納米材料的制備及應(yīng)用

1、本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目： 納米材料的制備及應(yīng)用 學(xué)院： 物理與電子科學(xué)學(xué)院 班級(jí)： XX級(jí)XX班 姓名： XXX 指導(dǎo)教師： XXX 職稱： 完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日納米材料的制備及應(yīng)用摘要:近幾年來，由于納米材料有眾多特殊性質(zhì)，人們?cè)絹碓疥P(guān)注納米材料?？萍嫉难该桶l(fā)展使納米材料的制備變得更加成熟。本論文講述納米材料的制備，以及納米技術(shù)在將來的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：納米材料 物理方法 化學(xué)方法 應(yīng)用前景 目 錄引言11.納米材料的物理制備方法11.1物理粉碎法11.2球磨法11.3.蒸發(fā)冷凝法21.3.1.激光加熱蒸發(fā)法21.3.2.真空蒸發(fā)冷凝法31.3.3.電子束照射法41.3.

2、4.等離子體法41.3.5.高頻感應(yīng)加熱法51.4.濺射法62.納米材料的化學(xué)制備方法72.1化學(xué)沉淀法72.2化學(xué)氣相沉積法72.3化學(xué)氣相冷凝法92.4溶膠-凝膠法92.5水熱法103.納米材料的其他制備方法103.1分子束外延法113.2靜電紡絲法114.納米材料的應(yīng)用前景125.總結(jié)13參考文獻(xiàn)13致謝14 引言 納米材料是指任一維空間尺度處于1100nm之間的材料。它有著不同尋常的性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)可引起物理性質(zhì)的突變，從而具有獨(dú)特的性能；量子尺寸效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)使其具有了一般大顆粒物不具備的性質(zhì)，如對(duì)紅外線、紫外線有很強(qiáng)的反射作用，應(yīng)用到紡織品中有抗紫外線，隔熱保溫作用。納米材

3、料的這些特性使其在化工、物理、生物、醫(yī)學(xué)方面都有非常重要的價(jià)值。多年以來，通過科學(xué)家們的潛心研究，使納米材料在其制備及其應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。納米材料將逐漸進(jìn)入人們的日常生活，并將成為未來新工業(yè)革命的必備材料。1.納米材料的物理制備方法1.1物理粉碎法物理粉碎法就是用機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法得到納米微粒。此方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，但得到的納米微粒純度不高，分布也不均勻。 圖1. 機(jī)械粉碎法儀器圖 1.2球磨法球磨法是將材料放入球磨機(jī)內(nèi)，在球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)過程中，鋼球與原料之間產(chǎn)生劇烈的碰撞，再經(jīng)過攪拌、研磨，形成納米微粒。該方法操作比較簡(jiǎn)單，效率高，能獲得常規(guī)方法不易得到的高熔點(diǎn)合金，如

4、金屬陶瓷納米微粒；球磨法此外還可以將相圖上本來不互溶的納米元素制成固溶體，但該方法得到的納米微粒分布不均勻，而且很容易引入新的雜質(zhì)，有次得到的納米微粒純度不高。圖2. 球磨法示意圖1.3.蒸發(fā)冷凝法 蒸發(fā)-冷凝法也稱為物理氣相沉積法，即使用激光、電子束照射、真空蒸發(fā)、電弧高頻反應(yīng)等方法使原料生成等離子體，再在介質(zhì)中冷卻凝結(jié)行成納米微粒。這種方法大致又分一下幾種: 1.3.1.激光加熱蒸發(fā)法 光加熱蒸發(fā)法：用激光作為加熱源，氣相反應(yīng)物可在吸收傳遞能量之后快速凝結(jié)成核、長大、終止。用該方法可以達(dá)到減少雜質(zhì)的目的，實(shí)驗(yàn)過程容易控制，但這種方法電能消耗比較大，生產(chǎn)效率低，成本高，不宜大規(guī)模生產(chǎn)。圖3.

5、 激光加熱蒸發(fā)法制備納米顆粒實(shí)驗(yàn)裝置圖圖4. 激光加熱法制成的TiO2顆粒1.3.2.真空蒸發(fā)冷凝法 真空 蒸發(fā)冷凝法：在真空室里通入惰性氣體（He、Ar氣），然后對(duì)物質(zhì)進(jìn)行真空加熱，使其蒸發(fā)形成原子霧，原子霧遇冷凝結(jié)形成納米顆粒。這種在高溫下獲得的納米微粒很?。尚∮?0nm），在制備過程中無其它雜質(zhì)污染，反應(yīng)快，成品純度高，材料組織好。但這種方法僅能制備成分單一、熔點(diǎn)低的物質(zhì)。在制備金屬氧化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)的納米微粒時(shí)還存在很大局限性。而且此方法對(duì)設(shè)備要求高、成本也比較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。 圖5. 真空蒸發(fā)冷凝法制備納米顆粒示意圖1.3.3.電子束照射法電子束照射法：原材料（一般指

6、金屬氧化物）在高能電子束的照射下獲得能量，金屬氧鍵斷裂，金屬原子蒸發(fā)后遇冷凝結(jié)成核、長大，最終形成納米微粒。此方法只可以用來制備金屬納米粉末。 圖6. 電子束照射法制備納米微粒裝置圖1.3.4.等離子體法等離子體法：原材料在惰性或反應(yīng)性氛圍中，通過直流放電來使氣體電離，從而熔融、蒸發(fā)、冷凝得到納米微粒。用此種方法制得的產(chǎn)品分布均勻、純度高，適合于金屬及金屬氧化物、碳化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)納米微粒的制備。但此方法離子槍短、功率低。圖7. 等離子體法制備納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖1.3.5.高頻感應(yīng)加熱法 高頻感應(yīng)加熱法：用高頻線圈作為熱源，坩堝內(nèi)的原材料在低壓氣體（一般為He、Ne等惰性氣體）中蒸發(fā)，

7、原子蒸發(fā)后與惰性氣體碰撞凝結(jié)行成納米微粒。此方法僅限于制備低熔點(diǎn)的物質(zhì)，并不適合于沸點(diǎn)高的金屬盒難熔化物質(zhì)，且成本加高，一般不采用。 圖8. 高頻感應(yīng)加熱法制備納米納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖1.4.濺射法 濺射法：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽極，兩極之間充入Ar氣，壓強(qiáng)在40250Pa。由于兩極放電使得Ar氣體電離且撞擊陰極材料表面，陰極材料表面的分子或原子蒸發(fā)出來沉積到基片上，形成納米顆粒。目前，常用的濺射法有離子束濺射法，陰極濺射法，直流磁控濺射法等。此方法有鍍膜層與基材結(jié)合力強(qiáng)、鍍膜層致密、均勻等優(yōu)點(diǎn)。但產(chǎn)品分布不均勻，產(chǎn)量較低。 圖9. 濺射法制備納米微粒原理圖2.納米材料的化學(xué)制備方法 納米

8、材料的化學(xué)制備方即通過化學(xué)反應(yīng)，從原子、離子、分子出發(fā)，制備納米微粒。常用的化學(xué)制備法有沉淀法、氣相沉積法、等離子體誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法、氣相冷凝法、溶膠冷凝法、光化學(xué)合成法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、水熱法、熔融法、火焰水解法、輻射合成法等。2.1化學(xué)沉淀法 化學(xué)沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑，使其反應(yīng)生成難溶物或水和氧化物，再經(jīng)過慮、干燥、分解得到納米化合物微粒；化學(xué)沉淀法又有均勻沉淀法、直接沉淀法、醇鹽水解沉淀法、共沉淀法；其中，均勻沉淀法是預(yù)沉淀劑在溶液中緩慢反應(yīng)釋放出沉淀劑，沉淀劑與金屬離子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀劑與金屬離子直接反應(yīng)形成沉淀；醇鹽水解沉淀法就是金屬醇鹽遇水分解成

9、氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金屬鹽溶液中加入沉淀劑，獲得混合沉淀，再進(jìn)行熱分解或得納米微粒；此方法是液相化學(xué)合成納米微粒應(yīng)用最多的方法之一，其中關(guān)鍵是控制粉末成分的均勻，避免形成硬團(tuán)聚。這種方法在冷凍干燥過程中，冷凍液體不收縮，形成的納米微粒表面積較大，可以很好的消除粉末團(tuán)聚現(xiàn)象。沉淀法制備納米微粒時(shí)成品的影響因素比較多，如過濾過程，洗滌液的濃度、酸堿度等都會(huì)影響納米微粒的大??；此種方法操作簡(jiǎn)單，但很容易引入新的雜質(zhì)，影響產(chǎn)品的純度。2.2化學(xué)氣相沉積法.化學(xué)氣相沉積法又叫CVD法，就是原材料在氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到納米材料，所用的加熱源與物理氣相沉積法相同10。普通的化學(xué)氣相沉

10、積法得到的納米微粒易團(tuán)聚燒結(jié)，而且比較粗，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法就可以很好的避免上述情況的發(fā)生。化學(xué)氣相沉積法得到的納米微粒分布比較均勻，粒度小，純度高，化學(xué)活性高，而且成本低、生產(chǎn)效率高，是目前制備納米材料最常用的方法之一。此外，化學(xué)氣相沉積法由于制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，方便操作，適于大規(guī)模生產(chǎn)，工業(yè)應(yīng)用前景較好。化學(xué)氣相沉積法可以制備幾乎所有的金屬、氮化物、氧化物、碳化物、復(fù)合氧化物等膜材料。隨著制備納米材料的技術(shù)逐步完善，化學(xué)氣相沉積法將會(huì)由更廣泛的應(yīng)用11。圖10. 化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的實(shí)驗(yàn)裝置圖圖11. 化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的原理圖圖12. 化學(xué)氣相沉積法獲得的

11、各種形態(tài)固體示意圖2.3化學(xué)氣相冷凝法化學(xué)氣相冷凝法就是在真空室中充入惰性氣體，壓強(qiáng)在Pa左右，原材料和惰性氣體先在磁控濺射裝置中反應(yīng)，在經(jīng)過冷凝得到納米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，簡(jiǎn)稱CVC法，目前已經(jīng)成功應(yīng)用這種方法獲得了二氧化鈦、二氧化鋯、氮化硅、碳化硅的納米材料。2.4溶膠-凝膠法 溶膠-凝膠法是以易溶于水的金屬化合物為原材料，使其在溶液中與水反應(yīng)，溶質(zhì)發(fā)生水解生成納米級(jí)的微粒并形成溶膠，溶膠經(jīng)過蒸發(fā)、干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z(該法在低溫下反應(yīng)，允許摻雜大量的無機(jī)物和有機(jī)物)，再經(jīng)過干燥、燒結(jié)等后處理獲得氧化物納米微粒；這種方法常涉及的反應(yīng)有聚合反應(yīng)、水解反應(yīng)。目前，

12、溶膠-凝膠法一般又分為兩種：膠體化學(xué)法和金屬醇鹽水解法。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，在低溫環(huán)境下就可以獲得分布均勻、純度較高的納米微粒，而且可以用來獲得一般方法難以得到納米材料。用溶膠凝膠法制備的納米材料有多孔狀結(jié)構(gòu)，表面積較大，在氣敏、濕敏及催化方面有很大的應(yīng)用，可以使氣敏、濕敏特性和催化率得到較大提高。此外，這種方法是制備涂層以及薄膜非常有效的方法之一，也特別適合制備非晶態(tài)納米材料。但這種方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收縮、開裂，所以使用范圍不廣。 圖13. 溶膠-凝膠法制備納米材料的流程圖2.5水熱法 水熱法是指在封閉的反應(yīng)容器中，將水溶液作反應(yīng)體系，對(duì)水溶液加熱增大體系壓強(qiáng)來制

13、備無機(jī)材料，再經(jīng)過分離、熱處理得到納米微粒；離子反應(yīng)和水解反應(yīng)在水熱條件下可得到加速、促進(jìn)，常溫下反應(yīng)很慢的熱力學(xué)反應(yīng)，在水熱條件下就可以快速反應(yīng)；在高壓下，大部分反應(yīng)物能部分溶于水中，使得反應(yīng)在液相或氣相中進(jìn)行。 水熱法可以控制微粒的形態(tài)、結(jié)晶度、組成和大小，使用此法獲得的粉體具有較低的表面能，因此粉體一般無團(tuán)聚或少團(tuán)聚。這一特點(diǎn)大幅度提高了粉體的燒結(jié)性能，所以此法非常適合于陶瓷的生產(chǎn)；并且，水熱法的反應(yīng)溫度低，活性高，為大規(guī)模的生產(chǎn)納米材料提供了非常有利的條件；水熱法的低溫條件有利于合成熔點(diǎn)較低的化合物；水熱法合成的高壓和低溫條件，便于制成晶型完好、取向規(guī)則的晶體材料，而且合成產(chǎn)物的純度較

14、高。水熱法缺點(diǎn)是一般只能制備氧化物納米粉體，對(duì)晶核的形成過程以及晶體生長過程中的控制影響因素等許多方面還缺乏深入研究。此外，水熱法制備過程中有高溫、高壓步驟，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的安全性要求較高。3.納米材料的其他制備方法 納米材料的制備方法有很多種，除了上述方法之外還有分子束外延法、靜電紡絲法等。3.1分子束外延法分子束外延法就是在晶體基片上生長高質(zhì)量的晶體薄膜。在真空條件下，加熱裝有各種所需組分的爐子，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過小孔形成分子束或原子束，直接噴到單晶基片上，同時(shí)控制分子束，對(duì)襯底掃描，就可以使按晶體排列的分子或原子一層層地生長在基片上形成薄膜。 圖14. 分子束外延法原理圖 分子束外延法生長溫

15、度低，能減少不希望的熱激活過程，生長速度緩慢，外延層厚度可得到精確控制；生長表面可達(dá)到原子級(jí)光滑度，可制備極薄的薄膜；生長的薄膜可以保持原來靶材料的化學(xué)計(jì)量比；把分析測(cè)試設(shè)備與生長系統(tǒng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)薄膜生長的原位監(jiān)測(cè)。分子束外延法也有不足的地方，如對(duì)真空要求非常高，分子束外延設(shè)備貴投資大，能耗大。3.2靜電紡絲法靜電紡絲法是在高壓電場(chǎng)作用下使聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電，當(dāng)電場(chǎng)力達(dá)到一定程度時(shí)，聚合物液滴在電場(chǎng)力作用下克服表面張力形成噴射流。噴射時(shí)，射流中的溶液發(fā)生蒸發(fā)或自身發(fā)生固化形成纖維，最終落在接收裝置上，獲得納米材料。 圖15. 所示為靜電紡絲原理圖靜電紡絲法制備納米材料優(yōu)點(diǎn)很多，如

16、裝置簡(jiǎn)單、成本低、可紡物多、工藝易控制，是制備納米纖維材料的有效方法。納米技術(shù)的發(fā)展使靜電紡絲作為一種簡(jiǎn)便有效的生產(chǎn)納米纖維的新型制備技術(shù)，將會(huì)在生物、醫(yī)用、催化、光電、食品工程、化妝品等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。4.納米材料的應(yīng)用前景 納米材料有很多優(yōu)異的特點(diǎn)，使得納米材料有很多不同于一般材料的奇特性質(zhì)。納米材料的應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。采用納米技術(shù)制造的納米結(jié)構(gòu)微處理器在微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)方面其效率要比普通微處理器的效率高100萬倍；納米存儲(chǔ)器的密度比普通存儲(chǔ)器的要高1000倍；而納米技術(shù)與集成技術(shù)結(jié)合又可制成納米傳感器；用納米材料做成的具有巨大表面積的電極，可以大幅度的提高放電效率；用納米材料

17、制成的磁記錄材料可以將磁帶記錄的密度提高數(shù)十倍。在環(huán)境與能源方面，納米材料可提高太陽能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，還可以用來消除空氣中的污染物。例如將Ti02催化劑涂在物體上，可以使物體具有自潔功能，任何粘在物體表面上的物質(zhì)（油污、細(xì)菌）在光的照射下，通過Ti02催化劑催化作用，變成氣體或容易被擦掉的物質(zhì)。納米催化劑還可以徹底消除水或空氣中的有害物質(zhì)。納米材料在減少環(huán)境污染、凈化環(huán)境上有廣闊的應(yīng)用前景。在生物學(xué)工程與醫(yī)學(xué)方面，將磁性納米材料做為藥物載體，在外磁場(chǎng)作用下集中于病患處，有利于提高藥效，也可以減少藥物副作用。用納米材料制成的溶液加上抗原或抗體，可以實(shí)現(xiàn)免疫學(xué)的間接凝聚實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)快速診斷。用納

18、米材料制成的機(jī)器人，用來人體進(jìn)行全方位的檢查，可消除血栓、心臟動(dòng)脈脂肪沉積物。5.總結(jié) 納米材料作為一種新興材料，具有十分廣闊和誘人的發(fā)展前景。納米材料的制備方法和技術(shù)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展更加成熟，將對(duì)人們的生活和人類生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。 隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都開始廣泛應(yīng)用納米材料。這必將會(huì)不斷出現(xiàn)更新更好的制備方法，希望在將來以下幾個(gè)方面可取得突破。(1) 在結(jié)構(gòu)、組成、排布、尺寸、等方面，制備出更適合各領(lǐng)域發(fā)展需要，具有更多預(yù)期功能的納米材料；(2) 從節(jié)能、節(jié)約材料、提高效率等角度出發(fā)，研制出更多的新設(shè)備，以便制備出更多的新型納米材料；(3) 設(shè)計(jì)出新的制備方法，采用

19、新的制備工藝，在原有納米材料的基礎(chǔ)上，提高納米材料的功能。參考文獻(xiàn)1.張立德，牟季美。納米材料和納米結(jié)構(gòu)M.北京:科學(xué)出版社，2001.1462.齊民，楊大智，朱敏.機(jī)械合金化過程的固態(tài)相變J.功能材料.1995(26):472 - 475 3.郭永，鞏雄，楊宏秀.納米微粒的制備方法及其進(jìn)展3.化學(xué)通報(bào)，1996,3.14.Gleiter H , On the structure of grain boundaries in metals J.Mater Sci.Eng,1982,52,915.Vissokov G.P, Plasmachemical technology for high-d

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