纳米材料.docx

纳米材料.docx

《纳米材料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米材料.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

纳米材料

目录

1．纳米材料的简介（Nanomaterials）

人类对物质的认识逐渐发展为两个层次,即宏观领域与微观领域。

前者以人的肉眼可见的物体为下限,后者则以分子原子为上限。

然而,随着认知的不断深入,发现在此宏观领域和微观领域之间存在着一块不同于上述两者的所谓介观领域,这个领域包括了从微米、亚微米、纳米到团簇尺寸的范围。

纳米（nanometer）是一个长度单位,lnm=10-3μm=10-9m,通常界定1nm～100nm的体系为纳米体系。

由于这个微尺度空间约等于或略大于分子的尺寸上限,恰好能体现分子间强相互作用,因此具有这一尺度的物质粒子的许多性质均与常规物质的相异,甚至发生质变。

正是这种性质特异性引起了人们对纳米的广泛关注。

纳米结构定义为以具有纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑或营造的一种新物系,包括一维,二维及三维的体系,或至少有一维的尺寸处在1nm～100nm区域内的结构。

这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子（artificialatom）、纳米管、纳米棒、纳米丝及纳米尺寸的孔洞。

通过人工或自组装,这类纳米尺寸的物质单元可组装或排列成维数不同的体系,它们是构筑纳米世界中块体、薄纳米是一种度量单位，l纳米为十亿分之一米。

我们把直径在l～100纳米之内的颗粒称为纳米微粒。

纳米结构定义为以具有纳米尺度的物质单元为基础,按一定规律构筑或营造的一种新物系,包括一维,二维及三维的体系,或至少有一维的尺寸处在1nm～100nm区域内的结构。

这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子（artificialatom）、纳米管、纳米棒、纳米丝及纳米尺寸的孔洞。

通过人工或自组装,这类纳米尺寸的物质单元可组装或排列成维数不同的体系,它们是构筑纳米世界中块体、薄膜、多层膜等材料的基础构件。

纳米技术是20世纪80年代末延生并崛起的高科技,它的基本涵义是指在纳米尺寸范围内研究物质的组成,通过直接操纵和安排原子、分子而创造新物质。

纳米技术的出现标志着人类的认知领域已拓展至原子、分子水平,标志着人类科学技术的新时代———纳米科技时代的来临。

纳米技术是一门以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,是现代科学（量子力学、分子生物学）和现代技术（微电子技术、计算机技术、高分辨显微技术和热分析技术）结合的产物。

纳米技术在不断渗透到现代科学技术的各个领域的同时,形成了许许多多的与纳米技术相关的研究纳米自身规律的新兴学科,如:

纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学及纳米力学等,正是这些新兴学科构成了纳米科技的主要内容。

迸发于18世纪中叶,以蒸汽机为代表的第一次工业革命是毫米技术应用的标志,使人类从此跨进了以机械代替人力的工业时代。

进入20世纪,以微电子学为代表的第二次工业革命是微米技术应用的标志,使人类进入了计算机和通讯网络的新时代。

可以预见,以纳米技术为代表的新兴科学技术,将可能在21世纪给人类带来第三次工业革命。

纳米技术在给人类创造出许多新物质、新材料的同时,更会给我们带来认知观念上的深刻变革。

以电子技术为例,在当今的微米时代,微电子技术在人类的发展与生活中起了决定性作用;在纳米技术时代,由于电子器件体积极度缩小至纳米甚至单分子,因而纳米电子技术对未来电子技术发展的作用将是无可估量的。

纳米材料是纳米科技发展的重要基础,也是纳米科技最为重要的研究对象。

自1861年以来,随着胶体化学的建立,人们开始了对直径1nm～100nm的粒子系统即所谓胶体的研究,但真正有意识地把纳米粒子作为研究对象始于20世纪60年代。

广义上,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,即纳米材料是物质以纳米结构按一定方式组装成的体系,或纳米结构排列于一定基体中分散形成的体系,包括纳米超微粒子、纳米块体材料和纳米复合材料等。

组成纳米材料的基本单元在维数上可分为三类:

①零维。

指在空间三维尺寸均在纳米尺度内。

如纳米尺度颗粒、原子簇等;②一维。

指在空间有两维处于纳米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等;③二维。

是指在三维空间中有一维处于纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格等。

构成纳米材料的物质的类别可以有多种,分为金属纳米材料、半导体纳米材料、纳米陶瓷材料、有机-无机纳米复合材料及纳米介孔固体与介孔复合体材料等。

纵观纳米材料的发展历史,大致可以分为三个阶段,第一个阶段限于合成纳米颗粒粉体或合成块体等单一材料和单相材料;第二个阶段则集中于各类纳米复合材料的研究;到第三个阶段表现为对纳米自组装、人工组装合成的纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系等纳米结构材料的关注。

纳米材料的研究内涵也从最初的纳米颗粒以及由它们所组成的薄膜

与块体,扩大至纳米丝、纳米管、微孔和介孔材料等范畴。

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（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。

1959年,著名物理学家、诺贝尔奖获得者RichardFeynman首次提出了按人类意愿任意地操纵单个原子与分子的设想,预言了纳米科技的出现。

自此,人们逐渐对这一类处于纳米尺度范围、具有明显异于一般宏观材料的物理/化学性能的一类物质发生了兴趣,从而开拓了对这一陌生领域的认知和探索。

到21世纪的今天,纳米科技对传统产业的实质性影响和对未来工业的潜在革新似已毋庸质疑,因此人们普遍认为,纳米技术将和信息技术一道,成为现代高科技和新兴学科发展的基础。

1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。

　　真正有意识的研究纳米粒子可追溯到20世纪30年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验”，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。

　　到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。

1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。

1984年德国萨尔兰大学（SaarlandUniversity）的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。

Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。

　　1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（InternationalConferenceonNanoscience&Technology），正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

　　自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：

　　第一阶段（1990年以前）：

主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

　　第二阶段（1990~1994年）：

人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。

　　第三阶段（1994年至今）：

纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。

国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。

它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

2．纳米材料的分类

纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。

其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。

纳米粉末

　　又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。

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（摔不裂的陶瓷，用于陶瓷发动机等）；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。

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。

静电纺丝法是目前制备无机物纳米纤维的一种简单易行的方法。

纳米膜

　　纳米膜分为颗粒膜与致密膜。

颗粒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（如汽车尾气处理）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

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。

3．纺织纳米材料的制备

1）惰性气体下蒸发凝聚法。

通常由具有清洁表面的、粒度为1-100nm的微粒经高压成形而成，纳米陶瓷还需要烧结。

国外用上述惰性气体蒸发和真空原位加压方法已研制成功多种纳米固体材料，包括金属和合金，陶瓷、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料。

我国也成功的利用此方法制成金属、半导体、陶瓷等纳米材料。

（2）化学方法：

1水热法，包括水热沉淀、合成、分解和结晶法，适宜制备纳米氧化物；2水解法，包括溶胶-凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分离法等。

（3）综合方法。

结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法。

其他一般还有球磨粉加工、喷射加工等方法。

4．纺织纳米材料的特性

5　纳米材料的特性

处于纳米尺度下的物质,其电子的波性以及原子之间的相互作用将受到尺度大小的影响,诸如熔点、磁学性能、电学性能、光学性能、力学性能和化学活性会出现与传统材料迥然不同的性质,表现出的独特性能无法用传统的理论体系解释[5]。

以下总结了导致纳米材料表现独特性能的4种基本效应。

511　表面效应

当微粒的直径降低到纳米尺度时,其表面粒子数、表面积和表面能均会大幅增加。

由于表面粒子的空位效应,周围缺少相邻的粒子,出现表面粒子配位不足;同时高的表面能也使得表面原子具有高的活性,极不稳定,易于通过与外界原子结合而获得稳定,如金属的纳米颗粒在空气中会燃烧,无机的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与气体发生反应,皆由表面效应所致。

512　小尺寸效应

随着颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。

纳米颗粒尺寸小,比表面积大,在熔点、磁学性能、电学性能和光学性能等都较大尺寸颗粒发生了变化,产生出一系列奇异的性质。

如金属纳米颗粒对光的吸收效果显著增加,而直径为2nm的金和银的纳米颗粒,其熔点分别降为330℃和100℃。

513　量子尺寸效应

处于纳米尺度的材料,其能带将裂分为分立的能级,即能级的量子化,而金属大块材料的能带,可以看成是连续的。

纳米材料能级之间的间距随着颗粒的尺寸的减小而增大。

当能级间距大于热能、光子能量、静电能以及磁能等的平均能级间距时,就会出现一系列与块体材料截然不同的反常特性,这种效应称之为量子尺寸效应。

量子尺寸效应将导致纳米微粒在磁、光、电、声、