1、精選優質文檔-傾情為你奉上xx學院材料與文明學 號：xxxxxxxxx專 業：xxxxxxxxx學生姓名：xxxx任課教師：xxxx 納米材料的綜述 摘 要：納米材料在結構、光電和化學性質等方面的誘人特征，引起物理學家、材料學家和化學家的濃厚愛好。80年代初期納米材料這一概念形成以后，世界各國對這種材料給予極大關注。它所具有的獨特的物理和化學特性，使人們意識到它的發展可能給物理、化學、材料、生物、醫藥等學科的研究帶來新的機遇。納米材料的應用前景十分廣闊。近年來，它在化工、催化、涂料等領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。關鍵詞：納米材料 性能 應用領域 制備工藝 納米尺寸開辟科學新領域

2、，介紹納米的神奇特性及在生活中的應用。人類對物質世界的研究，曾小到原子、分子，大到宇宙空間。從無限小和無限大兩個物質尺寸去認識物質，使人們了解到世界是物質的。物質是由原子或分子構成的，原子、分子是保持物質化學、特性的最小微粒。這為人類認識世界、改造世界推進科學的向前發展提供了堅實的理論基礎，也產生了一個個的科學原理和定理，推動了人類生產和生活的不斷向前發展。隨著科學研究的進一步發展，人們發現當物質達到納米尺度以后，大約在1100納米這個范圍空間。物質的性能就會發生突變，出現特殊性能。這種既不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀物質的特殊性能的物質構成的材料，即為納米材料。過去，人們只注意原子

3、、分子，或者宇宙空間，常常忽略他們的中間領域，而這個領域實際上大量存在于自然界，只是以前沒有認識到這個尺度的范圍的性能。第一個真正認識到它的性能并引用納米概念的是日本科學家。他們發現：一個導電，導熱的銅、銀導體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質，表現出既不導電，也不導熱。材料在尺寸上達到納米尺度，大約是在1100納米這個范圍空間，就會產生特殊的表面效應，體積效應，量子尺寸效應，量子隧道效應等及由這些效應所引起的諸多奇特性能。擁有一系列的新穎的物理和化學特性，這些特性在光、電、磁、催化等方面具有非常重大應用價值1。1. 納米與納米材料的基本概念 “納米”是英文nanometer的譯名。納米是一

4、個長度單位，是一個比微米小得多的計量單位。1納米，即1nm=10-9m，也就是十億分之一米，約相當45個原子串在一起的長度。納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，從通常的關于微觀和宏觀的觀點看，這樣的系統既非典型的微觀系統亦非典型的宏觀系統2。2. 納米材料的性質2.1 納米材料的特性納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴散途徑，導致了高擴散率，它對蠕變，超塑性有顯著影響，并使有限固溶體的固溶性增強、燒結溫度降低、化學活性增大、耐腐蝕性增強。因此納米材料與同組成的微米晶體材料相比，

5、在力、磁、電、熱、光等方面有許多奇異的性能3，因而成為材料科學和凝聚態物理領域中的研究熱點。2.11 力學性質 納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發生，這就是納米晶強化效應。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環境下使用。2.12 磁學性質當代機硬盤系統的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法

6、讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。目前巨磁電阻效應的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關系，所以也可以用作新型的磁傳感材料，在光磁系統、光磁材料中有著廣泛的應用4。2.13 電學性質由于晶界面上原子體積分數增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發生尺寸誘導金屬絕緣體轉變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可

7、能在不久的將來全面取代目前的常規半導體器件。2.14 熱學性質納米材料的比熱和熱膨脹系數都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。2.15 光學性質納米粒子的粒徑遠小于光波波長。與入射光有交互作用，光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制，在光感應和光過濾中應用廣泛。由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光譜一般存在藍移現象5，其光吸收率很大，所以可應用于紅外線感測器材料。2.2 納米材料的特殊效應納米材料是納米科學技術的一個重要的發展方向。納米材料是指由極

8、細晶粒組成，特征維度尺寸在納米量級（1100nm）的固態材料。由于極細的晶粒，大量處于晶界和晶粒內缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應和宏觀量子隧道效應6等。2.21 表面與界面效應納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數與總原子數之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。如下圖所示：從圖中可以看出，粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當粒徑降到1nm時，表面原子數比例達到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數增多，表面原子配位數不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結合而穩定下來，故具有很高的化學活性7。2.

9、22 小尺寸效應當納米微粒尺寸與光波波長，傳導電子的德布羅意波長及超導態的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學等性能呈現出“新奇”的現象。例如，銅顆粒達到納米尺寸時就變得不能導電；絕緣的二氧化硅8顆粒在20納米時卻開始導電。2.23 量子尺寸效應當粒子的尺寸達到納米量級時，費米能級附近的電子能級由連續態分裂成分立能級。當能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導態的凝聚能時，會出現納米材料的量子效應，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強，在1.1365千克水里只要放入千分之一

10、這種粒子，水就會變得完全不透明9。2.24 納米材料的體積效應由于納米粒子體積極小，所包含的原子數很少，相應的質量極小。因此，許多現象就不能用通常有無限個原子的塊狀物質的性質加以說明，這種特殊的現象通常稱之為體積效應。2.25 宏觀量子隧道效應微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應。納米粒子的磁化強度等也有隧道效應，它們可以穿過宏觀系統的勢壘而產生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應。3. 納米材料的廣泛應用與傳統晶體材料相比，納米材料具有高強度硬度、高擴散性、高塑性韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數、低熱導率、強軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學性能

11、環境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特殊導體、分子篩、超微復合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結助劑、潤滑劑等領域。納米材料的諸多優異性，可能在光電器件、靈敏傳感器、隱身技術、催化、信息儲存等廣泛的領域得到應用。包括在建筑、化工、紡織、汽車和環保10等行業中的應用奠定了基礎。3.1 納米材料在陶瓷領域方面的應用陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，在日常生活及工業生產中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了較大的限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，使陶瓷具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性。所謂納米陶瓷，是指顯微結構中的物相具有納米級尺度

12、的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布11、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。雖然納米陶瓷還有許多關鍵技術需要解決，但其優良的室溫和高溫力學性能、抗彎強度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發動機部件等諸多方面都有廣泛的應用，并在許多超高溫、強腐蝕等苛刻的環境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應用前景。 3. 2 納米材料在微電子學上的應用納米電子學是納米技術的重要組成部分，其主要思想是基于納米粒子的量子效應來設計并制備納米量子器件，它包括納米有序（無序）12陣列體系、納米微粒與微孔固體組裝體系、納米超結構組裝體系。納米電子學的最終目標是將集成電路進一步減小，研制出由單原子

13、或單分子構成的在室溫能使用的各種器件。目前，利用納米電子學已經研制成功各種納米器件。單電子晶體管，紅、綠、藍三基色可調諧的納米發光二極管以及利用納米絲、巨磁阻效應制成的超微磁場探測器已經問世。并且，具有奇特性能的碳納米管的研制成功，為納米電子學的發展起到了關鍵的作用。碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成，徑向尺層控制在100nm以下。電子在碳納米管的運動在徑向上受到限制，表現出典型的量子限制效應，而在軸向上則不受任何限制。其獨特的電學性能使碳納米管可用于大規模集成電路，超導13線材等領域。3. 3 納米材料在生物工程上的應用眾所周知，分子是保持物質化學性質不變的最小單位。生物分子是很好的信息處理材

14、料，每一個生物大分子本身就是一個微型處理器，分子在運動過程中以可預測方式進行狀態變化，其原理類似于計算機的邏輯開關，利用該特性并結合納米技術，可以此來設計量子計算機。該生物材料具有特異的熱、光、化學物理特性和很好的穩定性，并且，其奇特的光學循環特性可用于儲存信息，從而起到代替當今計算機信息處理和信息存儲的作用。科學家們認為14：要想提高集成度，制造微型計算機，關鍵在于尋找具有開關功能的微型器件。納米計算機的問世，將會使當今的信息時代發生質的飛躍。它將突破傳統極限，使單位體積物質的儲存和信息處理的能力提高上百萬倍，從而實現電子學上的又一次革命。3. 4 納米技術在光電領域的應用納米技術的發展，使

15、微電子和光電子的結合更加緊密，在光電信息傳輸、存貯、處理、運算和顯示等方面，使光電器件的性能大大提高。將納米技術用于現有雷達信息處理上，可使其能力提高10倍至幾百倍，甚至可以將超高分辨率納米孔徑雷達放到衛星上進行高精度的對地偵察15。3. 5 納米材料在化工領域的應用納米粒子作為光催化劑，有著許多優點。首先是粒徑小，比表面積大,光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達表面之前，大部分不會重新結合。因此，電子、空穴能夠到達表面的數量多，則化學反應活性高。其次，納米粒子分散在介質中往往具有透明性，容易運用光學手段和方法來觀察界面間的電荷轉移、質子轉移、半導體能級結構與表面態密度的影響。目

16、前，工業上利用納米二氧化鈦-三氧化二鐵作光催化劑，用于廢水處理（含SO32-或 Cr2O72-體系），已經取得了很好的效果。納米靜電屏蔽材料，是納米技術的另一重要應用。以往的靜電屏蔽材料一般都是由樹脂摻加碳黑噴涂而成，但性能并不是特別理想。為了改善靜電屏蔽材料的性能，利用具有半導體特性的納米氧化物粒子如Fe2O3 、TiO2 、ZnO等做成涂料，由于具有較高的導電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。另外，氧化物納米微粒的顏色各種各樣，因而可以通過復合控制靜電屏蔽涂料的顏色，這種納米靜電屏蔽涂料不但有很好的靜電屏蔽特性，而且也克服了碳黑靜電屏蔽涂料只有單一顏色的單調性。納米微粒還可用作導電涂料，用作印

17、刷油墨，制作固體潤滑劑等16。3. 6 納米材料在醫學上的應用隨著納米技術的發展，在醫學上該技術也開始嶄露頭腳。研究納米技術在生命醫學上的應用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細結構及其與功能的關系，獲取生命信息。科學家們設想利用納米技術制造出分子機器人，在血液中循環，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。這樣，在不久的將來，被視為當今疑難病癥的愛滋病、高血壓、癌癥等都將迎刃而解，從而將使醫學研究發生一次革命。3. 7 納米材料在分子組裝方面的應用目前主要是進行納米組裝體系、人工組裝合成納米結構材料的研究。雖

18、然已經取得了許多重要成果，但納米級微粒的尺寸大小及均勻程度的控制仍然是一大難關。如何合成具有特定尺寸，并且粒度均勻分布無團聚的納米材料，一直是科研工作者努力解決的問題。目前，納米技術深入到了對單原子的操縱，通過利用軟化學與主客體模板化學，超分子化學相結合的技術，正在成為組裝與剪裁，實現分子手術的主要手段。科學家們設想能夠設計出一種在納米量級上尺寸一定的模型，使納米顆粒能在該模型內生成并穩定存在。3. 8 納米材料在其它方面的應用利用先進的納米技術，在不久的將來，可制成含有納米電腦的可人-機對話并具有自我復制能力的納米裝置，它能在幾秒鐘內完成數十億個操作動作。在軍事方面，利用昆蟲作平臺，把分子機

19、器人植入昆蟲的神經系統中控制昆蟲飛向敵方收集情報，使目標喪失功能。利用納米技術還可制成各種分子傳感器和探測器。利用納米羥基磷酸鈣為原料，可制作人的牙齒、關節等仿生納米材料。將藥物儲存在碳納米管中，并通過一定的機制來激發藥劑的釋放，則可控藥劑有希望變為現實。另外，還可利用碳納米管來制作儲氫材料17，用作燃料汽車的燃料"儲備箱"。利用納米顆粒膜的巨磁阻效應研制高靈敏度的磁傳感器；利用具有強紅外吸收能力的納米復合體系來制備紅外隱身材料，都是很具有應用前景的技術開發領域。4. 納米材料的制備方法4.1物理制備方法4.11機械法機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術。機械球磨法

20、無需從外部供給熱能,通過球磨讓物質使材料之間發生界面反應,使大晶粒變為小晶粒,得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉,尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術利用超重力旋轉床高速旋轉產生的相當于重力加速度上百倍的離心加速度,使相間傳質和微觀混合得到極大的加強,從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料,應用超重力技術制備粒徑20nm80nm、粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。 4.12氣相法氣相法包括蒸發冷凝法、溶液蒸發法、

21、深度塑性變形法等。蒸發冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應、等離子體、激光、束、電弧感應等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達到過飽和狀態,然后在氣體介質中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護下,利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體,粒徑在30nm50 nm范圍內可控。魏勝用蒸發冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發法是將溶劑制成小滴后進行快速蒸發,使組分偏析最小,一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準靜態壓力的作用下,材料極大程度地發生塑性變形,而使尺寸細化到納米量級。有報道,82mm的G

22、e在6GPa準靜壓力作用后,再經850熱處理,納米結構開始形成,材料由粒徑100nm的等軸晶組成,而溫度升至900時,晶粒尺寸迅速增大至400nm。 4.13磁控濺射法與等離子體法濺射技術是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子,交換能量或動量,使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變,化合物的成分不易發生變化。目前,濺射技術已經得到了較大的,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應磁控濺射等技術。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應性氣氛中通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體,從而使原料溶液化合蒸發,蒸汽

23、達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高,能制備難熔的金屬或化合物,產物純度高,在惰性氣氛中,等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。 以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法,這些制備方法基本不涉及復雜的化學反應,因此,在控制合成不同形貌結構的納米材料時具有一定的局限性。4.2化學制備方法4.21溶膠凝膠法溶膠凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中,然后經過水解反應生成活性單體,活性單體進行聚合,開始成為溶膠,進而生成具有一定空間結構的凝膠。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金屬和含N聚合物組成)在溶液中與H2S反應,生成的ZnS顆粒粒度分布窄,且被均勻包覆于聚合物基體中,粒徑范圍可控制

24、在2nm-5nm之間。Marcus Jones等以CdO為原料,通過加入Zn(CH3)2和SSi(CH3)32制得了ZnS包裹的CdSe量子點,顆粒平均粒徑為3.3nm,量子產率(quantum yield,QY)為13.8%。 4.22離子液法離子液作為一種特殊的有機溶劑,具有獨特的物理化學性質,如粘度較大、離子傳導性較高、熱穩定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態溫度范圍等。即使在較高的溫度下,離子液仍具有低揮發性,不易造成環境污染,是一類綠色溶劑。因此,離子液是合成不同形貌納米結構的一種良好介質。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料,在室溫下于離子液介質中合成出了大小均勻的、尺寸

25、為3m5m的Bi2S3納米花。他們認為溶液的pH值、反應溫度、反應時間等條件對納米花的形貌和晶相結構有很重要的影響。他們證實,這些納米花由直徑60nm80 nm的納米線構成,隨老化時間的增加,這些納米線會從母花上坍塌,最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅原料,以離子液為反應介質,合成了單晶Bi2S3納米棒。 4.23溶劑熱法 溶劑熱法是指在密閉反應器(如高壓釜)中,通過對各種溶劑組成相應的反應體系加熱,使反應體系形成一個高溫高壓的環境,從而進行實現納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅體BiS2P(OC8H17)23作反應物,用溶劑熱法制得了高度均勻的正交

26、晶系Bi2S3納米棒,且該方法適于大規模生產。Liu等用Bi(NO3)35H2O、NaOH及硫的化合物為原料,甘油和水為溶劑,采用溶劑熱法在高壓釜中160反應24-72 h制得了長達數毫米的Bi2S3納米帶。 4.24微乳法微乳液制備納米粒子是近年發展起來的新興的研究領域,具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優點。1943年Hoar等人首次報道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合,可自發地形成一種熱力學穩定體系,體系中的分散相由80nm- 800nm的球形或圓柱形顆粒組成,并將這種體系定名微乳液。自那以后,微乳理論的應用研究得到了迅速發展。1982年,Boutonnet等人應用微乳

27、法,制備出Pt、Pd等金屬納米粒子。微乳法制備納米材料,由于它獨特的工藝性能和較為簡單的實驗裝置,在實際應用中受到了國內外研究者的廣泛關注。5. 納米材料的前景展望 經過幾十年對納米技術的研究探索，現在科學家已經能夠在實驗室操縱單個原子，納米技術有了飛躍式的發展。納米技術的應用研究正在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤4大領域高速發展。可以預測：不久的將來納米金屬氧化物半導體場效應管、平面顯示用發光納米粒子與納米復合物、納米光子晶體將應運而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學組裝機將投入應用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機器人、集

28、成生物化學傳感器18等將被研究制造出來。納米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規模生產階段，當今重視發展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現騰飛奠定堅實的基礎。整個人類社會將因納米技術的發展和商業化而產生根本性的變革19。結 論挑戰嚴峻，機遇難得，我們必須加倍重視納米科技的研究，注意納米技術與其它領域的交叉，加速知識創新和技術創新，為21世紀中國經濟的騰飛奠定雄厚的基礎。當前我國納米科技發展的主要任務是：加強納米科技前沿的基礎研究和基礎性工作；突破一批納米科技發展共性關鍵技術；開拓納米材料和器件的應用，培育相關產業；建設國家納米科技基礎設施和研究開發基地；建設高素質的納米科技骨干隊伍。參考文獻：1 趙清榮：雷達與對抗J，2001，（3）：20-232