纳米材料作为一类新型材料

纳米材料作为一类新型材料，表现出独特的力学、光学、磁学、化学等性质，使我们有可能用以克服传统材料的不足，甚至开辟出新的应用领域。纳米材料的应用将给航天工业带来许多重大变革。应用纳米材料可以缩小航天器件的体积、减轻质量及提高航天器的可靠性，大大降低航天器的成本，提高航天器的机动性、隐蔽性及可维修性等。

美国在20年前已开展了纳米材料在航天领域的应用研究，近年来将其作为关键技术纳入各种科技发展计划。纳米材料的发展方向主要有功能纳米材料及结构纳米材料2纳米材料在航天领域的应用.

纳米器件的应用是航工业一个重要的发展方向。它涉及纳米机械惯性器件、纳米电机、纳米机器人及纳米卫星等技术的发展。目前及今后一段时间内，国外重点开展的项目有:纳米陀螺、纳米加速度计、纳米传感器(星传感器、地球传感器、太阳传感器、隧道传感器、力传感器、温度传感器等)、纳米制导分系统等。纳米器件可显著提高系统的性能。如:改进导弹点火系统的安全性。美军正在采用微机电系统改进点火皮全确军除保险装置，这种装置可大幅度提高导弹的可靠性、性能及服役时间，使哑弹的数量减少一个数量级。利用嵌入设备中的微器件可监测设备的温度、压力、流率、振动、表面磨损、流体污染和加速度等，在系统或部件损伤前适时做出预报，做到视情维修，而不是定期或在部件损伤后维修。视情维修能使武器系统的操作更安全、更有效，可节省大量维修费用和时间。纳米加工技术主要应用于航天器部件的加工制造，包括激光陀螺、光学反射镜、陶瓷天线罩等。

21纳米材料在航天器结构材料上的应用

2 1 1金属及金属基复合材料

在纳米金属材料中普遍存在着细晶强化效应，即材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，若把超微细陶瓷粉末引入金属基体(如向A合金引入SiC)，可制造出质量轻、强度高、耐热性好的新型合金材料。碳纳米管(CNTs)可大幅度提高金属的耐磨性、陶瓷的韧性及聚合物的力学性能。

212聚合物基复合材料

纳米粒子加入聚合物基体后，可提高其耐磨性、硬度、强度、耐热、耐水性等。例如纳米a一A hOs i环氧树脂体系，粒径27nm、用量1% (质量分数)时，玻璃化转变温度提高，模量达到极大值。将纳米SDZ添加到环氧树脂中，在结构上完全不同于添加粗晶S}:的环氧树脂基复合材料，粗晶SDZ一般作为补强剂加入，它主要分布在高分子材料的链间，而纳米S}:由于表面严重的配位不足、庞大的比表面积以及表面欠氧等特点，使它表现出极强的活性，很容易和环氧环状分子的氧起键合作用，提高了分子间的键力，同时尚有一部分纳米SDZ颗粒仍然分布在高分子链的空隙中，与粗晶S}:颗粒相比较，表现出很高的流动性，从而使环氧树脂的强度韧性及延展性均大幅度提高。树脂基复合材料一个致命的弱点是抗老化性能差。纳米SDZ加入到环氧树脂中可以强烈地反射紫外线，大大减少紫外线对环氧树脂的降解作用，从而延缓材料老化。

近年来有关CNTs的研究已成为应用研究的热点之一。CNTs包括一维(纳米线、纳米棒)、二维(薄膜)和三维(块体)增强材料。利用CNTs优良的力学性能可将其作为增强体来大幅度提高材料的强度或韧性。采用原位复合法可获得具有较好力学性能的CNT s- PA 6和CNTs- PMMA材料。

2 2纳米材料在航天器功能材料上的应用

2 2 1雷达及红外隐身材料

美、法、日等国都把纳米材料作为新一代隐身材料加以研究和探索。

日本用COZ激光法研制出一种在厘米和毫米波段都有很好吸波性能的S i/C /N和S i/C /N /0复合纳米吸收剂。法国研制成功的C <}1 i纳米材料与绝缘层构成的复合结构，由茹合剂和纳米级微屑填充材料组成L }sl。其在Q 1一18 GH } 1}} " 1}肠大于

6。与茹合剂复合涂层在5. 0 x 10 Z一50 GH，具有良好的吸波性能。美国研制的”超黑粉”纳米材料，对雷达波的吸收率大于9}"/0 } i}}。这种“超黑粉’，实质上就是用纳米石墨作吸收剂制成的石墨一热塑性复合材料和石墨环氧树脂复合材料。这种材料不仅吸收率大，在低温下仍保持很好的韧性。由于纳米磁性材料在一定条件下会产生光发散效应，具有凹

透镜的作用，当光束通过时会改变传输方向，降低光的强度和改变光的空间分布，从而为兵器隐身技术向全波段、主被动兼容方向发展提供了物理基础。新材料用作潜艇外壳涂层，能根据水波的变化提前“感知”和“察觉”来袭的敌方鱼雷而及时规避。

国外对Fe,Co,N i等纳米金属及合金吸收剂进行了广泛的研究。一般来说，采用多相复合法制出的复合粉体具有优良的吸波性能，其吸收频带宽，当吸收率大于10 <1B时，吸收带宽可达3 aGH z。另外，国外对纳米金属氧化物吸收剂也进行了大量研究。具有复合结构的金属氧化物吸收剂不仅有良好的吸收雷达波性能，同时还有抑制红外辐射的功能.

2 2 2导电、导磁、导热、隔热等功能材料

由于某些纳米颗粒(如T DZ .M蜘等)透明性好和具有优异的紫外线屏蔽作用，在聚合物中添加少量(《}'/o)的纳米材料，就会大大减弱紫外线对这些材料的损伤，使之耐久和透明。日本松下公司应用纳米微粒Fe}03 .TDz .Crz03 .ZnO等具有半导体特性的氧化物粒子制成具有良好静电屏蔽的涂料，而目_可以调节颜色。纳米A }0:粒子与橡胶复合可以提高橡胶的介电性和耐磨性。插层式纳米颗粒增强聚合物材料并不限于蒙脱上一类的硅酸盐材料，其他的层状无机材料还有过渡金属氧化物、过渡金属的二硫化物、磷酸盐、层状氢氧化物和石墨等。目前正研究以导电聚合物(如聚苯胺、聚环氧乙烷等)与M

223烧蚀防热材料

碳殿醛、高硅氧殿醛类烧蚀防热材料目前在弹头及固体发动机上仍广泛使用，热防护材料中树脂基体的种类和含碳量影响其耐烧蚀性能。因此提高树脂基体的碳含量是改进其耐烧蚀性能的有效途径。提高树脂成碳率的途径，除了从树脂自身的分子结构研究以外，另一种有效的方法就是加入纳米碳粉。纳米碳粉的引入不但可以提高树脂的成碳率，减少碳化热收缩应力，而目_对材料的剪切强度、拉伸强度、弯曲强度和模量均有一定的影响，并起到一定的调剂作用。美国的防热材料包括弹头大面积防热层和固体火箭发动机喷管，目前都已应用了加纳米碳粉的碳殿醛材料。

由于C /C材料在500℃以上空气中将被氧化，生成COz和C0,使材料强度降低。基体石墨化程度较低和内部及与纤维的界面处存在缺陷，是导致其抗氧化性差的主要因素。常温下S1C.BC等之所以能稳定存在，是因为表面生成了致密的氧化物保护膜，阻挡了氧的输入，实现了“自愈合”抗氧化。碳材料的自愈合抗氧化可通过弥散在基体中的非氧化物陶瓷颗粒氧化成膜来实现。

决定陶瓷性能的主要因素是材料的组成和显微结构，即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状，其中最主要的是晶粒尺寸问题，晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大的影响。美国3M公司开发的Nexte1610(A1}03多晶纤维)，其晶粒尺寸为1001111，拉伸强度为2 4 GPa。以3M纤维为基的莫来石在1 200℃下，仍能保持8}/0的拉伸强度。这种材料主要用于高效燃气轮机、宇航和汽车部件。

A. Peigeny等制备了CNTs- A X03复合材料。他们采用原位生成方法制备出CNTs- A X03复合粉体，随后将其致密化得到块体复合材料。用超微颗粒制成的精细陶瓷可能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。含有20'/0超微钻颗粒的金属陶瓷可用于火箭喷管;超微颗粒亦有可能用来制造渐变(梯度)功能材料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合体，

使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用来制造航天飞机隔热材料。

2 24涂层材料

纳米材料用作涂层可提高工件的耐磨性、抗剥蚀性和抗氧化能力。研究表明，用CNTs 作为金属表面上的复合涂层可以获得超强耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高100倍，摩擦系数为0. 06 } 0.上同时还具有高温稳定性和耐腐蚀性等。以CNTs为涂层，采用激光熔覆并辅以后续热处理的方法对珠光体球墨铸铁进行表面改性，使其表面硬度达到HRC65o

在液体火箭发动机关键零组件中应用纳米技术[2。一22{，大大拓展了这些零件的使用范围。如在重载、高DN值轴承表面上采用纳米级材料粉末涂层，可提高其寿命和可靠性。在动密封和其他具有相对运动的摩擦副面喷镀上一层纳米级金属或非金属粉末就能极大地提高它们的抗磨损、耐高温和防腐蚀性;采用纳米磁性材料，探索发动机新型密封结构，可使发动机密封发生根本性改变等。这些技术在80年代研制的发动机上已得到应用，效果良好。

将纳米技术应用在液浮轴承中，会使轴承的寿命和可靠性成百倍提高。涡轮盘是发动机中最关键的零件，它是在高温、高压、高速条件下工作，失效率很高。如果采用纳米级粉末冶金制造，将大幅度提高涡轮盘的强度和耐高温性能。推力室的内壁冷却和抗高温是发动机的关键技术，经常因为推力室的冷却和抗高温问题而降低发动机的性能，如果采用纳米级金属粉末涂镀在推力室内壁上，就可以解决这个问题。

2 25特种密封材料

发动机出现故障最多的是各种密封的失效，密封面的表面质量是决定密封性能好坏的主要因素，利用纳米材料制成密封零件基体或在密封表面覆盖一层纳米粉末将会极大的改善其密封性。

纳米粒子加入橡胶能极大地改善其力学性能。纳米A }0:粒子与橡胶复合可以提高其介电性和耐磨性。添加纳米SD:的新型橡胶不但具有优越的力学性能，还可以根据需要设计具有特殊性能的新型橡胶，这种新型材料中的纳米SD:不仅具有补强作用，而目_具有常规橡胶不具备的一些功能特性，例如通过控制纳米SD:的颗粒尺寸可以制备对不同波段光敏感不同的橡胶，既可抗紫外线辐射，又可反射红外;也可利用纳米S}z制成电绝缘性能优异的

橡胶。纳米级金刚石粉可用来增强橡胶、塑料、树脂。目前橡胶所用的增强剂多半为纳米级炭黑，若改用爆轰合成的含纳米级金刚石粉的炭黑，能使其拉伸强度提高1一4倍，并改善其耐磨性和密封性。

2 26固体推进剂

将纳米金属粉添加到火箭固体推进剂中，可以显著改进推进剂的燃烧性能。美国、俄罗斯等在火箭固体推进剂中添加纳米级A1或Ni粉，燃烧效率得到较大提高，燃速显著增大。含有A lex推进剂的燃速比含有常规铝粉推进剂的高5 到20倍。并且，含有A )ex的AP基推进剂燃烧完全，没有残留物。在固液混合火箭发动机中的固体燃料中添加20'/0(质量分数)A )ex粉末的HTPB基的固体燃料，其燃速提高70'/0。

3结束语

航天工业集中展现了高新技术的发展水平，它涉及诸多学科领域，其中材料科学及技术的发展是其基础。纳米科技的迅猛发展为材料科学及技术的进步注入新的活力，同时也为航天工业实现跨越式发展创造了有利条件，未来的航天工业将随着纳米科学技术的发展而呈现崭新的面貌。

碳纳米材料在电化学传感器中的应用

碳纳米材料在电化学传感器中的应用研究 摘要由于碳纳米材料具有良好的力学、电学及化学性能而被人们广泛研究，特别是对于具有大比表面积、高的电导率和良好生物相容性的碳纳米管、碳纳米纤维和石墨烯更是研究的热点。这些新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域，特别是在电化学领域中显示出其独特的优势。本文主要阐述了碳纳米材料在电化学传感器领域的应用。 关键词碳纳米管石墨烯电化学传感器 1电化学传感器概述 电化学传感器主要由两部分组成：识别系统；传导或转换系统。 识别系统与待测物的某一化学参数（常常是浓度）与传导系统连结起来。它主要具有两种功能：选择性地与待测物发生作用，反所测得的化学参数转化成传导系统可以产生响应的信号。分子识别系统是决定整个化学传感器的关键因素。因此，电化学传感器研究的主要问题就是分子识别系统的选择以及如何反分子识别系统与合适的传导系统相连续。电化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。 最早的电化学传感器可以追溯到 20 世纪 50 年代，当时用于氧气监测。到了 20 世纪80 年代中期，小型电化学传感器开始用于检测 PEL 范围内的多种不同有毒气体，并显示出了良好的敏感性与选择性。目前，为保护人身安全起见，各种电化学传感器广泛应用于许多静态与移动应用场合。 2 碳纳米材料——碳纳米管和石墨烯 随着科学技术的进步,研究者发现空间尺寸在0.1-100 nm之间的物质拥有很多宏观状态下没有的特性[1]。我们把这些具有一定功能性、三维空间尺寸至少有一维介于0.1-100 nm 之间的一类物体统称为纳米材料。它是由纳米微粒、原子团簇、纳米丝、纳米管、纳米薄膜或由纳米粒子组成的块体。由于具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点,以及其特有的量子尺寸效应[2, 3]、体积效应[4]、表面效应[5]和量子隧道效应[6]等特性,纳米材料在光学、热学、催化、光化学以及敏感特性等方面具有一系列特殊的性质,因此它具备其它一般材料所没有的优越性能,可广泛应用于电子、医药、化工、生物、军事、航空航天等众多领域,在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。 碳是一种非金属元素,位于元素周期表的第二周期IV A族。作为地球上最容易得到的元素之一,碳元素以多种形式广泛存在于大气和地壳之中。碳单质很早就被人认识和利用,它在常温下的化学性质比较稳定,不溶于水、稀酸、稀碱和有机溶剂。利用现代科技的不同制备方法,我们可以制备出不同独特空间结构和特异性能的碳纳米材料,其中包括零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯和三维的石墨或金刚石。依靠独特的空间结构和优异的化学性能,它们可以应用于各个领域中。接下来我们主要介绍一下碳纳米管和石墨烯。 2.1碳纳米管 CNTs是1991 年日本电镜学家Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧中产生

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

碳纳米管

碳纳米管简介 潘春旭 ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 武汉大学 物理科学与技术学院 地址：430072湖北省 武汉市 武昌区 珞珈山 电话：027-8768-2093(H)；8721-4880(O) 传真：027-8765-4569 E-Mail: cxpan@https://www.docsj.com/doc/5f9010032.html,；cxpan@https://www.docsj.com/doc/5f9010032.html, 个人网页：https://www.docsj.com/doc/5f9010032.html,/cxpan ＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝ 1. 什么是碳纳米管？ 1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空的碳纤维，直径一般在几纳米到几十个纳米之间，长度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和实验观察认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状结构。正是由于饭岛的发现才真正引发了碳纳米管研究的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。 按照石墨烯片的层数，可分为： 1) 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）：由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直 径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes)。 2) 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）：含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。 其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典 型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。 多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与多壁管相 比，单壁管是由单层圆柱型石墨层构成， 其直径大小的分布范围小，缺陷少，具有 更高的均匀一致性。无论是多壁管还是单 壁管都具有很高的长径比，一般为100～ 1000，最高可达1000～10000，完全可以 认为是一维分子图1 碳纳米管原子排列结构示意图 2. 碳纳米管的独特性质 1) 力学性能 碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在强度与重量之比方面，这种纤维是最理想的。如果用碳纳米管做成绳索，是迄今唯一可从月球挂到地球表面而不会被自身重量拉折的绳索，如果用它做成地球——月球载人电梯，人们来往月球和地球献方便了。用这种轻而柔软、结实的材料做防弹背心那就更加理想了。 除此以外，它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa；对于多层壁，理论计算太复杂，难于给出一确定的值。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。

碳纳米材料综述

碳纳米材料综述 课程: 纳米材料 日期：2015 年1２月

碳纳米材料综述 摘要:纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能,这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域,引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注,也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问,基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此,对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中,碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道,碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有ｓp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此,以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词:纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 １.前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前)、毫米时代(工业革命到２0世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今)。自20世纪80年代初，德国科学家Ｇｌeｉter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体,并对其各种物性进行系统的研究以来,纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级(通常指1—１00 nm)的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲,纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料(纳米微粒),一维材料(直径为纳米量级的纤维),二维材料(厚度为纳米量级的薄膜与多层膜)，以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体(体材料与微粒膜)。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1］。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等,是纳米科学技术中不可或缺的材料,从１98５年富勒烯(Fullereｎe）的出现到1991年碳纳米管(ｃaｒｂon ｎanotubｅ,CNＴs)的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。２004 年Ｇeｉm研究组的报道使得石墨烯（Ｇｒaｐhene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族,石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构,由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块,石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨,由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[２]。 2．常见的碳纳米材料

碳纳米材料简介

碳纳米材料简介 第一章碳纳米材料简介 碳元素 碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切 生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%碳元素是元素周期表中IV A族中最轻的元素。它存在三种同位素：12C、13C、14c。 碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。如零维的富勒烯( fullerenes )，一维的碳纳米管(carb on nano tubes )，二维的石墨烯(graphe ne)，三维的金冈寸石(diam ond) 和石墨(graphite )等。 碳纳米材料 富勒烯 富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。1985年, Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子一一C6。。这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。G。由60个原子组成，包含20个六元环和12个五元环。这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。G。的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。 由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多

优良的物理和化学性质(表1-1 ) 表 60的一些基本物理和化学性质 碳纳米管（carbon nano tubes ）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nano tubes ，MWNTs其直径从几百皮米到几十纳米， 而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。 虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引 起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima 在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993 年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。 单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图 1-1 ）。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管 被称为锯齿形（zigzag ）单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形 （armchair ）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral ）碳纳米管。单壁碳纳米管 的直径可以通过两个指数算出来。

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)

碳纳米材料概述

碳纳米材料概述 名字：唐海学号：1020560120 前言 纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。 近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。 分类 (1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。 (2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。 (3)碳球根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm 一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。 碳纳米材料的性质及相关应用 1.力学 (1)超强纤维碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。 (2)材料增强体用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。

碳纳米材料简介

碳纳米材料简介

第一章碳纳米材料简介 碳元素 碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。 碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。它存在三种同位素：12C、13C、14C。 碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。 碳纳米材料 富勒烯 富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。1985年， 。这一Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C 60 发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。C 由60个原子组成，包含20个 60 六元环和12个五元环。这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，出来。C 60 对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。 由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1） 表1-1 C 的一些基本物理和化学性质 60

碳纳米管 碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。 虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。 单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图1-1）。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（zigzag）单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形（armchair）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral）碳纳米管。单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。 图1-1 单壁碳纳米管结构示意图 由于其特殊的结构，碳纳米管具有许多优良的性质。从电学性质来看，碳纳米管可分为金属型（metallic，带隙为零）和半导体型（semiconducting，带隙可达2eV）。单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。

碳纳米材料综述

碳纳米材料综述 课程：纳米材料 日期：2015年12月

碳纳米材料综述 摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。 我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。 关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯 1．前言 从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100nm）的极细颗粒组成的固体材料。从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。纳米材料的研究是人类认识客观世界的新层次，是交叉学科跨世纪的战略科技领域[1]。 碳纳米材料主要包括富勒烯、碳纳米管和石墨烯等，是纳米科学技术中不可或缺的材料，从1985年富勒烯(Fullerene) 的出现到1991年碳纳米管(carbon nanotube，CNTs) 的发现，碳纳米材料所具有的独特物理和化学性质引起了国内外研究人员广泛而深入的研究，二十年来取得了很多的成果。2004 年Geim 研究组的报道使得石墨烯( Graphene)成为碳纳米材料新一轮的研究热点，其出现充实了碳纳米材料家族，石墨烯具有由碳原子组成的单层蜂巢状二维结构，由于它只有一个原子的厚度，可以将其视为形成其它各种维度的石墨相关结构碳材料的基本建筑块，石墨烯既可翘曲形成零维的富勒烯及卷曲形成一维的碳纳米管，亦可面对面堆积形成石墨，由于石墨烯具有优异的电学、导热和机械性能及较大的比表面积，因而在储氢材料、超级电容器、高效催化剂及纳米生物传感等方面有着广泛的应用[2]。 2．常见的碳纳米材料

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

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要： 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能，具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词：碳纳米管；制备；性质；应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60)；柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中，发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的，具有封闭球状结构的分子C60。（1996年获得诺贝尔化学奖） 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时，发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm，被称为Carbon nanotubes (CNTs）； 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion)； 2000年，北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管，发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月，日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员，利用一定能量的中子与C70分子相互作用，首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ，曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm，亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管（小于100 nm）和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯（graphene）是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料，是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3．1电弧法

新型碳纳米结构的发现与启示

第29卷第1期2014年2月 大学化学 UNIVERSITY CHEMISTRY Vol.29No.1 Feb.2014　新型碳纳米结构的发现与启示* 张安琪1　陈萌2** (1复旦大学材料科学系　上海200433;2复旦大学化学系　上海200433) 摘要　回顾了C60二碳纳米管和石墨烯3种重要碳纳米结构的发现过程,着重总结了新型碳单质发现过程中对科学研究者有益的启示与思考三 关键词　富勒烯　碳纳米管　石墨烯 1985年,C60的诞生改变了人们对碳元素单质种类的认识,这种 最完美的分子”顺理成章地成为第3种具有规整结构的碳同素异形体三C60的发现和研究,引发了大型碳笼分子及其衍生物的研究热潮,开启了一项全新的化学研究领域 富勒烯科学三随后,碳纳米管的发现(1991年)和石墨烯的制备(2004年)进一步丰富了 碳家族”成员三3种碳纳米结构的认识历程跌宕起伏,高潮迭起,颇具戏剧性;回顾其发现历程,总结和吸取其经验教训,能够带给我们许多有益的启示三 1　新型碳材料的发现 1.1　富勒烯 很多重大的科学发现是有 先兆”的三1966年,David E.H.Jones[1]在科普周刊‘新科学家“(New Scientist)发表了一篇题为 空心分子”的文章,提出空心石墨 气球”的构想三但这一想法过于理想化,且无事实依据,未能引起人们的关注三到20世纪70年代早期,Donald R.Huffman教授和Wolfgang Kratschmer博士用石墨挥发凝聚法得到微小碳粒,这种颗粒在紫外区域产生了类似于星际物质的消光光谱三不过当时人们普遍认为碳单质仅有金刚石和石墨两种结构,这种颗粒及其可能来源于石墨的吸收峰,并无研究价值三Huffman和Kratschmer只是简单地将其解释为制造过程中不小心引入的杂质,从而错过了重大科学发现的机会三 与此同时,英国波谱学家H.W.Kroto推测遥远星际空间的红巨星的富碳气氛中含有氰基聚炔链状分子(HC n N,n<15),他希望通过模拟富碳气氛合成该分子,探索其形成机制三1984年,Kroto结识了莱斯大学研究原子簇化学的R.E.Smalley教授,对他们设计的激光超团簇发生器很感兴趣三1985年, Kroto,Smalley和Curl联手合作,尝试用激光轰击石墨来制备氰基聚炔链状分子三在成功获得氰基聚炔链状分子的同时,他们意外地在第二代团簇束流发生器(AP2)的飞行时间质谱上发现了60个碳原子(C60)和70个碳原子(C70)的特征峰,其中C60处的信号峰最为强烈三那么,这个由60个碳原子组成的最稳定结构究竟是什么呢? 他们尝试把60个碳原子设计成类似于金刚石的正四面体结构二石墨的层状结构和环状多烯等多种分子结构,然而,无论怎样组合,这些结构都带有不饱和价键或碳原子支链,其化学性质必然非常活泼,这与C60分子超常稳定的事实不符三绞尽脑汁之际,Kroto想起了1967年加拿大蒙特利尔万国博览会中美国展览馆的造型 由五边形和六边形拼成的半球形建筑穹顶(图1(a)),随后,Smalley便设计了一个模型(图1(b)),恰好搭出了60个顶点的完美对称球体结构三 * **基金资助:莙政基金中国大学生见习研修计划(No.12016) E?mail:chenmeng@https://www.docsj.com/doc/5f9010032.html,

碳纳米材料简介

第一章碳纳米材料简介 碳元素 碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。 碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。它存在三种同位素：12C、13C、14C。 碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。 碳纳米材料 富勒烯 富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。1985年，Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C60。这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。C60由60个原子组成，包含20个六元环和12个五元环。这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。C60的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。 由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1）

表1-1 C60的一些基本物理和化学性质 碳纳米管 碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。 虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。 单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图1-1）。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（zigzag）单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶

碳纳米材料的性能及应用作业.

碳纳米材料的性能及应用 Z09016114 蔡排枝 摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。 一.引言 碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60 (零维 b. 碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c. 碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如金刚石(3维。 由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。 碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。 二.碳纳米材料的性能

磁性纳米材料的制备及应用前景

磁性纳米材料的制备及应用前景 摘要：磁性纳米材料因其具有独特的性质，在现代社会中有着广泛的应用，并越来越受到人们的关注。本文主要介绍了磁性纳米材料的制备及应用前景，概述了纳米磁性材料的制备方法，如机械球磨法，水热法，微乳，液法，超声波法等，总结了纳米磁性材料在实际中的应用，并对其研究前景进行了展望。 Abstract: magnetic nanomaterials due to their unique properties, in the modern society has a wide range of applications, and people pay more and more attention. This paper mainly introduces the magnetic nanometer material preparation and application prospect of nano magnetic materials, summarized the preparation methods, such as mechanical ball milling method, hydrothermal method, microemulsion, liquid method, ultrasonic method, summarizes the nanometer magnetic materials in practical application, and the research prospect.

前言 纳米材料因其尺寸小而具有普通块状材料所不具有的特殊性质，如表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，从而与普通块状材料相比具有较优异的物理、化学性能。磁性纳米材料由于其在高密度信息存储，分离，催化，靶向药物输送和医学检测等方面有着广泛的应用，已经受到了广泛关注。磁性复合纳米材料是以磁性纳米材料为中心核，通过键合、偶联、吸附等相互作用在其表面修饰一种或几种物质而形成的无机或有机复合材料。由于社会的发展和科学的进步，磁性纳米材料的研究和应用领域有了很大的扩展。磁性材料在信息存储、传感器和磁流体等传统学科领域有着重要的应用。随着纳米材料科学与技术的发展，纳米磁性材料的应用开发日益引起人们的关注，特别是在提高 信息存储密度、微纳米器件和生物医学领域的应用潜力巨大。目前普遍采用化学法制备铁氧体磁性纳米颗粒，具体有溶胶～凝胶法、化学共沉淀法等，而由于生物合成的磁性纳米颗粒表现出更优良的性质。 1.磁性纳米材料的特点 量子尺寸效应：材料的能级间距是和原子数N 成反比的，因此，当颗粒尺度小到一定的程度，颗粒内含有的原子数N 有限，纳米金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散，纳米半导体微粒则存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能隙变宽。当这能隙间距大于材料物性的热能，磁能，静电能，光子能等等时，就导致纳米粒子特性与宏观材料物性有显著不同。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。 小尺寸效应：当粒子尺度小到可以与光波波长，磁交换长度，磁畴壁宽度，传导电子德布罗意波长，超导态相干长度等物理特征长度相当或更小时，原有晶体周期性边界条件破坏，物性也就表现出新的效应，如从磁有序变成磁无序，磁矫顽力变化，金属熔点下降等。 宏观量子隧道效应：微观粒子具有穿越势垒的能力，称为量子隧道效应。而在马的脾脏铁蛋白纳米颗粒研究中，发现宏观磁学量如磁化强度，磁通量等也具有隧道效应，这就是宏观量子隧道效应。它限定了磁存储信息的时间极限和微电子器件的尺寸极限。 2. 磁性复合纳米材料的制备方法 2.1水热合成法 水热合成法是液相中制备纳米粒子的一种新方法。一般是在100~300摄氏度温度下和高气压环境下使无机或有机化合物与水化合，通过对加速渗透析反应和物理过程的控制，得到改进的无机物，再过滤，洗涤，干燥，从而得到高纯，超细的各类微粒子。研究发现以FeC13为铁源，AOT为表面活性剂，N2H4·H20（50%）为还原剂水热合成 Fe3O4纳米颗粒时，反应温度和时间，表面活性剂和还原剂浓度对最终产物的尺寸形貌、分散性和磁性有明显影响。还有通过调节水热反

纳米碳材料

纳米碳材料 纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。简介近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状纳米碳材料、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、SP3杂化的多样电子轨道特性，在加之SP2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各向导性。因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质，并且新碳素相合新碳素材料还不断被发现和人工制得。事实上，没有任何元素能像碳这样作为单一元素可形成像三维金刚石晶体、二维石墨层片、

一维卡宾和碳纳米管、零维富勒烯分子等如此之多的结构与性质完全不同的物质。表1给出了碳的化学键合及其形成的各种典型有机物、无机物和碳相的例子。表1 碳的化学键合及其形成的化合物和碳相 键合方式 共价键离子键金属键范德华力分子键合Sp杂化SP2杂化SP3杂化Sp SP2 SP3杂化混合配位数234不定6、8、12 平均C－C距离（mm）0.1210.1330.1420.154 0.1190.1240.335结合能kj/mol463520典型例有机物或无机物乙炔（C2H2）乙炔（C2H4）苯（C6H6）金刚烷（C10H16）环十二烷（C12H18）（CF）n、SiC、B4C CaC2Fe3CAl4C3分子性层间化合物（C8K等）已确定碳相（聚炔累积烯烃卡宾（六方晶棱面体晶C60）石墨（面内）（立方晶、六方晶）n-金刚石金刚石过渡态（各种碳材料）C60石墨（层间）尚未明确的碳相C2～C20碳分子1－石墨3d－sp2bct－4聚苯6H－金刚石BC－8碳苯（carbophene）石墨炔类（graphynes）Sc 、bcc、fccβ- tin hcp