纳米材料的特性

纳米材料的特性 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 目 录 1 引言............................................ 错误～未定义书签。1 2 纳米材料的概述.................................................... 2 2.1相关概念的介绍............................................... 2 2.2纳米材料的分类............................................... 3 3 纳米材料的基本性质................................................ 3 3.1表面效应..................................................... 3 3.2小尺寸效应................................................... 4 3.3量子尺寸效应................................................. 4 3.4宏观隧道效应效应............................................. 5 4 纳米材料的特殊性能................................................ 5 4.1力学性能..................................................... 5 4.2 电磁学性能 .................................................. 6 4.3 热学性能 .................................................... 6 4.4 光学性能 .................................................... 7 4.5 分散体系动力学性能 .......................................... 8 4.6 化学特性和催化性能 ......................................... 10 4.7 生物学性能 ................................................. 10 5 纳米材料的应用................................................... 11 6 我国纳米材料研究的现状和产业化................................... 12 参考文献:......................................................... 13 致 谢.............................................................. 14 1 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 纳米材料的特性 摘要:本文简述了纳米、纳米材料的基本概念，纳米材料所具有的力学、电磁 学、热学、光学、分散体系动力学、化学性和催化性、生物学的特性及其在我们 的衣、食、住、行各个领域的应用，同时介绍我国纳米材料的研究现状和产业化。 关键词:纳米;纳米材料;纳米材料的特性; The characteristics of nano materials Abstract:This paper briefly describes the basic concept of nano and nanometer materials. Nano material has the mechanics, electromagnetism, heat, light, decentralized system dynamics, chemical and catalytic, biology characteristic and in our food, clothing, shelter and transportation all application fields. Meanwhile introducing nanometer material research situation and industrialization in our country.. Key words:Nano ;Nano materials;The characteristics of nano materials 2 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 1.引言 ,9110nm,纳米是一个长度单位， ，1纳米约相当于45个原子串在一起的长度，或者是说一个纳米大体上相当于4个原子的直径，如果将1m与1nm相比，就相当于地球与一个玻璃球大小相比，人的一根头发直径约为80微米，即80000nm，如果一个汉字写入尺寸为10nm，那么在一根头发丝的直径上写入8000字，相当于一片较长的科技论文容量。纳米技术正在慢慢地渗透到老百姓的衣、食、住、行各个领域，在现在和未来生活中，纳米技术将带给我们无限的舒心与时尚，使人类的生存的条件更加优越。 2.纳米材料的概述 2.1相关概念的介绍 纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1 100nm。当一种材料进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生显著的变化。纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。纳米尺度大于原子和分子，而小于通常的块体材料，是处于微观体系与宏观体系之间的中间领域，是属于介观范畴。 纳米材料与纳米技术密切相关，纳米材料是纳米技术的基础，纳米材料的研究和研制中又包含了很多纳米技术。 虽然早在19世纪，在胶体化学的研究中，科学家就开始对直径处于纳米尺度的粒子系统的进行了研究，但真正有效的研究纳米粒子开始于20世纪60年代，早在1963年，研究人员就用气体冷凝法制备了金属纳米粒子，并且用电镜和衍射研究了它的形貌和晶体结构。1986年Gleiter等首次对纳米材料的结构和特性做了综合报道。1970年7月在美国马尔的摩召开的第一届纳米科学技术(NST)会议，可以作为纳米科学技术正式诞生的标志。 纳米材料的研究大致可分为三个阶段。第一阶段(1990年以前)，人们主要是在实验室里探索用各种手段合成纳米颗粒粉体或块体等单一材料和单相材料，研究评价表征纳米材料的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能;第二阶段(1990-1994年)，人们关注的热点是如何利用纳米材料已经被挖掘出来的奇特物理、化学等性能，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合以及发展复合纳米薄膜;第三阶段(1994年到现在)， 3 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 纳米组装体系、人工组装合成的纳米阵列体系、接介孔组装体系、薄膜镶嵌体系等纳米结构材料体系越来越被受人们的关注，正在为成为纳米材料研究的新热点13,,, 。 4，5,, 2.2纳米材料的分类方法主要有以下几种。 按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。 按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维材料(比如纳米线、棒、丝、管和纤维等)、二维纳米材料(比如纳米膜、纳米盘和超晶格等)、纳米结构材料即纳米空间材料(比如介孔材料)。 按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料(也称纳米块体材料)、纳米膜材料以及纳米液体材料(如磁性液体材料和纳米溶胶等)。 按功能，纳米可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等。 3.纳米材料的基本性质 当材料的结构具有纳米尺度调制范围时，会出现小尺寸效应、表面与界面效5,6,, 应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。 3.1表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能以及表面结合能都迅速增大。表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻的原子，有许多剩余键力，易与其他原子结合而稳定，具有较高的化学性能。 许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧。很多催化剂的催化效率随尺寸减小到纳米量级而得以显著的提高。如利用纳米粒径小、表面有效 AI反应中心多、催化性能好等特性，在火箭固体燃料中掺加纳米晶，可以提高其燃烧效率、选择性以及响应和恢复速率的得以显著提高。 纳米材料中界面原子所占的体积分数很大，它对于材料的性能的影响非常显著。实际上，纳米材料的许多物性主要由界面决定。低温超塑性是纳米材料的一个重要特性，普通陶瓷只有在1000?以上，在小于一定的应变速率时才能表现 4 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 出塑性，而许多的纳米陶瓷在室温下就会发生塑性变形。这种纳米陶瓷增韧效应主要归因于大量界面的存在。纳米材料的塑性变形主要是通过晶粒之间的相对滑移而实现的。纳米材料中晶界区域原子扩散系数非常大，存在着大量的短程快扩散路径，正是这些快扩散过程使得变形过程中一些初发的微裂能够迅速的弥合，从一定程度上避免了脆性断裂的发生。 3.2小尺寸效应(体积效应) 当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或比它们更小时，它的周期性边界条件被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应。比如纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺;利用等离子的共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒的尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。 材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，不少纳米陶瓷材料的硬度和强度比普通的材料高4,5倍，比如纳米TiO的显微硬度为12.75kPa，而普通的2 TiO陶瓷的显微硬度低于1.96 kPa。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，2 不仅可以大幅度的提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温的性能，而且能提高材料硬度、弹性模量、抗热震和抗高温蠕变等性能。 3.3量子尺寸效应 量子尺寸效应是指纳米材料颗粒尺寸到一定值时，费米能级附近的电子能级 ,由准连续能级变为离散能级的现象。早在20世纪60年代Kubo给出了能级间距 EF,,EF3，，与组成原子数N之间的关系式:，为费米能级。对常规物体，因N 为包含有趋近无限多个原子，故常规材料的能级间距几乎为零，电子能级表现为 ,准连续性;对纳米粒子，因含原子数有限有一定的值，即能级发生了分裂，当能级间距大于热能、磁能、光子能量或者超导态的凝聚态时，必然因量子尺寸效应导致纳米材料晶体的光、热、磁、声、电等与常规材料有明显的不同，如特异的光催化性、高度光学非线性及电学特征等。 3.4宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒能力的效应称为隧道效应。电子具有粒子性又具有波 5 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观体系的势垒而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应是未来微电子、光电子器件的科学基础，明确了现存微电子器件进一步微型化的物理极限。 以上四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性，它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质、化学性质。一些反常现象如:金属为导体，但纳米金属微粒在低温时呈现电绝缘性;纳米磁化率是普通金属的20倍;化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后，成为活性极好的催化剂等。 4.纳米材料的特殊性能 714,,, 当材料的结构具有纳米尺度调制特征时，将呈现许多特异的性能。 4.1力学性能 纳米材料比粗晶体材料具有较高的硬度和强度，一般致密纳材料强度是常规材料的2,10倍，纯的纳米材料表现出其韧性，如陶瓷材料在通常情况下是脆的，然而纳米陶瓷材料却有良好的韧性;因纳米材料具有很大的界面和比表面积，界面原子在外力变形的条件下具有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快，可降低烧结程度，并且表现出十分好的的韧性与一定的延展性，是陶瓷材料具有新奇的力学性质。大量以纳米颗粒为原料的或添加料的超硬、高强、高韧、超塑性材料已经问世。 碳纳米管是近年来研究领域中十分活跃的纳米结构材料。碳纳米管的质量约 1为钢的，其强度则可达钢的数十倍，而且不能被轻易破坏。例如，如果在其6 两端施加压力，碳纳米管会弯曲但其内部不会产生塑性变形。当外力撤去时，碳纳米管会恢复到初始状态。碳纳米管壁越薄，其杨氏模量越高。 4.2.电磁学性能 纳米材料具有库伦阻塞效应等，纳米材料的比电阻比粗晶材料大，可能是由其宽晶界引起。纳米材料的介电特性，纳米材料的介电常数或相对介电常数比常规材料的高，并随颗粒粒径的减小而降低。纳米材料具有超顺磁性。纳米材料的巨磁阻效应。 磁性纳米生物材料特有的磁向导性、小尺寸效应以及其基因使其在生物医学领域有广泛的应用。 6 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 具有磁向导性的药物载体可以靶向定位于作用对象，从而增强疗效、减少副作用;生物高分子(如酶等)都具有很多官能团，可以通过物理吸附、交联、共价耦合等方式将他们固定在磁性微球表面，用磁性纳米微球固定化酶的优点是容易将酶与底物和产物分离，可提供酶的生物相容性和免疫活性，能提高酶的稳定性，且操作简单，成本较低;基因治疗是将遗传物质导入细胞或组织，进行疾病的治疗，磁性生物纳米颗粒可称为较好的基因载体。 4.3.热学性能 固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，但在超微化过程中却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm量级时尤为显著。在低温或超低温下，纳米粒子几乎没有热阻，纳米银微粒的轻烧结体是良好的低温导热材料，超微化细氮化铝的导热率即使在常温下也比大块氮化铝的导热率高4,5倍。悬浮于流体的纳米颗粒可以大幅度提高流体的导热率以及传热效果，例如在水中加入5%的铜纳米颗粒，热导率可以增加大约1.5倍，这对于提高冶金工业的热效率有重要意义。 15,, 4.4光学性能 光在介质中的传播过程就是光与介质相互作用的过程。这是一个动态过程，可视为两个分过程:介质对光的吸收过程和介质对光的辐射过程。根据纳米材料介质对入射光的作用形式，光的传播有两种形式:线性传播和非线性传播，由此纳米材料的光学性质可以分为线性光学性质和非线性光学性质。纳米材料的线性光学性质主要有光谱迁移性、光学吸收性、光学发光性和光学催化性等。 (1)光谱迁移性主要是指纳米材料的光吸收峰发生蓝移或者红移，光谱迁移性与纳米材料中的激子密切相关，所谓激子可以简单的理解为束缚的电子空穴对。(2)光的吸收性是指光通过物质时，某些波长的光被介质吸收产生的光谱。 )纳米材料的发光性包括光致发光和电致发光两种现象，所谓光致发光是指(3 在一定的波长光照射下，被激发到高能级的激发态电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程;所谓电致发光就是在弱电作用下室温具有发出可见光的现象。(4)纳米材料的光催化性，主要表现在纳米材料利用自然光可催化降解有机化合物，最终生成为无毒无味的CO、HO和一些简单的无机化合物。(5)非线性22 光学性质是光在介质中传播的过程中，如果介质对光的响应呈线性关系，其光学现象属于线性光学范畴，在这个范畴内，光在介质中的传播满足独立传播原理和线性叠加原理;如果介质对光的响应成非线性关系，光学现象属于非线性光学范畴，光在介质中传播会产生新的频率，不同频率的光波之间会产生耦合，独立传 7 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 播原理和线性叠加原理不再成立。 除上述特征外，纳米材料的荧光性能，紫外到可见光的发射光谱等光学性能都有自己的新特点，不同于常规材料。利用其特性可制作高效光热、光电转换材料，可高效的将太阳能转换热、电能。此外又可以作为红外敏感元件，红外隐身材料等。 4.5分散体系的动力学特性 无论在纳米材料的制备过程中还是在纳米材料的应用中，将纳米材料分散与一定的介质中形成的悬浮体系都有重要意义。这种分散体系也被称为纳米液体，，在悬浮体系中，纳米材料与分散介质之间必有明显的物理分界面，是两相或多相的不均匀体系，因此纳米液体在热力学上是不稳定的亚稳定体系。 纳米AIO、CeO和SiO颗粒由于具有良好的悬浮特性，可以制成高精度抛2333 光液，用于高级光学玻璃、石英晶体以及各种宝石的抛光。纳米颗粒也可以用于印刷油墨，人们可以不再依靠化学染料而是选择适当的纳米颗粒来得到各种色料。 4.6化学特性和催化性能 纳米粒子的粒径小，表面原子所占比例很大，表面原子拥有剩余的化学键合力，表现出很强的吸附能力和很高的表面化学反应活性。新制备的金属纳米粒子接触空气，能进行剧烈氧化反应或发光燃烧。 由于纳米微粒尺寸小，表面原子占有较大的体积分数，表面的健态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不饱和等，导致其表面的活性位置增加;纳米微粒表面形态的研究指出，随着粒径的减小，纳米微粒的表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，从而增加了化学反应的接触面。因而纳米材料具备了作为催化剂的基本条件。 人们对纳米催化剂在卫生保健方面的应用也进行了较多的研究。光催化的氧化性对于大多数微生物都有强的杀伤力，可以考虑作为杀菌消毒手段，尤其用于生活用水的净化有现实意义。目前，纳米催化材料的紫外光照射下具有能分解有机物质、抗菌和除臭的性能，广泛的应用在纤维、化妆品、陶瓷、玻璃和建材等工业中。 4.7生物学性能 纳米颗粒尺寸一般要比生物体细胞要小得多，这就为生物学研究提供了一个 8 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 新途径:利用纳米颗粒进行细胞分离、细胞染色及利用纳米颗粒制成特殊药物或新型抗体进行局部定向治疗等。 人工纳米材料(MNM)由于其具有独特的性质能满足人类发展中的多样化需S 求，近年来获得迅速的发展。目前，越来越多的MNM已经被投入市场，给人们S 的生活带来巨大的变化和进步。但是有关MNM是否对环境和健康产生不利影响S 的问题同样引起了人们的广泛关注。近年来，从生物对MNM的暴露途径、MNMSS对动物细胞、肺组织和脑组织的毒性效应以及MNM在生物体内的转移、积累以S 及皮肤对MNM的吸收等角度，对MNM的生物效应，包括其潜在的负面效应进行SS 了深入的研究。 评价MNM对环境和健康的风险，对于保证纳米技术产业的健康、长期和可S 持续的发展具有十分重要的意义。 5.纳米材料的应用 纳米技术正在慢慢地渗透到老百姓的衣、食、住、行各个领域。化纤布料制成的衣服虽然艳丽，但因摩擦容易产生静电，因而在生产时加入少量金属纳米微粒，就可以摆脱烦人的静电现象。不久前，关于保温被、保温衣的电视宣传，提到应用了纳米技术。纳米材料可使衣物防静电、变色、 贮光，具有很好的保暖效果。冰箱、洗衣机等一些电器时间长了容易产生细菌，但是采用了纳米材料，新设计的冰箱、洗衣机既可以抗菌，又可以除味杀菌。紫外线对人体的害处极大，有的纳米微粒却可以吸收紫外线对人体有害的部分，市场上的许多化妆品正是因为加入了纳米微粒而具备了防紫外线的功能。传统的涂料耐洗刷性差，时间不长墙壁就会变的班驳陆离，纳米技术应用之后，涂料的技术指标大大的得到了提高，外墙涂料的耐洗刷性提高很多，以前的电视、音响等家电外表一般都是黑色的，被称为黑色家电，这是因为家电外表材料中必须加入碳黑进行静电屏蔽。如今可以通过控制纳米微粒的种类，进而可控制涂料的颜色，使黑色家电变成彩色家电。 总之，在未来生活中，纳米技术将带给我们无限的舒心与时尚，使人类的生存的条件更加优越。 16,, 6.我国纳米材料研究的现状和产业化。 我国纳米材料研究所取得的突破性进展介绍: (1)在大尺寸纳米氧化物材料制备方面，我国成功地研制出致密度高、形状复杂、性能优越的纳米陶瓷，处于国际领先地位。 (2) 对颗粒膜巨磁电阻效应与微结构的关系，提出了在国际上有影响的学术观点。在国际上首先开展颗 9 新疆师范大学2011届本科毕业生毕业论文(设计) 粒膜磁光效应和自旋共振现象的研究工作以及发现纳米类钙钛矿微粒磁熵变超过金属Gd。(3)对单一纳米材料，如 AlO、TiO、SiO、MnO、FeO 纳米微粒2322223光吸收谱与颗粒尺寸、镶嵌介质的关系进行了系统的研究。 (4) 研制了 NiO 纳米微粒膜、ITO 纳米透明导电薄膜和非晶 LaxTaOy 纳米固体电解质薄膜。 (5) 将单壁碳纳米管组装竖立在金属表面，组装出性能良好的扫描隧道显微镜用的探针;同时，合成出高质量的碳纳米管材料，使我国新型储氢材料研究跃上世界先进水平。 (6) 在纳米材料及相关亚稳材料领域取得了突出的成绩，并提出制备金属纳米块材的一种方法:非晶完全晶化制备致密纳米合金方法。 我国纳米材料的产业化状况:在 2000 年提出国家纳米技术发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 ，由此拉开了我国纳米技术产业化的序幕。基于纳米技术的生产过程有着极强的规模经济效应，尤其是这种生产的总成本大部分必须一次性的投入，所以纳米技术产业化具有很大的投资风险。尤其是在纳米技术刚刚走出实验室阶段，更加艰难。目前主要的研究方法仍是“由上而下的方法(top down)” ，纳米材料的制备和研究是工作的重点，纳米器件的研制和集成是纳米科技的核心。相信通过我国科技人员的艰苦努力，我国一定会在国际竞争中取得令人瞩目的成就。 参考文献 [1]白春礼纳米科技——现在与未来(成都:四川教育出版社，2002( [2]张立德(第四次浪潮——纳米冲击波(北京(中国经济出版社，2003( [3]施利毅，等(纳米科技基础(上海:华东理工大学出版社，2005( [4]潘翌，黄兰竖，顾少轩(材料导报，2000,14(1):28-29( [5]曹茂盛，曹传宝，徐甲强，等(纳米材料学(哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2002( [6]吴翔(纳米材料(连载三)江南航天科技，2002,3:60-63( [7]樊世民，盖国胜(材料导报，2001,15(12):29-31( [8]孙伟成(兵器材料科学与工程，2003,26(3):59-62( [9]赵强，庞小峰(2005,22(2):222-225( [10]李凤生，崔平，杨毅，等(微纳米粉体后处理技术及应用(北京:国防工业出版社，2005( [11]陈庆龄(现代化工，2004,24(7):20-23( [12]张建成，郭坤敏(防化学报，1999,9(4):65-68( [13]朱小山，朱琳(安全与环境学报，2005,5(4):86-89( [14]张德阳(纳米生物材料学(北京:化学工业出版社，2005( [15]徐国才(纳米科技导论(北京:高等教育出版社，2005,11( [16]赵廷凯，柳永宁，朱杰武( 纳米材料概述，2004( 10