納米材料的科學(xué)應(yīng)用

1、納米材料的科學(xué)應(yīng)用第1頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1 納米顆粒的應(yīng)用7.1.1 力學(xué)性能的應(yīng)用 納米顆粒具有大的比表面積，活性大并具有高的擴(kuò)散速率，因而用納米粉體進(jìn)行燒結(jié)，致密化速度快、可降低燒結(jié)溫度并提高力學(xué)性能。近年來，用納米顆粒強(qiáng)化為目的的納米陶瓷材料得到較大進(jìn)展，為陶瓷材料的發(fā)展提供了生機(jī)，大量以納米顆粒為原料或添加料的超硬、高強(qiáng)、高韌、超塑性材料相繼問世第2頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1.2 磁學(xué)性能的應(yīng)用納米微粒尺寸進(jìn)入一定臨界值時(shí)就轉(zhuǎn)入超順磁性狀態(tài)，例如-Fe、Fe304和-Fe203粒徑分別為5nm、16nm、20

2、nm時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)槌櫞判?。另外納米顆粒材料還可能具有高的矯頑力、巨磁電阻、magnetocaloric效應(yīng)等性能。因此可用于制備磁致冷材料、水磁材料、磁性液體、磁記錄器件、磁光元件、磁存儲(chǔ)元件及磁探測(cè)器等磁元件。第3頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1.3 電學(xué)性能的應(yīng)用納米顆敞在電學(xué)性能方面也出現(xiàn)了一些獨(dú)特性。例如納米金屬顆粒在低溫下呈現(xiàn)絕線性，納米欽酸鉛、鐵酸鋇和欽酸釣等顆粒由典型的鐵電體變成了順電體。可以利用納米顆粒來制做導(dǎo)電漿料、絕緣漿科、電極、超導(dǎo)體、量子器件、靜電屏蔽材料、壓敏和非線形電阻及鵲綰徒櫚綺牧系取第4頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，

3、星期二7.1.4 光學(xué)性能的應(yīng)用納米顆?？杀憩F(xiàn)出與同質(zhì)的大塊物體不同的光學(xué)特性，例如寬頻帶強(qiáng)吸收、藍(lán)移現(xiàn)象及新的發(fā)光現(xiàn)象，從而可用于光反射材料、光通訊、光存儲(chǔ)、光開關(guān)、光過濾材料、光導(dǎo)體發(fā)光材料、光折變材料、光學(xué)非線性元件、吸波隱身材料和紅外傳感器等領(lǐng)域。第5頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1.5 敏感性能的應(yīng)用納米顆粒表面積巨大，表面活性高，對(duì)周圍環(huán)境(溫度、氣氛、光、濕度等)敏感，因此可用來制作敏感度高曲超小型、低能耗、多功能傳感器。 以氧化錫為基體材料，并摻入適當(dāng)?shù)拇呋瘎┗蛱罴觿?，可制得?duì)酒精、氫氣、硫化氫、一氧化碳和甲烷等氣體具有選擇性敏感性能的氣敏元件。氧

4、化錫對(duì)氣體靈敏度高低與材料的比表面積有關(guān)，通常比表面積越大，氣體靈敏度越高。納米氧化錫顆粒具有明顯優(yōu)越性能，具有更高的氣體靈敏度。目前用納米SnO2顆粒膜制成的傳感器已經(jīng)實(shí)用化，可用作氣體泄漏報(bào)警器和濕度傳感器，并且可以隨著溫度的變化有選擇地檢測(cè)多種氣體。TiO2陶瓷材料不僅對(duì)O2、CO、H2等氣體有較強(qiáng)的敏感性，而且還可作為環(huán)境濕度傳感器。第6頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1.6 生物醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用納米顆粒尺寸一般比生物體細(xì)胞要小得多，這就為生物學(xué)研究提供了一個(gè)新途徑：利用納米顆粒進(jìn)行細(xì)胞分離、細(xì)胞染色及利用納米顆粒制成特殊藥物或新型抗體進(jìn)行局部定向治療等。第7頁

5、，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1.7 催化性能的應(yīng)用 納米顆粒表面原于所占體積百分?jǐn)?shù)大，表面鍵態(tài)和電子態(tài)與頰粒內(nèi)部不同，原于配位不全等導(dǎo)致表面的活性點(diǎn)增加，這些因素使它具備了作為催化劑的基本條件。納米頰粒作為催化刑具有無細(xì)孔、無其它成分、能自由選擇組分、使用條件溫和方便等優(yōu)點(diǎn)。第8頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1.8 工業(yè)填料中的應(yīng)用 無機(jī)填料的主要作用是增量以降低成本，有時(shí)甚至以犧牲基體材料的性能為代價(jià)。納米頰粒填料不僅能起到增量效果，而且能夠提高基體材料的性能，尤其是經(jīng)過表面改性的納米頰粒對(duì)基體的一些性能有著良好的促進(jìn)作用，應(yīng)用前景

6、很好。第9頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.1.9 其他應(yīng)用 納米Al2O3、Cr 2O3、SiO2顆粒由于其良好的懸浮特性，可制成高精度拋光液，用于高級(jí)光學(xué)玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光。納米頰粒還是有效的助燃劑，例如在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加1wt納米鋁或鎳顆粒，每克燃料的燃燒熱可增加1倍。納米頰粒也可以用于印刷油墨，可以不再依靠化學(xué)顏料而是選鋒適當(dāng)體積的納米顆粒來得到各種顏料。第10頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二通過分析納米顆粒在各個(gè)方面的應(yīng)用，充分展示出納米顆粒的廣泛用途及其在材料科學(xué)中舉足輕重的地位。納米顆粒誘人的應(yīng)用前景使得

7、人們對(duì)它的研究越來越重視，也越來越深入。然而，從研究到工業(yè)應(yīng)用的過程中還有許多新的課題去探索，如納米顆粒的分散、納米顆粒的表征、納米顆粒與微米粉體的混合技術(shù)及專用設(shè)備的開發(fā)等。相信在科技工作者的努力下，必特有更多特殊性能的納米頰粒材料以及先進(jìn)的工程應(yīng)用技術(shù)不斷涌現(xiàn)。第11頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.2 納米材料在生物醫(yī)藥領(lǐng)域中的應(yīng)用7.2.1 普通載藥納米微粒 這種劑型的出現(xiàn)背景是基于將一些藥物通過藥劑學(xué)和納米技術(shù)的高度結(jié)合，使原本因理化性質(zhì)不穩(wěn)定而降解破壞或因不良反應(yīng)較大而影響其使用的藥物經(jīng)特殊的方法高度分散于藥物載體中，制成載藥納米微粒，用液體載體的流動(dòng)形式

8、給藥，從而避免了所提到的缺點(diǎn)。第12頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.2.2 控釋載藥納米微粒 納米控釋系統(tǒng)包括納米粒子和納米膠囊，它們是粒子在10一500nm間的固體膠態(tài)粒子。它與以往的控釋制劑不同，載藥納米微粒的控釋過程具有其特定的規(guī)定，囊壁溶解和微生物的作用，均可使囊心物質(zhì)向外擴(kuò)散。將藥物制成納米制劑后，不但達(dá)到緩控釋效果，而且改變其藥物動(dòng)力學(xué)的特性，使一些免疫系統(tǒng)的慢性病能得到更好的治療。第13頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.2.3 靶向定位載藥納米微粒 靶向藥物能完成從靶器官、靶細(xì)胞到最為先進(jìn)的細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)的三級(jí)靶向治療，從而達(dá)到病

9、灶部位緩慢釋放藥物，維持長(zhǎng)期局部有效的藥物濃度。此類微粒是根據(jù)臨床需要，通過選用對(duì)機(jī)體各種組織或病變部位親和力不同的載體制作載藥微?；?qū)慰寺】贵w與載體結(jié)合，以使藥物能夠輸送到治療期望達(dá)到的特定部位，因而稱之為靶向定位給藥。第14頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.2.4 載藥磁性納米微粒（物理靶向） 載藥磁性微粒是在微囊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型藥物運(yùn)載系統(tǒng)。這種載有高分子和蛋白的磁性納米粒子作為藥物載體靜脈注射到動(dòng)物體(小鼠、白兔)內(nèi)后，在外加磁場(chǎng)下，通過納米微粒的磁性導(dǎo)航，使藥物移向病變部位，達(dá)到定向治療的目的。國(guó)內(nèi)有實(shí)驗(yàn)研究出阿霉素免疫磁性造微粒，在進(jìn)行了免疫活性檢測(cè)

10、和體外抑瘤實(shí)驗(yàn)后證實(shí)其具有抗體導(dǎo)向功能，并具有較高的磁響應(yīng)性，具有較強(qiáng)的靶向定位功能，為靶向治療腫瘤奠定了結(jié)實(shí)的基礎(chǔ)。第15頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.2.5 納米微粒的基因治療作用 一些特殊的納米粒子可以進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)結(jié)構(gòu)達(dá)到基因治療目的。 如：國(guó)外有人利用納米技術(shù)可使DNA通過主動(dòng)靶向作用定位于細(xì)胞。將質(zhì)子DNA濃縮至50200nm大小且?guī)县?fù)電荷，有助于其對(duì)細(xì)胞核的有效入侵，而最后反粒DNA插入細(xì)胞核DNA的準(zhǔn)確點(diǎn)則取決于納米粒子的大小和結(jié)構(gòu)。還有人研究了一種樹突狀物的多聚物，由于它有著精確的納米結(jié)構(gòu)和表面與內(nèi)部都可以攜帶分子的特性使之成為一個(gè)很好的DNA導(dǎo)入

11、細(xì)胞的載體。第16頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.2.6 納米材料在成像、診斷上的應(yīng)用 Applications of quantum dots as multimodal contrast agents in bioimaging.第17頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二第18頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.3 納米材料在工程領(lǐng)域中的應(yīng)用7.3.1 納米陶瓷 （1）陶瓷的特點(diǎn) 陶瓷材料作為材料的三大支柱之一，因其具有硬度高、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及質(zhì)量輕、導(dǎo)熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，在日常生活及工業(yè)生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用

12、。但是，由于傳統(tǒng)陶瓷材料質(zhì)地較脆，均勻性差、可靠性低、韌性、強(qiáng)度較差，因而使其應(yīng)用受到了較大的限制。 第19頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二（2）納米陶瓷所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料 ,也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平上。要制備納米陶瓷 ,這就需要解決 ：粉體尺寸、形貌和分布的控制 、團(tuán)聚體的控制和分散 、塊體形態(tài)、缺陷、粗糙度以及成分的控制。第20頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二（3）納米陶瓷粉體的優(yōu)良性能：極小的粒徑、大的比表面積和高的化學(xué)性能，可以顯著降低材料的燒結(jié)致密化程

13、度、節(jié)約能源；使陶瓷材料的組成結(jié)構(gòu)致密化、均勻化，改善陶瓷材料的性能，提高其使用可靠性；可以從納米材料的結(jié)構(gòu)層次（l100nm）上控制材料的成分和結(jié)構(gòu)，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。 由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能。如果粉料的顆粒堆積均勻，燒成收縮一致且晶粒均勻長(zhǎng)大，那么顆粒越小產(chǎn)生的缺陷越小，所制備的材料的強(qiáng)度就相應(yīng)越高，這就可能出現(xiàn)一些大顆粒材料所不具備的獨(dú)特性能。 第21頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二（4）納米陶瓷的制備 納米陶瓷的制備工藝主要包括納米粉體的制備、成型和燒結(jié)。1）納米陶瓷粉體的制備 氣相合成：主要有氣相高溫裂解法、噴

14、霧轉(zhuǎn)化法和化學(xué)氣相合成法，這些方法較具實(shí)用性?；瘜W(xué)氣相合成法可以認(rèn)為是惰性氣體凝聚法的一種變型，它既可制備納米非氧化物粉體，也可制備納米氧化物粉體。這種合成法增強(qiáng)了低溫下的可燒結(jié)性，并且有相對(duì)高的純凈性和高的表面及晶粒邊界純度。原料的坩堝中經(jīng)加熱直接蒸發(fā)成氣態(tài)，以產(chǎn)生懸浮微粒和或煙霧狀原子團(tuán)。原子團(tuán)的平均粒徑可通過改變蒸發(fā)速率以及蒸發(fā)室內(nèi)的惰性氣體的壓強(qiáng)來控制，粒徑可小至34nm，是制備納米陶瓷最有希望的途徑之一。 凝聚相合成（溶膠一凝膠法）：是指在水溶液中加入有機(jī)配體與金屬離子形成配合物，通過控制PH值、反應(yīng)溫度等條件讓其水解、聚合，經(jīng)溶膠凝膠而形成一種空間骨架結(jié)構(gòu)，再脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的

15、一種方法。此法在制備復(fù)合氧化物納米陶瓷材料時(shí)具有很大的優(yōu)越性。凝聚相合成已被用于生產(chǎn)小于10nm的SiO2、Al2O3和TiO2納米團(tuán)。 第22頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二2）納米陶瓷的制備從納米粉制成塊狀納米陶瓷材料，就是通過某種工藝過程，除去孔隙，以形成致密的塊材，而在致密化的過程中，又保持了納米晶的特性。方法有：沉降法：如在固體襯底上沉降；原位凝固法：在反應(yīng)室內(nèi)設(shè)置一個(gè)充液氮的冷卻管，納米團(tuán)冷凝于外管壁，然后用刮板刮下，直接經(jīng)漏斗送人壓縮器，壓縮成一定形狀的塊材；燒結(jié)或熱壓法：燒結(jié)溫度提高，增加了物質(zhì)擴(kuò)散率，也就增加了孔隙消除的速率，但在燒結(jié)溫度下，納米顆粒以

16、較快的速率粗化，制成塊狀納米陶瓷材料。 第23頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二（5）納米陶瓷的特性 納米陶瓷具有很高的力學(xué)性能 。 納米陶瓷的特性主要在于力學(xué)性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度、斷裂韌度和低溫延展性等。納米級(jí)陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能，特別是在高溫下使硬度、強(qiáng)度得以較大的提高。 研究表明，納米陶瓷具有在較低溫度下燒結(jié)就能達(dá)到致密化的優(yōu)越性；納米陶瓷有助于解決陶瓷的強(qiáng)化和增韌問題。 第24頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二在微米級(jí)基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合，可使材料的斷裂強(qiáng)度、斷裂韌性提高24倍，使最高使用溫度提高400600，同時(shí)還可提

17、高材料的硬度和彈性模量，提高抗蠕變性和抗疲勞破壞性能。 第25頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.3.2 納米磁性材料 磁性是物質(zhì)的基本屬性之一，任何物質(zhì)都有磁性，只是強(qiáng)弱不同而已。磁性材料是古老而用途十分廣泛的功能材料，納米磁性材料是 20 世紀(jì) 70 年代后逐步產(chǎn)生、發(fā)展、壯大而成為最富有生命力與寬廣應(yīng)用前景的新型磁性材料。美國(guó)政府2007年大幅度追加納米科技研究經(jīng)費(fèi)，其原因之一是磁電子器件巨大的市場(chǎng)與高科技所帶來的高利潤(rùn)，其中巨磁電阻效應(yīng)高密度讀出磁頭的市場(chǎng)估計(jì)為 10 億美元，目前已進(jìn)入大規(guī)模的工業(yè)生產(chǎn)，磁隨機(jī)存儲(chǔ)器的市場(chǎng)估計(jì)為 1 千億美元，預(yù)計(jì)不久將投入生產(chǎn)

18、，磁電子傳感器件的應(yīng)用市場(chǎng)亦十分寬廣。第26頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二一種新型磁性材料西班牙蔬塞羅斯磁性材料實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家RomZioli領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，已發(fā)明了一種新型磁性材料，用它制造的變壓器具有極高的效率，能量損耗比傳統(tǒng)變壓器小得多。新型磁性材料是用直徑僅8納米的亞微觀粒子嵌入固態(tài)基體制造的，也稱納米復(fù)合材料。Zioli領(lǐng)導(dǎo)的研究小組將氧化鐵納米微粒加入一種甲醇基液體聚合物，然后將這種溶液冷卻到4.2K的極低溫度，從而使其成為固體。所謂的固態(tài)基體就是甲醇基聚合物，基體中的氧化鐵納米微粒均勻地嵌入其中，從而形成類似泡沫塑料的結(jié)構(gòu)。其中的納起初牢牢地粘在基體上不

19、運(yùn)動(dòng)，當(dāng)在基體上加上很小的磁場(chǎng)時(shí)，納米微粒便能脫離基體并在它占據(jù)的空腔中旋轉(zhuǎn)。研究人員認(rèn)為，它能旋轉(zhuǎn)是因?yàn)榭涨槐砻嬉阅撤N方式排斥這些納米微粒。正是由于這些納米微粒旋轉(zhuǎn)，總使自己的磁場(chǎng)方向和外加磁場(chǎng)的方向保持一致，因此在外加磁場(chǎng)變化時(shí)幾乎不損失能量喧是以往的磁性材料不具備的性能。這一新材料的出現(xiàn)，將為新一代超高效率電源變壓器的誕生開辟道路。以往的變壓器的鐵芯在交流電通過其線圈時(shí)會(huì)發(fā)熱，這是因?yàn)槟芰恳詿崮艿男问綋p耗了。由于用納米復(fù)合材料取代鐵芯制作的變壓器幾乎不發(fā)熱，故能量損耗極小，因此，變壓器可做得很小，效率卻可大大提高。目前這種材料的缺點(diǎn)是只能在極低的溫度下工作，因此Zioli領(lǐng)導(dǎo)的研究小組正

20、在進(jìn)一步探索能在室溫條件下具有極低能量損耗的變壓器磁性材料。更新的磁性材料含有非磁性納米微粒，具有更好的聲光性能和熱力學(xué)性能。 第27頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二納米磁性材料及應(yīng)用大致上可分為三大類型： 1.納米顆粒型 * 磁記錄介質(zhì) * 磁性液體 * 磁性藥物 * 吸波材料 2.納米微晶型 * 納米微晶永磁材料 * 納米微晶軟磁材料 3.納米結(jié)構(gòu)型 * 人工納米結(jié)構(gòu)材料 薄膜，顆粒膜，多層膜，隧道結(jié) * 天然納米結(jié)構(gòu)材料 鈣鈦礦型化合物 第28頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二1）納米顆粒型的磁性材料磁記錄介質(zhì)。磁性材料至今仍是信息工業(yè)的主體

21、,為了提高磁記錄的密度,磁記錄介質(zhì)中的磁性顆粒尺寸已由微米、亞微米向納米尺度過度,例如:合金磁粉的尺寸約為80nm,鋇鐵氧體磁粉的尺寸約為40nm。量子磁盤是磁納米發(fā)展的新方向量子磁盤就是利用磁納米材料的儲(chǔ)存特性提高其儲(chǔ)存密度，這種量子磁盤的記錄密度理論上可達(dá)到6000Gb/inch2,相當(dāng)于每平方英寸可儲(chǔ)存100萬本30萬字的書。磁性液體、磁性藥物、吸波材料等也是最新發(fā)展方向。第29頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二2）納米微晶型磁性材料納米微晶永磁材料已發(fā)展到了第五代,實(shí)現(xiàn)了體積重量小、高效、低耗能等優(yōu)點(diǎn)。納米微晶軟磁材料已具有了高磁導(dǎo)率、低損耗、高飽和磁化強(qiáng)度等性能,使之應(yīng)用于開關(guān)電源、變壓器、傳感器等。第30頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二3）納米結(jié)構(gòu)材料人工納米膜、多層膜、隧道已成為磁性納米材料發(fā)展的新的思路。第31頁，共36頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)5分，星期二7.3.3 納米超導(dǎo)材料超導(dǎo)材料是21世紀(jì)的一種新材料,它工作速度快、耗能少、被認(rèn)為是最有希望的下一代智能機(jī)的基礎(chǔ)元件。納米超導(dǎo)材料的發(fā)展不斷應(yīng)用的溫度,為超