《纳米材料及技术结课论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米材料及技术结课论文（6页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、纳米材料及技术结课论文姓名：班级：学号：纳米材料及技术【摘要】 纳米技术是当今世界上最有前途的决定性技术之一。论文简要地概述纳米技术，纳米材料的组成和性质，以及纳米材料在某一些方面的实际应用。【关键词】纳米技术；纳米材料；性能；应用1. 纳米材料1.1 纳米材料的定义 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于 10100 个原子紧密排列在一起的尺度。1.2 纳米材料的分类纳米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。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。A纳米粉末：又称为超微粉或
2、超细粉，一般指粒度在 100 纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。B纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤（未来量子计算机与光子计算机的重要元件）材料；新型激光或发光二极管材料等。C. 纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。D. 纳米块体：纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。1.3 纳米材料的发展历程1861 年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为 1100nm 的粒子体系的研究工作。
3、真正有意识的研究纳米粒子可追溯到 20 世纪 30 年代的日本的为了军事需要而开展的“沉烟试验” ，但受到当时试验水平和条件限制，虽用真空蒸发法制成了世界第一批超微铅粉，但光吸收性能很不稳定。到了 20 世纪 60 年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963 年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984 年德国萨尔兰大学（Saarland University)的 Gleiter 以及美国阿贡实验室的 Siegal 相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter 在高真空的条件下将粒子直径为 6nm 的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体
4、块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。1990 年 7 月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自 20 世纪 70 年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：第一阶段（1990 年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。第二阶段（19901994
5、 年）：人们关注的热点是如何利用纳米材料已发掘的物理和化学特性，设计纳米复合材料，复合材料的合成和物性探索一度成为纳米材料研究的主导方向。第三阶段（1994 年至今）：纳米组装体系、人工组装合成的纳米结构材料体系正在成为纳米材料研究的新热点。国际上把这类材料称为纳米组装材料体系或者纳米尺度的图案材料。它的基本内涵是以纳米颗粒以及它们组成的纳米丝、管为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。1.4 纳米材料制备方法1.固相法：包括固相物质热分解法、物理粉碎法和机械合金化法等。固相物质热分解法通常是利用金属化合物的热分解来制备超微粒;物理粉碎法是采用超细磨制备超微粒;机械合金化
6、法是将欲合金化的元素粉末混合,用高能球磨机加工制备。如采用不同的热(温)压技术对金属粉末压制成型,可以获得几乎完全密实的纳米晶体材料,如金属间化合物 Ti-Al,Fe-Al-Cr,金属复合材料 Fe-Cu,Al-Pb 以及单质 Pd 和 Cu 等等2. 气相法：气相法是利用反应物在气态下发生化学反应或物理变化而制成纳米级粉末。气相法在纳米微粒制备技术中占有重要的地位。利用此法可制备出纯度高、颗粒分散性好、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、氮化物、硼化物等非氧化物纳米超微粒。 该法主要包括:热等离子体法、激光加热蒸发法、真空蒸发-冷凝法、高压气
7、体雾化法、高频感应加热法、脉冲电流加热法。此外,还有溅射法、气体还原法、物理气相沉积法、化学气相沉积法和离子气相沉积法等。3. 模板合成法：该法通过用适宜尺寸和结构的膜板作为主体,在其中生成作为客体的纳米微粒。这种方法可获得所期望的窄粒径分布、粒径可控、易掺杂和反应易控制的超分子纳米微粒。 也可利用纳米多孔材料的纳米孔或纳米管道为模板,使前体进入后自己反应或者与管壁反应生成纳米颗粒、纳米棒或纳米管。4. 自组装法：自组装法一般包括两类:一类是化学家用来合成有机化合物的以分子为单元的组装法。可以用比 较简单的分子进行组装,生成结构有序的大分子。另一类是在适当的基材上,用有机和无机化合物通过自组装
8、反应生成具有有序结构的薄膜。用这种方法可以制造中空的纳米球和(或)纳米管。1.5 纳米材料的结构与性质纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础按一定规律构筑或营造的一种新体系。它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系。目前对纳米阵列体系的研究集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二位体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性，以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应，也使其成为了研究热点，按照其中支撑体的种类可将它划分为无机介孔复合体和高分子介孔复合体两大类，按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔复合体和无序介孔复合体。在薄膜嵌镶体系中，对纳米颗粒膜
9、的主要研究是基于体系的电学特性和磁学特性而展开的。由于纳米材料晶粒极小，表面积特大，在晶粒表面无序排列的原子分数远远大于晶态材料表面原子所占的百分数，导致了纳米材料具有传统固体所不具备的许多特殊。基本性质，如体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应和介电限域效应等，从而使纳米材料具有微波吸收性能、高表面活性、强氧化性、超顺磁性及吸收光谱表现明显的蓝移或红移现象等。除上述的基本特性，纳米材料还具有特殊的光学性质、催化性质、光催化性质、光电化学性质、化学反应性质、化学反应动力学性质和特殊的物理机械性质。2. 实际应用2.1 纳米材料在医学中的应用纳米材料在生物医学领域的应用纳米材料在生物
10、医学中检测诊断、药物治疗以及健康预防等方面都取得到了很好的发展。基因载体：用纳米载体系统输送核苷酸有许多优点，如能保护核苷酸，防止降解；有助于核苷酸转染细胞，还能够靶向输送核苷酸，起到定位作用。在TruongL 等用明胶纳米粒子包被 DNA 时发现，纳米粒子可与反应中超过 98%的 DNA 相结合，DNA 的电泳并不受影响， DNA 在纳米粒子中部分避免了被脱氧核糖核酸酶 1 的分解。疫苗佐剂：纳米粒子作为疫苗的佐剂，可以使抗原结构更趋稳定，在机体内能引起比常规佐剂更加强烈的、更加特异的免疫反应。由于纳米控释系统能保护抗原并能促进派伊尔氏结的摄取，所以用于包被口服免疫制剂会提高疫苗效果，同时，
11、口服用疫苗利用纳米粒子包被后，避免了被胃酶和胃酸分解，而后被肠淋巴组织吸收。而且由于纳米粒高度的分散性和巨大的表面积，能增加疫苗与胃肠道壁的接触，从而增加吸收的机会，提高疫苗的生物利用度;纳米粒子的辅助作用还表现在持久地缓慢地释放被包裹的抗原，加强吸收作用和机体免疫系统对被纳米粒子结合抗原的免疫反应。研究发现用聚甲基丙烯酸甲醋纳米粒子作为艾滋病毒疫苗的佐剂比用氢氧化铝作为佐剂产生的抗体滴度要高 10倍100 倍 。细菌感染 体外试验表明，纳米粒子可以作为细胞内药物输送系统，用于细胞内疾病的治疗研究表明，纳米粒子能够增加培养基中大鼠肝细胞和小鼠腹腔巨噬细胞对庆大霉素的摄取，可以作为细胞内药物输送
12、系统。对培氟沙星和氧氟沙星抗菌效果研究表明，聚氛基丙烯酸乙基酷纳米粒子包被的培氟沙星和氧氟沙星与游离药物相比，其对标准菌株的抗菌活性增加了 2 倍50 倍。也有研究表明，纳米粒子包裹的氨必西林比游离的氨必西林的疗效要高 20 倍.2.2 纳米材料在军事上的应用纳米技术在军事上的应用，主要体现在将纳米技术转化为微型武器系统的技术，其核心是利用微机电系统实现武器装置袖珍化，用微型武器替代现在的武器装备。纳米技术采用量子器件，使武器装备的体积、重量、功耗成千倍地减小，同时使控制系统中的信息传输、存储和处理能力、智能化水平成千倍地提高，纳米技术将实现武器系统超微化、高智能化和集成化生产，使研制和生产周
13、期缩短，成本降低。纳米技术的发展有可能导致制造技术乃至整个军事技术的革命，甚至会对未来战争产生深远的影响。1.微型卫星：现在的卫星个头太大，一般为几十公斤到数吨，并且功能较单一，如通信卫星只管通信。特别是高精密卫星结构复杂，制造困难，成本昂贵，而且大型的运载火箭一次也只能发射一枚大型卫星或几枚小卫星。纳米技术的发展将使卫星的面貌焕然一新。利用纳米材料和微机电系统来制造卫星的各种部件，可大大减轻重量，减小体积，成本大大降低，质量更有保证。一颗小型运载火箭一次就可以发射数百颗纳米卫星，在太空中“编织”密如蛛网的卫星星座，即使少数卫星失灵，整个卫星网络的工作也不会受影响。2.微型机器人：俗称“蚂蚁雄
14、兵” ，是直接从原子或分子装配成具有特定功能的纳米尺度的分子装置，它的驱动能量来源于能把声音转换成能量的纳米换能器。它的体积虽比蚂蚁还要小，但破坏能力很强，可以通过种种途径钻进敌方武器装备中，长期潜伏下来，一旦通过遥控装置被启用，就会各显神通，如施放化学制剂使油料凝结，或者“感觉”到敌方电子系统的位置，渗入该系统使之丧失功能。这种微型机器人还可以在血管中执行巡航任3.纳米生化武器：细菌和微生物可以攻击人和动物，使其生病甚至死亡而纳米生物武器根据所使用的原子,分子的不同,潜入到敌方的飞机,车辆,坦克,导弹乃至核武器中,这些现代化的武器装备一旦被纳米生物武器侵蚀和破坏,飞机不能起飞,坦克不能发动,
15、导弹不能制导,火炮不能发射,甚至核武器也失去了威慑作用,其后果不敢设想,军队不能行动作战,武器装备全部瘫痪,只有不战而败了。若把纳米生物武器和基因武器结合起来，则威力更大。2.3 纳米在生活上的应用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
16、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。3. 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。3 展望我国著名科学家钱学森先生在 1991 年曾预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将是 21 世纪又一次产业革命” 。今天纳米材料科学的飞快发展正在把这个预言化为现实。人们已经能够制备包含几十个原子的纳米微粒，并把它们作为基
