纳米材料制备技术

纳米材料制备技术

许路

（上海交通大学材料科学与工程学院 F9905103班）

摘要：纳米材料作为材料科学中的重要一元，近年来受到科学界的广泛重视。本文将从纳米材料的概况，制备工艺，及其部分应用等方面作出综合评价

关键词：纳米材料，制备方法

§1 概述

§1.1 纳米的基本概念及内涵

纳米是一种长度单位,一纳米相当于十亿分之一米,大约相当于几十个原子的长度。

纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末刚刚诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（10-9—10-7m）范围内认识及改造自然，通过直接操作及安排原子、分子来创造新的物质。

早在1959年美国著名物理学家，诺贝尔奖金获得者费曼就设想：“如果有朝一日，人们能把百科全书存储在一个针尖大小的空间内，并能移动原子，那将给科学带来什么？”这正是对于纳米科技的预言，也就是人们常说的小尺寸大世界。

纳米科技是研究由尺寸在0.1至100nm之间的物质组成体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括：

(1).纳米体系物理学

(2).纳米化学

(3).纳米材料学；

(4).纳米生物学；

(5).纳米电子学；

(6).纳米加工学；

(7).纳米力学；

这七个部分相对独立。隧

道显微镜在纳米科技之中占

有重要地位，它贯穿到七个领

域中，以扫描隧道显微镜为分

析和加工的手段占有一半以

上。

扫描隧道显微镜(STM)工作原理简图[14]

§1.2 纳米材料概述及其分类：

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。如果按维数，纳米材料的基本单元可分为三类：

1．零维，指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等。

2．一维，指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米四、纳米管、纳米棒等。

3．二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等。

因为这些单元往往具有量子性质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分别有量子点，量子线，量子阱之称。

§1.3 纳米材料的特性

小尺寸效应当纳米微粒尺寸与光波的波长、传导电子的得布罗意波长以及超导态的相干长度或透深度等物理特征尺寸相当时 ,晶体周期性的边界条件将破坏 ,声、光、电、磁、热、力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。

表面与界面效应纳米微粒由于尺寸小 ,表面积大 ,表面能高 ,因此其活性极高 ,极不稳定 ,很容易与其他原子结合。

量子尺寸效应当粒子尺寸下降到最低值时 ,费米能级附近的电子能级会由准连续变为离散能级。纳米微粒的声、光、电、磁、热以及超导性与宏观特性有着显著的不同 ,这被称为量子尺寸效应。

宏观量子隧道效应隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力 ,人们发现一些宏观量 ,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具有隧道效应 ,称之为宏观量子隧道效应。

由于以上 4个效应的存在 ,纳米材料呈现如下的宏观物理性能 :(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。

§1.4 纳米材料的制备技术发展的三个阶段

第一阶段：单一材料和单相材料。即纳米晶或纳米相（Nanocrystalline or Nanophase）第二阶段：纳米复合材料。通常采用纳米微粒与纳米微粒的复合（0-0复合）、纳米微粒同常规块体之间的复合（0-3复合）及复合纳米薄膜（0-2复合）。

第三阶段：纳米组装体系（Nanostructured assembling system）、纳米尺度的图案材料（Patterning materials on the nanometer scale）。他的基本内涵是纳

米颗粒以及纳米丝、管为基本单元在一维、二维及三维空间之中组装排列成

具有纳米结构的体系

（如右图）。其中包括

纳米阵列体系、介空

组装体系、薄膜镶嵌

体系。纳米颗粒、丝、

管可以有序的排列而

不同于第一、第二阶

段中带有一定程度的

随机性质。

§2 纳米材料的制备

§2.1 纳米微粒的制备方法[13]

§2.1.1物理制备方法

早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法、分子束外延法等等。近年来发展了一些新的物理方法，如旋转涂层法将聚苯乙烯微球涂敷到基片上，由于转速不同，可以得到不同的空隙度。然后用物理气相沉积法在其表面上沉积一层银膜，经过热处理，即可得到银纳米颗粒的阵列。中科院物理所开发了对玻璃态合金进行压力下纳米晶化的方法[3 ]。例如：ZrTiCuBeC玻璃态合金在6GPa和623Ｋ的条件下进行晶化,可以制备出颗粒尺寸小于5nm 的纳米晶。

§2.1.2.1固相法[4]

固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法。固相物质热分解法是利用金属化合物的热分解来制备超微粒，但其粉末易固结，还需再次粉碎，成本较高。物理粉碎是通过机械粉碎、电火花爆炸等法制得纳米粒子。其原理是利用介质和物料间相互研磨和冲击，以达到微粒的超细化，但很难使粒径小于100纳米。机械合金法(ＭＡ)是1970年美国ＩNCO公司Benjamin为制作镍的氧化物粒子弥散强化合金而研制成功的一种新工艺。该法工艺简单，制备效率高，并能制备出常规法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料，成本较低但易引进杂质，降低纯度，颗粒分布也不均匀。近年来，助磨剂物理粉碎法和超声波粉碎法的采用，可制得粒径小于100纳米的微粒。但仍然存在上述不足，故固相法还有待继续深入研究。

§2.1.2.2气相法[4]

气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位，利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的纳米超微粒。尤其是通过控制气氛，可制备出液相法难以制备的金属碳化物、硼化物等非氧化物的纳米超微粒.该法主要包括：

真空蒸发—冷凝法在高纯惰性气氛下(Ar、He) ，对蒸发物质进行真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超细微粒。在1987年，Biegles等采用此法又成功制备了纳米级TiO2陶瓷材料。

高压气体雾化法该法是利用高压气体雾化器将- 2 0～40℃的氢气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液体内，熔体被破碎成极细颗粒的射流然后急剧骤冷得到超微粒。采用此法可得到粒度分布窄的纳米材料。

高频感应加热法以高频感应线圈作热源,使坩埚内的物质在低压(1～10kPa)的He、N2等惰性气体中蒸发,蒸发后的金属原子与惰性气体原子相碰撞,冷却凝聚成颗粒.该法的优点是产品纯度高,粒度分布窄,保存性好,但成本较高,难以蒸发高沸点的金属.

此外,还有溅射法、气体还原法、化学气相沉淀法和粒子气相沉淀法。作为特殊方法，用爆炸法可制备纳米金刚石，用低压燃烧法制备SiO2、Al2O3等多种纳米材料。

§2.1.2.3液相法

80年代以来，随着对材料性能与结构关系的深入研究，出现了液相法实现纳米“超结构过程”的基本途径。这是依据化学手段，在不需要复杂仪器的前提下，通过简单的溶液过程就可对性能进行“剪裁”。液相法主要有以下几种：

沉淀法该法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒的方法。均匀沉淀法通过控制生成沉淀的速度，减少晶粒凝聚，可制得高纯度的纳米材料。共沉淀法是把沉淀剂加入混合后的金属溶液中，然后加热分解获得超微粒。

溶胶—凝胶法[5～7]溶胶—凝胶法可制备传统制备方法不能制得的产物，尤其对制备非晶态材料显得尤为重要，溶胶—凝胶法包括金属醇盐和非醇盐两种方法。

水解反应法[8]依据水热反应的类型不同，可分为水热氧化、还原、合成、分解和结晶等几种。其原理是在水热条件下加速粒子反应和促进水解反应。

胶体化学法[9]采用粒子交换法、化学絮凝法、胶溶法制得透明性金属氧化物的水凝胶，以阴粒子表面活性剂[如ＤＢＳ]进行憎水处理，然后用有机溶剂冲洗制得有机胶体，经脱水和减压蒸馏，在低于表面活性剂的热分解温度的条件下，制得无定性球状纳米材料。

溶液蒸发和热分解法该法包括喷雾干燥、燃烧等方法，它用于盐溶液快速蒸发、升华、冷凝和脱水过程，避免了分凝作用，能制得均匀盐类粉末。若将一定配比的金属盐溶液用粒子喷雾器在干燥室内与不同浓度的气流接触，快速蒸发分解该盐溶液，即可得到纳米微粒。

§2.1.3.1热等离子体法

该法是用等离子体将金属等粉末熔融、蒸发和冷凝以制成纳米微粒，是制备高纯、均匀，粒径小的氧化物、氮化物、碳化物系列，金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效方法；同时为高沸点金属的各种系列纳米微粒以及含有挥发性组分合金的制备开辟了前景。新开发出的电弧法[10]混合等离子体法弥补了传统等离子体法存在的等离子枪寿命短、功率小、热效率低等缺点。

§2.1.3.2激光加热蒸气法

以激光为快速加热热源，使气相反应物分子内部很快地吸收和传递能量，在瞬间完成气体反应的成核、长大和终止。该法可迅速生成表面洁净、粒径小于50纳米，粒度均匀可控的纳米微粒。

§2.1.3.3电解法

它包括水溶液和熔盐电解两种方法。用此法可制得高纯金属超微粒，尤其是电负性大的金属粉末。

§2.1.3.4辐射合成法

用辐射合成法[11]制备纳米材料具有明显的特点：一般采用γ射线辐照较大浓度的金属盐溶液。制备工艺简单，可在常温常压下操作，制备周期短，产物粒度易控制，一般可得1 0纳米左右的粉末，产率较高，不仅可制备纯金属粉末，还可制备氧化物、硫化物纳米粒子及纳米复合材料。通过控制条件可制备非晶粉末.所以纳米材料的辐射法制备近年来得到了很大的发展。

纳米微粒的制备除上述方法外，还有一些其他新方法，如模板合成法[3],利用纳米多孔材料的纳米孔或纳米管道为模板，可获得粒径可控，易掺杂和反应易控制的纳米粒子；自组装法[3]，用此法可制造中空的纳米球或纳米管。另外，利用多孔模板用自组装法制出了较大的纳米金属团簇和纳米金属线，外层有配体起到稳定化的作用；有序ＬＢ膜法[12]，用还原法制备金属颗粒和贵金属纳米颗粒；用DV A特异功能制备纳米颗粒等方法。

§2.2 纳米固体及其制备[15]

§2.2.1 纳米固体的分类及其基本构成

纳米结构块体、薄膜材料（Nanostructured bulk and films）(又称为纳米固体)是由尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的块体和薄

膜（颗粒膜、膜厚为纳米级的多层膜和纳米晶以

及纳米非晶薄膜）。

根据小颗粒的结构状态，纳米固体可分为纳

米晶体材料(Nanocrystalline),又称为纳米微晶

材料;纳米非晶材料（Nano amorphous materials）;

和纳米准晶材料。根据小颗粒的键的形式又可以

把纳米材料分为纳米金属材料、纳米离子晶体材

料、纳米半导体材料（Nano sem）

以及纳米陶瓷材料（Nano ceramic materials）。

纳米固体材料的基本构成是纳米微粒以及它

们之间的分界面（界面）。由于纳米粒子的尺寸小，

界面所占的体积百分数几乎可以同纳米微粒所占

的体积百分数相比拟。

§2.2.1 纳米金属及合金材料的制备

§2.2.1.1 惰性气体蒸发、原位加压制备法

纳米结构材料之中的纳米金属及合金材料是一种二次凝聚晶体或非晶体，第一次凝聚是由金属原子形成纳米颗粒，在保持新鲜表面的情况下，将纳米颗粒压在一起形成块状凝固固体。此法又称之为“一步法”，其具体步骤为：

制备纳米颗粒---〉颗粒收集---〉压制成块体。

为了防止氧化，上述的一般步骤都是在真空（小于10-6Pa）中进行，这就给制备纳米金属和合金固体带来了很大的困难。从理论上来讲，制备纳米金属及合金的方法很多，但真正获得具有清洁界面的金属及合金纳米块体的材料的方法并不多。目前比较成功的方法为惰性气体蒸发，原位加压法。

§2.2.1.2 高能球磨法

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冲击，研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。又称作机械合金化（mechanical alloying,简写成MA）. 如果将两种及两种以上金属粉末同时放入球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经过压延，压和，又碾碎，再压和的反复过程（冷焊—粉碎—冷焊的反复进行），最后获得组织及成份均匀的合金粉末。

高能球磨制备纳米晶需要控制以下几个参数和条件：

1．正确选用硬球的材质：不锈钢，玛瑙，硬质合金；

2．控制球磨得温度及时间；

3．原料一般选用微米级的粉体积小尺寸的条装带碎片。

球磨过程中，颗粒尺寸、成份及结构变化通过不同时间的球磨粉体的x光衍射，电镜观察等方法进行监视。

高能球磨法可以制备出以下几类纳米晶材料：纳米晶纯金属，互不相容体系的固溶体，纳米金属间化合物及纳米金属－陶瓷粉复合材料。

§2.2.1.3 非晶晶化法[17]

非晶晶化法是指用单辊急冷法将

Ni80P20(at%)熔体制成非晶钛合金条带，然后在

不同的温度下进行退火是非晶带转化成纳米

晶组成的条带，当退火温度小于610K时，纳

米晶Ni3P的晶粒粒径为7.8nm，随温度上升，

晶粒开始长大（如图所示）。

用晶化法制备的纳米结构材料的塑性对

晶粒的粒径十分敏感，只有晶粒直径很小时，

塑性较好，否则材料将变得很脆。因此对于某

些成核激活能小，晶粒长大激活能大的非晶合

金采用非晶晶化才能获得塑性较好的纳米晶

合金。

§2.3 纳米薄膜和颗粒膜

纳米薄膜分两类：

1．有纳米颗粒组成的（或堆砌而成）的薄膜。

2．纳米颗粒间有较多孔隙及无序原子或另一种材料。

§2.3.1 液相法

§2.3.1.1 溶胶-凝胶法[18]

首先用金属无机盐及有机金属化合物制成熔胶，然后将衬底（如SiO2玻璃衬底等）浸入凝胶后以一定速度进行提拉，结果溶胶附着在衬底上，经一定温度加热之后即得到纳米微粒的膜。膜的厚度由提拉次数来控制。

§2.3.1.2 电沉积法[19]

一般Ⅱ-Ⅵ组半导体薄膜可用此法制备。下面简单介绍CdS和CdSe薄膜的制备方法：用Cd盐和S或Se制成非水电解液，通电后在电极上沉淀CdS或CdSe透明的纳米微粒薄膜。粒径为5nm左右。

§2.3.2 气相法

§2.3.2.1 高速超微粒子沉淀法（气相沉淀法）

基本原理：

用蒸发或溅射方法获得超微粒子，用一定气压的惰性气体作载流气体，通过喷嘴，在基板上沉淀成膜。

下图中所示的是美国喷气制造公司[20]采用的气体沉淀法中的多喷嘴，转动衬底法示意图。可用来制备出纳米多层膜，陶瓷有机膜，颗粒膜等。

上图中所示的是日本真空冶金公司所用的设备。此法可用来制备各种纳米金属薄膜。金属超微粒子从喷嘴中喷出，在基片上沉淀，当基片温度远低于蒸发温度时，几乎100%的离子同基片表面碰撞而附着其上，形成薄膜，粒子的动能（约100m/s）基本上转化为粘附能。

§2.3.2.2 直接沉淀法

此种方法是当前制备纳米薄膜普遍采用的方法。基本原理：

将纳米粒子直接沉淀在低温基片之上。

制备纳米粒子的方法一共有三种：惰性气体蒸发法、等离子溅射法和辉光放电等离子诱导化学气相沉淀法。

§2.3.2.3 气相法沉淀法所应注意的几个理论问题

1．衬底基片的影响

衬底材质对薄膜的结构有影响，用电子回旋共振（ECR）等离子溅射法制备纳米Ti模时，采用玻璃或NaCl作衬底，在同样的工艺条件之下或的纳米Ti膜都是

fcc结构，但点阵常数有差别。前者为4.068埃，后者为4.166埃。

同时衬底温度对纳米薄膜的相结构、沉淀速度、附着力等有明显的影响。通常在植被纳米金属薄膜时使用冷衬底，这是由于当衬底温度远低于纳米粒子温度

时，大的温度梯度将使得纳米粒子向衬底的沉积速度增加，也有利于粒子的动能

向粘附能转变，增强膜的附着力。

2． 制备方法的影响

植被纳米晶Ti 膜使用蒸发法，离子束溅射法，ECR 等离子溅射体法及磁控溅射法所获得纳米晶Ti 的初期生长膜的结构和点阵常数有很大的差异。显见下表：

* 电子回旋共振等离子溅射法

§2.4纳米材料的应用[15]

由于纳米微粒的小尺寸小英、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使得它们在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料的不具备的特性。因此纳米颗粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高致密度材料的烧结、催化、传感、陶瓷增韧等方面有广阔的引用前景。由于篇幅的关系，这里只着重探讨一下磁性材料的应用。

§2.4.1 新型的磁性液体及磁记录材料[16]

于磁场的作用下，磁性颗粒带着被表面活性剂所包裹的液体一起运动，如同液体具有了此行，故称为磁性液体。生成磁性液体的必要条件是强磁性颗粒要足够的小，以至可以消除磁偶极矩之间的静磁作用，能在基液中作无规则热运动。如对铁氧体型颗粒尺寸为10nm ，金属微颗粒为6nm 。

基于以上优点，美、日、英、俄皆有磁性液体专业工厂生产。以日本为例，见下表：

磁性液体主要应用于：旋转轴的动态密封，不会损坏轴承的新型润滑剂，增加扬声器的功率，作阻尼器件，比重分离等等。

§2.4.2 巨磁电阻材料[16]

磁性金属和合金一般都具有磁电阻的现象，所谓的磁电阻是指在一定磁场下电阻改变的现象。而所谓的巨磁电阻是指在一定的磁场下电阻急剧减小，且一般减小的幅度比通常的磁性金属及合金材料的磁电阻值越高十多倍。

Fe/Cu,Fe/Ag,Fe/Al,Fe/Au,Co/Cu,Co/Ag和Co/Au等纳米结构的多层膜之重已经观察到了显著的巨磁阻效应，且这种巨磁阻多层膜在高密度读出磁头，磁存储元件上将有广泛的应用前景。

1992年，美国使用双靶共溅射法与Ag及Cu非磁薄膜基体上镶嵌纳米级的铁磁的Co颗粒，是指具有巨磁阻效应，且有各向同性的特点。其中以Co-Ag体系为最高，于液氮温度巨磁阻可达55%，室温可达20%。近日，又在降低饱和磁场下有所突破，FeNiAg颗粒膜中饱和磁场约为32kA/m，接近于实用化的多层膜标准。

1994年，IBM公司研制的巨磁电阻效应读出磁头，将磁记录密度一下提高了十七倍，达5Gbit/in2 ,最近报道为11Gbit/in2 。由于巨磁电阻效应大，易使器件小型化，廉价化，于光电等传感器相比，它具有功耗小，可靠性高，体积小，能工作于恶劣的工作条件下的优点。

利用巨磁电阻效应与不同的磁化状态下具有不同电阻值的特点，可以制成随机存储器（MRAM）,其特点是在无电源的条件下继续保留信息。1995年报道自旋阀型MRAM及一单元的开关速度为亚纳秒级，256Mbit的MRAM已经设计成功，可同半导体随机存储器（SRAM,DRAM）相竞争。

巨磁电阻效应应用的另一方面为微弱磁场探测器。纳米结构的巨磁电阻经过定标可以探测10-2T至10-6T的磁通密度。瑞士苏黎世高工将具有纳米孔洞的聚碳酸脂衬底上通过交替蒸发Cu和Co并用电子束进行轰击，在同心聚碳酸脂多层薄膜孔洞上又Cu,Co交替填充形成几微米长的纳米丝，其巨磁电阻效应达到15%，可用来探测10-11T的磁通密度。

以上只是列举了纳米材料于某几个方面上的应用，即已显示了纳米材料于世纪之交的材料科学之中的举足轻重的地位。可以预见其将在新世纪中在新材料、能源、信息等各个领域发挥愈来愈重要的作用。最后列表总结一下纳米材料可能应用的领域。

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纳米材料与技术思考题2016

纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象

7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料

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

纳米材料科学与技术

聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress

纳米材料综述要点

纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，合成纳米块体(包括薄膜，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段 (1990年～1994年人们关注的热点是设计纳米复合材料： ?纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。 3、纳米材料 材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。

图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成

北京交通大学与加拿大滑铁卢大学合作举办“纳米材料与技术”专业本科教育项目

北京交通大学与加拿大滑铁卢大学合作举办 “纳米材料与技术”专业本科教育项目 1、项目介绍： 本项目是北京地区高校中第一个被教育部批准的“纳米材料与技术”专业本科教育中外合作办学项目【教外综函[2012]49号】。 2、培养目标： 专业融合两校的优势课程，引入国际先进的教育理念，充分发挥北京市纳米科技资源优势，制定与国际接轨的教学培养方案和教学质量监控体系，努力培养德智体全面发展，数理、材料与技术基础扎实，解决实际问题能力强，富有创新精神和开拓能力，有国际视野，能在科研、高校及企事业单位从事与纳米材料与技术相关研发、教学与管理工作的高端复合型人才。 3、学制模式： 纳米材料与技术专业学制4年，采取2+1+1培养模式，学生前两年和第四年在北京交通大学全日制学习，第三年赴加拿大滑铁卢大学全日制学习。专业将摈弃高校传统的大学英语教学模式，聘请滑铁卢大学教师对学生英语语言能力进行全方位培训，提高学生英语应用能力。第一学年实行双语授课，此后实施全英文教学，专业总课程和核心课程的三分之一以上由滑铁卢大学老师和外教承担，实现本土教学的国际化。 4、培养层次（学位）： 学生完成全部纳米材料与技术专业课程以及毕业设计，成绩合格获北京交通大学工学学士学位。若所修课程也达到滑铁卢大学本科毕业要求，可同时获得滑铁卢大学学士学位。 5、毕业去向： 预计75%以上毕业生深造，其中去国外、境外知名高校、科研机构继续深造学生数将达到50%，其余毕业生可在国内高校、科研机构及企事业单位等从事科学研究、技术开发、教学和管理等工作。 6、核心课程： 材料与纳米科学技术、固体物理、材料的光学及电学性能、生物材料、高分子材料、固体材料与纳米器件、纳米物理学。 7、学习费用：

纳米技术的应用与前景

纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理

石墨烯纳米材料及其应用

墨烯纳米材料及其应

二?一七年十二月

摘要 ................. 错误!未定义书签 1引言................ 错误!未定义书签 2石墨烯纳米材料介绍......... 错误!未定义书签 3石墨烯纳米材料吸附污染物...... 错误!未定义书签金属离子吸附........... 错误!未定义书签 有机化合物的吸附......... 错误!未定义书签 4石墨烯在膜及脱盐技术上的应用..… 错误!未定义书签石墨烯基膜............ 错误!未定义书签 采用石墨烯材料进行膜改进..... 错误!未定义书签 石墨烯基膜在脱盐技术的应用??… 错误!未定义书签5展望................ 错误!未定义书签

石墨烯因为其独特的物理化学方面的性质，特别是其拥有较高的比表面积、 较高的电导率、较好的机械强度和导热性，使其作为一种新颖的纳米材料赢得了越来越广泛的关注。 关键词：石墨烯；碳材料；环境问题；纳米材料 1引言 随着世界人口的增长，农业和工业生产出现大规模化的趋势。空气，土壤和水生生态系统受到严重的污染；全球气候变暖等环境问题正在成为政治和科学关注的重点。目前全球已经开始了解人类活动对环境的影响，并开发新技术来减轻相关的健康和环境影响。在这些新技术中，纳米技术的发展已经引起了广泛的关注。 纳米材料由于其在纳米级尺寸而具有独特的性质，可用于设计新技术或提高现有工艺的性能。纳米材料在水处理，能源生产和传感方面已经有了诸多应用，越来越多的文献描述了如何使用新型纳米材料来应对重大的环境挑战。 石墨烯引起了诸多研究人员的关注。石墨烯是以sp2杂化连接的碳原子层构成的二维材料，其厚度仅为一个碳原子层的厚度。这种“只有一层碳原子厚的碳薄片”，被公认为目前世界上已知的最薄、最坚硬、最有韧性的新型材料。石墨烯具有超高的强度，碳原子间的强大作用力使其成为目前已知力学强度最高的材料。石墨烯还具有特殊的电光热特性，包括室温下高速的电子迁移率、半整数量子霍尔效应、自旋轨道交互作用、高理论比表面积、高热导率和高模量、高强度, 被认为在单分子探测器、集成电路、场效应晶体管等量子器件、功能性复合材料、储能材料、催化剂载体等方面有广泛的应用前景。在环境领域，石墨烯已被应用于新型吸附剂或光催化材料，其作为下一代水处理膜的构件，常用作污染物监测。 2石墨烯纳米材料介绍 单层石墨烯属于单原子层紧密堆积的二维晶体结构（）。在石墨烯平面内，碳原子以六兀环形式周期性排列，每个碳原子通过C键与临近的二个碳原子相连，S Px和Py三个杂化轨道形成强的共价键合，组成sp2杂化结构，具有120° 的键角。石墨烯可由石墨单层剥离而产生，最初是通过微机械剥离，使用胶带依次将石墨粘黏成石墨烯来实现。Geim和Novoselov

纳米技术知识材料

纳米技术知识材料 一、纳米（nano meter,nm）： 一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 二、纳米科学技术（nanotechnology）： 纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 三、纳米材料（nano material）与纳米粒子（nano particle）： 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 四、几种典型的纳米材料： a) 纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂，利用甚高的比表面与活性可以显著得提高催化效率，例如，以微径小于微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍；超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水，超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用，从而生成碳纤维。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性粒子作为磁记录介质。随着社会的信息化，要求信息储存量大、信息处理速度高，推动着磁记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20）纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，其记录密度可达4’106～4’107位/厘米（107～108位/英寸），即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。

纳米材料与技术作业

纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

纳米科学与技术

深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订

课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常

压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管

纳米材料与技术

纳米材料与技术 (2007-05-15 16:05:21) 转载 1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出：“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹?”今天，这个美好的愿望已经开始走向现实。目前，人 类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三 维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特 性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。 0．2纳米材料的研究历史 人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限(肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。到目前为止，人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解，一些学科 领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间 科学等。微观指原子、分子，以及原子内部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。

19世纪末到20世纪初，人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。 相对而言，在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当肤浅，被誉为有待开拓的“处女地”。近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质，也不同于微观体系的奇异现象。下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。 1 000年以前。当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。 1861年，随着胶体化学(colloidchemistry)的建立，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。 20世纪初，有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。

纳米材料在实际生活中的应用

在现实生活中，纳米技术有着广泛的用途。 １、超微传感器传感器是纳米微粒最有前途的应用领域之一。纳米微粒的特点如大比表面积、高活性特异物性、极微小性等与传感器所要求的多功能、微型化、高速化相互对应。另外，作为传感器材料，还要求功能广、灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、选择性好、耐负荷性高、稳定可靠，纳米微粒能较好地符合上述要求。 ２、催化剂在化学工业中，将纳米微粒用做催化剂，是纳米材料大显身手的又一方面。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药有效催化剂；超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细的镍粉、银粉的轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极可以增大与液相或气体之间的接触面积，增加电池效率，有利于小型化。 超细微粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器，作为吸附氢气的储藏材料。还可作为陶瓷的着色剂，用于工艺美术中。 ３、医学、生物工程尺寸小于１０纳米的超细微粒可以在血管中自由移动，在目前的微型机器人世界里，最小的可以注入人的血管，它一步行走的距离仅为５纳米，机器人进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞噬病毒，杀死癌细胞。这些神话般的成果，可以使人类在肉眼看不见的微观世界里享用那取之不尽的财富。 ４、电子工业量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作，因此它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外，量

子元件还可以使元件的体积大大缩小，使电路大为简化，因此，量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。目前，风靡全球的因特网，如果把利用纳米技术制造的微型机电系统设置在网络中，它们就会互相传递信息，并执行处理任务。不久的将来，它将操纵飞机、开展健康监测，并为地震、飞机零件故障和桥梁裂缝等发出警报。那时，因特网亦相形见绌。 5、“会呼吸”的纳米面料。 纳米是一种基于纳米材料的化学处理技术，纳米布料是用一种特殊的物理和化学处理技术将纳米原料融入面料纤维中，从而在普通面料上形成保护层，增加和提升面料的防水、防油、防污、透气、抑菌、环保、固色等功能，可广泛应用于服装、家用纺织品以及工业用纺织品。 经过纳米技术处理的布料及图示 * 将经纳米技术处理之布料覆盖在水杯口上. 将少量清水倾倒于布料表面. * 清水凝聚成水珠, 在布料表面流动. 清水不会渗入布料纤维内. 经瑞典纳米技术处理后的产品特点： 防水:未经处理的织物防水特性指标为1(完全湿透)，而经过处理的防水特性指标为5(没有沾湿)。 防油:未经过处理的织物的防油特性指标为0,而经过处理的防油特性指标为6(最高为8)。 防污:经过瑞典纳米技术处理后的织物,在污渍附著上有非常明显的降

纳米材料与技术论文

石墨烯在橡胶中的应用 摘要：石墨烯具有较强的力学性能和导电/导热性质，为发展多功能聚合物纳米材料提供了新的方向。本文简单介绍了石墨烯的制备及其功能化,并重点介绍了石墨烯/橡胶纳米复合材料的3种主要制备方法，同时分析了石墨烯/橡胶纳米复合材料的发展前景和存在问题. 关键词：石墨烯纳米复合材料制备 1 引言 橡胶在室温下具有独特的高弹性，其作为一种重要的战略性物资，泛应用于国民经济"高新技术和国防军工等领域。然而，未补强的橡胶存在强度低，模量低，耐磨差，抗疲劳差等缺陷。因此绝大数橡胶都需要补强，同时随着橡胶制品的多元化，在满足最基本的物理机械性能强度的同时，需要具有功能性的纳米填料/橡胶复合材料。石墨烯是一种有着优异性能的二维纳米填料，将石墨烯与聚合物复合是发挥其性能的重要途径，石墨烯/橡胶纳米复合材料对橡胶的力学机械性能、电学性能、导热性能和气体阻隔性能等都有很大提升，因此得到了广泛关注。 2 石墨烯的制备及其衍生物的功能化 2.1 石墨烯的制备 本文重点介绍利用氧化石墨烯（GO）的还原来制备石墨烯，该方法制备的石墨烯不能完全消除含氧官能团，还存在结构缺陷和导电性差等缺点，但是相比于其他方法，其宏量和廉价制备的特点更为突出。 2.2 氧化石墨烯的还原 目前，氧化石墨烯的还原一般分为热还原与化学还原两种方法。热还原是指GO在高温下脱除表面的含氧基团并释放大量气体，从而还原并剥离GO.化学还原法是指利用具有还原性的物质对GO进行脱氧还原。 2.3 石墨烯的功能化 对于氧化石墨烯还原之后的石墨烯，可以用非共价键改性，通过工业用燃料，荧光增白剂，表面活性剂高效稳定石墨烯。 2.4 橡胶/石墨烯复合材料的结构，性能的检测 利用红外光谱仪测定复合物的红外光谱图;用X射线衍射仪（XRD)测定复合物的衍射谱图;用发射扫描电镜(SEM)分析复合物的形貌；用电子万能试验机测试式样力学性能。 3 橡胶/石墨烯橡胶纳米复合物的制备方法 目前制备石墨烯/橡胶复合材料的制备方法主要有三种，即胶乳共混法，溶液共混法，机械混炼法。 3.1 胶乳共混法

四川大学纳米材料与纳米技术期末提纲及问题

第一章纳米技术的基本概念 1 什么是纳米？什么是纳米技术？ 纳米=10^-9米，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（0.1nm∽100nm）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米技术：是20世纪80年代末期兴起的新技术，其基本含意是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而获得新结构和新材料的技术。 2 按照材料维度分，纳米材料可以分成几维？ 三维空间中,至少有一维处于纳米尺度（介于1～100 nm之间）范围内的材料，都可归属于纳米材料范畴。按维数的不同，纳米材料可分类为： 零维— 一维—(直线运动) 二维—(平面运动) 三维—纳米晶体(纳米分子筛)度中的三维中自由活动 3 纳米技术涉及的研究领域有哪些？ 纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表征 其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。 4 纳米材料涉及哪些基本效应？产生的原因是什么？ 小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的变化。 量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。 界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。 表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。 四个特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大 5 为什么金属纳米粉呈现黑色？ 这是小尺寸效应的表现，当金属粒径小到光波波长以下，金属的反射率极低，故呈现黑色。 6 STM、AFM工作原理是什么？ STM扫描隧道显微镜就是根据量子力学中的隧道效应与原理，通过探测固体表面原子中的电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。 AFM原子力显微镜中，样品放置在扫描器上方，扫描器中的压电陶瓷管在外加电压的作用下，可以在X、Y和Z方向上独立运动。SPM探头中的激光器发出激光，照射在探针的尖端背面，经反射后，落在光斑位置检测器上。光斑位置检测器上下部分的光强差产生了上下部分的电压差，通过测量这个压差，就可以得到光斑位置的变化量。 7 纳米粉体为什么容易出现团聚现象？ 书P15第五段 8 请举例说明纳米技术的“自上而下”和“自下而上”方法。 “自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；“针尖书写”是“自上而下”的主要技术之一。 “自下而上”最典型的例子是3维打印、基因药物。纳米科技研究的技术路线“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特

《纳米材料与技术》教学大纲(新)

《纳米材料与技术》课程教学大纲 课程中文名称：纳米材料与技术 课程英文名称：Nanomaterials and Nanotechnology 课程类别：全校性通识选修课 课程编号： 课程归属单位：材料与冶金工程学院 制订时间：2014年4月02日 一、课程的性质、任务 1．课程性质和任务 本课程是理工科专业的一门专业选修课，它研究了纳米材料的结构和性能及制备方法，以及纳米材料的应用以及纳米科技的新进展。本课程主要任务是使学生对纳米材料这样一种新的材料具有一个比较广泛的了解。为以后工作、学习及毕业论文实验提供必要的知识面和方法 2．教学要求 开此课前学生应已学过大学物理、无机、有机、及物理化学等基础课。 3．适用专业 本课程适用全校所有理工科专业。 4．本门课程与其它课程的关系 其先修课程是大学物理、无机、有机、及物理化学等，先修课程所讲授的物理、化学等知识是本课程讲授的基础知识。 5．学分、学时数 本课程学分数为2学分。教学总教学学时为36学时，其中理论教学36学时，实验教学0学时。 6．推荐教材 自编 7．推荐参考书 1.《纳米材料导论》哈尔滨工业大学出版社 2.《纳米材料和纳米结构》张立德，牟季美，科学出版社 3.《纳米复合材料》徐国财著化工出版版 4.《纳米材料分析》黄惠忠化工出版社 5.《纳米材料与器件》朱静清华大学出版社 8．主要教学方法和多媒体教学要求： 主要教学方法采用多媒体教学，要求有电脑、投影仪（含展示台）、屏幕等。 二、各章教学内容和要求 1、课堂讲授内容（36学时）： 第一章纳米科学与技术的概述（4学时） 1．纳米科学与技术 2．纳米科学技术的发展史