纳米基础知识考试题说课材料.docx

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纳米基础知识考试题说课材料

纳米基础知识考试题

介绍几种纳米材料的制备方法？

气相反应法可分为：

气相分解法、气相合成法及气-固反应法等

液相反应法可分为：

沉淀法、水热、溶剂热法、溶胶-凝胶法、反相胶束法等。

溶胶凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，在经热处理而成氧化物或其他化合物固体的方法。

步骤：

溶胶的制备。

溶胶凝胶转化。

凝胶干燥。

纳米粒子的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法

真空冷凝法

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。

其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。

物理粉碎法

通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。

其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

机械球磨法

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。

其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

化学方法

气相沉积法

利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。

其特点产品纯度高，粒度分布窄。

沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。

其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。

水热合成法

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。

其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。

溶胶凝胶法

金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。

其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。

微乳液法

两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。

其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。

1、论述纳米纤维素的主要制备方法及产物特点？

纳米纤维素（Nanocelluloe,NC）是以纤维材料作为原料，通过化学、物理或生物处理的途径制备的具有一维纳米尺寸的纤维素材料，它具有纤维素的基本结构、性能以及纳米颗粒的典型特性，如：

密度低，来源于可再生原料，可生物降解，弹性模量高达140GPa，有利于对其进行表面改性等。

巨大的比表面积、较高的杨氏模量、超强的吸附能力和高的反应活性，使纳米纤维素具有一些特有的光学性质、流变性能和机械性能。

这些特性使其具有广泛的应用价值，可以作为纳米复合材料中的增强材料，以及用于医药、包装、造纸、食品添加剂、油漆涂料、地板、建材等领域。

生物质纳米纤维素的制备方法主要包括强酸水解法、机械分离法、化学预处理结合机械分离法和酶处理结合机械分离法等,.

强酸水解法主要指利用浓硫酸[37]、浓盐酸等强酸处理生物质纤维素,水解掉无定形区物质,保留结晶区的结构完整性,制得长度较短、结晶度较高的纳米纤维素晶须。

在利用硫酸的水解过程中,会一定程度上在纳米纤维素晶须的表面引入少量负电荷。

这些负电荷间的静电斥力可帮助纳米纤维素晶须均勾的分散在水中。

所得晶须具有非常高的比表面积,使其在与聚合物复合时,能够与聚合物形成充足的接触面积,进而起到较好的增强作用。

机械分离法主要包括高压匀质处理、高速研磨处理、高速搅拌处理以及高强度超声处理等。

高压匀质处理I48'49]主要是通过均质机内的匀质阀突然失压形成空穴效应和高速冲击,产生强烈的剪切作用,将生物质纤维素机械纤,制得纳米纤维素。

这一方法可以批量化生产纳米纤维素,存在的主要问题在于所得纳米纤维素的尺度并不均匀。

此外,在纳米纤维素制备过程中,匀质机容易堵塞,为此对通入均质机中的纤维素样品的尺寸要求较高,不宜过大。

高速研磨处理[59]是将纤维素注入到静态磨石与动态磨石之间,在研磨机工作后,动态磨石高速旋转,与静态磨石间产生强烈的剪切作用力,将磨石中间的纤维素“剪开”,制得纳米纤维素。

但是在高速研磨的过程中,磨石间的剪切力对纳米纤维素的结晶区也会产生影响,一定程度上降低了所得纳米纤维素的结晶度。

高速搜拌处理是通过高速旋转的马达带动转子转动,进而带动液体高速转动。

在高速旋转的过程中,纳米纤维素间相互碰撞,高速运动的水流也会对纳米纤维素产生较强的冲击作用,进而将纳米纤维素分离出来。

这一方法的不足在于产量较低,很难实现连续化、批量化生产。

高强度超声处理[52-54】主要是借助高强度超声波在水中产生的空化作用,对纤维素进行开纤处理。

但是在所得样品中也存在一定的直径较粗的纤维,纤维的直径分布范围较大。

介绍一种生物基纳米复合材料的研发目的、制备方法及产物的主要功能特点？

生物基纳米纤维素及其自聚集气凝胶的制备

由于目前对生物质纤维素的开发与利用技术还不完善,仍有大量的纤维素资源被遗弃在田间,或被焚烧掉,整个纤维素资源的利用附加值仍有待于进一步提高.合理开发利用这些生物质资源,制备出性能优异的纤维素基制品,使其更好地为人类的生产生活服务,有着重要的研究意义.（稍微扩展一点）

将制备的纳米纤维素水悬浊液浇注到培养皿中,置于冰箱中冷冻处理,冷冻时间大于24h。

然后将冷冻的样品置于冷冻干燥机中进行冷冻干燥处理,制得纳米纤维素气凝胶。

冷冻干燥过程中,冷胼温度低于-55°C,真空度低于15Pa。

当水悬池液的浓度低于0.2wt%时,经冷冻干燥后,高强度超声纳米纤维素及TEMPO氧化纳米纤维素会自聚集成细长的纤维,并形成三维网状缠结结构。

当水悬浊液的浓度大于0.5wt%时,以上两种纳米纤维素会自聚集成二维片状结构。

由于长度较短,盐酸水解纳米纤维素及硫酸水解纳米纤维素经冷冻干燥处理后只能自聚集成二维片状结构。

高强度超声纳米纤维素及TEMPO氧化纳米纤维素气凝胶具有非常好的柔軔性,可以反复弯曲。

这两种气凝胶还具有非常高的水分承载值及染料吸附能力。

所有纳米纤维素气凝胶均显示出良好的热绝缘及声吸附特征。

由高长径比的纳米纤维素自聚集成的高强度超声纳米纤维素及TEMPO氧化纳米纤维素气凝胶,显示出了较强的柔韧性及延展性。

当将压缩后得到的小薄片浸渍于水中,气凝胶的容积仍可被缓慢的恢复（图6-7f）,表明这一气凝胶具有强健的交联网络及稳定的孔隙结构。

.由于纳米纤维素气凝胶具有非常高的孔隙率,十分有利于离子及分子的进入和扩散,使气凝胶具有较强的吸附能力。

纳米纤维素气凝胶还具有热绝缘特征。

纳米纤维素气凝胶还具有十分优异的声吸附特征.在低频条件下,气凝胶的吸声率较低,但会随着声频率的提高而逐渐增大。

6、简述CVD方法的特点、原理及其一般流程

答：

CVD的特点：

①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体。

②可以在大气压（常压）或者低大气压下（低压）进行沉积。

一般来说低压效果更好③采用等离子和激光轴助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可以在较低的温度下进行④沉积层的化学成分可以变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合沉积层⑤可以控制沉积层密度和纯度⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上及颗粒材料上沉积⑦气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层⑧沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。

但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层。

⑨可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物沉积层。

CVD的原理：

混合气体在较高的温度下发生化学反应,在基体表面沉积形成涂层和薄膜一般流程：

高纯度的高压气体，一般大多是使用载气体，通过气体精制装置进行净化，特别是必须十分注意除去对薄膜性质影响较大的水和氢。

当温室下使用非气态的，即固态或者固态原料时，须使其在规定的温度下蒸发或升华，并通过载气送入反应炉内。

还必须使废气通过放有吸收剂的水浴瓶、收集器或特殊的处理装置后进行排放。

并且在装置和房间里安装防爆装置和有毒气体的检验器。

这样CVD的整个流程可以分为原料气体和载气的供给源气体的混合系统、反应炉、废气系统以及气体和反应炉的控制系统。

7.简述PVD方法的特点、原理及其一般流程。

答:

特点1膜层与工件表面的结合力强，更加持久和耐磨.2离子的绕射性能好，能够镀形状复杂的工件。

3膜层沉积速度快，生产效率高。

4可镀膜层种类广泛。

5膜层性能稳定、安全性高。

PVD技术原理：

在镀铬的基础上，利用高温高压蒸发振动使表面涂层材料激发形成离子流，并与铬镀层离子紧密结合，然后再在龙头表面沉积而成。

流程：

来料抽检、上挂、清洗、烘烤、镀膜、下挂、入库、全检、涂抗指纹油、UV、终检

8.纳米固体材料的界面结构对性能有重要影响，采用TEM观察纳米固体材料界面结构时，要考虑的两个问题是什么？

答：

考虑的问题是:

①试样制备过程中界面结构弛豫问题.制备TEM试样时,由于应力松驰,导致纳米材料界面结构弛豫,使观察的结果可能与原始状态有很大差别.②电子束诱导界面结构弛豫问题.高能量的电子束缚照射薄膜试样表面可能导致局部过热,面产生界面结构弛豫.纳米材料内原子扩散速度很快,原子弛豫激活能小,即使子啊低温下电子束轰击也会对纳米材料界面的原始状态有影响

10什么是光致发光？

纳米材料与常规材料发光谱是否相同，原因是什么？

答：

兴致发光是指在一定波长的光照射下,被激发到高能级的电子重新跃入低能级,被空穴捕获而发光的围观过程.纳米材料与常规材料发光谱有很大差别,这是由于①电子跃迁选择定则问题②量子限域效应③缺陷能级的作用④杂质能级的影响

16.与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化，并分别解释原因。

答:

纳米微粒的熔点，烧结温度和比热均比常规材料低得多。

原因：

由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料，因此纳米粒子融化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降；纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动了，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低；非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体，传统非晶在Si3N4在1793K晶化成α相，纳米非晶Si3N4微粒在1673K加热4h全部转变成α相，纳米微粒开始长大，温度随粒径的减小而降低。

试述纳米微粒的光学吸收带发生蓝移和红移的原因。

答：

a、小尺寸效应和量子尺寸效应导致蓝移：

纳米材料颗粒组元尺寸很小，表面张力较大，颗粒内部发生畸变，使平均键长变短，导致键振动频率升高引起蓝移，量子尺寸效应导致能及间距加宽，使吸收带在纳米态下较之常规材料出现在更高波数范围。

b、尺寸分布效应和界面效应导致宽化：

纳米材料在制备过程中颗粒均匀，粒径分布窄，但很难使粒径完全一致。

由于颗粒大小有一个分布，使各个颗粒表面张力有差别，晶格畸变程度不同，因此引起键长有一个分布，使红外吸收带宽化。

纳米材料中界面占相当大比例，界面存在孔洞等缺陷，原子配位不足，失配键较多，使界面内德键长与颗粒内的键长有差别，界面内的键长也有一个分布，引起纳米材料红外吸收带的宽化19纳米陶瓷材料的一般制备过程，其中关键的步骤是什么？

答：

一般过程：

首先要制备纳米尺寸的粉体，然后成型和烧结。

关键：

材料是否高度致密。

这与烧结过程密切相关。

15.简述聚合物熔融嵌入法制备高分子基纳米复合材料的一般过程和特点.答：

聚合物熔融嵌入法的操作过程如下：

首先用合适的有机改性剂与层状硅酸盐反应，制得有机改性层状硅酸盐。

然后将聚合物与有机改性层状硅酸盐粉末的共混物一起加热到聚合物的Tg（非晶聚合物）活Tm（结晶聚合物）以上，聚合物分子链通过扩散而进入硅酸盐层间。

与溶液嵌入法相比，熔融嵌入法具有以下优点：

a、使用范围广，不同极性或结晶的聚合物都可以用此法制得相应的嵌入法化合物；同时还可以制备溶液嵌入法难以制备的杂化材料b、与目前聚合物成型加工技术（如挤压、注射）具有兼容性c、嵌入法过程不使用溶剂，从环保经济效益角度来看非常有利d、这种方法制备的新型杂化材料为研究受限于二维空间聚合物链的构象及单分子链的特征提供了理想的模型。

什么是共沉淀？

均匀沉淀？

各具有哪些特点？

答：

共沉淀是使溶液由某些特定的离子沉淀时，共存于溶液中的其他离子也和特定阳离子一起