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1、纳米材料的综述华南师范大学 化学与环境学院摘要：本文简要介绍了纳米的定义，纳米材料微观结构和特殊性质；主要是对纳米材料在化工中的工程、催化、涂料、精细化工等领域的应用和纳米材料的制备方法进行了综述，最后对纳米材料的发展趋势进行了展望。关键词：纳米材料 应用 制备方法正文：1、纳米的含义纳米是英文 namometer 的译音，是一个物理学上的度量单位，简写是nm。l 纳米是 1 米的十亿分之一 ，相当于 45 个原子排列起来的长度。通俗一点说，相当于万分之一头发丝粗细。就象毫米、微米一样，纳米是一个尺度概念，并没有物理内涵。纳米技术，是指在 0.1100 纳米的尺度里，研究电子、原子和分子内的运
2、动规律和特性的一项崭新技术。科学家们在研究物质构成的过程中，发现在纳米尺度下隔离出来的几个、几十个可数原子或分子，显着地表现出许多新的特性 ，而利用这些特性制造具有特定功能设备的技术，就称为纳米技术。纳米技术是一门交叉性很强的综合学科，研究的内容涉及现代科技的广阔领域。纳米科技现在已经包括纳米生物学、纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学、纳米化学等学科。从包括微电子等在内的微米科技到纳米科技，人类正越来越向微观世界深入，人们认识 、改造微观世界的水平提高到前所未有的高度。我国著名科学家钱学森也曾指出，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将引起 2I 世纪又
3、一次产业革命。然而我们将就纳米技术在现实生活中的应用来看看纳米技术的应用前景 。2、纳米材料的微观结构纳米级的颗粒是由数目极少的原子或分子组成的原子群或分子群,是一种典型的介观系统。因此,从结构上看,它是由两种组元构成的,即材料的体相组元晶体原子和界面组元晶界。若是常规材料,截面应该是一个完整的晶体结构,但对于纳米晶来说,由于晶粒尺寸小,界面组元在整个材料中所占的比例极大,晶界缺陷所占的体积比也相当大,尽管每个单独的分界面可能具有一个二维局部或局域的有序结构,但从一个局部界面到另一个局部界面的周期不同,由所有这样的界面原子组成的界面,其原子排列方式均不同。因此,在整体上构成了一种与晶态和玻璃态
4、均有较大差别的、崭新的微观结构。由于纳米粒子的这种特殊类型的结构,导致纳米材料具有一系列新异的物理、化学特性,而且这些特性是其他固体材料或常规材料根本所不具有的特性。3、纳米材料的特殊性质纳米材料在力、磁、电、热、光等方面所表现的的性质，往往不同于该物质在粗晶状态时表现出的性质。与传统晶体材料相比，纳米材料具有高强度、高扩散性、高韧性、低密度、低弹性模量、高电阻、高比热、高热膨胀系数等性能。3.1、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
5、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。3.2、磁学性质纳米多层膜系统的巨磁电阻效应高达 50%，可以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。高分子复合纳米材料磁性比 FeBO3和 FeF3 透明体至少高 1 个数量级。3.3、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。3.4、热学性质纳米材料的
6、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。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。3.5、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用广泛。由于量子尺寸效应、纳米技术在防腐中的应用，纳米半导体微粒的吸收光谱一般存在蓝移现象，其光吸收率很大，所以可应用于红外线感测器材料。4、应用纳米材料由于其产生的特殊效应,因而具有常规材料所不具备的性能,使得其在各个方面的潜在应用极为广泛。对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法,而是多学科和多种研究方法的综合
7、利用。4.1、纳米材料在工程上的应用纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温 下才能烧结的材料如 SiC，Bc 等在纳米尺度下在较低的温度下即可烧结，另一方面，纳米材料作为烧结过程 中的活性添加剂使用也可降低烧结温度，缩短烧结时间。由于纳米粒子的尺寸效应和表面效应，使得纳米复相材料 的熔点和相转变温度下降，在较低的温度下即可得到烧结性能 良好的复相材料。由纳米颗粒构成的纳米陶瓷在低温下出现良好的延展性。纳米 Ti02 陶瓷在室温下具有 良好的韧性 ，在 180。c 下经受弯 曲而不产生裂纹。纳米复合陶瓷具有 良好的室温和高温力学性能，在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等方面具有广泛的应用 ，在许多超高
8、温、强腐蚀等许多苛刻的环境下起着其它材料无法取代的作用。随着陶瓷多层结构在微 电子器件的包封、电容器 、传感器等方面的应用，利用纳米材料的优异性能来制作高性能电子陶瓷材料也成为一大热点。有人预计纳米陶瓷很可能发展成为跨世纪新材料，使陶瓷材料的研究出现一个新的飞跃。纳米颗粒添加到玻璃中，可 以明显改善玻璃的脆性。无机纳米颗粒具有很好的流动性，可 以用来制备在某些特殊场合下使用的固体润滑剂。4.2、纳米材料在催化方面的应用催化剂在许多化学化工领域中起着举足轻重的作用，它可以控制反应时间、提高反应效率和反应速度 。大多数传统的催化剂不仅催化效率低，而且其制备是凭经验进行 ，不仅造成生产原料的巨大浪费
9、，使经济效益难以提高，而且对环境也造成污染 。纳米粒子表面活性中心多，为它作催化剂提供了必要条件。纳米粒于作催化剂，可大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能进行。纳米微粒作催化剂比一般催化剂的反应速度提高 1O15 倍。纳米微粒作为催化剂应用较多的是半导体光催化剂，特别是在有机物制备方面 。分散在溶液中的每一个半导体颗粒，可近似地看成是一个短路的微型电池 ，用能量大于半导体能隙的光照射半导体分散系时，半导体纳米粒子吸收光产生电子空穴对。在电场作用下，电子与空穴分离，分别迁移到粒子表面的不同位置，与溶液中相似的组分进行氧化和还原反应。4.3、纳米材料在涂料方面的应用纳米材料
10、由于其表面和结构的特殊性，具有 般材料难以获得的优异性能，显示出强大 的生命力。表面涂层技术也是当今世界关注的热点。纳米材料为表面涂层提供 了良好的机遇 ，使得材料的功 能化具有极大 的可能。借助于传统的涂层技术，添加纳米材料 ，可获得纳米复合体系涂层，实现功能的飞跃，使得传统涂层功能改性。涂层按其用途可分为结构涂层和功能涂层 。结构涂层是指涂层提高基体的某些性质和改性；功能涂层是赋予基体所不具备的性能，从而获得传统涂层没有的功能。结构涂层有超硬、耐磨涂层，抗氧化、耐热 、阻燃涂层，耐腐蚀、装饰涂层等；功能涂层有消光、光反射、光选择吸收的光学涂层，导电、绝缘、半导体特性的电学涂层 ，氧敏 、湿
11、敏、气敏 的敏感特性涂层等。在涂料中加入纳米材料，可进一步提高其防护 能力 ，实现防紫外线照射、耐大气侵害和抗降解、变色等，在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用 。在标牌上使用纳米材料涂层 ，可利用其光学特性，达到储存太阳能、节约能源的 目的。在建材产品如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料，可以达到减少光的透射和热传递效果，产生隔热、阻燃等效果。4.4、纳米材料在精细化工方面的应用精细化工是一个巨大的工业领域，产品数量繁多，用途广泛 ，并且影响到人类生活的方方面面。纳米材料的优越性无疑也会给精细化工带来福音 ，并显示它的独特畦力。在橡胶、塑料、涂料等精细化工领域，纳米材料都能发挥重要作用。如在橡胶中
12、加入纳米 Si02，可以提高橡胶的抗紫外辐射和红外反射能力 。纳米 A1203，和 sio2，加入到普通橡胶中，可以提高橡胶的耐磨性和介电特性，而且弹性也 明显优于用白炭黑作填料的橡胶 。塑料中添加一定的纳米材料，可以提高塑料 的强度和韧性，而且致密性和防水性也相应提高。5、制备方法从 Gleiter 等(1951)首次应用惰性气体凝聚(IGC)结合原位冷压成型法(In-situ Com-Paction)在实验室制备出纳米晶体样品以来,又提出和发展了机械研磨法,非晶态晶化法,电沉积法等许多种制备方法。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
13、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。因此,如何控制及减少纳米材料尤其是界面的化学成分及均匀性、以及如何控制晶粒尺寸分布是制备工艺研究的主要课题。对纳米材料的制备方法目前主要有三种分类方法。第一种是根据制备原料状态分为固体法、液体法及气体法。第二种按反应物状态分干法和湿法。第三种为物理法和化学法两大类。其中物理法包括惰性气体蒸发法、爆炸法、严重塑性变形法、激光束法、机械合金化法等;化学法包括气相燃烧合成法、溶胶-凝胶法、有机液相合成法等5.1、物理法(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
14、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。(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纳米级金刚石粉。该法可大量制备纳米晶粒,粒度在 2122 n
15、m 之间,纯度可达 91%左右。(3)严重塑性变形法。严重塑性变形法是指在静压力的作用下,使块状材料发生严重的形变,最终细化到纳米尺度,得到晶态材料和非晶态材料的混合物,再经过一定的热处理,从而得到纳米材料。该法制备的纳米材料纯度高,粒度可控性好。5.2、化学法(1)气相燃烧合成法。气相燃烧合成是指在气体燃烧火焰中形成纳米颗粒。该法不仅可以合成氧化物纳米颗粒,而且通过气体的无氧燃烧,可以合成金属氮化物、碳化物等非氧化物纳米颗粒,气相燃烧合成已应用于批量生产纳米石墨、超细氧化钛涂料。合成的纳米颗粒粒度细,粒子团聚少,粒度分布窄,产物纯度高。(2)溶胶-凝胶法。溶胶-凝胶法制备纳米材料的主要步骤是
16、先制备金属化合物,然后金属化合物溶解在适当的溶剂中,经过溶胶、凝胶过程而固化,再经低温热处理得到纳米粒子,与其他方法比。该法具有反应物种多、各组分混合均匀性好、合成温度低、过程易控制等优点,广泛应用于制备陶瓷纳米颗粒和氧化物纳米颗粒。该法的不足之处是必须进行后处理才能得到纳米颗粒,而且纳米颗粒容易发生团聚。(3)有机液相合成法。有机液相合成法主要用在有机溶剂中,能够稳定存在的金属有机化合物和某些无机物成为反应原料,在适当的反应条件下生成纳米材料。该法的显著优点是克服了某些反应物在水溶液中不能稳定存在的缺点,可以在许多介质中制备纳米材料,反应产物可以通过精馏或结晶达到很高纯度。有机液相合成法的缺点是反应时间过长,产物须进行后处理才能得到结晶较好的纳米颗粒。5.3其它方法报导的方法尚有相转移法、配位沉淀法、气相蒸发法、热解法、气相反应法、微波等离子体化学气相沉积法、机械化学法等制备方法。6、发展前景综上所述,纳米材料所展示的诱人前景还远不及此。随着人们对纳米材料认识的深人,相信还会有更多方面的发展和应用,因此系统地研究
