化學(xué)及現(xiàn)代材料新技術(shù)

1、 化學(xué)與現(xiàn)代材料化學(xué)與現(xiàn)代材料新新技術(shù)技術(shù)21世紀(jì)是以納米材料為核心的材料科學(xué)，以納米技術(shù)代表的材料核心技術(shù)，將引領(lǐng)材料新技術(shù)未來。一一. .納米技術(shù)的發(fā)展過程納米技術(shù)的發(fā)展過程 Development process of Nanotechnology1959年，美國(guó)著名物理學(xué)家，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者Feynman提出設(shè)想：若有一天可以按人的意愿安排一個(gè)原子，將為產(chǎn)生怎樣奇跡?Nanotechnology Do you know?IBM公司的Bininy教授和Roher于1981年在IBM公司瑞士蘇黎世實(shí)驗(yàn)室，發(fā)明了掃描隧道顯微鏡。其橫向分辨率為0.1nm，縱向分辨率達(dá)0.01nm1986年

2、Bininy、Rohrer獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)掃描隧道顯微鏡不僅可觀察原子，還能直操縱和排列原子，開辟了納米技術(shù)新紀(jì)元。1985年11月nature雜志上發(fā)表了兩名美國(guó)人Smalley和Curl以及一名英國(guó)人Kroto的論文，論文涉及C60的發(fā)現(xiàn)，并對(duì)C60結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)定，指出直徑只有0.7nm由60個(gè)碳原子組成的球形結(jié)構(gòu)極其穩(wěn)定。1996年10月三人發(fā)現(xiàn)的富勒分子榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)碳納米管（CNT）亦叫巴基管，是碳的同素異形體，由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的無縫、中空納米管。單壁碳納米管直徑為1-6 nm多壁碳納米管直徑nm m碳納米管于1991年初日本人首次發(fā)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)與C60

3、同屬一類，是被拉長(zhǎng)的C60，其強(qiáng)度比鋼高出100倍，但重量只有鋼的16.5萬個(gè)碳納米管并排起來只有頭發(fā)絲粗，其強(qiáng)度達(dá)到1mm直徑鋼絲的強(qiáng)度。根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同，碳納米管可以呈現(xiàn)金屬或半導(dǎo)體特性，可作為量子開關(guān)，使現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)體積縮小為原來的1/100。這是世界上最小的室溫整流器，它僅是少數(shù)幾個(gè)原子大小的整流器碳納米管與高分子材料復(fù)合后，強(qiáng)度和導(dǎo)電性都得到提高，可作為高比強(qiáng)度材料和防靜電器件。采用碳納米管作為場(chǎng)發(fā)射的陰極材料，在逸出功、閾值電壓和散熱等方面比鉬尖錐具有明顯的優(yōu)越性，因此在場(chǎng)發(fā)射顯示器領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。碳納米管的理論比表面積可達(dá)8000m2/g，可作為雙電層超級(jí)電容器的極板材料，

4、達(dá)到很高的儲(chǔ)氫能力，可能是未來燃料電池汽車氫氣儲(chǔ)運(yùn)材料的最佳選擇。H2互相纏繞的一維碳納米管形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)有顯著提高雙電層電容器的電容量 超級(jí)雙電層電容器是在電化學(xué)雙層的電場(chǎng)中儲(chǔ)存能量，其儲(chǔ)存能量的多少，也是由電容器中極板的有效化表面積而定碳納米管制備的極板具有很高的比表面積碳納米管通過內(nèi)外修飾，可產(chǎn)生優(yōu)異的物理、化學(xué)和生物性能，在太空、軍事領(lǐng)域特別是未來戰(zhàn)爭(zhēng)中應(yīng)有獨(dú)特應(yīng)用1990年，在美國(guó)巴爾的摩市召開了國(guó)際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議。從此，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的形成，象征著人類歷史揭開了新篇章，宣告了納米科技時(shí)代的來臨。1992年9月，在墨西哥的堪昆市召開了國(guó)際第二屆納米結(jié)構(gòu)材料會(huì)議，正式把納米材

5、料作為科學(xué)的新分支公諸于世。Taniguchi在在1974年提出年提出“納米技術(shù)納米技術(shù)”是指的是是指的是1至至100納米范圍的機(jī)械加工。納米范圍的機(jī)械加工。二二. .納米技術(shù)的主要納米技術(shù)的主要研究領(lǐng)域研究領(lǐng)域 Research interests of Nanometer Materials1.納米量子器件及其集成技術(shù)納米電子技術(shù)納米信息材料的制備和設(shè)備研制量子器件和單電子晶體管2.納米信息獲取技術(shù)及器件量子效應(yīng)傳感器納米分析系統(tǒng)3.納米光電子材料及器件GaN基光電器件與新一代照明光源自組裝量子點(diǎn)及其發(fā)光器件相干光電子器件硅基納米發(fā)光器件單分子、團(tuán)簇場(chǎng)致發(fā)射器件納米光子器件納米探測(cè)器件4.

6、納米級(jí)高密度信息存儲(chǔ)及器件5.生物醫(yī)學(xué)納米器件藥物顆米粒納米技術(shù)用于疾病早期診斷的納米技術(shù)6.納米金屬材料納米晶合金軟磁功能材料納米晶稀土永磁材料納米金屬分體材料納米潤(rùn)滑添加劑和納米磁l生液體7.納米非金屬材料納米陶瓷材料納米復(fù)合材料8.納米材料應(yīng)用技術(shù)能源與環(huán)境的納米材料納米粉體材料的高效制備技術(shù)9.納米材料及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與模板納米結(jié)構(gòu)檢測(cè)與表征納米科學(xué)技術(shù)在國(guó)防上的應(yīng)用，以對(duì)付未來的納米戰(zhàn)爭(zhēng)三三. .納米材料的特性納米材料的特性 The characteristics of Nanometer Materials1.納米材料的定義lnm=l0-3um=10-6mm=l0-9m=l0A lnm

7、相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的相當(dāng)于人的頭發(fā)絲直徑的1/50001/8000納米材料納米超微粒子納米固體材料具有組成相或晶粒結(jié)構(gòu)的、長(zhǎng)度在l00nm以下的材料叫做納米材料 具有顆粒尺寸為1100nm的超微粒子的材料納米超微粒子組成的固體材料1 0 0 m1 0 0 s lic e sT a k e 1 s lic e1 m1 0 0 0 s lic e sT a k e 1 s lic e1 n mH u m a n H a ir納米相金屬、納米相陶瓷和其他納米相固體材料跟普通的金屬、陶瓷和其他固體材只不過這些原子排列成了納米碳的原子團(tuán)，成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。常規(guī)材料基本顆粒的直徑小

8、至幾微米大到幾毫米，包含幾十億個(gè)原子；而納米相材料中的基本顆粒的直徑小于100nm，所包含的原子不到幾萬個(gè)。樹葉上的雨滴有一個(gè)光滑、彎曲的表面，恰是光學(xué)透鏡所要求的形狀。液氣界面上的分子比內(nèi)部的分子穩(wěn)定性低，熱力學(xué)定律要求雨滴具有這種形狀，以使表面積最小而穩(wěn)定性最高。這種自組裝形式稱為熱力學(xué)自組裝。2.自組裝效應(yīng)（Self-Assembly effect）細(xì)胞每次分裂都復(fù)制自身浮法玻璃 金屬要變得光滑平坦以使它的表面積最小，因此，其上部的玻璃也變得光滑、平坦、均勻。這種方法比用其他工藝生產(chǎn)的玻璃再磨制拋光要便宜得多，表面質(zhì)量也更高。浮法玻璃就是用熔融的金屬池中浮起熔融玻璃的方法制造。印刷誘導(dǎo)自

9、組裝（LISA）Lityogr aphically Induced SeltAssembly20世紀(jì)90年代后期，美國(guó)普林斯頓大學(xué)電子工程系的StephanChen教授及其學(xué)生發(fā)現(xiàn)，借助于非常小的專用設(shè)備，能夠誘使一片平滑的塑料樹脂薄片自組成為一種微小的、完美有序的柱狀體。這些“柱子”不僅能“自我產(chǎn)生”，而且還能“自我排列”成完美有序的狀態(tài)。全新的制造技術(shù)簡(jiǎn)單地把兩片膜層貼近，讓膜的微結(jié)構(gòu)自我組裝3.小尺寸效應(yīng)（Small size effect）粒子直徑粒子直徑/nm1510100表面原子總數(shù)/個(gè)30400030，0003，000，000表面原子所占百分?jǐn)?shù)/%10040202物性系統(tǒng)因其結(jié)構(gòu)

10、和組成的尺寸達(dá)到納米級(jí)而呈現(xiàn)出異常的物理、化學(xué)和生物特性，而這些性能的改變只是因?yàn)椴牧系某叽邕_(dá)到納米級(jí)所引起。這種效應(yīng)叫做納米材料的小尺寸效應(yīng)。0.1100nm的納米尺度范圍內(nèi)，材料將表現(xiàn)出與宏觀尺寸(大于100nm)材料不同的明顯變化。熔點(diǎn)下降（40nm銅1083C降為750C）、塑性增大、硬度增大、顏色變深等。4.表面效應(yīng)(Surface effect) 對(duì)于直徑大于100nm的球狀顆粒，表面效應(yīng)可以忽略不計(jì)。在環(huán)境保護(hù)方面，利用納米材料的巨大比表面積，使污染過濾取得明顯效果。納米粒子的表面原子與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度增加，從而導(dǎo)致表面能增加，引起納米粒子性質(zhì)的變化由于

11、納米材料有非常大的比表面積，導(dǎo)致它具有極高的表面活性。在催化領(lǐng)域，納米材料作為新型催化材料，可大幅度降低催化劑成本，增加催化活性，提高催化劑選擇性。表面效應(yīng)的主要影響表面效應(yīng)的主要影響表面化學(xué)反應(yīng)活性表面化學(xué)反應(yīng)活性介電材料的高介電常數(shù)介電材料的高介電常數(shù)催化活性催化活性納米材料的穩(wěn)定性納米材料的穩(wěn)定性鐵磁質(zhì)的居里溫度降低鐵磁質(zhì)的居里溫度降低熔點(diǎn)降低熔點(diǎn)降低納米材料的超塑性和超延展性納米材料的超塑性和超延展性燒結(jié)溫度、晶化溫度降低燒結(jié)溫度、晶化溫度降低5.量子效應(yīng)(Quantum effect)20世紀(jì)60年代，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度為200萬次/S，90年代達(dá)10億次/S，到20世紀(jì)末，由美國(guó)IB

12、M公司完成的“先進(jìn)戰(zhàn)略仿真計(jì)算機(jī)”的運(yùn)行速度達(dá)到了123 萬億次/S，現(xiàn)在已達(dá)千萬億次。但是，電子計(jì)算發(fā)展到最后，終將遇到物理極限問題，這是因?yàn)榫w管和電路均不可能小于原子直徑。在測(cè)量20nm以下的量子限值時(shí)，常規(guī)的物理規(guī)律就不再適用了，所以必須采用新規(guī)則。 傳統(tǒng)的技術(shù)已使集成塊電路的布線從20世紀(jì)70年代末的10mm降低到今天的0.18 。由于集成塊上各種元件之間的絕緣厚度越來越小，當(dāng)絕緣層達(dá)到5個(gè)原子(納米級(jí))厚時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)“量子隧道”現(xiàn)象，即傳輸電荷的電子可以穿絕緣層的現(xiàn)象。量子尺寸效應(yīng)的主要影響量子尺寸效應(yīng)的主要影響1、導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變、導(dǎo)體向絕緣體的轉(zhuǎn)變2、吸收光譜的蘭移現(xiàn)象、吸收

13、光譜的蘭移現(xiàn)象3 、納米材料的磁化率、納米材料的磁化率4、納米顆粒的發(fā)光現(xiàn)象、納米顆粒的發(fā)光現(xiàn)象有一個(gè)非常細(xì)小的探針，安裝在可以移動(dòng)的臂上(理論上講這個(gè)探針直徑是一個(gè)原子大小)。當(dāng)探針與試樣表面相距約lnm時(shí)，只要在探針與試樣之間施加約幾伏的電壓，電子在探討與試樣表面之間流過，這種電流就是隧道電流，產(chǎn)生的這種效應(yīng)就是隧道效應(yīng)。6.隧道效應(yīng)(Tunnel effect)隨著探針在試樣表面掃描，就可測(cè)出隧道電流的變化，由此在熒光屏上顯示出試樣表面形貌。四四. .納米材料制備技術(shù)納米材料制備技術(shù) Preparation of Nanometer Materials1.材料層次的結(jié)構(gòu)材料必須有三個(gè)層次

14、的因素高分子材料結(jié)構(gòu)層次一次結(jié)構(gòu)（構(gòu)型）（化學(xué)結(jié)構(gòu)）高次結(jié)構(gòu)（復(fù)合材料結(jié)構(gòu)）三次結(jié)構(gòu)（超分子結(jié)構(gòu)）（分子聚集體結(jié)構(gòu)）二次結(jié)構(gòu)（構(gòu)象）（物理結(jié)構(gòu)）分子結(jié)構(gòu)決定了它有潛在的功能分子以上的有序結(jié)構(gòu)決定它具有表觀的功能構(gòu)筑材料的外形決定它具有表觀的功能化學(xué)合成物理合成一次結(jié)構(gòu)(分子結(jié)構(gòu))二次以上結(jié)構(gòu)(超分子結(jié)構(gòu)等)分子結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)理化性能超分子結(jié)構(gòu)功能2.納米材料制備技術(shù) 納米材料制備技術(shù)就是按照精確的分子設(shè)計(jì)，在納米尺度上規(guī)劃分子中原子間的相對(duì)位置和結(jié)合方式，以及分子間的相互位置和排列，通過納米尺度上操縱原子、分子，完成精確操作，實(shí)現(xiàn)納米量級(jí)分子各級(jí)結(jié)構(gòu)的精確定位，從而能精確調(diào)控所得材料的性能和功能

15、。納米材料制備方法物理方法化學(xué)方法化學(xué)物理方法放電爆炸法復(fù)合混合法超度法其他特殊合成法高分子合金化學(xué)氣相沉積法原位扦層法模板聚合法溶膠I凝膠法真空蒸發(fā)法激光蒸發(fā)法物理氣相沉積法其他特殊加工法電場(chǎng)紡絲納米材料制備方法氣相合成方法固相合成方法化學(xué)方法化學(xué)氣相沉積法微乳液法物理氣相沉積法結(jié)晶輻射聚合法沉淀法溶膠-凝膠法熱水法快淬法高能球磨法模板法例1：電場(chǎng)紡絲（物理方法） 在一個(gè)受電場(chǎng)約束的受限空間里，當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度到足以抵消分子熔體或液滴的表面張力，則形成帶電的具有一定長(zhǎng)徑的高分子粒子流，它們會(huì)流有帶相反電勢(shì)的接受器。而粒子也會(huì)因周圍電場(chǎng)的徑向分量的增加而發(fā)生分裂，成為直徑可小到納米量級(jí)的纖維。例2：

16、化學(xué)氣相沉積法制備單壁碳納米管基種催化裂解法浮動(dòng)催化裂解法催化劑顆粒預(yù)先分散在基體上，氣相生長(zhǎng)是在基體上進(jìn)行的采用鐵的有機(jī)金屬化合物為催化劑原料，有機(jī)金屬化合物與碳?xì)浠衔镆煌雽?shí)驗(yàn)工藝裝置臥式浮動(dòng)催化裂解法工藝參數(shù)優(yōu)化中影響產(chǎn)物生成主要因素反應(yīng)溫度硫添加量H2氣流量等反應(yīng)溫度：10501200 11801160碳納米管膜(FC) 11401120粉狀碳納米管(CF)及少量束狀碳納米管(SC)塊狀非晶碳(AC) 1050噻吩含量摩爾分?jǐn)?shù)噻吩含量摩爾分?jǐn)?shù)/%產(chǎn)物形態(tài)產(chǎn)物形態(tài) 0AC0.234AC、CF0.467CF、SC0.699CF、SC、FC0.930CF、FC1.159AC、CF噻吩添加

17、量對(duì)產(chǎn)物形態(tài)的影響硫元素的添加對(duì)單壁碳納米管的生長(zhǎng)至關(guān)系重。氫氣流量的影響通過控制兩路H2量可以方便控制反應(yīng)中的碳?xì)浔?C/H)兩路H2的總流量250cm3mim，不能產(chǎn)生碳納米管； H2是過高也不利于碳納米管的生長(zhǎng)；控制總流量在300cm3/mim比較合適。在總流量保持不變的前提下，調(diào)節(jié)兩種H2的流量化(即調(diào)節(jié)反應(yīng)體系中的CH)，可得到不同的產(chǎn)物形態(tài)。但當(dāng)C/H比較大時(shí)，產(chǎn)物中出現(xiàn)了直徑較粗的碳纖維，甚至出現(xiàn)非晶碳?jí)K不利于碳納米管，特別是單壁碳納米的生長(zhǎng)。例3.納米復(fù)合材料原位制備技術(shù)紫外光固化技術(shù)溶液熱聚合技術(shù)懸浮熱聚合技術(shù)按聚合狀態(tài)劃分紫外光固化技術(shù)利用一定波長(zhǎng)和光強(qiáng)的紫外光照射，使光引

18、發(fā)可聚合有機(jī)化合物進(jìn)行化合交聯(lián)，形成不溶性的交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的過程。UV固化的優(yōu)點(diǎn)（4E）經(jīng)濟(jì)(Economy)無污染(Ecology)速率快(Efficiency)省能耗(Energy)UV固化的不足固化膜收縮較多暗處難固化厚層及帶色體系難固化氧氣阻聚UV固化的原理化學(xué)組分And so on增塑劑流平劑穩(wěn)定劑光引發(fā)劑活性單體預(yù)聚物理化性能UG型紫外光固化涂料紫外光固化制備納米復(fù)合材料特點(diǎn)材料性質(zhì)：賦予紫外光固化材料較高的力學(xué)性能，而且還有特殊的光、電、磁等性能，同時(shí)兼有兩種組分協(xié)同效應(yīng)下的綜合性能。聚合材料的選擇：可自由地選擇聚合物基體，可以是環(huán)氧樹脂型、聚氨酯型、聚酯型、聚醚型以及丙烯酸酯型等

19、。納米材料的選擇：可以是納米金屬氧化物如ZnO、ALO3、TiO2，也可以是納米非金屬氧化物如SiO2，還可以是納米金屬粉體如AL、Fe及含氧酸鹽納米粉體如CaCO3，或者是相應(yīng)的納米粉體混合物等。加工方法：可快速加工成薄型定型材料或是將這種納米復(fù)合材料直接被涂覆于其他基體上。UV紫外光固機(jī)五五. .納米復(fù)合材料的應(yīng)納米復(fù)合材料的應(yīng)用用 Application of Nano-composite Materials1.納米復(fù)合材料的催化性能研制的納米材料能量杯，給杯中之水以一個(gè)新的能量，能活化水質(zhì)，催化降解有害物質(zhì)，使之成為健康活化水的功能水、清潔衛(wèi)生的安全水、口感甘淳的晨露。光催化：由水制氫

20、氣、污水處理等。 制備出納米光催化自潔凈玻璃，抗菌軍服、病服、 納米洗衣機(jī)、家具、潔具、廚具、小孩玩具，有 很強(qiáng)的自潔凈功能2.納米復(fù)合材料的光學(xué)性能優(yōu)異的光吸收材料隱形材料納米復(fù)合材料光導(dǎo)性納米復(fù)合材料發(fā)光性質(zhì)納米復(fù)合材料的智敏性3.納米復(fù)合材料的高強(qiáng)度、高韌性4.納米復(fù)合材料的電磁性Fe-Si-B是非晶態(tài)的軟磁材料，加入Cu、Nb有利于鐵微晶的成核及細(xì)化，廣泛應(yīng)用于各種變壓器(脈沖、高頻)、傳感器、磁開關(guān)。 21世紀(jì)信息記錄材料，1cm2面積可記錄1000萬條以上的信息 粒子不能小于變超磁性的臨界尺寸(約10nm)，而且對(duì)形貌有要求，針狀磁性粒子，一般選用Fe2O3包Co或CrO2Fe及B

21、a鐵氧體。 磁性流體目前主要應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)軸防塵動(dòng)態(tài)密封，eg:計(jì)算機(jī)硬盤軸處防塵密封、北京鋼鐵研究院開發(fā)的FeN磁流體產(chǎn)品。 納米磁性材料(Fe3O4)作載體，將醫(yī)藥負(fù)載到載體上，注射到人身體內(nèi)，隨血液循環(huán)，定向移動(dòng)到病變部位，達(dá)到定向治療的目的，局部治療效果好5.生物材料醫(yī)用材料納米材料潤(rùn)滑與防曬性能納米復(fù)合纖維納米技術(shù)在國(guó)防和航空航天的應(yīng)用六六. .納米材料的表征技術(shù)納米材料的表征技術(shù) Characterization of Nanometer Materials technology結(jié)構(gòu)表征性能表征只有在準(zhǔn)確地表征和認(rèn)識(shí)納米材料的各種精細(xì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)材料結(jié)構(gòu)有效控制，從而可按性能要求，設(shè)計(jì)、合成、制備材料對(duì)材料性能的描述指復(fù)合材料體系納米相結(jié)構(gòu)形態(tài)的表征，包括粒子初級(jí)結(jié)構(gòu)聚集態(tài)結(jié)構(gòu)(粒子的形狀、粒子的尺寸及其分布、粒間距分布等)以及納米粒子之間或粒子與高分子基體之間的界面結(jié)構(gòu)和作用。1.表征技術(shù)分類Tips:2.X射線衍射技術(shù)廣角X射線衍射(WAXS)小角X射線衍射(SAXS)3.電子