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1、河南师范大学毕业论文（设计） 河南师范大学本科毕业论文 学 号0802114152纳米材料的应用学院名称： 物理与信息工程学院 专业名称： 物理学 年级班别： 2008级3班 姓 名： 王 江 涛 指导教师： 张 莹 摘 要简要介绍了纳米材料的分类以及它的基本特征，然后分析了纳米材料的特殊性能。最后介绍了纳米材料在各领域的应用，其中重点分析了新型能源纳米材料中光电转换、热电转换、超级电容器及电池电极的纳米材料；并详细介绍了环境净化纳米材料中的光催化、吸附、尾气处理等；还较具体的讲述了纳米生物医药材料中纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。关键词：纳米材料、性能、应用Abstr
2、actBriefly introduces the classification of nanometer materials and its basic characteristics, and then analyzes the special characteristics of nanometer materials. Finally introduced the nano material application in various fields, which focuses on the analysis of new energy in nanometer material o
3、f photoelectric conversion, hot conversion, the super capacitor and battery electrode material; and introduces in detail the environment purifying nano materials in adsorption, photo catalytic, tail gas treatment; also more specific about nanometer biological medicine material of nano ceramic materi
4、al, nanometer carbon material, nanometer polymeric materials, nano composite materials.【Keywords】: nanometer material, performance, application.目 录摘 要1Abstract2前 言41.纳米材料51.1. 纳米材料的基本特征和分类51.2. 纳米材料的特殊效应62. 纳米材料在各领域的应用83. 新型能源纳米材料的分析103.1 纳米光电材料和热电材料的用途103.2 超级电容器103.3 金属空气电池114. 纳米材料对环境净化的贡献135. 纳米
5、生物医药材料155.1 纳米陶瓷材料155.2 纳米碳材料155.3 纳米高分子材料165.4 纳米复合材料17结束语：19参考文献：20致 谢22前 言诺贝尔奖获得者Feyneman在六十年代曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们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。他所说的材料就是现在的纳米材料。 纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100102nm。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
6、长程序也没有短程序的无序结构。 1984年德国萨尔兰大学的Gleiter以及美国阿贡试验室的Siegel相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒径为6nm的Fe粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，从而使纳米材料进入了一个新的阶段。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20。在纳米材料中，界面原子占极大比例，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
7、的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，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18。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。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例19。 纳米材料研究是目前材料
8、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1. 纳米材料1.1. 纳米材料的基本特征和分类纳米是一个长度单位，1nm=109m。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1100nm。当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。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。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
9、米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（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（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（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。按功能，纳米材料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）。图1-2：纳米金属颗粒图1-1：纳米材料1.2. 纳米材料的特殊效应当纳米材料的结构进入纳米尺度调至范围时，会表现出表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。表面
10、效应是指纳米粒子表面原子数与总原子之比随粒径的变小而急剧增大后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活性。纳米材料中界面原子所占的体积分数很大，它对材料性能的影响非常显著。低温超塑性是纳米材料的一个重要特性，普通陶瓷只有在1 000以上，在小于一定的应变速率时才能表现出塑性，而许多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。而它的塑性变形主要是通过晶粒之间相对滑移而实现的。图1-3图2-1:纳米银粒子的尺寸
11、效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应小尺寸效应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，利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可通过改变颗粒尺寸，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。图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应图2-1:纳米银粒子的尺寸效应而当粒子的尺寸达到
12、纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级。当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料的量子效应，从而使其磁、光、声、热、电、超导电性能变化。例如，有种金属纳米粒子吸收光线能力非常强，在1.1365千克水里只要放入千分之一这种粒子，水就会变得完全不透明。图1-4：纳米银粒子的尺寸效应 宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。这种微观粒子贯穿势垒的能力称为隧道效应。纳米粒子的磁化强度等也有隧道效应，它们可以穿过宏观系统的势垒而产生变化，这种被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。比如，原子内
13、的许多磁性电子（指3d和4f壳层中的电子），以隧道效应的方式穿越势垒，导致磁化强度的变化，这是磁性宏观量子隧道效应，早在1959年，此概念曾用来定性解释纳米镍晶粒为什么在低温下能继续保持超顺磁性的现象图1-5纳米粒子的宏观量子隧道效应2. 纳米材料在各领域的应用当材料的结构具有纳米尺寸调制特征时，将呈现许多特异的性能。陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而有纳米超微颗粒压制成的纳米材料却具有良好的韧性，这是因为纳米材料具有很大的界面和比表面积，界面的原子在外力变形的条件下具有很高的扩散速率，因而用纳米粉末进行烧结，致密化速度快，可降低烧结温度，并且表现出甚佳的韧性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的
14、力学性能。纳米材料的磁性性能拥有许多功效，利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力的性能，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。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45倍。 悬浮于流体的纳米颗粒可大幅度提高流体的热导率及传热效果，例如在水中添加5%的铜纳米颗粒，热导率可以增大约1.5倍，这对提高冶金工业的热效率有重要意义。纳米颗粒可表现出同质大块物体不同的光学特性，例如宽频带、强吸收、蓝移现象及新的发光现象，从而可用于发光反射材料、光通讯、光储存、光开光、光过滤材料、光导体发光材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外线传感器等领域。纳米颗粒在电学性能方面也出现了许多独特性。例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝缘性，纳米钛酸铅、钛酸钡等颗粒由典型得铁电体变成了顺电体。可以利用纳米颗粒制作导电浆料、绝缘浆料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料压敏和非线性电阻及热电和介电材料等。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。新制备的金属粒子接触空气，能进行剧烈氧化反应或发光燃烧（贵金属除外）。纳米材料还广泛应用于环境保护中，
