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纳米材料的制备及应用

本科毕业论文（设计）

题目：

纳米材料的制备及应用

学院：

物理与电子科学学院

班级：

XX级XX班

姓名：

XXX

指导教师：

XXX职称：

完成日期：

20XX年X月XX日

纳米材料的制备及应用

摘要:

近几年来，由于纳米材料有众多特殊性质，人们越来越关注纳米材料。

科技的迅猛发展使纳米材料的制备变得更加成熟。

本论文讲述纳米材料的制备，以及纳米技术在将来的应用。

关键词：

纳米材料物理方法化学方法应用前景

引言

纳米材料是指任一维空间尺度处于1—100nm之间的材料。

它有着不同寻常的性质，如小尺寸效应可引起物理性质的突变，从而具有独特的性能；量子尺寸效应和表面与界面效应使其具有了一般大颗粒物不具备的性质，如对红外线、紫外线有很强的反射作用，应用到纺织品中有抗紫外线，隔热保温作用。

纳米材料的这些特性使其在化工、物理、生物、医学方面都有非常重要的价值

。

多年以来，通过科学家们的潜心研究，使纳米材料在其制备及其应用中得到了很大的发展。

纳米材料将逐渐进入人们的日常生活，并将成为未来新工业革命的必备材料。

1.纳米材料的物理制备方法

1.1物理粉碎法

物理粉碎法就是用机械粉碎和电火花爆炸等方法得到纳米微粒

。

此方法操作简单，成本较低，但得到的纳米微粒纯度不高，分布也不均匀。

图1.机械粉碎法仪器图

1.2球磨法

球磨法是将材料放入球磨机内，在球磨机的转动或振动过程中，钢球与原料之间产生剧烈的碰撞，再经过搅拌、研磨，形成纳米微粒。

该方法操作比较简单，效率高，能获得常规方法不易得到的高熔点合金，如金属陶瓷纳米微粒；球磨法此外还可以将相图上本来不互溶的纳米元素制成固溶体，但该方法得到的纳米微粒分布不均匀，而且很容易引入新的杂质，有次得到的纳米微粒纯度不高。

图2.球磨法示意图

1.3.蒸发—冷凝法

蒸发-冷凝法也称为物理气相沉积法，即使用激光、电子束照射、真空蒸发、电弧高频反应等方法使原料生成等离子体，再在介质中冷却凝结行成纳米微粒。

这种方法大致又分一下几种:

1.3.1.激光加热蒸发法

光加热蒸发法：

用激光作为加热源，气相反应物可在吸收传递能量之后快速凝结成核、长大、终止

。

用该方法可以达到减少杂质的目的，实验过程容易控制，但这种方法电能消耗比较大，生产效率低，成本高，不宜大规模生产。

图3.激光加热蒸发法制备纳米颗粒实验装置图

图4.激光加热法制成的TiO2颗粒

1.3.2.真空蒸发—冷凝法

真空蒸发—冷凝法：

在真空室里通入惰性气体（He、Ar气），然后对物质进行真空加热，使其蒸发形成原子雾，原子雾遇冷凝结形成纳米颗粒

。

这种在高温下获得的纳米微粒很小（可小于10nm），在制备过程中无其它杂质污染，反应快，成品纯度高，材料组织好。

但这种方法仅能制备成分单一、熔点低的物质。

在制备金属氧化物、氮化物等高熔点物质的纳米微粒时还存在很大局限性。

而且此方法对设备要求高、成本也比较高，不适合大规模生产。

图5.真空蒸发—冷凝法制备纳米颗粒示意图

1.3.3.电子束照射法

电子束照射法：

原材料（一般指金属氧化物）在高能电子束的照射下获得能量，金属—氧键断裂，金属原子蒸发后遇冷凝结成核、长大，最终形成纳米微粒。

此方法只可以用来制备金属纳米粉末。

图6.电子束照射法制备纳米微粒装置图

1.3.4.等离子体法

等离子体法：

原材料在惰性或反应性氛围中，通过直流放电来使气体电离，从而熔融、蒸发、冷凝得到纳米微粒

。

用此种方法制得的产品分布均匀、纯度高，适合于金属及金属氧化物、碳化物、氮化物等高熔点物质纳米微粒的制备。

但此方法离子枪短、功率低。

图7.等离子体法制备纳米微粒实验装置图

1.3.5.高频感应加热法

高频感应加热法：

用高频线圈作为热源，坩埚内的原材料在低压气体（一般为He、Ne等惰性气体）中蒸发，原子蒸发后与惰性气体碰撞凝结行成纳米微粒

。

此方法仅限于制备低熔点的物质，并不适合于沸点高的金属盒难熔化物质，且成本加高，一般不采用。

图8.高频感应加热法制备纳米纳米微粒实验装置图

1.4.溅射法

溅射法：

用两块金属板分别作为阴极和阳极，两极之间充入Ar气，压强在40—250Pa。

由于两极放电使得Ar气体电离且撞击阴极材料表面，阴极材料表面的分子或原子蒸发出来沉积到基片上，形成纳米颗粒

。

目前，常用的溅射法有离子束溅射法，阴极溅射法，直流磁控溅射法等。

此方法有镀膜层与基材结合力强、镀膜层致密、均匀等优点。

但产品分布不均匀，产量较低。

图9.溅射法制备纳米微粒原理图

2.纳米材料的化学制备方法

纳米材料的化学制备方即通过化学反应，从原子、离子、分子出发，制备纳米微粒。

常用的化学制备法有沉淀法、气相沉积法、等离子体诱导化学气相沉积法、气相冷凝法、溶胶冷凝法、光化学合成法、化学气相反应法、水热法、熔融法、火焰水解法、辐射合成法等。

2.1化学沉淀法

化学沉淀法：

在金属盐溶液中加入适量的沉淀剂，使其反应生成难溶物或水和氧化物，再经过虑、干燥、分解得到纳米化合物微粒；化学沉淀法又有均匀沉淀法、直接沉淀法、醇盐水解沉淀法、共沉淀法；其中，均匀沉淀法是预沉淀剂在溶液中缓慢反应释放出沉淀剂，沉淀剂与金属离子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀剂与金属离子直接反应形成沉淀

；醇盐水解沉淀法就是金属醇盐遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金属盐溶液中加入沉淀剂，获得混合沉淀，再进行热分解或得纳米微粒；此方法是液相化学合成纳米微粒应用最多的方法之一，其中关键是控制粉末成分的均匀，避免形成硬团聚。

这种方法在冷冻干燥过程中，冷冻液体不收缩，形成的纳米微粒表面积较大，可以很好的消除粉末团聚现象

。

沉淀法制备纳米微粒时成品的影响因素比较多，如过滤过程，洗涤液的浓度、酸碱度等都会影响纳米微粒的大小；此种方法操作简单，但很容易引入新的杂质，影响产品的纯度。

2.2化学气相沉积法.

化学气相沉积法又叫CVD法，就是原材料在气相中发生化学反应得到纳米材料，所用的加热源与物理气相沉积法相同[10]。

普通的化学气相沉积法得到的纳米微粒易团聚烧结，而且比较粗，用等离子体增强化学气相沉积法就可以很好的避免上述情况的发生。

化学气相沉积法得到的纳米微粒分布比较均匀，粒度小，纯度高，化学活性高，而且成本低、生产效率高，是目前制备纳米材料最常用的方法之一。

此外，化学气相沉积法由于制备工艺简单，设备投资少，方便操作，适于大规模生产，工业应用前景较好。

化学气相沉积法可以制备几乎所有的金属、氮化物、氧化物、碳化物、复合氧化物等膜材料。

随着制备纳米材料的技术逐步完善，化学气相沉积法将会由更广泛的应用[11]。

图10.化学气相沉积法制备纳米微粒的实验装置图

图11.化学气相沉积法制备纳米微粒的原理图

图12.化学气相沉积法获得的各种形态固体示意图

2.3化学气相冷凝法

化学气相冷凝法就是在真空室中充入惰性气体，压强在

Pa左右，原材料和惰性气体先在磁控溅射装置中反应，在经过冷凝得到纳米微粒；此方法最早由ChangW等人在1994年提出的，简称CVC法，目前已经成功应用这种方法获得了二氧化钛、二氧化锆、氮化硅、碳化硅的纳米材料

。

2.4溶胶--凝胶法

溶胶--凝胶法是以易溶于水的金属化合物为原材料，使其在溶液中与水反应，溶质发生水解生成纳米级的微粒并形成溶胶，溶胶经过蒸发、干燥转变为凝胶（该法在低温下反应，允许掺杂大量的无机物和有机物），再经过干燥、烧结等后处理获得氧化物纳米微粒；这种方法常涉及的反应有聚合反应、水解反应

。

目前，溶胶--凝胶法一般又分为两种：

胶体化学法和金属醇盐水解法。

其优点是操作简单，在低温环境下就可以获得分布均匀、纯度较高的纳米微粒，而且可以用来获得一般方法难以得到纳米材料。

用溶胶－凝胶法制备的纳米材料有多孔状结构，表面积较大，在气敏、湿敏及催化方面有很大的应用，可以使气敏、湿敏特性和催化率得到较大提高。

此外，这种方法是制备涂层以及薄膜非常有效的方法之一，也特别适合制备非晶态纳米材料。

但这种方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收缩、开裂，所以使用范围不广。

图13.溶胶--凝胶法制备纳米材料的流程图

2.5水热法

水热法是指在封闭的反应容器中，将水溶液作反应体系，对水溶液加热增大体系压强来制备无机材料，再经过分离、热处理得到纳米微粒；离子反应和水解反应在水热条件下可得到加速、促进，常温下反应很慢的热力学反应，在水热条件下就可以快速反应；在高压下，大部分反应物能部分溶于水中，使得反应在液相或气相中进行

。

水热法可以控制微粒的形态、结晶度、组成和大小，使用此法获得的粉体具有较低的表面能，因此粉体一般无团聚或少团聚。

这一特点大幅度提高了粉体的烧结性能，所以此法非常适合于陶瓷的生产；并且，水热法的反应温度低，活性高，为大规模的生产纳米材料提供了非常有利的条件；水热法的低温条件有利于合成熔点较低的化合物；水热法合成的高压和低温条件，便于制成晶型完好、取向规则的晶体材料，而且合成产物的纯度较高。

水热法缺点是一般只能制备氧化物纳米粉体，对晶核的形成过程以及晶体生长过程中的控制影响因素等许多方面还缺乏深入研究。

此外，水热法制备过程中有高温、高压步骤，对生产设备的安全性要求较高。

3.纳米材料的其他制备方法

纳米材料的制备方法有很多种，除了上述方法之外还有分子束外延法、静电纺丝法等。

3.1分子束外延法

分子束外延法就是在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜。

在真空条件下，加热装有各种所需组分的炉子，产生蒸汽，蒸汽通过小孔形成分子束或原子束，直接喷到单晶基片上，同时控制分子束，对衬底扫描，就可以使按晶体排列的分子或原子一层层地生长在基片上形成薄膜

。

图14.分子束外延法原理图

分子束外延法生长温度低，能减少不希望的热激活过程，生长速度缓慢，外延层厚度可得到精确控制；生长表面可达到原子级光滑度，可制备极薄的薄膜；生长的薄膜可以保持原来靶材料的化学计量比；把分析测试设备与生长系统结合在一起，实现薄膜生长的原位监测

。

分子束外延法也有不足的地方，如对真空要求非常高，分子束外延设备贵投资大，能耗大。

3.2静电纺丝法

静电纺丝法是在高压电场作用下使聚合物溶液或熔体带上高压静电，当电场力达到一定程度时，聚合物液滴在电场力作用下克服表面张力形成喷射流

。

喷射时，射流中的溶液发生蒸发或自身发生固化形成纤维，最终落在接收装置上，获得纳米材料。

图15.所示为静电纺丝原理图

静电纺丝法制备纳米材料优点很多，如装置简单、成本低、可纺物多、工艺易控制，是制备纳米纤维材料的有效方法。

纳米技术的发展使静电纺丝作为一种简便有效的生产纳米纤维的新型制备技术，将会在生物、医用、催化、光电、食品工程、化妆品等领域发挥巨大的作用。

4.纳米材料的应用前景

纳米材料有很多优异的特点，使得纳米材料有很多不同于一般材料的奇特性质。

纳米材料的应用有着广阔的应用前景。

采用纳米技术制造的纳米结构微处理器在微电子和计算机技术方面其效率要比普通微处理器的效率高100万倍；纳米存储器的密度比普通存储器的要高1000倍；而纳米技术与集成技术结合又可制成纳米传感器；用纳米材料做成的具有巨大表面积的电极，可以大幅度的提高放电效率；用纳米材料制成的磁记录材料可以将磁带记录的密度提高数十倍。

在环境与能源方面，纳米材料可提高太阳能电池的能量转换效率，还可以用来消除空气中的污染物。

例如将Ti02催化剂涂在物体上，可以使物体具有自洁功能，任何粘在物体表面上的物质（油污、细菌）在光的照射下，通过Ti02催化剂催化作用，变成气体或容易被擦掉的物质。

纳米催化剂还可以彻底消除水或空气中的有害物质。

纳米材料在减少环境污染、净化环境上有广阔的应用前景。

在生物学工程与医学方面，将磁性纳米材料做为药物载体，在外磁场作用下集中于病患处，有利于提高药效，也可以减少药物副作用

。

用纳米材料制成的溶液加上抗原或抗体，可以实现免疫学的间接凝聚实验,实现快速诊断。

用纳米材料制成的机器人，用来人体进行全方位的检查，可消除血栓、心脏动脉脂肪沉积物。

5.总结

纳米材料作为一种新兴材料，具有十分广阔和诱人的发展前景。

纳米材料的制备方法和技术将随着科学技术的发展更加成熟，将对人们的生活和人类生产力的发展产生重大的影响。

随着纳米技术的发展，各个学科领域都开始广泛应用纳米材料。

这必将会不断出现更新更好的制备方法，希望在将来以下几个方面可取得突破。

（1）　在结构、组成、排布、尺寸、等方面，制备出更适合各领域发展需要，具有更多预期功能的纳米材料；

（2）　从节能、节约材料、提高效率等角度出发，研制出更多的新设备，以便制备出更多的新型纳米材料；

（3）　设计出新的制备方法，采用新的制备工艺，在原有纳米材料的基础上，提高纳米材料的功能。

参考文献

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致谢

本论文在XXX的悉心指导下完成的，她渊博的专业知识，严谨的治学态度使我受益非浅。

在此谨向XXX老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

感谢我的学友和朋友对我的关心和帮助。

。

Thepreparationof

nanomaterialsandtheirapplicationprospects

Abstract：

Nanomaterialsareattractinggreatintenseinrecentyears，foritsspecialproperties.Withtherapiddevelopeofscienceandtechnology,thepreparationofnanomaterialshasbecomemoreskilled.Inthispaperwemainlyintroducethepreparationofnanomaterials,includingphysicalandchemicalmethods,andprospectofnanotechnologyin21st.

Keywords:

nanomaterialsphysicalmethodchemicalmethodapplicationprospect