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1、seminar课程期末作业题目：纳米材料最新进展 姓名：刘粒祥 学号：12012328 学院：材料科学与工程学院 联系方式：15150685592 时间：2013年11月28日 摘要纳米材料是由尺度在1100 nm的微小颗粒组成的体系，由于它具有独特的性能而备受关注。纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能，使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的国内外研究现状、结构特性和性能进行了综述，并重点介绍了纳米材料的制备方法，最后对其发展前景进行了展望。关键字：纳米材料，研究现状，制备方法AbstractNanomaterials are tiny particles in
2、 the scale of 1 to 100 nm consisting of coarse system. Because of its unique properties, scientists pay highly attention to nanomaterials. Because of the special structure of the nano-materials, as well as its specific effects and performance, the nano-materials have the special purposes other than
3、the conventionalmaterials.In this paper, the research at home and abroad, the structural properties, specific effect and the performance are reviewed, and mainly introduces the preparation method of nanometer materials. Finaly, its development is prospected.Key words: nanomaterials, the structural p
4、roperties, the preparation method目录摘要IAbstractI1前言12什么是纳米材料13纳米材料的结构和性质13.1纳米材料的结构13.1.1 晶粒内部结构23.1.2 晶界结构23.2纳米材料的性质23.2.1 力学性质23.2.2 磁学性质33.2.3 电学性质33.2.4 热学性质33.2.5 光学性质44纳米材料的制备44.1物理法44.1.1 惰性气体蒸发法54.1.2 爆炸法54.1.3 严重塑性变形法54.2化学法64.2.1 气相燃烧合成法64.2.2 溶胶-凝胶法64.2.3 有机液相合成法65国内外研究现状75.1国外研究现状75.2国内研
5、究现状76纳米材料的应用及发展趋势87课程小结98参考文献9II纳米材料最新进展1 前言诺贝尔奖获得者Feyneman曾经预言：如果对物体微小规模上的排列加以某种控制，就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。他所说的材料就是纳米材料。1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功制得纯物质的纳米细粉，使纳米材料进入了一个新的阶段。1990年7月在美国召开第一届国际纳米科学技术会议，宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。进入60年代后，人们就开始对分立的纳米粒子进行了真正有效的研究；70年代末,德雷克斯勒成立了NST(Nanosc
6、aleScience& Technology)研究组；80年代，纳米材料成为世界性的热点之一，纳米科技的正式诞生；21世纪的今天，各国纷纷将其列人近期高科技开发项目，并逐渐加大对纳米材料研究的经费投入。纳米材料出现的重要科学意义在于它引领人们认识自然的新层次,是知识创新的亮点。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应，因而出现常规材料所没有的一些特别性能,从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用。2 什么是纳米材料纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1100 nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。广义的纳米材料是指3维尺寸中至
7、少有1维处于纳米尺寸,即1100 nm的范围。根据2011年10月18日欧盟委员会通过的定义，纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在整个材料的所有颗粒总数中占50以上。一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100纳米之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。3 纳米材料的结构和性质3.1 纳米材料的结构根据具有纳米尺度的维数,可以将纳米材料划分为: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、纳米管、线等；一维，指在空间有两维处于纳
8、米尺度,如纳米丝、纳米棒、纳米管等；二维，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。三维，即由原子团簇及超微粒子组成块体材料.而广义的纳米材料则主要包括:(l)纳米晶体和纳米玻璃材料;(2)金属,半导体,或聚合物纳米管和纳米薄膜;(3)金属键,共价键或分子组元构成的纳米复合材料;(4)人造超晶格和量子阱结构;(5)半结晶聚合物和聚合物混合物.3.1.1 晶粒内部结构近来的研究结果表明,纳米尺寸的晶粒内部结构与传统的普通多晶体有很大的区别，表现为点阵偏离、晶格畸变和晶粒内部的密度降低。随着晶粒尺寸的减小,纳米晶体中的晶粒及晶界的密度降低,而晶粒及晶界内的能量增加。当晶粒度小到
9、一定尺寸以下，纳米晶体中晶粒的点阵常数会减小或者增大，还有的材料会出现先增大后减小的现象，亦即晶体格会发生畸变。这种晶格畸变程度与晶粒尺寸有关，随着晶粒尺寸减小，晶格畸变量显著增大，说明晶格畸变现象与样品的制备过程、热历史、微孔隙等诸多因素有关。因此，纳米晶体中的晶格畸变的本质原因及对纳米材料性能的影响有待进一步研究。3.1.2 晶界结构最初Gleiter等利用多种结构分析研究了纳米单质金属晶体的界面结构，认为其处于短程无序，长程亦无序的高度无序状态，具有类似气体结构的所谓“类气体结构”。近年来，实验结果表明：界面上的原子既存在有序排列也存在无序排列，有序和无序原子结构在界面中所占的比例与材料
10、制备和处理工艺过程有关。无序结构是一种亚稳态结构，在外界作用下会放出能量而转变为低能有序结构。纳米材料中位于晶界或界面上的原子占有相当大的体积百分数，其大小强烈依赖于晶粒尺寸，随着晶粒尺寸减小，纳米材料中界面所占比例迅速增加，晶界与晶粒的结构区别越来越小。3.2 纳米材料的性质由于纳米材料中的晶界结构相当复杂，它不但与材料的成分、键合类型、制备方法、成型条件以及所经历的热历史等因素密切相关，而且在同一块材料中不同晶界之间也各有差异。可以认为纳米材料中的界面存在着一个结构上的分布，它们处于无序到有序的中间状态，有的与粗晶界面结构十分接近，而有的则更趋于无序状态。正是由于纳米材料结构上的特殊性和处
11、于热力学上极不稳定的状态，导致了它具有如下传统固体不具有的许多物理化学性能。3.2.1 力学性质纳米材料强度与粒径成反比，由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下容易迁移，表现出良好的韧性与延展性。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料，其韧性、强度、硬度大幅提高。例如，氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂；呈纳米晶粒的金属比传统粗晶粒金属硬35倍；纳米陶瓷具有良好的韧性，等等。（图1：氟化钙纳米材料）3.2.2 磁学性质纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达50%，可用于信息存储的磁电阻读出磁头，具有相当高的灵敏度和低噪音。同时纳米巨磁电阻材料的磁电阻与外磁场间
12、存在近似线性的关系，可用作新型磁传感材料。高分子复合纳米材料对可见光具有良好的透射率，对可见光的吸收系数比传统粗晶材料低得多，对红外波段的吸收系数至少比传统粗晶材料低3个数量级，磁性比和透明体至少高1个数量级，在光磁系统、光磁材料中有广泛的应用。3.2.3 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。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，可用于取代常规半导体器件。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。根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，已成功
13、研制出单电子晶体管和逻辑电路。3.2.4 热学性质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，纳米材料的比热和热膨胀系数大于同类粗晶材料和非晶体材料，在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有广泛的应用。固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的,超细微化后熔点将显著降低，如常规金熔点为1337K，当颗粒尺寸减小到2纳米时熔点为600 K。还有颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作用，能有效地将太阳光能转换为热能。（图2左：晶体三极管，右：颗粒膜）3.2.5 光学性质纳米粒子的粒径远小于光波波长，与入射光有交互作用，光透性可以通过控制粒径和气孔率而加以精确控制，在光感应和光过滤中应
14、用广泛。如由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率大，可应用于红外线感测器材料。金属超微颗粒对光的反射率很低，可低于1%，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，高效率地将太阳能转变为热能、电能。4 纳米材料的制备纳米材料的制备在当前材料科学研究中占据极为重要的位置,新的材料制备工艺和过程的研究对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。制备出清洁、成分可控、高密度(不含微孔隙)的粒度均匀的纳米材料是制备合成工艺研究的目标。对纳米材料的制备方法目前主要有三种分类方法：根据制备原料状态分为固体法、液体法及气体法；按反应物状态分干
15、法和湿法；按反应的过程分物理法（惰性气体蒸发法、爆炸法、严重塑性变形法、激光束法、机械合金化法等）和化学法（气相燃烧合成法、溶胶-凝胶法、有机液相合成法等）。下面着重讲物理法和化学法。4.1 物理法4.1.1 惰性气体蒸发法目前，大部分金属纳米粒子都是通过惰性气体蒸发法制得的，该法的主要过程是在真空蒸发室内充入惰性气体，然后对蒸发源进行真空加热、蒸发，使原料气化或形成等离子体，原料气体与惰性气体原子碰撞失去能量而骤冷成纳米尺寸的团簇。该法制备的纳米材料纯度主要是由原料纯度、真空度、气体浓度和纯度决定的，工艺过程中，无外来污染，反应速度快，结晶较好，不足之处是对设备要求高，投入较大。4.1.2 爆炸法将高能炸药(TNT)置于密闭压力容器内，将容器抽成真空，再充入保护性气体。炸药爆轰发生分解反应生成游离碳，在爆轰产物高温和高压作用下发生碳原子的聚集、晶化等一系列变化，合成纳米级粉体，然后再酸洗提纯就可得到
