12纳米材料

纳米材料一、纳米材料的概念二、纳米材料的发展简史三、纳米材料的重要特征四、纳米材料的制备方法五、纳米材料的应用纳米(nm)：长度单位，1nm=10-9m,大约相当于头发粗细的万分之一纳米材料：纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸(0.1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。一、什么是纳米材料零维：纳米颗粒一维：纳米管、线、棒、带、环等二维：纳米片、盘、薄膜等三维：由尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的块状材料二、纳米材料的发展历史1、表面与界面效应2、小尺寸效应3、量子尺寸效应4、宏观量子隧道效应三、纳米材料的重要特征随着粒度的减小，颗粒的比表面积增大，其表面能也随之提高；颗粒表面原子数一总原子数的比例随着随着颗粒的变小而增大。表面与界面效应纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，使得材料的声、光、电、磁、热、力学等性质出现改变而导致新的特性产生的现象。小尺寸效应1、特殊的光学性质：黄金变成黑色，所有的金属都呈现为黑色。2、特殊热力学性质：熔点降低3、特殊的磁学性质：从磁有序态向磁无序态转化4、特殊的力学性质：韧性增加5、特殊的声学性质：导致纳米材料的声子谱发生改变当颗粒尺寸降低到临界值时，金属纳米颗粒在费米能级（EF）附近的电子态由连续变为离散的现象和半导体纳米颗粒禁带变宽的现象。例如：普通银为良导体，而纳米银在粒径小于20nm时为绝缘体。量子尺寸效应在半导体物理中，微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。后来发现，像微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等一些宏观量亦具有遂道效应，故称其为宏观的量子隧道效应。宏观量子轨道效应四、常见的纳米材料的制备方法1、气体冷凝法2、等离子体法3、机械研磨4、高温高压法物理法是在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属、合金或陶瓷，使其蒸发，然后与惰性气体碰撞、冷却、凝结，最终形成超微粒（1~1000nm）或纳米微粒（1~100nm）的方法气体冷凝法用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气（40~250Pa），两电极间施加的电压范围为0.3~1.5kV。由于两电极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面（加热靶材），使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微颗粒，并在附着面上沉积下来。溅射法使用各种超微粉碎机械设备将原料直接粉碎研磨成超微粉体。这种方法成本低、产量高以及制备工艺简单，一般对粉体的纯度和粒度要求不太高的场合较为适用。机械研磨先将金属丝固定在在一个充满惰性气体的反应室中，丝两端的卡头为两个电极，他们与一个大电容相连形成一个回路，加上高压强电流进行加热，熔断后在电流中断的瞬间，卡头上的高压在熔断处放电，使熔断的金属在放电过程中进一步加热变成蒸气，在惰性气体碰撞下形成纳米金属或合金粒子沉降在容器的底部。高温高压法1、化学沉积法2、水热及溶剂热法3、溶胶-凝胶法4、气-液-固（VLS）法5、固相反应法化学法水热法是利用高压釜里的高温、高压反应条件，采用水作为反应介质，实施目标产物的制备。水热条件下纳米材料的制备有水热结晶、水热化合、水热分解、水热脱水、水热氧化还原等。主要适用于纳米粉体的制备，也可用于纳米薄膜的沉积。优点：克服了常压下水溶液加热反应温度上限只能到100℃左右的不足，实现了水溶液高温高压下的化学反应。隔绝空气防氧化，适合硫化物、硒化物等的热处理。水热及溶剂热法先将前驱物溶于溶剂中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反应生成物聚集成1nm左右的粒子并组成溶胶，经蒸发干燥转变为凝胶。溶胶-凝胶法这种方法一般要求有催化剂存在，生长材料首先被蒸发成气态，在适宜温度下，催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物，生长材料的组元不断从气相中获得，当液态中熔质组元达到过饱和后，晶须将沿着固-液界面一择优方向析出，长成线状晶体。VLS法固相法纳米磁性材料：用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域纳米陶瓷材料：纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。纳米传感器：纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。五、纳米材料的应用纳米催化材料：镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化剂，可替代昂贵的铂或钯催化剂。纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应的温度从600℃降低到室温。纳米半导体材料：利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池。由于纳米半导体粒子受光照射时产生的电子和空穴具有较强的还原和氧化能力，因而它能氧化有毒的无机物，降解大多数有机物，最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物。储氢性能：储氢材料纳米化后，其比表面积显著增加，储氢性能得到明显提升。医学中的应用：通过纳米粒子的特殊性能在纳米粒子表面进行修饰形成一些具有靶向，可控释放，便于检测的药物传输载体，为身体的局部病变的治疗提供新的方法，为药物开发开辟了新的方向。