金屬納米材料的應用范文

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納米材料和納米技術是20世紀后期出現的新型材料和高新技術。由于納米材料的小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應，使它與常規材料相比具有獨特的優異性能。隨著納米技術的迅速發展，各種類型納米材料不斷涌現，如納米陶瓷粉末、納米金屬材料、納米金屬、納米化合物、納米生物材料等。在這些材料中納米金屬材料是重要的研究方向，在科研人員的不斷探索中，納米金屬粉末的制備技術得到了不斷革新和發展。許多納米金屬粉末作為新型抗菌材料（如抗病毒物質、抗菌材料、防污漆和抗真菌材料）的替代品被重點研究。納米金屬粉末也因其在冶金、催化和軍事等領域中廣泛的應用，成為研究人員的熱點研究方向。

全書內容共分為12章：1.納米金屬顆粒的熱力學數據的總體評價，從熱力學背景知識出發，介紹納米金屬顆粒尺寸與材料性能的關系，并將實驗和計算的熔解溫度進行對比；2.單個納米金屬顆粒的數值模擬，包括分子動力學模擬、與尺寸相關的材料性質、兩種納米顆粒的燒結研究和納米顆粒在氧氣環境下的氧化研究以及具有核-殼結構的顆粒的加熱和冷卻等內容；3.放電爆炸下的納米金屬顆粒，主要介紹納米金屬的電爆炸絲生產技術；4.納米金屬粉末的電爆炸絲生產方法，包括如何用等離子技術對納米顆粒進行再凝結、納米鋁粉的特征、納米粉末的化學鈍化、鋁納米顆粒的微膠囊化等內容；5.納米金屬顆粒團聚物的結構，包括表征團聚物結構的實驗技術、力學穩定性、熱穩定性、以及氣體運輸對反應速度的限速作用等內容；6.納米金屬粉末的鈍化，包括理論和實驗背景以及鈍化納米顆粒的特征；7.納米金屬粉末的安全，包括納米顆粒在空氣中氧化的基本現象、對靜電放電的靈敏度、根據災害分級對納米粉末進行排序、包裝要求等；8.鋁粉末與液態水和水蒸氣的反應，包括研究液態、氣態水和鋁粉末反應的實驗技術和不同條件下的鋁粉末的反應情況；9.基于硼烷氨和硼氫化鈉的儲氫系統的鈷納米催化劑，主要介紹物理化學方法；10.機械研磨對反應活性和亞穩態納米材料的預處理；11.金屬微粒燃燒的原位表征：非平衡診斷，包括固體材料的點火和燃燒、鋁的反應機理、火焰管、火焰溫度等內容；12.含能系統中的鋁納米粉末的表征和燃燒。

本書重點介紹納米金屬粉末的表征、氧化和燃燒、生產技術和安全知識。本書適合無機非金屬材料工程、材料科學與工程、復合材料與工程、金屬材料工程和納米材料科學與技術等專業的研究生或相關領域的研究人員閱讀和參考。

郭抒，博士生

（中國科學院理化技術研究所）

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本書重點闡述了有關機械納米結構化的先進研究方法和研究內容，如嚴重的塑性變形，包括高壓扭轉、等通道轉角處理、循環擠壓壓縮、累積疊軋焊、表面機械研磨處理等。本書內容以工程應用為導向，提出的方法有利于集成到現有的生產工藝中。此外，為了發揮所期望的功能，本書也對結構―性質關系和影響納米結構的方法進行了詳細回顧。本書最后展望了未來發展，對機械工程和納米結構各個領域的應用進行了概述。

本書共分三部分，31章：第一部分 納米材料的機械性能，含第1-10章：1.納晶材料的機械性能；2.納米結構輕金屬材料的優越機械性能和創新潛力；3.認識納米結構貝氏體的機械性能；4.納晶材料的本征強度；5.現代光學顯微鏡技術和納米結構材料基于AFM的測量；6.強度和電導率納米銅和SPD 115銅基合金；7.機械性能與等徑彎曲通道擠壓（ECAP）過程的轉位邊界機制；8.納米粒子的機械性能：在透射電子顯微鏡內部原位表征納米壓痕；9.提高納米結構的機械特性―特別考慮動力荷載條件下；10.生物納米材料的機械性能。

第二部分 機械納米結構化方法，含第11-21章：11. SPD過程-機械納米方法；12.機械合金化/銑；13. 等徑彎曲通道擠壓（ECAP）；14.噴丸加工獲取納米結構表面：過程和處理的表面的性能；15.納米晶化表面機械研磨處理；16.制備納米材料的機械研磨；17超聲沖擊處理-適用于金屬材料表面納米結構的有效方法；18.壓縮條件下的金屬納米結構；19.銑削在合成納米結構金屬基復合材料粉體的應用；20.通過銑削加工的合成與納米粉體特性；21.來自活性球磨的納米結構。

第三部分 機械納米結構化的應用與發展，含第22-31章：22.通向納米級別的機械化學的途徑（Mechanochemical Route）；23.粉末微粒的氣蝕解體；24.寶石中的金屬納米材料的獨特性能應用；25.含高能球磨的電瓷復合材料混合處理過程；26.開發等徑彎曲通道擠壓技術應用于納晶材料上細化；27. 機械處理制備的雙極氧化物納米粉體；28作為納米材料合成與加工的通用方法高能球磨；29.合并機械合金化產品/粉；30.噴丸加工衍生的表面納米結構技術：最新進展；31.機械化學合成的納米材料用于能量轉換和存儲設備。

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納米材料和納米科技被廣泛認為是二十一世紀最重要的新型材料和科技領域之一。早在二十世紀60年代,英國化學家Thomas就使用“膠體”來描述懸浮液中直徑為1nm-100nm的顆粒物。1992年,《NanostructuredMaterials》正式出版,標志著納米材料學成為一門獨立的科學。納米材料是指任意一維的尺度小于100nm的晶體、非晶體、準晶體以及界面層結構的材料。當粒子尺寸小至納米級時,其本身將具有表面與界面效應、量子尺寸效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應,這些效應使得納米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制備了碳納米管以來,一維納米材料由于具有許多獨特的性質和廣闊的應用前景而引起了人們的廣泛關注。納米結構無機材料因具有特殊的電、光、機械和熱性質而受到人們越來越多的重視。美國自1991年開始把納米技術列入“政府關鍵技術”,我國的自然科學基金等各種項目和研究機構都把納米材料和納米技術列為重點研究項目。由于納米材料的形貌和尺寸對其性能有著重要的影響,因此,納米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作為高級納米結構材料和納米器件的基本構成單元(Bui1dingBlocks),納米顆粒的合成與組裝是納米科技的重要組成部分和基礎。本文簡單綜述了納米材料合成與制備中常用的幾種方法,并對其優劣進行了比較。

2納米材料的合成與制備方法

2.1物理制備方法

2.1.1機械法

機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術。機械球磨法無需從外部供給熱能,通過球磨讓物質使材料之間發生界面反應,使大晶粒變為小晶粒,得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉,尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術利用超重力旋轉床高速旋轉產生的相當于重力加速度上百倍的離心加速度,使相間傳質和微觀混合得到極大的加強,從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料,應用超重力技術制備粒徑20nm—80nm、粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。

2.1.2氣相法

氣相法包括蒸發冷凝法、溶液蒸發法、深度塑性變形法等。蒸發冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應、等離子體、激光、電子束、電弧感應等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達到過飽和狀態,然后在氣體介質中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護下,利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體,粒徑在30nm—50nm范圍內可控。魏勝用蒸發冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發法是將溶劑制成小滴后進行快速蒸發,使組分偏析最小,一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準靜態壓力的作用下,材料極大程度地發生塑性變形,而使尺寸細化到納米量級。有文獻報道,Φ82mm的Ge在6GPa準靜壓力作用后,再經850℃熱處理,納米結構開始形成,材料由粒徑100nm的等軸晶組成,而溫度升至900℃時,晶粒尺寸迅速增大至400nm。

2.1.3磁控濺射法與等離子體法

濺射技術是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子,交換能量或動量,使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變,化合物的成分不易發生變化。目前,濺射技術已經得到了較大的發展,常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應磁控濺射等技術。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應性氣氛中通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體,從而使原料溶液化合蒸發,蒸汽達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高,能制備難熔的金屬或化合物,產物純度高,在惰性氣氛中,等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。

以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法,這些制備方法基本不涉及復雜的化學反應,因此,在控制合成不同形貌結構的納米材料時具有一定的局限性。

2.2化學制備方法

2.2.1溶膠—凝膠法

溶膠—凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中,然后經過水解反應生成活性單體,活性單體進行聚合,開始成為溶膠,進而生成具有一定空間結構的凝膠。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金屬和含N聚合物組成)在溶液中與H2S反應,生成的ZnS顆粒粒度分布窄,且被均勻包覆于聚合物基體中,粒徑范圍可控制在2nm-5nm之間。MarcusJones等以CdO為原料,通過加入Zn(CH3)2和S[Si(CH3)3]2制得了ZnS包裹的CdSe量子點,顆粒平均粒徑為3.3nm,量子產率(quantumyield,QY)為13.8%。

2.2.2離子液法

離子液作為一種特殊的有機溶劑,具有獨特的物理化學性質,如粘度較大、離子傳導性較高、熱穩定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態溫度范圍等。即使在較高的溫度下,離子液仍具有低揮發性,不易造成環境污染,是一類綠色溶劑。因此,離子液是合成不同形貌納米結構的一種良好介質。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料,在室溫下于離子液介質中合成出了大小均勻的、尺寸為3μm—5μm的Bi2S3納米花。他們認為溶液的pH值、反應溫度、反應時間等條件對納米花的形貌和晶相結構有很重要的影響。他們證實,這些納米花由直徑60nm—80nm的納米線構成,隨老化時間的增加,這些納米線會從母花上坍塌,最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅原料,以離子液為反應介質,合成了單晶Bi2S3納米棒。

2.2.3溶劑熱法

溶劑熱法是指在密閉反應器(如高壓釜)中,通過對各種溶劑組成相應的反應體系加熱,使反應體系形成一個高溫高壓的環境,從而進行實現納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅體Bi[S2P(OC8H17)2]3作反應物,用溶劑熱法制得了高度均勻的正交晶系Bi2S3納米棒,且該方法適于大規模生產。Liu等用Bi(NO3)3•5H2O、NaOH及硫的化合物為原料,甘油和水為溶劑,采用溶劑熱法在高壓釜中160℃反應24-72h制得了長達數毫米的Bi2S3納米帶。

2.2.4微乳法

微乳液制備納米粒子是近年發展起來的新興的研究領域,具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優點。1943年Hoar等人首次報道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合,可自發地形成一種熱力學穩定體系,體系中的分散相由80nm-800nm的球形或圓柱形顆粒組成,并將這種體系定名微乳液。自那以后,微乳理論的應用研究得到了迅速發展。1982年,Boutonnet等人應用微乳法,制備出Pt、Pd等金屬納米粒子。微乳法制備納米材料,由于它獨特的工藝性能和較為簡單的實驗裝置,在實際應用中受到了國內外研究者的廣泛關注。

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論文摘要：本文介紹了納米技術、納米材料的基本概念、原理、特征和各種納米材料在涂料領域的應用；闡述了納米材料在應用中所存在的技術問題，以及納米技術在涂料領域的發展前景。

1 納米技術及納米材料

1.1納米技術

納米技術是20世紀80年代末誕生且正在崛起的新技術，主要是在0.1-100nm尺度范圍內，研究物質組成的體系中電子、原子和分子運動規律與相互作用，其研究目的是按人的意志直接操縱電子、原子或分子，研制出人們所希望的、具有特定功能的材料和制品。納米科技將成為21世紀科學技術發展的主流，它不僅是信息技術、生物技術等新興領域發展的推動力，而且因其具有獨特的物理、化學、生物特性為涂料等領域的發展提供了新的機遇。

1.2納米材料

納米材料主要由納米晶粒和晶粒界面兩部分組成，其晶粒中原子的長程有序排列和無序界面成分的組成后有大量的界面（6×1025m3/10nm晶粒尺寸），晶界原子達15%～50%，且原子排列互不相同，界面周圍的晶格原子結構互不相關，使得納米材料成為介于晶態與非晶態之間的一種新的結構狀態[1]。 狹義上，納米材料是指粒徑在0.1-100nm范圍內的或具有特殊物理化學性能的材料。廣義上，納米材料是指在三維空間中至少有一維長度在0.1-100nm范圍內的或具有納米結構的材料。按化學組成可分為:納米金屬、納米晶體、納米陶瓷、納米玻璃、納米高分子和納米復合材料等。由于納米材料具有表面效應、體積效應、量子尺寸效應、宏觀量子隧道效應和一些奇異的光、電、磁等性能，將其用于涂料中后，除了可以改性傳統涂料外，更為重要的是可以制備各種功能涂料，如具有抗輻射、耐老化、抗菌殺菌、隱身等特殊功能的涂料。

2 納米材料在涂料領域中的應用

現階段納米材料在涂料中的應用主要為兩種情況[2]：（1）納米材料經特殊處理后，添加到傳統涂料中分散后制成的納米復合涂料（Nanocomposite coating），使涂料的各項指標均得到了顯著的提高。將納米離子用于涂料中所得到的一類具有抗輻射、耐老化、具有某些特殊功能的涂料稱為納米復合涂料。（2）完全由納米粒子和有機膜材料形成的納米涂層材料，通常所說的納米涂料均為有機納米復合涂料。目前，用于涂料的納米粒子主要是某些金屬氧化物（如TiO2、Fe2O2、ZnO等）、納米金屬粉末（如納米Al、Co、Ti、Cr、Nd等）、無機鹽類（CaCO3）和層狀硅酸鹽（如一堆的納米級粘土）[3]。

2.1納米TiO2在涂料中的應用

2.1.1隨角異色效應

由于納米二氧化鈦晶體的粒徑大約是普通鈦白粉的1/10，遠遠低于可見光的波長，本身具有透明性，又對可見光具有一定程度的遮蓋，透射光在鋁粉表面反射與在納米二氧化鈦表面反射產生了不同的視覺效果。到1991年，全世界已有11種含超細二氧化鈦的金屬閃光漆。目前，福特、克萊斯樂、豐田、馬自達等許多著名的汽車制造公司都已使用含有超細二氧化鈦的金屬閃光漆[4]。

2.1.2抗老化性能

提高材料抗老化性能的傳統方法是添加有機紫外線吸收劑，納米TiO2粒子是一種穩定的、無毒的紫外光吸收劑。因為用作涂料基料的高分子樹脂受到太陽中紫外線的長期照射會導致分子鏈的降解，影響涂膜的物理性能，因此若能屏蔽太陽光中的紫外線，就可大幅提高漆膜的耐老化性能。郭剛[5]等研究發現利用金紅石型納米TiO2優異的紫外線屏蔽性能改性傳統耐候型聚酯——TGIC粉末涂料可以大幅度地提高其耐老化性能。

2.1.3抗菌殺毒

納米TiO2有抗菌殺毒作用，用于涂料是涂料發展中的一個重大成就。納米二氧化鈦具有高的光催化性，在紫外光的照射下能分解出自由移動的帶負電的電子e-和帶正電的空穴h+形成電子——空穴對， 該電子——空穴對能與空氣中的氧和 H2O發生作用，通過一系列化學反應形成原子氧（O）氫氧自由基（OH）， 這種原子氧和氫氧自由基具有很高的化學活性，能與細菌中的有機物反應生成二氧化碳和水，從而達到殺滅細菌的作用。[6]

納米TiO2的抗菌殺毒作用已成為國內外關注的焦點。日本已有不少企業開發出納米TiO2光催化涂料并實現了商業化生產。目前，由于國內對于納米TiO2的研究大多還處于實驗階段，在涂料性能的提高和完善方面還有大量的工作要做，因此，對納米涂料的研究要不斷深入，以提高我國涂料的工業水平，推動納米涂料的發展和應用。

2.2納米SiO2在涂料中的應用

納米SiO2具有三維網狀結構，擁有龐大的比表面積，表現出極大的活性，能在涂料干燥時形成網狀結構，同時增加了涂料的強度和光潔度，而且還提高了顏料的懸浮性，能保持涂料的顏色長期不變。在建筑內外墻涂料中，若添加納米SiO2，可明顯改善涂料的開罐效果，涂料不分層，具有觸變性、防流掛、施工性能良好等優點，尤其是抗沾污性能大大提高，具有優良的自清潔能力和附著力。納米SiO2還可與有機顏料配用，可獲得光致變色涂料。

欲使納米SiO2材料在涂料中真正地得到廣泛應用，須解決納米SiO2在涂料中的分散穩定性問題。通常的做法是加入表面活性劑包裹微粒或反絮凝劑形成雙電層的措施。同時在分散時可配合使用超聲波分散。

2.3納米ZnO在涂料中的應用

納米ZnO等由于質量輕、厚度薄、顏色淺、吸波能力強等優點而成為吸波涂料研究的熱點之一。在陽光的照射下納米ZnO在水和空氣中具有極強的化學活性，能與多種有機物發生氧化反應（包括細菌中的有機物），從而把大多數細菌和病毒殺死。 ZnO也具有良好的紫外線屏蔽作用，粒徑60nm的ZnO對波長300-400nm的紫外線有良好的吸收和散射作用，因此可以作為涂料的抗老化添加劑。日本已經開發出用樹脂包覆的片狀ZnO紫外線屏蔽劑[7]。在涂料中添加納米ZnO可改善它的抗氧化性能，使其具有抗菌性能。

2.4納米氧化鐵在涂料中的應用

納米氧化鐵作為顏料無毒無味，具有很好的耐溫、耐侯、耐酸、耐堿以及高彩度、高著色力、高透明度和強烈吸收紫外光的優良性能，可廣泛用于高檔汽車涂料、建筑涂料、防腐涂料、粉末涂料，是較好的環保涂料。紫外線分解木材中的木質素而破壞細胞結構導致木材老化，納米氧化鐵顏料分散于涂層中，由于顆粒直徑小不會散射光線、涂層成透明狀態且吸收紫外線輻射，起到保護木材的作用。左美祥[8]等研究發現:在樹脂中摻入納米級的TiO2（白色）、Cr2O3（綠色）、Fe2O3（褐色）、ZnO等具有半導體性質的粉體，會產生良好的靜電屏蔽性能。日本松下電器公司研究所據此成功開發了適用于電器外殼的樹脂基納米氧化物復合的靜電屏蔽涂料。與傳統的樹脂基碳黑復合的涂料相比，樹脂基納米氧化物復合涂料具有更為優異的靜電屏蔽性能，而且后者在顏色選擇方面也更為靈活。用納米級Fe3O4與樹脂復合制成了磁性涂料，目前這方面的制備工藝已有所突破而進入產業化階段。

2.5納米CaCO3在涂料中的應用

納米CaCO3作為顏料填充劑，具有細膩、均勻、白度高、光學性能好等優點，隨著納米碳酸鈣的粒子微細化，填料粒表面的原子數目占整個總原子數目的比例增大，使粒子表面的電子結構和晶體結構都發生變化，到了納米級水平。填料粒子將成為有限個原子的集合體，表現出常規粒子所沒有的表面效應和小尺寸效應，使納米材料具有一系列優良的理化性能。它添加到涂料膠乳中，加強了透明性、觸變性和流平性。觸變性是納米CaCO3改善膠乳涂料各項性能的主要因素。同時能對涂料形成屏蔽作用，達到抗紫外老化和防熱老化的目的和增加涂料的隔熱性。

杜振霞[9]等研究表明:在納米CaCO3改性的涂料中，如果CaCO3固相體積分數達到20%時，涂料的粘度曲線存在低剪切稀化冪律特征區和高剪切牛頓兩個區域，而且有明顯的觸變性。當乳膠漆聚合物乳液的粒徑為10-100nm，表面張力非常低，有極好的流平性、流變性、潤濕性與滲透性，表現超常規的特性。

2.6其它新型納米涂料

納米隱身涂料（雷達波吸收涂料）系指能有效地吸收入射雷達波并使其散射衰減的一類功能涂料。當將納米級的羧基鐵粉、鎳粉、鐵氧體粉末改性的有機涂料涂到飛機、導彈、軍艦等武器裝備上，可使這些裝備具有隱身性能，使它們在很寬的頻率范圍內可以逃避雷達的偵察，同時也有紅外隱身作用。美國研制的超細石墨納米吸波涂料，對雷達波的吸收率大于99%，其他金屬超細粉末如Al，Co，Ti，Cr，Nd，Mo等，也具有很好的潛力。法國研制出一種寬頻微波吸收涂層，這種吸收涂層由粘結劑和納米材料、填充材料組成，具有很好的磁導率，在50MHz-50GHz范圍內具有良好的吸波性能。我國也有相關的研究，如不同粒徑的Fe3O4在1-1000 MHz頻率范圍對電磁波具有吸收性能，隨著頻率的增加，納米Fe3O4吸收能效增加，且納米粒徑越小，吸收效能越高。

3 納米涂料研究中存在的技術問題

首先是納米材料在涂料中的穩定分散問題。由于納米粒子比表面積和表面張力都很大，容易吸附而發生團聚，在溶液中將其有效地分散成納米級粒子是非常困難的。尋找合適的分散劑來分散納米材料，并采用合適的穩定劑將良好分散的納米材料粒徑穩定在納米級，是納米技術在涂料改性中獲得廣泛應用必須解決的最關鍵問題。其次， 納米材料加入量的適度問題。一般而言，納米材料的用量與涂料性能變化之間的關系曲線近似于拋物線，開始時隨著納米材料添加量的增加，涂料性能大幅度提高，到一定值后，涂料性能增幅趨緩，最后達到峰值：之后，隨著納米材料添加量的進一步增加，涂料的性能反而呈迅速下降的趨勢，同時也增加了成本。因此，做好對比試驗，選好納米材料添加量也十分關鍵。最后，必須開展納米涂料施工工藝的研究。納米涂料就本身而言只是一個半成品，只有施工完畢后才真正成為最終產品，而現實情況是人們大都將注意力集中在納米涂料產品本身，而忽略了施工工藝的研究，致使納米涂料無法達到其應有的效果。

4 納米技術在涂料領域的應用展望

今后納米涂料的發展主要將體現在以下幾個方面:（1）新的納米原材料的開發和商品化。即根據不同材料的物理化學性能，開發研制出新納米改性材料，使之具有更多更新的功能。（2）研究納米材料在涂料中的分散和穩定性。即探索納米材料顆粒與涂料間的相互作用和混合機理，并根據納米粉體在涂料中分散成納米級和保持分散穩定性的原理，開發新的表面改性劑和穩定劑，以提高納米材料在涂料中的改性效果。（3）加強納米材料表征方法和測試技術的研究。即為了能更好地利用納米材料的特殊性能，必須研究新的測試手段對納米材料進行研究，并將傳統納米材料的測試方法進一步完善和標準化。降低成本，并逐漸實現納米技術的工業化、商品化，從而改變我國高檔、高性能涂料大量依賴進口的狀況，是將來的研究重點。

參考文獻

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關鍵詞：納米材料,化工,應用

1前言

納米材料（又稱超細微粒、超細粉未）由表面（界面）結構組元構成，是處在原子簇和宏觀物體交界過渡區域的一種典型系統，粒徑介于原子團簇與常規粉體之間，一般不超過100nm，而且界面組元中含有相當量的不飽和配位鍵、端鍵及懸鍵。其結構既不同于體塊材料，也不同于單個的原子。其特殊的結構層次使它在眾多領域特別是在光、電、磁、催化等方面具有非常重大的應用價值。近年來，納米材料在化工生產領域也得到了一定的應用，并顯示出它的獨特魅力。

2納米材料特性

2.1具有很強的表面活性

納米超微顆粒很高的“比表面積”決定了其表面具有很高的活性。免費論文參考網。在空氣中，納米金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。利用表面活性，金屬超微顆粒可望成為新一代的高效催化劑、貯氣材料和低熔點材料。將納米微粒用做催化劑，將使納米材料大顯身手。如超細硼粉、高鉻酸銨粉可以作為炸藥的有效催化劑；超細銀粉可以成為乙烯氧化的催化劑；超細的鎳粉、銀粉的輕燒結效率，超細微顆粒的輕燒結體可以生成微孔過濾器，作為吸咐氫氣等氣體的儲藏材料，還可作為陶瓷的著色劑，用于工藝品的美術圖案中。免費論文參考網。

2.2具有特殊的光學性質

所有的金屬在超微顆粒狀態時都呈現為黑色。尺寸越小，顏色越黑，銀白色的鉑（白金）變成鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于l％，大約幾微米厚度的膜就能起到完全消光的作用。利用這個特性可以制造高效率的光熱、光電轉換材料，以很高的效率將太陽能轉變為熱能、電能。另外還有可能應用于紅外敏感元件、紅外隱身材料等。

2.3具有特殊的熱學性質

大尺寸的固態物質其熔點往往是固定的，超細微化的固態物質其熔點卻顯著降低，當顆粒小于10納米量級時尤為突出。例如，金的常規熔點為1064℃，當其顆粒的尺寸減小到10納米時，熔點會降低27℃，而減小到2納米尺寸時的熔點僅為327℃左右；銀的常規熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。因此，超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，完全可采用塑料。采用超細銀粉漿料，可使片基上的膜厚均勻，覆蓋面積大，既省材料又提高質量。

2.4具有特殊的磁學性質

小尺寸磁性超微顆粒與大塊磁性材料有顯著不同，大塊純鐵的磁矯頑力約為80安／米，而當顆粒尺寸減小到2×10-2微米以下時，其矯頑力可增加1000倍。若進一步減小其尺寸，大約小于6×10-3微米時，其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。利用磁性超微顆粒具有高矯頑力的特性，已制成高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等;利用超順磁性，人們已將磁性超微顆粒制成了用途廣泛的磁流體。

2.5具有特殊的力學性質

因為納米材料具有較大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性和一定的延展性，這樣就使納米陶瓷材料具有了新奇的力學性質。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，就是因為它是由磷酸鈣等納米材料構成的，這也足以說明大自然是納米材料的成功制造者。納米晶粒的金屬要比傳統的粗晶粒金屬硬3～5倍。金屬——陶瓷復合納米材料則可在更大的范圍內改變材料的力學性質，其應用前景十分寬廣。

2.6宏觀量子隧道效應

由于電子既具有粒子性又具有波動性，因此它存在隧道效應。近年來，人們發現一些宏觀物理量，如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等亦顯示出隧道效應，稱之為宏觀的量子隧道效應。宏觀量子隧道效應將會是未來微電子、光電子器件的基礎，或者說它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限，當微電子器件進一步微型化時必須要考慮上述的量子效應。目前研制的量子共振隧道晶體管就是利用量子效應制成的新一代電子器件。

3納米材料在化工生中應用

由于納米材料的特殊結構和特殊性能，使納米材料在化工生產中得到了廣泛的應用，主要應用在以下幾方面。

3.1橡膠改性

炭黑納米粒子加入到橡膠中后可顯著提高橡膠的強度、耐磨性、抗老化性，這一技術早已在橡膠工業中運用。

納米技術在制造彩色橡膠中也發揮了獨特的作用，過去的橡膠制品一般為黑色（納米級的炭黑較易得到）。若要制造彩色橡膠可選用白色納米級的粒子（如白炭黑）作補強劑，使用納米粒子級著色劑，此時橡膠制品的性能優異。

3.2塑料改性

3.2.1對塑料增韌作用

納米粒子添加到塑料中，對增加塑料韌性有較大的作用。用納米級SiC/Si3N4粒子經鈦酸酯處理后填充LDPE，當添加量為5％時沖擊強度最大，缺口沖擊強度為55.7kj/m2，是純LDPE的2倍多；斷裂伸長率到625 ％時仍未斷裂，為純LDPE的5倍。用納米級CaCO3，改性HDPE，當納米級CaCO3含量為25％時，沖擊強度達到最大值，最大沖擊強度為純HDPE的1.7倍，斷裂伸長率在CaCO3含量為16％時最大，約為660％超過純HDPE的值。

3.2.2塑料功能化

塑料在家用電器及日用品中的應用非常廣泛，在塑料中添加具有抗菌性的納米粒子，可使塑料具有抗菌性，且其抗菌性保持持久。現已應用此技術生產了抗菌冰箱，實際上就是在制造冰箱塑件時，使用的塑料原料中添加了某種納米粒子，利用該納米粒子的抗菌特性，使塑料具有抗菌殺菌的功能，國內某公司采用該項技術率先開發出無菌塑料餐具、無菌塑料撲克等產品，受到市場的歡迎。

3.2.3通用塑料的工程化

通用塑料具有產量大、應用廣、價格低等特點，但其性能不如工程塑料，而工程塑料雖性能優越，但價格較高。在通用塑料中加入納米粒子能使其達到工程塑料的性能，用納米技術對通用聚丙烯進行改性，其性能達到了尼龍6的性能指標，而成本卻降低1／3。

3.3化學纖維改性

近年來出現了各種新型的功能性化學纖維，其中不少是應用了納米技術，如日本帝人公司將納米ZnO和納米SiO2混入化學纖維， 得到具有除臭及靜化空氣功能的化學纖維，這種化學纖維被廣泛用于制造長期臥床病人和醫院的消臭敷料、繃帶、睡衣等；日本倉螺公司將納米ZnO加入到聚酯纖維中，制得了防紫外線纖維， 該纖維除了具有防紫外線功能外，還具有抗菌、消毒、除臭的功能。

3.4涂料改性

在各類涂料中添加納米材料，如納米TiO2，可以制造出殺菌、防污、除臭、自潔的抗菌防污涂料，廣泛應用于醫院和家庭內墻涂飾。可制造出防紫外線涂料，應用于需要紫外線屏蔽的場所，例如涂在陽傘的布料上，制成防紫外線陽傘。還可以制造出吸波隱身涂料，用于隱形飛機、隱形軍艦等國防工業領域及其他需要電磁波屏蔽場所的涂敷。在涂料中添加納米SiO2，可使涂料的抗老化性能、光潔度及強度成倍提高，涂料的質量和檔次大大升級，據稱，納米改性外墻涂料的耐洗刷性可由原來的1000多次提高到1萬多次，老化時間延長2倍多。納米ZnO 添加到汽車金屬閃光面漆中，可制造出汽車專用變色漆。

3.5在催化方面的應用

催化劑在許多化學化工領域中起著舉足輕重的作用，它可以控制反應時間、提高反應效率和反應速度。大多數傳統的催化劑不僅催化效率低，而且其制備是憑經驗進行，不僅造成生產原料的巨大浪費，使經濟效益難以提高，而且對環境也造成污染。納米粒子表面活性中心多，為它作催化劑提供了必要條件。納米粒子作催化劑，可大大提高反應效率，控制反應速度，甚至使原來不能進行的反應也能進行。納米微粒作催化劑比一般催化劑的反應速度提高10～15倍。

3.6在其它精細化工方面的應用

納米材料的優越性無疑也會給精細化工帶來福音，并顯示它的獨特畦力。如在橡膠中加入納米SiO 2 ，可以提高橡膠的抗紫外輻射和紅外反射能力。免費論文參考網。國外已將納米SiO 2 ，作為添加劑加入到密封膠和粘合劑中，使其密封性和粘合性都大為提高。在有機玻璃中加入Al 2 O 3 ，不僅不影響玻璃的透明度，而且還會提高玻璃的高溫沖擊韌性。一定粒度的銳鈦礦型TiO 2 具有優良的紫外線屏蔽性能，而且質地細膩，無毒無臭，添加在化妝品中，可使化妝品的性能得到提高。納米SiO 2 能夠強烈吸收太陽光中的紫外線，產生很強的光化學活性，可以用光催化降解工業廢水中的有機污染物，具有除凈度高，無二次污染，適用性廣泛等優點，在環保水處理中有著很好的應用前景。在環境科學領域還將出現功能獨特的納米膜。這種膜能探測到由化學和生物制劑造成的污染，并能對這些制劑進行過濾，從而消除污染。

4結束語

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關鍵詞：納米材料；納米技術；特性

納米技術是上世紀出現的新技術，在當前社會的諸多領域都得到了廣泛應用。納米材料則是納米技術的重要組成部分，從上世紀八十年代納米技術問世以來，在之后的技術發展速度比較迅速，對應用領域的進一步發展起到了積極促進作用。通過從理論上加強納米技術的研究分析，對納米材料的實際應用就能提供理論支持。

1.納米材料的特性以及制備的方法分析

1.1納米材料的特性分析

納米材料的類型是多樣化的，在使用的常規材料方面尺寸都相對比較大，材料有著宏觀陛。而納米材料則與之不同，倘若是三維方向是幾個納米長的就是3D納米微晶，在二維方向則是納米級。從納米材料的制造方法角度來看，只要是人工方式進行制造的就是人工納米材料。納米材料有著比較特殊的物理化學性能，由于其特殊性能，就在高分子材料領域有著廣泛應用。從納米材料的表面效應層面來看，主要是納米粒子表面原子數和總原子數比會隨著粒子粒徑減小從而大幅度增大。在納米粒子的表面能與表面的張力也會隨之增加，這樣就使得納米粒子的性質有著很大變化，比較容易和其它的原子趨于穩定，這一材料的吸附特性也比較突出。

納米材料的量子尺寸效應特性方面，在納米粒子熱能以及電能和磁場能等能級比平均的能級問還要小的時候，納米材料就和宏觀物質的特性有著不同。在量子隧道效應特性層面，納米材料有著波粒二象性，所以就會有著隧道效應。當前的改性涂料使用的納米材料通常是納米半導材料。

除此之外，納米材料的小尺寸效應特性也比較鮮明。在納米材料的晶體尺寸和光波的波長以及傳導電子德布羅意波長等物體特征尺寸相當以及比其小的時候，這樣一般的固體材料就會以成立的周期性邊界條件，將破關以及聲和熱等電磁特征顯示出小尺寸的效應。

1.2納米材料制備的方法分析

對納米材料的制備過程中，需要在方法上科學應用。納米材料的制備的方法比較多，其中的氣相法就是比較突出的方法，是直接將氣體以及通過各種手段把物質變成氣體，然后在氣體狀態下發生物理變化以及化學反應。氣相法的應用方法類型也比較多，比較重要的有化學氣相反應法以及氣體中蒸發法等。氣體中蒸發法重要是在惰性氣體或者是在活潑氣體當中把金屬以及合金等蒸發汽化，接著和惰性氣體進行沖突以及冷卻等從而就形成了納米微粒。采用這一氣體冷凝法進行制備納米微粒表面清潔以及粒徑分布相對比較窄。

通過液相法的應用也能對納米材料進行制備，這一方法的應用主要是通過均相溶液作為出發點的，然后在各種途徑的實施下，將溶質和溶劑進行分離，這樣溶質就能形成相應形狀以及大小的微粒。對溶膠以及凝膠的方法應用是比較多的，這是對納米材料制備的特殊性工藝，對微粉以及纖維等復合材料能加以制備。由于這一方法的應用相對比較簡單，對設備的應用要求也比較低，在未來的應用前景比較廣闊。

納米材料制備方法中的化學氣相凝聚法也是比較重要的方法，這是上世紀末提出的新型納米微粒合成技術。這一方法應用中，主要是通過氣態原料在氣相當中通過化學反應來形成的基本粒子，以及實施冷凝合成納米微粒。當前采用這一方法對碳化硅以及二氧化鋯等納米微粒進行了合成。

2.納米材料的應用領域

納米材料在當前的應用領域比較多樣，其中將納米材料在建筑涂料中的應用，對建筑涂料的性能改變有著影響，能起到抗老化以及耐候性的作用效果。涂料的康老虎以及耐候性主要是涂膜受到紫外線以及陽光照射等因素影響出現的褪色以及變色等，在納米材料的應用下，就能將SiO2、TiO2、ZnO、Fe2O3等都是在實際中比較優良的抗老化劑，對建筑涂料的抗老化以及耐候性的性能提高有著積極促進作用。

納米材料應用到化學電源當中也比較廣泛。納米材料其龐大表面積以及特異電催化性能在化學電源當中的開發應用比較突出，納米輕燒結體是電池電源的性能質量提高的重要保障，這是將納米微粒構成的密度只有原物質十分之一塊狀海綿體作為化學電池以及燃料電池電極，從而能有效增加以及電解質溶液和反應氣體接觸表面和對效率有效提高。

例如：鎳和銀的輕燒結體作為化學電池等的電極在實際當中已經得到了應用。TiO2納米微粒的燒結體作為光化學電池和鋰電池的電極得到了廣泛的研究和開發。通過納米材料和電源相結合，就能創造出新的電源類型，在電源的性能方面也能有效提高。

納米材料在結構材料中的應用也比較廣泛，納米結構材料應用主要是對純金屬納米材料的研究，在當前的多元合金和納米復合材料的應用發展也比較突出。在納米陶瓷材料的應用上就是比較重要的，其耐高溫以及高強度性能在生活中的應用比較廣泛，將其在高溫發動機當中加以應用在當前已經得到了實現，對燃料的熱效率增加也起到積極作用，對污染就能有效降低。

可以將納米材料作為光催化劑加以應用。在半導體的光催化效應的發揮上比較突出，在光照下價帶電子躍遷到導帶以及價帶空穴能將周圍環境中烴基電子奪過來，從而烴基就成為了自由基，能作為強氧化劑加以應用。

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21世紀是知識經濟科技新時代，高新技術是又“高”又“新”，其科學原理似乎非常深奧，而信息技術、生物技術更是日新月異，不斷給人驚奇。其實，高新技術離我們并不遙遠，已經深入滲透到社會生活的各個領域，正從形式到觀念上改變著我們日常生活的衣食住行、生老病死等方方面面。

納米，如今大家已不陌生，在家電、醫藥、美容等廣告中，經常見到應用“納米材料”防腐、防霉、保鮮、抗污染、高滲透、高效、高強等諸多美譽。但是，很多人對這具有“神功奇效”的納米材料、納米技術，還是有點說不清楚、講不明白。

納米本意是一長度單位，表示十億分之一米（10-9米），相當于三四個原子的寬度，用“nm”來表示。一根直徑0.1毫米的頭發，用納米來量度就是10萬納米（l000 000nm）。這樣的尺寸度量單位，顯然在我們的日常生活中是難以應用的，沒有什么實用意義。如果你要買2米衣料，對售貨員說扯20億納米……人家一定認為你“有病”。但是，在化學、物理學和材料科學上，納米意義重大。研究決定物質性能的物質結構時，在原子、分子范疇，就用得上納米。因為，大部分的原子、分子只有幾納米到幾百納米大小。

當我們把物質越磨越細后，物質開始表現出一些新的性能。如一般的鋁粉是燒不起來的，而超細的鋁粉，可以成為“固體燃料”；咖啡磨細到一定程度后，可以完全“溶于水”而不再有渣。從科學上講，這些新的性能與原來的性能是有聯系的，只是原來沒有充分顯示出來。鋁本來就是容易氧化的物質，但形成的三氧化二鋁薄膜會保護鋁不再氧化，所以氧化反應不會連續而很劇烈。但超細鋁粉表面積大，同時反應就會形成高溫積聚，高溫又破壞了氧化層使反應連續下去，形成劇烈的放熱氧化反應。劇烈的氧化反應就是燃燒，可以用來熔化金屬進行焊接，也可以用作火箭的固體燃料。而咖啡磨細后，可以在水中懸浮不沉下去，就沒有“渣”了。國外的“速溶咖啡”用中國云南、海南的咖啡豆做原料，靠著“磨細”的技術大大賺錢。而我們為什么磨不細呢？原來靠機械物理方法磨到一定細度后，很難再細下去了，這當中涉及很多物理、化學原因。

長期以來，把物質分離成超細顆粒的努力，一直沒有重大突破。直到20世紀80年代，科學家利用氣相沉淀等物理、化學方法，終于制取成功為數不多的l～l00nm大小的“納米級”顆粒材料。就是這為數不多的納米材料。使我們真正開始著研究“分子尺寸”的物質，并掀起了席卷天下的“納米熱潮”。研究發現，納米材料的性能大大不同于原來的物質，如本來化學性“穩定”的，變成非常“活潑”；本來“絕緣”不導電的，變成“導體”或“半導體”；本來強度不大、硬度不高，變得堅韌無比，硬度甚至超過金剛鉆；納米“金屬”材料居然可以燃燒、爆炸……同樣的材料變為“納米材料”后，似乎有了新的物理、化學性能，這確實令人大吃一驚。

但是，納米材料的制取并非想象中那么容易。一般的機械粉碎、研磨根本得不到“納米級”超細微顆粒，必須通過有針對性的、特殊的高技術物理、化學設施，才能制取“納米材料”。目前，納米材料還沒有成熟的規模生產手段，不同材料的納米級超微粒的制取仍是一道難題。目前的納米材料制造成本相當高，用“一克千金”形容并不夸張。而要進一步推動納米科學和納米技術的研發深化，必須有充足的納米材料做基礎。所以，世界各國都把“高效制取納米材料”作為納米科技研發的重要先導基礎項目。

納米材料在陶瓷材料、生物工程、微電子技術、化工、醫藥等方面的研究開發，最近已有了可喜的進展。不同的納米材料，確實有許多意想不到的“神奇”性能。

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關鍵詞:納米材料；物理方法；化學方法

一、引言

納米材料和納米科技被廣泛認為是二十一世紀最重要的新型材料和科技領域之一。早在二十世紀60年代，英國化學家Thomas就使用“膠體”來描述懸浮液中直徑為1nm-100nm的顆粒物。1992年，《NanostructuredMaterials》正式出版，標志著納米材料學成為一門獨立的科學。納米材料是指任意一維的尺度小于100nm的晶體、非晶體、準晶體以及界面層結構的材料。當粒子尺寸小至納米級時，其本身將具有表面與界面效應、量子尺寸效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應，這些效應使得納米材料具有很多奇特的性能。自1991年Iijima首次制備了碳納米管以來，一維納米材料由于具有許多獨特的性質和廣闊的應用前景而引起了人們的廣泛關注。納米結構無機材料因具有特殊的電、光、機械和熱性質而受到人們越來越多的重視。美國自1991年開始把納米技術列入“政府關鍵技術”，我國的自然科學基金等各種項目和研究機構都把納米材料和納米技術列為重點研究項目。由于納米材料的形貌和尺寸對其性能有著重要的影響，因此，納米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作為高級納米結構材料和納米器件的基本構成單元(Bui1dingBlocks)，納米顆粒的合成與組裝是納米科技的重要組成部分和基礎。本文簡單綜述了納米材料合成與制備中常用的幾種方法，并對其優劣進行了比較。

二、納米材料的合成與制備方法

2.1物理制備方法

2.1.1機械法

機械法有機械球磨法、機械粉碎法以及超重力技術。機械球磨法無需從外部供給熱能，通過球磨讓物質使材料之間發生界面反應，使大晶粒變為小晶粒，得到納米材料。范景蓮等采用球磨法制備了鎢基合金的納米粉末。xiao等利用金屬羰基粉高能球磨法獲得納米級的Fe-18Cr-9W合金粉末。機械粉碎法是利用各種超微粉機械粉碎和電火花爆炸等方法將原料直接粉碎成超微粉，尤其適用于制備脆性材料的超微粉。超重力技術利用超重力旋轉床高速旋轉產生的相當于重力加速度上百倍的離心加速度，使相間傳質和微觀混合得到極大的加強，從而制備納米材料。劉建偉等以氨氣和硝酸鋅為原料，應用超重力技術制備粒徑20nm—80nm、粒度分布均勻的ZnO納米顆粒。

2.1.2氣相法

氣相法包括蒸發冷凝法、溶液蒸發法、深度塑性變形法等。蒸發冷凝法是在真空或惰性氣體中通過電阻加熱、高頻感應、等離子體、激光、電子束、電弧感應等方法使原料氣化或形成等離子體并使其達到過飽和狀態，然后在氣體介質中冷凝形成高純度的納米材料。Takaki等在惰性氣體保護下，利用氣相冷凝法制備了懸浮的納米銀粉。杜芳林等制備出了銅、鉻、錳、鐵、鎳等納米粉體，粒徑在30nm—50nm范圍內可控。魏勝用蒸發冷凝法制備了納米鋁粉。溶液蒸發法是將溶劑制成小滴后進行快速蒸發，使組分偏析最小，一般可通過噴霧干燥法、噴霧熱分解法或冷凍干燥法加以處理。深度塑性變形法是在準靜態壓力的作用下，材料極大程度地發生塑性變形，而使尺寸細化到納米量級。有文獻報道，Φ82mm的Ge在6GPa準靜壓力作用后，再經850℃熱處理，納米結構開始形成，材料由粒徑100nm的等軸晶組成，而溫度升至900℃時，晶粒尺寸迅速增大至400nm。

2.1.3磁控濺射法與等離子體法

濺射技術是采用高能粒子撞擊靶材料表面的原子或分子，交換能量或動量，使得靶材料表面的原子或分子從靶材料表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。在該法中靶材料無相變，化合物的成分不易發生變化。目前，濺射技術已經得到了較大的發展，常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射、離子束濺射以及電子回旋共振輔助反應磁控濺射等技術。等離子體法是利用在惰性氣氛或反應性氣氛中通過直流放電使氣體電離產生高溫等離子體，從而使原料溶液化合蒸發，蒸汽達到周圍冷卻形成超微粒。等離子體溫度高，能制備難熔的金屬或化合物，產物純度高，在惰性氣氛中，等離子法幾乎可制備所有的金屬納米材料。

以上介紹了幾種常用的納米材料物理制備方法，這些制備方法基本不涉及復雜的化學反應，因此，在控制合成不同形貌結構的納米材料時具有一定的局限性。

2.2化學制備方法

2.2.1溶膠—凝膠法

溶膠—凝膠法的化學過程首先是將原料分散在溶劑中，然后經過水解反應生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定空間結構的凝膠。Stephen等利用高分子加成物(由烷基金屬和含N聚合物組成)在溶液中與H2S反應，生成的ZnS顆粒粒度分布窄，且被均勻包覆于聚合物基體中，粒徑范圍可控制在2nm-5nm之間。MarcusJones等以CdO為原料，通過加入Zn(CH3)2和S[Si(CH3)3]2制得了ZnS包裹的CdSe量子點，顆粒平均粒徑為3.3nm，量子產率(quantumyield，QY)為13.8%。

2.2.2離子液法

離子液作為一種特殊的有機溶劑，具有獨特的物理化學性質，如粘度較大、離子傳導性較高、熱穩定性高、低毒、流動性好以及具有較寬的液態溫度范圍等。即使在較高的溫度下，離子液仍具有低揮發性，不易造成環境污染，是一類綠色溶劑。因此，離子液是合成不同形貌納米結構的一種良好介質。Jiang等以BiCl3和硫代乙酰胺為原料，在室溫下于離子液介質中合成出了大小均勻的、尺寸為3μm—5μm的Bi2S3納米花。他們認為溶液的pH值、反應溫度、反應時間等條件對納米花的形貌和晶相結構有很重要的影響。他們證實，這些納米花由直徑60nm—80nm的納米線構成，隨老化時間的增加，這些納米線會從母花上坍塌，最終形成單根的納米線。趙榮祥等采用硝酸鉍和硫脲為先驅原料，以離子液為反應介質，合成了單晶Bi2S3納米棒。

2.2.3溶劑熱法

溶劑熱法是指在密閉反應器(如高壓釜)中，通過對各種溶劑組成相應的反應體系加熱，使反應體系形成一個高溫高壓的環境，從而進行實現納米材料的可控合成與制備的一種有效方法。Lou等采用單源前驅體Bi[S2P(OC8H17)2]3作反應物，用溶劑熱法制得了高度均勻的正交晶系Bi2S3納米棒，且該方法適于大規模生產。Liu等用Bi(NO3)3•5H2O、NaOH及硫的化合物為原料，甘油和水為溶劑，采用溶劑熱法在高壓釜中160℃反應24-72h制得了長達數毫米的Bi2S3納米帶。

2.2.4微乳法

微乳液制備納米粒子是近年發展起來的新興的研究領域，具有制得的粒子粒徑小、粒徑接近于單分散體系等優點。1943年Hoar等人首次報道了將水、油、表面活性劑、助表面活性劑混合，可自發地形成一種熱力學穩定體系，體系中的分散相由80nm-800nm的球形或圓柱形顆粒組成，并將這種體系定名微乳液。自那以后，微乳理論的應用研究得到了迅速發展。1982年，Boutonnet等人應用微乳法，制備出Pt、Pd等金屬納米粒子。微乳法制備納米材料，由于它獨特的工藝性能和較為簡單的實驗裝置，在實際應用中受到了國內外研究者的廣泛關注。

三、結論

納米材料由于具有特異的光、電、磁、催化等性能，可廣泛應用于國防軍事和民用工業的各個領域。它不僅在高科技領域有不可替代的作用，也為傳統的產業帶來生機和活力。隨著納米材料制備技術的不斷開發及應用范圍的拓展，工業化生產納米材料必將對傳統的化學工業和其它產業產生重大影響。但到目前為止，開發出來的產品較難實現工業化、商品化規模。主要問題是:對控制納米粒子的形狀、粒度及其分布、性能等的研究很不充分；納米材料的收集、存放，尤其是納米材料與納米科技的生物安全性更是急待解決的問題。這些問題的研究和解決將不僅加速納米材料和納米科技的應用和開發，而且將極大地豐富和發展材料科學領域的基礎理論。

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Abstract: With the characteristics of large surface area, low melting point, nanomaterials has far-reaching significance in materials science. This paper expounds preparation and characteristics of nanomaterials systematically, and makes the prospects for its future application.

關鍵詞： 納米粒子；納米材料；制備方法

Key words: nanoparticles；nanomaterials；preparation method

中圖分類號：TB3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2012）24-0021-02

0 引言

納米技術作為一種最具有市場應用潛力的新興科學技術，其在短短三十年發展迅猛，已引起一場技術革命。納米技術包括納米材料學，納米工程學等，其中納米材料學是關鍵。納米材料是指結構單元尺寸介于1～100nm范圍之間，其和普通材料相比，具有許多優良的特性。而納米材料的制備是納米材料學的核心，目前，制備納米材料的方法眾多，歸納起來，無外乎兩種，即物理方法和化學方法。

1 納米粒子的特性

納米粒子是由數目較少的原子或分子形成，在熱力學上是不穩定的，所以被視為一種新的物理狀態，是介于宏觀物質和微觀原子、分子之間的一種狀態，使其具有許多奇異的特性，除正在探索的性質以外，已經發現有：

1.1 比表面和表面張力較大

平均粒徑為10-100nm的納米粒子的比表面積可達10-70m2/g，納米粒子內部會產生很高的壓力，造成納米粒子內部原子間距比塊材小，所以表面張力較大。

1.2 納米粒子的熔點降低

例如塊狀金的熔點為1063℃，但粒徑為2nm的納米時則金熔點降低到300℃左右，所以可在較低溫度時發生燒結和熔融。

1.3 磁性的變化

晶粒的納米化可使一些抗磁性物質變為順磁性，如金屬Sb通常為抗磁性，而納米Sb則表現出順磁性，此外，納米化后還會出現各種顯著的磁效應、巨磁阻效應等。

1.4 物理性質變化

金屬納米粉末一般呈黑色，而且粒徑越小，顏色越深，即納米粒子的吸收光能力越強；當其顆粒尺寸小于50nm時，位錯源在通常應力下難以起作用，使得金屬強度增大[1]。粒徑約為5-7nm的納米粒子制得的銅和鈀納米固體的硬度和彈性強度比常規金屬樣品高出5倍。

1.5 納米離子的導電性增加

研究表明，納米CaF2的離子電導率比多晶粉末CaF2高約一個數量級，比單晶CaF2高約兩個數量級。

此外，納米粒子還具有化學反應性能高、比熱容大，在低溫下有良好的熱導性，作為催化劑效率高、隨著粒度減小，超導臨界溫度逐漸提高等特點。

2 納米粒子的制備方法

制備納米粒子的方法歸納起來，無外乎兩種方法，即物理制備方法和化學制備方法，兩種方法的本質都是將塊狀的或者較大顆粒的物質變成顆粒更小的納米級的粒子。

2.1 物理制備方法

根據物理化學原理，物質的分散度越高，即顆粒越小，其表面吉布斯自由能會越高，此時，形成的顆粒會自發聚集變大，也就是說粉碎到一定程度時就不能再被粉碎。我們可以通過一些物理方法，比如表面活性劑、改變溫度壓強等方法來制備納米粒子。

2.1.1 低溫低壓制備方法 對于由固體物質來制備納米粒子，可以在低溫下進行粉碎，可采用液氮或者干冰來進行溫度控制，這種方法缺點：在制備過程中容易引入雜質，并且粒子的顆粒大小難以控制，并且生成的粒子容易發生聚集。

對于由液體物質來制備納米粒子，可以在低溫低壓下進行，先將溶液霧化冷凍，再在低溫低壓下干燥，然后將溶劑生化后得到納米級尺度粒子。這種方法優點是操作簡單，可制的10-50nm的微粒；缺點是一旦形成玻璃態，就無法生華溶劑。

2.1.2 表面活性劑作用下制備 由固體物質來制備 用純度優于99%的粉狀石墨和粉狀金屬按原子比為1:1的混合粉末，在氬氣保護下置于容積為120mL的鋼罐中，選用WC球（ф12mm），球與粉的質量比為18:1，然后在行星或球磨機上高能球磨，經過110h后得到粒徑約為10nm的納米粒子。加入表面活性劑作為助磨劑，可以獲得力度更小的納米粒子。該法可以制備高熔點金屬碳化物TaC，NbC等。再如，可將顆粒較小的粉末狀物質裝入不銹鋼容器內，再加入乙醇作為表面活性劑，用氮氣作為保護氣體，在45atm下進行超聲波進行粉碎，亦可以得到納米粒子（0.5μm）。這種方法已制備出SiC等超微粉末，操作簡單可靠。

由液體物質來制備其操作步驟主要有:將所要制備物質原料和煤油按照1:1體積比混合，然后在高溫條件下（不低于170℃）緩緩加入乳化劑，并在攪拌過程中將溶劑蒸發掉，并且進行干燥，最后經分離，對無水鹽類物質進行加熱分解即得到納米級粉末。這種方法，目前已制備出橄欖石型超微納米粉末。

2.2 化學制備方法

篇10

【關鍵詞】納米材料；納米技術；應用

有人曾經預測在21世紀納米技術將成為超過技術和基因技術的“決定性技術”，由此納米材料將成為最有前途的材料。世界各國相繼投入巨資進行，美國從2000年啟動了國家納米計劃，國際納米結構材料會議自1992年以來每兩年召開一次，與納米技術有關的國際期刊也很多。

一、納米材料的特殊性質

納米材料高度的彌散性和大量的界面為原子提供了短程擴散途徑，導致了高擴散率，它對蠕變，超塑性有顯著，并使有限固溶體的固溶性增強、燒結溫度降低、化學活性增大、耐腐蝕性增強。因此納米材料所表現的力、熱、聲、光、電磁等性質，往往不同于該物質在粗晶狀態時表現出的性質。與傳統晶體材料相比，納米材料具有高強度——硬度、高擴散性、高塑性——韌性、低密度、低彈性模量、高電阻、高比熱、高熱膨脹系數、低熱導率、強軟磁性能。這些特殊性能使納米材料可廣泛地用于高力學性能環境、光熱吸收、非線性光學、磁記錄、特殊導體、分子篩、超微復合材料、催化劑、熱交換材料、敏感元件、燒結助劑、劑等領域。

（一）力學性質

高韌、高硬、高強是結構材料開發應用的經典主題。具有納米結構的材料強度與粒徑成反比。納米材料的位錯密度很低，位錯滑移和增殖符合Frank-Reed模型，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒粒徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以納迷材料中位錯滑移和增殖不會發生，這就是納米晶強化效應。金屬陶瓷作為刀具材料已有50多年，由于金屬陶瓷的混合燒結和晶粒粗大的原因其力學強度一直難以有大的提高。應用納米技術制成超細或納米晶粒材料時，其韌性、強度、硬度大幅提高，使其在難以加工材料刀具等領域占據了主導地位。使用納米技術制成的陶瓷、纖維廣泛地應用于航空、航天、航海、石油鉆探等惡劣環境下使用。

（二）磁學性質

當代機硬盤系統的磁記錄密度超過1.55Gb/cm2，在這情況下，感應法讀出磁頭和普通坡莫合金磁電阻磁頭的磁致電阻效應為3%，已不能滿足需要，而納米多層膜系統的巨磁電阻效應高達50%，可以用于信息存儲的磁電阻讀出磁頭，具有相當高的靈敏度和低噪音。巨磁電阻效應的讀出磁頭可將磁盤的記錄密度提高到1.71Gb/cm2。同時納米巨磁電阻材料的磁電阻與外磁場間存在近似線性的關系，所以也可以用作新型的磁傳感材料。高分子復合納米材料對可見光具有良好的透射率，對可見光的吸收系數比傳統粗晶材料低得多，而且對紅外波段的吸收系數至少比傳統粗晶材料低3個數量級，磁性比FeBO3和FeF3透明體至少高1個數量級，從而在光磁系統、光磁材料中有著廣泛的應用。

（三）電學性質

由于晶界面上原子體積分數增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發生尺寸誘導金屬——絕緣體轉變（SIMIT）。利用納米粒子的隧道量子效應和庫侖堵塞效應制成的納米器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特點，有可能在不久的將來全面取代目前的常規半導體器件。2001年用碳納米管制成的納米晶體管，表現出很好的晶體三極管放大特性。并根據低溫下碳納米管的三極管放大特性，成功研制出了室溫下的單電子晶體管。隨著單電子晶體管研究的深入進展，已經成功研制出由碳納米管組成的邏輯電路。

（四）熱學性質

納米材料的比熱和熱膨脹系數都大于同類粗晶材料和非晶體材料的值，這是由于界面原子排列較為混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變弱的結果。因此在儲熱材料、納米復合材料的機械耦合性能應用方面有其廣泛的應用前景。例如Cr-Cr2O3顆粒膜對太陽光有強烈的吸收作用，從而有效地將太陽光能轉換為熱能。

（五）光學性質

納米粒子的粒徑遠小于光波波長。與入射光有交互作用，光透性可以通過控制粒徑和氣孔率而加以精確控制，在光感應和光過濾中廣泛。由于量子尺寸效應，納米半導體微粒的吸收光譜一般存在藍移現象，其光吸收率很大，所以可應用于紅外線感測器材料。

（六）生物醫藥材料應用

納米粒子比紅血細胞（6～9nm）小得多，可以在血液中自由運動，如果利用納米粒子研制成機器人，注入人體血管內，就可以對人體進行全身健康檢查和，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物等，還可吞噬病毒，殺死癌細胞。在醫藥方面，可在納米材料的尺寸上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的藥品納米材料粒子將使藥物在人體內的輸運更加方便。

二、納米技術現狀

在歐美日上已有多家廠商相繼將納米粉末和納米元件產業化，我國也在國際環境下創立了一（下轉第37頁）（上接第26頁）些影響不大的納米材料開發公司。美國2001年通過了“國家納米技術啟動計劃（NationalTechnologyInitiative）”，年度撥款已達到5億美圓以上。美國戰略的重點已由過去的國家通信基礎構想轉向國家納米技術計劃。布什總統上臺后，制定了新的納米技術的戰略規劃目標：到2010年在全國培養80萬名納米技術人才，納米技術創造的GDP要達到萬億美圓以上，并由此提供200萬個就業崗位。2003年，在美國政府支持下，英特爾、蕙普、IBM及康柏4家公司正式成立中心，在硅谷建立了世界上第一條納米芯生產線。許多大學也相繼建立了一系列納米技術研究中心。在商業上，納米技術已經被用于陶瓷、金屬、聚合物的納米粒子、納米結構合金、著色劑與化妝品、元件等的制備。

目前美國在納米合成、納米裝置精密加工、納米生物技術、納米基礎等多方面處于世界領先地位。歐洲在涂層和新儀器應用方面處于世界領先地位。早在“尤里卡計劃”中就將納米技術研究納入其中，現在又將納米技術列入歐盟2002——2006科研框架計劃。日本在納米設備和強化納米結構領域處于世界先進地位。日本政府把納米技術列入國家科技發展戰略4大重點領域，加大預算投入，制定了宏偉而嚴密的“納米技術發展計劃”。日本的各個大學、研究機構和界也紛紛以各種方式投入到納米技術開發大潮中來。

在上世紀80年代，將納米材料列入國家“863計劃”、和國家基金項目，投資上億元用于有關納米材料和技術的研究項目。但我國的納米技術水平與歐美等國的差距很大。目前我國有50多個大學20多家研究機構和300多所企業從事納米研究，已經建立了10多條納米技術生產線，以納米技術注冊的公司100多個，主要生產超細納米粉末、生物化學納米粉末等初級產品。

三、前景展望

經過幾十年對納米技術的研究探索，現在科學家已經能夠在實驗室操縱單個原子，納米技術有了飛躍式的發展。納米技術的應用研究正在半導體芯片、癌癥診斷、光學新材料和生物分子追蹤4大領域高速發展。可以預測：不久的將來納米金屬氧化物半導體場效應管、平面顯示用發光納米粒子與納米復合物、納米光子晶體將應運而生；用于集成電路的單電子晶體管、記憶及邏輯元件、分子化學組裝機將投入應用；分子、原子簇的控制和自組裝、量子邏輯器件、分子電子器件、納米機器人、集成生物化學傳感器等將被研究制造出來。

納米技術目前從整體上看雖然仍然處于實驗研究和小規模生產階段，但從的角度看：上世紀70年代重視微米科技的國家如今都已成為發達國家。當今重視發展納米技術的國家很可能在21世紀成為先進國家。納米技術對我們既是嚴峻的挑戰，又是難得的機遇。必須加倍重視納米技術和納米基礎理論的研究，為我國在21世紀實現騰飛奠定堅實的基礎。整個人類將因納米技術的發展和商業化而產生根本性的變革。