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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划炭纳米材料概述第一章碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。尽管它在地壳中含量仅为%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。碳元素是元素周期表中A族中最轻的元素。它存在三种同位素：12C、13C、14C。碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。如零维的富勒烯，一维的碳纳米管，二维的石墨烯，三维的金刚石和石墨等。碳纳米材料富
2、勒烯碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。随后在1993年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构。根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个
3、整数表征单壁碳纳米管的结构。当m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形单壁碳纳米管；其他的均被称为手性碳纳米管。单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。图1-1单壁碳纳米管结构示意图由于其特殊的结构，碳纳米管具有许多优良的性质。从电学性质来看，碳纳米管可分为金属型和半导体型。单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。石墨烯石墨烯是碳的二维同素异形体，虽然它在理论上很早就被关注，也很早被制备出来，但真正的广泛研究却始于XX年。曼彻斯特大学的Geim和Novoselov首次利用简单的胶带粘揭的方法获得了近乎完美和自由状态的石墨烯，并观察到了其前所
4、未有的电学性质。两人因此荣获XX年的诺贝尔物理学奖。石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件。如图1-2所示，多层石墨烯的堆叠可构成三维的石墨，石墨烯卷曲成环可构成一维的碳纳米管，具有一定形状的石墨烯缠绕闭合可构成零维富勒烯。因此，石墨烯这种最新发现的碳的同素异形体一直是众多早期理论研究的对象，而早期相关的实验工作大部分局限于石墨插层化合物和石墨氧化物。从化学结构来看，碳的这几种同素异形体，富勒烯、碳纳米管和石墨烯，均由sp2杂化碳原子组成，是具有很大电子共轭体系的芳香化合物。然而在此之前，尚没有任何一种材料能够像石墨烯一样，同时具有惊人的迁移率、显著的室温霍尔效应、稳定的狄拉克电子
5、结构、媲美ITO的透光性、超高的机械强度和热导率等众多诱人的性质。图1-2石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件第二章石墨烯的发现、基本结构和性质石墨烯的发现和历史石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料。根据严格意义上的二维原子晶体理论，热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的，但是准二维原子晶体材料，即具有褶皱的或附着在其他基底上的二维材料是可以存在的。XX年Geim等获得的石墨烯就属于上述准二维原子晶体材料。石墨烯(graphene)这个术语早在XX年之前就已被使用。1986年，Boehm等首先给出了“graphene”的定义：“Thetermgraphenelayersh
6、ouldbeusedforsuchasinglecarbonlayer”。1997年，IUPAC明确定义“graphene”：“Thetermgrapheneshouldbeusedonlywhenthereactions，structuralrelationsorotherpropertiesofindividuallayersarediscussed”。目前，中文相应的定义还有待明确和标准化。20世纪6070年代，有关石墨烯的研究主要分3个方面：理论研究；关于石墨插层和石墨氧化物(graphiteoxide)在化学和材料方面的研究；利用显微镜电镜等对碳薄膜材料的研究。8090年代由于富勒烯
7、和碳纳米管的发现，人们开始对各种潜在的碳同素异形体进行大规模的探索。这期间，人们获得了数纳米厚的的石墨片。严格意义上的石墨烯，即单原子厚度的石墨烯的发现应归功于Geim团队在XX年利用极其简单的taping方法获得的成果。他们不仅获得了近乎完美的石墨烯，更重要的是他们观察到了石墨烯这一系列前所未有的电学性质。石墨烯优良性质的发现掀起了科学家继富勒烯和碳纳米管之后对碳同素异形体材料探索研究的第三次浪潮。石墨烯的基本结构和性质石墨烯的原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。石墨烯的命名来自英文的gra
8、phite(石墨)+ene，因此，石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。2石墨烯的电子性质和能带结构石墨烯最令人惊奇的是其非常特殊的电子性质。和其他绝大多数二维材料不同，它是一个零带隙半导体，该性质取决于其特殊的能带结构。理想石墨烯的能带结构是完全对称的锥形价带和导带对称的的分布在费米能级上下，导带和价带的交叉点即为狄拉克点(图2-1)。和普通金属或半导体不同，石墨烯中电子不遵循薛定谔方程，而是遵循狄拉克方程。这是因为：每一个CC键都有一个成键轨道和反键轨道，且以CC键为平面完全对称；整个石墨烯分子结构中的每个键相互共轭形成了巨大的共轭大键，电子或空穴在如此巨大的共轭体系中可以以很高的电子费米
9、速率移动，表现出零质量行为，从根本上说，石墨烯中许多电子行为类似于二维电子气，质量只有自由电子的1/10。图2-1单层石墨烯的能带示意图电荷传输性质由于上述特性，石墨烯中的载流子具有非同一般的传输性能。载流子可以以近乎光速的速度移动，因此石墨烯具有很高的电荷迁移率。实验表明，石墨烯室温下具有大于15000cm22V-12s-1的载离子迁移率，该迁移率基本不受温度影响，且高达XX00cm22V-12s-1，其相对应的电阻率为10-62，使石墨烯成为目前已知物质中室温电阻率最低的材料。除了超低的电阻率外，石墨烯还具有突出的电子性质，包括室温霍尔效应和纳米材料概述摘要本文简要介绍了纳米材料定义及分类
10、特性，并对纳米材料的特性以及在化工、生物医学、环境、食品等领域的应用进行了综述，最后对纳米材料的发展趋势进行了展望。关键词纳米材料；分类；特性；应用；发展1.引言纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料。它的微粒尺寸一般为1-100nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比
11、例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷和其他固体材料都是由同样的原子组成。只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。2.纳米材料及其分类纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。粒子尺寸范围在1-10
12、0nm之间，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。根据三维空间中未被纳米尺度约束的自由度计，将纳米材料大致可分成四种类型，即零维的纳米粉末、一维的纳米纤维、二维的纳米膜、三维的纳米块体。3.纳米材料的特性尺寸效应当超细微粒子尺寸与光波波长及传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏从而产生一系列新奇的性质。1特殊的光学性质纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于1%，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属
13、材料在接近纳米尺度时，出现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3等对大气中紫外光具有很强的吸收性。热学性质的改变固态物质超细微化后其熔点显著降低，当颗粒小于10nm数量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到2nm尺寸时熔点仅为327左右，银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。特殊的磁学性质小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料有显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，当颗粒尺寸约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。特殊的力学性质纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度
14、比常态提高5倍，纳米金属比常态金属硬3-5倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因为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很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。表面与界面效应与宏观物体相比，纳米粒子因为表面原子数目增多，比表面积增大。这会导致无序度增加，同时晶体的对称性变差，其部分能带被破坏，因而出现了界面效应。较大的比表面积和小尺寸的纳米粒子，导致位于表面的原子占有相当大的比例，原子配位不足，表面原子的配位不饱和性导致大量的悬空键和不饱和键、表面能高，因而这些表面原子具有高的活性432。纳米材料较高的化学活性，使其具有了较大的扩散系数，大量的界面为原子扩散提
15、供了高密度的短程快扩散路径。这种表面原子的活性就是表面效应。纳米粒子的表面界面效应，主要表现为:(1)熔点降低，这是由于表面原子存在振动弛豫，即振幅增大，频率减小；(2)比热增大。宏观量子隧道效应量子隧道效应是从量子力学的粒子具有波粒二象性的观点出发的，解释粒子能够穿越比总能量高的势垒，这是一种微观现象。近年来，发现一些宏观量也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。用此概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象。量子尺寸效应和宏观量子隧道效应将是未来微电子器件的基础，或者说它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限6,75。介电限域效应随着纳米晶粒粒径的不断减小和比表面积不断增加，其表面状态的改变将会引起微粒性质的显著变化。例如，当在半导体纳米材料表面修饰一层某种介电常数较小的介质时，相对于裸露在半导体纳米材料周围的其他介质而言，被包覆的纳米材料中电荷载体的电力线更易穿过这层包覆膜，从而导致它与裸露纳米材料的光学性质相比发生了较大的变化，这就是介电限域效应。当纳米材料与介质的介电常数值相差较大时，使产生明显的介电限域效应。纳米材料与介质的介电常数相关越大，介电限域效应就越明显，在光学性质上就表现为明显的红移现象。同时介
