气相法、磁控溅射法的生产设备及条件要求很高,生产成本高;化学方法中的离子液法和微乳法是近几年发展起来的新兴的研究领域,同时离子液离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好等独特的物理化学性质,但是离子液体用于纳米材料制备的技术还未成熟。 应用电化学技术制备纳米材料由于简单易行、成本低廉等特点被广泛研究与采用。与其他方法相比,电化学制备方法主要具有以下优点:1、适合用于制备的纳米晶金属、合金及复合材料的种类较多;2、电化学制备纳米材料过程中的电位可以人为控制。整个过程容易实现计算机监控,在技术上困难较小、工艺灵活,易于实验室向工业现场转变;3、常温常压操作,避免了高温在材料内部引入的热应力;4、电沉积易使沉积原子在单晶基底上外延生长,可在大面积和复杂形状的零件上获得较好的外延生长层。 电化学方法已在纳米材料的制备研究领域取得了一系列具有开拓性的研究成果。本文综述了应用电化学技术制备纳米材料的主要的几种方法及其制备原理,并对其优劣进行了比较。 2 应用电化学技术制备纳米材料的种类 2.1 电化学沉积法 与传统的纳米晶体材料制备相比,电沉积法具有以下优点:(1)晶粒尺寸在1~100 nm内;(2)

浅谈纳米材料应用及发展前景

Jiangsu University 浅谈纳米材料应用及发展前景

摘要 纳米材料展现了异常的力学、电学、磁学、光学特性、敏感特性和催化以及光活性,为新材料的发展开辟了一个崭新的研究和应用领域。纳米技术在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的应用前景使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一,被认为是世纪的又一次产业革命。纳米材料向国民经济和高新科技等各个领域的渗透以及对人类社会的进步的影响是难以估计的。 关键词:纳米材料;纳米应用;量子尺寸效应 1.前言 纳米材料和纳米结构无论在自然界还是在工程界都不是新生事物。在自然界存在大量的天然纳米结构,只不过在透射电镜的应用以前人们没有发现而已。 在工程方面,纳米材料80年代初发展起来的,纳米材料其粒径范围在1—100nm之间,故纳米材料又称超微晶材料。它包括晶态、非晶态、准晶态的金属、陶瓷和复合材料等。由于极细的晶粒和大量处于晶界和晶粒缺陷中心的原子,纳米材料的物化性能与微米多晶材料有着巨大的差异,具有奇特的力学、电学、瓷学、光学、热学及化学等多方面的性能,从而使其作为一种新型材料在电子、冶金、宇航、化工、生物和医学等领域展现出广阔的应用前景。目前已受到世界各

国科学家的高度重视。美国的“星球大战计划”、“信息高速公路”,欧共体的“尤里卡计划”等都将纳米材料的研究列入重点发展计划;日本在10年内将投资250亿日元发展纳米材料和纳米科学技术;英国也将发展纳米材料科学技术作为重振英国工业的突破;我国的自然科学基金“863”计划、“793”计划以及国家重点实验室都将纳米材料列为优先资助项目[1]。美国科学技术委员会把“启动纳米技术的计划看作是下一次工业革命的核心”[2]。 2.纳米材料的制备 现行的纳米材料制备方法很多。但是真正能够高效低成本制备纳米材料的方法还是现在各个国家研究的重点。目前已报的工艺方法主要有以下几种:物理气相沉积法(PVD)和化学气相沉积法(CVD)、等离子体法、激光诱导法、真空成型法、惰性气体凝聚法、机械合金融合法、共沉淀法、水热法、水解法、微孔液法、溶胶—凝胶法等等。 3.纳米材料的主要应用 3.1纳米材料在工程方面的应用 纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温下才能烧结的材料如SiC 等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结,另一方面,纳米材料作为烧结过程中的活性添加剂使用也可降低烧结温度,缩短烧结时间。纳米粉体可用于改善陶瓷的性能,其原因在于微小的纳米微粒不仅比表面积大,而且扩散速度快,因而进行烧结时致密化的速度就快,烧结

磁性纳米材料的应用

磁性纳米材料的应用 磁性纳米颗粒是一类智能型的纳米材料,既具有纳米材料所特有的性质如表面效应、小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、偶连容量高,又具有良好的磁导向性、超顺磁性类酶催化特性和生物相容性等特殊性质,可以在恒定磁场下聚集和定位、在交变磁场下吸收电磁波产热。基于这些特性,磁性纳米颗粒广泛应用于分离和检测等方面。 (一)生物分离 生物分离是指利用功能化磁性纳米颗粒的表面配体与受体之间的特异性相互作用(如抗原-抗体和亲和素 -生物素等)来实现对靶向性生物目标的快速分离。 传统的分离技术主要包括沉淀、离心等过程,这些纯化方法的步骤繁杂、费时长、收率低,接触有毒试剂,很难实现自动化操作。磁分离技术基于磁性纳米材料的超顺磁性,在外加磁场下纳米颗粒被磁化,一旦去掉磁场,它们将立即重新分散于溶液中。因此,可以通过外界磁场来控制磁性纳米材料的磁性能,从而达到分离的目的,如细胞分离、蛋白质分离、核酸分离、酶分离等,具有快速、简便的特点,能够高效、可靠地捕获特定的蛋白质或其它生物大分子。此外,由于磁性纳米材料兼有纳米、磁学和类酶催化活性等特性,不仅能实现被检测物的分离与富集,而且能够使检测信号放大,具有重要的应用前景。 通常磁分离技术主要包括以下两个步骤:( 1)将要研究的生物实体标记于磁性颗粒上;(2)利用磁性液体分离设备将被标记的生物实体分离出来。 ①细胞分离:细胞分离技术的目的是快速获得所需的目标细胞。传统的细胞分离技术主要是根据细胞的大小、形态以及密度差异进行分离,如采用微滤、超滤和超滤离心等方法。这些方法虽然操作简单,但是特异性差,而且纯度不高,制备量偏小,影响细胞活性。但是利用磁性纳米材料可以避免一定的局限性,如在磁性纳米材料表面接上具有生物活性的吸附剂或配体(如抗体、荧光物质和外源凝结素等),利用它们与目标细胞特异性结合,在外加磁场的作用下将细胞分离、分类以及对数量和种类的研究。 磁性纳米材料作为不溶性载体,在其表面上接有生物活性的吸附剂或其它配体等活性物,利用它们与目标细胞的特性结合,在外加磁场作用下将细胞分离。 温惠云等的地衣芽孢杆菌实验结果表明,磁性材料 Fe3O4 的引入对地衣芽孢杆菌的生长没有影响;Kuhara等制备了人单克隆抗体anti-hPCLP1,利用 anti-hPCLP1 修饰的磁纳米颗粒从人脐带血中成功分离了成血管细胞,PCLP1 阳性细胞分离纯度达到了 95%。 ②蛋白质分离:利用传统的生物学技术(如溶剂萃取技术)来分离蛋白质程序非常复杂,而磁分离技术是分离蛋白分子便捷而快速的方法。 基于在磁性粒子表面上修饰离子交换基团或亲和配基等可与目标蛋白质产生特异性吸附作用的功能基团 , 使经过表面修饰的磁性粒子在外加磁场的作用下从生物样品中快速选择性地分离目标蛋白质。 王军等采用络合剂乙二胺四乙酸二钠和硅烷偶联剂KH-550寸磁性Fe3O4粒 子进行表面修饰改性 , 并用其对天然胶乳中的蛋白质进行吸附分离。结果表明 , 乙二胺四乙酸通过化学键合牢固地结合在磁性粒子表面 , 并通过羰基与蛋白质反应, 达到降低胶乳氮含量的目的。 ③核酸分离 经典的DNA/RN分离方法有柱分离法和一些包括沉积、离心步骤的方法,这些方法的缺点是耗时多,难以自动化,不能用于分析小体积样品,分离不完全。

纳米材料的应用和发展前景概要

一、文献调研部分(获取综述的参考文献—精读全文)1.利用中文(期刊、学位论文、会议论文)数据库,检出中文切题题录(批量),选择记录文摘格式10篇(其中学位论文要求不少于2篇、期刊论文6篇); [1]叶灵. 纳米材料的应用与发展前景[J]. 科技资讯. 2011(20) 摘要: 很多人都听说过"纳米"这个词,但什么是纳米,什么是纳米技术,可能很多人并不一定清楚。着名的诺贝尔奖获得者Feyneman在20世纪60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。 [2]赵雪石. 纳米技术及其应用前景[J]. 适用技术市场. 2000(12) 摘要: 纳米技术在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的前景,使得纳米技术成为目前科学研究的热点之一,被认为是21世纪的又一次产业革命。 [3]何燕,高月,封文江. 纳米科技的发展与应用[J]. 沈阳师范大学学报(自然科学版). 2010(02) 摘要:纳米科技是21世纪的主导产业,世界各国把纳米科技的研究和应用作为战略重点。在第五次科学技术革命中,新材料家族被推上新一轮科技革命的顶峰。在新材料和新技术中,纳米材料和纳米技术无疑将成为核心材料和核心技术。纳米技术的最终目标是直接操纵单个原子和分子,制造新功能器件,从而开拓人类崭新的生活模式。文章概述了纳米科技的发展过程及纳米材料的性质与制备,介绍了纳米技术在部分领域的应用,并简述了纳米技术对未来社会的巨大影响及潜在的、令人鼓舞的发展前景。 [4]何彦达. 纳米材料的应用及展望[J]. 科技风. 2010(01) 摘要:纳米材料(尺寸在1-100纳米范围内)又称超细微粒、超细粉末,是处在原子簇和宏观物体交界过渡区域的一种典型系统,其结构既不同于体块材料,也不同于单个的原子。其特殊的结构层次使它拥有一系列新颖的物理和化学特性,在众多领域特别是在光、电、磁、催化等方面具有非常重大的应用价值。 [5]樊东黎. 纳米技术和纳米材料的发展和应用[J]. 金属热处理. 2011(02) 摘要:<正>2005年12月在克利夫兰召开了由美国金属学会和克利夫兰纳摩网主办的美国纳米技术应用峰会。许多实体企业,如波音、福特、通用、洛克希德、蒂姆肯等公司高管出席会议和发言。会议的特点是着重于纳米。 [6]张桂芳. 纳米材料应用与发展前景概述[J]. 黑龙江科技信息. 2009(16) 摘要:由于独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,以下概述了纳米材料的应用与发展前景。 [7]杨萍. 多功能复合纳米材料的制备及其光分析应用研究[D]. 中国科学技术大学 2012 摘要:纳米材料具有独特的化学、物理和生物性能,引起了人们的极大关注。多功能复合结构纳米材料能够将不同功能的纳米材料整合到一个纳米器件中,从而为现代工业、生物医学

纳米材料的热学特性

纳米材料的热学特性 【摘要】:纳米材料的应用及其广泛,涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容,晶格参数,结合能,内聚能,熔点,溶解焓,溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述,并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】:纳米材料热学特性发展前景 【正文】: (一)纳米材料 纳米材料是一种既不同于晶态,又不同于非晶态的第三类固体材料,通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m~1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小,比表面积大,处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ~5 0 %。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质,纳米材料具有表面效应,体积效应,量子尺寸效应宏观量子隧道效应等,从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性,纳米材料的各种热力学性质如晶格参数,结合能,熔点,熔解焓,熔解熵,热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见,纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性,研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 (二)热学特性 一热容 1996年,在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热,发现与正常的多晶铁相比,纳米铁出现了反常的比热行为,低温下的电子比热系数减50 %。1998年,通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响,建立了一个预测热容的理论模型,结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面,当比表面远小于其物质的特征表面积时,过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年,又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和,因为表面热容为负值,所以随着粒径的减小和界面面积的扩大,将导致多相纳米体系总的热容的减小,二.晶格参数,结合能,内聚能 纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应,利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒,通过电子微衍射方法测试了其晶格参数,发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能要低。通过分子动力学方法,模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构,并计算微粒尺寸和形状对 晶格参数和结合能的影响,定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下,纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低,在一定尺寸时,球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。 三纳米粒子的熔解热力学 熔解温度是材料最基本的性能,几乎所有材料的性能如力学性能,物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数,除了熔解温度外,熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量;熔解焓表示体系在熔解的过程中,吸收热量的多少,而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度,熔解熵和

简述纳米材料的发展历程

简述纳米材料的发展历程 纳米材料问世至今已有20多年的历史,大致已经完成了材料创新、性能开发阶段,现在正步人完善工艺和全面应用阶段。 “纳米复合聚氨酯合成革材料的功能化”和“纳米材料在真空绝热板材中的应用”2项合作项目取得较大进展。具有负离子释放功能且释放量可达2000以上的聚氨酯合成革符合生态环保合成革战略升级方向,日前正待开展中试放大研究。 该产品的成功研发及进一步产业化将可辐射带动300多家同行企业的产品升级换代。联盟制备出的纳米复合绝热芯材导热系数可控制为低达4.4mW/mK。该产品已经在企业实现了中试生产,正在建设规模化生产线。 联盟将重点研究开发阻燃型高效真空绝热板及其在建筑外墙保温领域的应 用研发和产业化,该技术的开发将进一步促进我国建筑节能环保技术水平的提升,带动安徽纳米材料产业进入高速发展期。 纳米金属材料是20世纪80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(nanometer 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1~100nm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。

纳米相增强金属材料制备技术的研究进展及应用

纳米相增强金属材料制备技术的研究进展及应用 【摘要】目前纳米技术应用广泛,在高强金属材料应用方面尤为突出。本文针对现有主要几种纳米增强金属材料制备工艺方法进行概述并比较,讨论其优缺点。最后还探讨了纳米相增强制备技术未来的发展趋势和改进方向,并对纳米结构材料应用领域和前景进行展望。 【关键词】纳米增强制备方法优缺点 随着科技进步,各个领域对于相关材料的性能要求日益提高。纳米增强技术是改善材料性能的重要方法之一,其在金属材料领域尤其应用广泛。在电子、汽车、船舶、航天和冶金等行业对高性能复合材料需求迫切,选用最佳制备方法制备出性能更优良的纳米材料是当前复合材料发展的迫切要求。 1 纳米增强技术概述 纳米相增强金属材料是由纳米相分散在金属单质或合金基体中而形成的。由于纳米弥散相具有较大的表面积和强的界面相互作用,纳米相增强金属复合材料在力学、电学、热学、光学和磁学性能方面不同于一般复合材料,其强度、导电性、导热性、耐磨性能等方面均有大幅度的提高[1]。 1.1 机械合金化法 机械合金化法(MA)是一种制备纳米颗粒增强金属复合材料的有效方法。通过长时间在高能球磨机中对不同的金属粉末和纳米弥散颗粒进行球磨,粉末经磨球不断的碰撞、挤压、焊合,最后使原料达到原子级的紧密结合的状态,同时将颗粒增强相嵌入金属颗粒中。由于在球磨过程中引入了大量晶格畸变、位错、晶界等缺陷,互扩散加强,激活能降低,复合过程的热力学和动力学不同于普通的固态过程,能制备出常规条件下难以制备的新型亚稳态复合材料。 1.2 内氧化法 内氧化法(Internal oxidation)是使合金雾化粉末在高温氧化气氛中发生内氧化,使增强颗粒转化为氧化物,之后在高温氢气气氛中将氧化的金属基体还原出来形成金属基与增强颗粒的混合体,最后在一定的压力下烧结成型。因将材料进行内氧化处理,氧化物在增强颗粒处形核、长大,提高增强粒子的体积分数及材料的整体强度,这样可以提高材料的致密化程度,且可以改善相界面的结合程度,使复合材料的综合力学性能得到提高。 1.3 大塑性变形法 大塑性变形法(Severe plastic deformation)是一种独特的纳米粒子金属及金属合金材料制备工艺。较低的温度环境中,大的外部压力作用下,金属材料发

纳米材料研究现状及应用前景要点

纳米材料研究现状及应用前景 摘要:文章总结了纳米粉体材料、纳米纤维材料、纳米薄膜材料、纳米块体材料、纳米复合材料和纳米结构的制备方法,综述了纳米材料的性能和目前主要应用领域,并简单展望了纳米科技在未来的应用。 关键词:纳米材料;纳米材料制备;纳米材料性能;应用 0 引言 自从1984年德国科学家Gleiter等人首次用惰性气体凝聚法成功地制得铁纳米微粒以来,纳米材料的制备、性能和应用等各方面的研究取得了重大进展。纳米材料的研究已从最初的单相金属发展到了合金、化合物、金属无机载体、金属有机载体和化合物无机载体、化合物有机载体等复合材料以及纳米管、纳米丝等一维材料,制备方法及应用领域日新月异。 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或由它们作为基本单元构成的材料,包括纳米粉体( 零维纳米材料,又称纳米粉末、纳米微粒、纳米颗粒、纳米粒子等) 、纳米纤维( 一维纳米材料) 、纳米薄膜( 二维纳米材料) 、纳米块体( 三维纳米材料) 、纳米复合材料和纳米结构等。纳米粉体是一种介于原子、分子与宏观物体之间的、处于中间物态的固体颗粒,一般指粒度在100nm以下的粉末材料。纳米粉体研究开发时间最长、技术最成熟,是制备其他纳米材料的基础。纳米粉体可用于: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、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,如纳米碳管,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。纳米薄膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒薄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。纳米复合材料包括纳米微粒与纳米微粒复合( 0- 0 复合) 、纳米微粒与常规块体复合( 0- 3复

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