11納米材料制備

1、什么是納米？什么是納米？在人類活動的宏觀世界和在人類活動的宏觀世界和以原子、分子為主題的微以原子、分子為主題的微觀世界存在一個過度期觀世界存在一個過度期納米世界，納米科學(xué)是研納米世界，納米科學(xué)是研究在千萬分之一米（究在千萬分之一米（10-7）到到10億分之一米（億分之一米（10-9）內(nèi)，原子、分子和其他類內(nèi)，原子、分子和其他類型物質(zhì)的運動和變化的學(xué)型物質(zhì)的運動和變化的學(xué)問。問。在這一尺度范圍內(nèi)對原子、在這一尺度范圍內(nèi)對原子、分子進行操作和加工被稱分子進行操作和加工被稱為納米技術(shù)為納米技術(shù).幾種納米技術(shù)產(chǎn)品介紹：幾種納米技術(shù)產(chǎn)品介紹：碳納米管這是一種非常奇特的材料。它是石墨中一層或基層碳納米管這

2、是一種非常奇特的材料。它是石墨中一層或基層碳原子卷曲成籠狀碳原子卷曲成籠狀“纖維纖維”；內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾；內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾納米至幾十納米；很輕且很結(jié)實，密度是鋼的納米至幾十納米；很輕且很結(jié)實，密度是鋼的1/6，強度確是，強度確是鋼的鋼的100倍?？茖W(xué)家設(shè)想用它做地球到月球的電梯，人們在月倍?？茖W(xué)家設(shè)想用它做地球到月球的電梯，人們在月球定居就方便的多了。把納米管用于做電子槍，可以做成幾球定居就方便的多了。把納米管用于做電子槍，可以做成幾厘米厚的電視屏。厘米厚的電視屏。碳納米管碳納米管鈦白本身是化學(xué)惰性的物質(zhì)，在通常條件下不與酸堿發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與人體有良好的相容性，對人體無毒無

3、害。銳鈦晶型的納米二氧化鈦能強烈吸收太陽光中的紫外光和部分可見光，在其表面激發(fā)出空隙電子對，同時釋放出強烈的光子，二氧化鈦表面的光子能量約3600K，幾乎相當(dāng)于太陽表面的溫度，如此高的能量足以將有機物分解，殺死各種病毒，因此納米鈦白是制備各種光催化劑的核心基礎(chǔ)物質(zhì)，廣泛用于環(huán)保、塑料、陶瓷等領(lǐng)域。納米鈦白其用于化妝品，有曬不黑的美譽其用于化妝品，有曬不黑的美譽 其用于環(huán)保，必將引起環(huán)保技術(shù)的全新革命，利用納米二氧化鈦的其用于環(huán)保，必將引起環(huán)保技術(shù)的全新革命，利用納米二氧化鈦的光催化原理處理有機物，不僅可以直接利用太陽光作為能源，而且光催化原理處理有機物，不僅可以直接利用太陽光作為能源，而且對有

4、機物的處理比較徹底，不帶來新的污染源對有機物的處理比較徹底，不帶來新的污染源 其用于塑料必將帶來塑料使用和降解的其用于塑料必將帶來塑料使用和降解的全新概念，添加了納米鈦白粉的塑料降全新概念，添加了納米鈦白粉的塑料降解快，在塑料制品中添加解快，在塑料制品中添加1%的銳鈦晶的銳鈦晶型的納米二氧化鈦可使塑料在太陽光下型的納米二氧化鈦可使塑料在太陽光下的自然降解速率提高的自然降解速率提高80%以上，而用以上，而用納米鈦白制成的薄膜涂在塑料的表面，納米鈦白制成的薄膜涂在塑料的表面，又能大大延長塑料在太陽光下的使用壽又能大大延長塑料在太陽光下的使用壽命；其用于陶瓷，必將賦予陶瓷材料一命；其用于陶瓷，必將賦

5、予陶瓷材料一個全新的形象，個全新的形象， 運用納米鈦白可運用納米鈦白可以在低溫、低壓以在低溫、低壓條件下生產(chǎn)質(zhì)地條件下生產(chǎn)質(zhì)地致密且具有顯著致密且具有顯著超塑性的納米陶超塑性的納米陶瓷，這種陶瓷克瓷，這種陶瓷克服了傳統(tǒng)陶瓷材服了傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)脆、韌性差料質(zhì)脆、韌性差的缺點，使陶瓷的缺點，使陶瓷具有象金屬一樣具有象金屬一樣的柔韌性和可加的柔韌性和可加工性，如納米陶工性，如納米陶瓷瓷CaF2和和TiO2在室溫下具有優(yōu)在室溫下具有優(yōu)良的韌性，在良的韌性，在180經(jīng)受彎曲經(jīng)受彎曲而不產(chǎn)生裂紋。而不產(chǎn)生裂紋。 金紅石晶型的納米金紅石晶型的納米鈦白由于其晶胞為鈦白由于其晶胞為正四面體，原子之正四面體，原子

6、之間的結(jié)合較為緊密，間的結(jié)合較為緊密，其光活性較低，采其光活性較低，采用特殊的包膜技術(shù)用特殊的包膜技術(shù)在其表面包覆一層在其表面包覆一層無機物，可使其在無機物，可使其在大氣中有良好的耐大氣中有良好的耐候性，而被廣泛用候性，而被廣泛用于制備高檔汽車面于制備高檔汽車面漆和各種外用漆漆和各種外用漆，用金紅石晶型的納用金紅石晶型的納米鈦白制備的面漆米鈦白制備的面漆能使被涂物體表面能使被涂物體表面產(chǎn)生隨角易變效應(yīng)，產(chǎn)生隨角易變效應(yīng)，而呈現(xiàn)出絢麗多彩而呈現(xiàn)出絢麗多彩的色調(diào)的色調(diào) 納米聚丙烯管材料納米聚丙烯管材料 用插層復(fù)合技術(shù)實現(xiàn)了聚合物與無機物在納米尺度上的復(fù)用插層復(fù)合技術(shù)實現(xiàn)了聚合物與無機物在納米尺度上

7、的復(fù)合，將無機物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的合，將無機物的剛性、尺寸穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性與聚合物的韌性、可加工性和介電性完美結(jié)合起來，研發(fā)成功了納米韌性、可加工性和介電性完美結(jié)合起來，研發(fā)成功了納米聚丙烯管材料。納米聚丙烯管材料與通用的無規(guī)共聚聚丙聚丙烯管材料。納米聚丙烯管材料與通用的無規(guī)共聚聚丙烯烯(PP-R)相比，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗沖擊性、衛(wèi)生相比，具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性、抗沖擊性、衛(wèi)生環(huán)保性、高溫穩(wěn)定性、抗抽取性、加工性和經(jīng)濟性。尤其環(huán)保性、高溫穩(wěn)定性、抗抽取性、加工性和經(jīng)濟性。尤其是納米聚丙烯的收縮性小，抗蠕變性能優(yōu)異，使用壽命長是納米聚丙烯的收縮性小，抗蠕變性能優(yōu)異，使用壽

8、命長的優(yōu)點，特別適用于生產(chǎn)高質(zhì)量的冷、熱水管及地板采暖的優(yōu)點，特別適用于生產(chǎn)高質(zhì)量的冷、熱水管及地板采暖管道。用納米聚丙烯管材料生產(chǎn)的管道管件，能達(dá)到長久、管道。用納米聚丙烯管材料生產(chǎn)的管道管件，能達(dá)到長久、可靠、有效的使用效果。可靠、有效的使用效果。 中國的納米科技研究近些年取得了重大進展，在以下方中國的納米科技研究近些年取得了重大進展，在以下方面具有自己的優(yōu)勢：面具有自己的優(yōu)勢： 中國對納米材料的研究一直給予高度重視，取得了很多成果，尤其是在以碳納米管為代表的準(zhǔn)一維納米材料及其陣列方面做出了有影響的成果，在非水熱合成制備納米材料方面取得突破，在納米塊體金屬合金和納米陶瓷體材料制備和力學(xué)性能

9、的研究、介孔組裝體系、納米復(fù)合功能材料、二元協(xié)同納米界面材料的設(shè)計與研究等方面都取得了重要進展。1）在納米碳管的制備方面，我國首先發(fā)明了控制多層碳管直徑和取向的模板生長方法，制備出離散分布、高密度和高強度的定向碳管，解決了常規(guī)方法中碳管混亂取向、互相糾纏或燒結(jié)成束的問題。1998年合成了世界上最長的納米碳管，創(chuàng)造了一項3毫米的世界之最，這種超長納米碳管比當(dāng)時的納米碳管長度提高1-2個數(shù)量級。他們在納米碳管的力學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)、發(fā)光性質(zhì)和導(dǎo)電性的研究中取得重要進展。世界上最細(xì)的納米碳管也在2000年先后制造出來。先是物理所的同一小組合成出直徑為05nm的碳管，接著香港科技大學(xué)物理系利用沸石作模板制備

10、了最細(xì)單壁碳納米管(O.4nm)陣列(與日本的一個小組的結(jié)果同時發(fā)表)，接著中科院物理所和北京大學(xué)在單壁碳納米管的電子顯微鏡研究中發(fā)現(xiàn)在電子束的轟擊下，能夠生長出直徑為033nm的碳納米管。 2）清華大學(xué)首次利用碳納米管作模板成功制備出直徑為3-40nm、長度達(dá)微米級的發(fā)藍(lán)光的氮化鎵一維納米棒，在國際上首次把氮化鎵制備成一維納米晶體，并提出碳納米管限制反應(yīng)的概念。中科院固體物理所成功研制出納米電纜，有可能應(yīng)用于納米電子器件的連接。中科院金屬研究所用等離子電弧蒸發(fā)技術(shù)成功地制備出高質(zhì)量的單壁碳納米管材料，研究了儲氫性能，質(zhì)量儲氫容量(Mass Capacity Of hydrogen stora

11、ge in Carbon nanotube)可達(dá)4。3）在納米金屬材料方面，中科院金屬研究所的研究小組，在世界上首次發(fā)現(xiàn)納米金屬的奇異性能-超塑延展性，納米銅在室溫下竟可延伸50多倍而不折不撓，被譽為本領(lǐng)域的一次突破，它第一次向人們展示了無空隙納米材料是如何變形的。 4）在納米無機材料合成方面，中國科技大學(xué)的科學(xué)家發(fā)展了溶劑熱合成技術(shù)，發(fā)明用苯熱法制備納米氮化鎵微晶，首次在300左右制成粒度達(dá)30nm的氮化鎵微晶。該小組還采用非水熱合成制備金剛石粉末，開辟了一條十分有經(jīng)濟價值的技術(shù)路線。5）在納米有機材料及高分子納米復(fù)合材料方面，中國科學(xué)院化學(xué)所在高聚物插層復(fù)合、分子電子學(xué)、富勒烯化學(xué)與物理以

12、及二元協(xié)同納米界面材料方面取得顯著進展，發(fā)展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，有些已開始走向產(chǎn)業(yè)化。機械合成法機械合成法是否發(fā)生化學(xué)反應(yīng)機械研磨法機械研磨法機械反應(yīng)球磨法機械反應(yīng)球磨法 在干燥的高真空料機內(nèi)通入在干燥的高真空料機內(nèi)通入Ar氣（或氣（或N2）作保護氣）作保護氣,或在或在CH3OH和液和液N2介質(zhì)中，通過對磨球介質(zhì)中，通過對磨球/粉體（箔膜）重量比、磨球粉體（箔膜）重量比、磨球數(shù)量和尺寸、能量強度、球磨溫度、介質(zhì)等參數(shù)的控制，高速運數(shù)量和尺寸、能量強度、球磨溫度、介質(zhì)等參數(shù)的控制，高速運轉(zhuǎn)的硬質(zhì)磨球與研體之間相互碰撞，對粉末粒子反復(fù)進行熔結(jié)、轉(zhuǎn)的硬質(zhì)磨球與研體之間相互碰撞，對粉末粒子反復(fù)進

13、行熔結(jié)、斷裂、再熔結(jié)，使晶粒不斷細(xì)化，并最終達(dá)到納米尺寸。斷裂、再熔結(jié)，使晶粒不斷細(xì)化，并最終達(dá)到納米尺寸。 原理：充分的研磨不僅使反應(yīng)的固體顆粒直徑減小以充分接觸原理：充分的研磨不僅使反應(yīng)的固體顆粒直徑減小以充分接觸，而且也提供了反應(yīng)進行所需的微量引發(fā)熱量。因，而且也提供了反應(yīng)進行所需的微量引發(fā)熱量。因 G= H- -T S，固相反應(yīng)中，固相反應(yīng)中 S0，要使化學(xué)反應(yīng)進行則，要使化學(xué)反應(yīng)進行則 G0，即，即 H0，因此固相反應(yīng)大多是放熱反應(yīng)。反應(yīng)放出的熱量反過，因此固相反應(yīng)大多是放熱反應(yīng)。反應(yīng)放出的熱量反過來又促使反應(yīng)物分子相結(jié)合，并滿足反應(yīng)產(chǎn)物的原始成核條件。來又促使反應(yīng)物分子相結(jié)合，并滿

14、足反應(yīng)產(chǎn)物的原始成核條件。在受熱條件下，原子經(jīng)碰撞、成核、長大，并最終生成所需的納在受熱條件下，原子經(jīng)碰撞、成核、長大，并最終生成所需的納米微粒。米微粒。 高能球磨法示意圖高能球磨法示意圖反應(yīng)物反應(yīng)物納米微粒納米微粒產(chǎn)率產(chǎn)率/%/%粒經(jīng)粒經(jīng)/ /nmnm1 CuCl22H2O + NaOHCuO92.4202 Cu(NO3)2 3H2O + NaOHCuO91.5103 Cu(NH3)4SO42H2O + NaOHCuO92.0804 Cu(OH)2 + Na2S9H2OCuS95.1505 Zn(OH)2 + Na2S9H2OZnS92.8506 Cd(OH)2 + Na2S9H2OCdS9

15、3.2407 Pb(OH)2 + Na2S9H2OPbS95.0408 Mn(OH)2 + Na2S9H2O MnS 92.8 209 Nd(acac) 33H2O + H2C2O42H2ONb2(C2O4)33H2O91.86010 La(acac)33H2O + H2C2O42H2OLa2(C2O4)33H2O92.33011 Cu(OAc)22H2O + H2C2O42H2OCuC2O42H2O92.52012 Ni(OAc)22H2O + H2C2O42H2ONiC2O42H2O93.45013 Mn(OAc)24H2O + H2C2O42H2OMnC2O42H2O90.45014 C

16、o(OAc)24H2O + H2C2O42H2OCoC2O44H2O91.63015 Zn(OAc)2H2O + H2C2O42H2OZnC2O42H2O92.84016 CeCl37H2O + H2C2O42H2OCe2(C2O4)33H2O95.670室溫固相機械研磨反應(yīng)制備的室溫固相機械研磨反應(yīng)制備的1616種納米微粒材料種納米微粒材料 加熱使前驅(qū)體物質(zhì)在高溫下蒸發(fā)變加熱使前驅(qū)體物質(zhì)在高溫下蒸發(fā)變?yōu)闅鈶B(tài)原子、分子，由于惰性氣體為氣態(tài)原子、分子，由于惰性氣體的對流，氣態(tài)原子、分子向上移動的對流，氣態(tài)原子、分子向上移動，并接近充有液氮的驟冷器，并接近充有液氮的驟冷器( (77 K) )。在蒸

17、發(fā)過程中，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)。在蒸發(fā)過程中，蒸發(fā)產(chǎn)生的氣態(tài)原子、分子由于與惰性氣體原子發(fā)原子、分子由于與惰性氣體原子發(fā)生碰撞而迅速損失能量而冷卻，這生碰撞而迅速損失能量而冷卻，這種有效的冷卻過程在氣態(tài)原子、分種有效的冷卻過程在氣態(tài)原子、分子中造成很高的局域飽和，從而導(dǎo)子中造成很高的局域飽和，從而導(dǎo)致均勻的成核過程。成核后先形成致均勻的成核過程。成核后先形成原子簇或簇化合物，原子簇或簇化原子簇或簇化合物，原子簇或簇化合物碰撞或長大形成單一納米微粒合物碰撞或長大形成單一納米微粒。在接近冷卻器表面時，由于納米。在接近冷卻器表面時，由于納米粒子的聚合而長大，最后在冷卻器粒子的聚合而長大，最后在冷卻器表面上積累起來，用聚四氟乙烯刮表面上積累起來，用聚四氟乙烯刮刀刮下并收集起來獲得納米分體。刀刮下并收集起來獲得納米分體。該法溫度梯度大，產(chǎn)品品質(zhì)好，但該法溫度梯度大，產(chǎn)品品質(zhì)好，但納米材料的前驅(qū)體類型較少。納米材料的前驅(qū)體類型較少。 氣相物理蒸發(fā)法制納米粒子原理圖氣相物理蒸發(fā)法制納米粒子原理圖 1984年年Gleiter等人正是采用等人正是采用IGC和就地原和就地原位加壓法制備了位加壓法制備了Pd、Cu和和Fe等納米晶體，等納米晶體，從而標(biāo)志著納米結(jié)構(gòu)材料從而標(biāo)志著納米結(jié)構(gòu)材料( (Nanostructured Material) )的誕生