纳米材料国内外研究进展_纳米材料的应用与制备方法

纳米材料 耐热材料 碳纳米管 制备技术 表征技术

第31卷第4期2010年8月热处理技术与装备

RECHULIJISHUYUZHUANGBEIVo.l31,No.4

Aug.2010

综 述

纳米材料国内外研究进展

!!!纳米材料的应用与制备方法

朱世东,徐自强,白真权,尹成先,苗 健

1,2

3

2

2

1,2

(1.西安交通大学材料科学与工程学院,陕西西安 710049;

2.中国石油天然气集团公司石油管力学和环境行为重点实验室,陕西西安 710065;

3.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司油气工艺研究院,陕西西安 710018)摘 要:由于纳米材料的特殊结构以及所表现出来的特异效应和性能,使得纳米材料具有不同于常规材料的特殊用途。本文就纳米材料的应用及制备方法进行了综述,并对其发展前景进行了展望。关键词:纳米材料;应用;制备方法

中图分类号: TB383 文献标识码: B 文章编号:1673-4971(2010)04-0001-08

ResearchoftheNano MaterialsatHomeandAbroad

!!!theapplicationsandpreparationofthenano material

ZHUShi dong,XuZi qiang,BAIZhen quan,YINCheng xian,MIAOJian

1,23221,2

(1.SchoolofMaterialScienceandEngineering,XianJiaotongUniversity,Xianshanxi710049,China;2.TheKeyLaboratoryforMechanicalandEnvironmentalBehaviorofTubularGoods,CNPC,XianShanxi710065,China;3.Oil&GasTechnologyResearchInstituteChangqingOilfieldCompanyofPetroChinaCompanyLimited,XianShanxi710018)

Abstract:Becauseofthespecialstructureofthenano materials,aswellasitsspecificeffectsandper

formance,thenano materialshavethespecialpurposesotherthantheconventionalmaterials.Inthispa per,theapplicationandpreparationmethodsofthenano materialsarereviewed,andits`developmentisprospected.Keywords:nano materials;applications;preparationmethods

0 前言

纳米材料出现的重要科学意义在于它引领人们认识自然的新层次,是知识创新的亮点。在纳米领域发现新现象,提出新概念,认识新规律,建立新理论,为构建纳米材料科学体系新框架奠定基础

[1]

1 应用

纳米材料由于其产生的特殊效应,因而具有常规材料所不具备的性能,使得其在各个方面的潜在

[3~5]

应用极为广泛。对于纳米材料及其应用前景的研究工作已经不再局限于单一学科与单一研究方法,而是多学科和多种研究方法的综合利用。1.1 在催化方面的应用

纳米微粒作催化剂是纳米材料的重要应用领域之一。纳米颗粒具有很高的比表面积,表面原子配位不全表面的键态和电子态与颗粒内部不同等特

。

材料的结构决定材料的性质。纳米材料的特殊结构决定了纳米材料具有一系列的特异效应(如:小尺寸效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等),因而出现常规材料所没有的一些特别性能,从而使纳米材料己获得和正在获得广泛的应用

收稿日期:2010-01-11

[2]

。

作者简介:朱世东(1980-),男,博士,主要研究方向为油气田冲刷腐蚀与防护。

z

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点,导致表面的活性位置增加,使纳米颗粒具备了作为催化剂的先决条件。有关纳米粒子表面形态的研究指出,随着纳米粒子的粒径的减小,微粒表面的光滑程度变差,凹凸不平的原子台阶逐步形成,能够大大增加反应物料在其表面的接触机会。利用上述特性,可将纳米粒子进一步加工成具有化学催化、光催化和热催化性能的纳米催化剂。纳米微粒作催化剂可以控制反应时间、提高反应效率及反应速度、决定反应路径、有优良的选择性和降低反应温度

[6]

(1)生物学中。纳米生物学用来研究在纳米尺度上的生物过程,从而根据生物学原理发展分子应用工程。如在金属铁的超细颗粒表面覆盖一层厚为

5~20nm的聚合物后,可以固定大量蛋白质,特别是酶,从而控制生化反应

[8]

。这在生化技术、酶工程中

大有用处。使纳米技术和生物学相结合,研究分子生物器件,利用纳米传感器,可以获取细胞内的生物

信息,从而了解机体状态,深化人们对生理及病理的解释。以纳米尺寸去认识生物大分子的精细结构及功能的联系,按人类的意愿进一步裁剪和嫁接,制造出具有特殊功能的生物大分子。生物基因工程由于纳米技术的运用而变得更加可控,人类可以自己控制所需要的生物产品,农、林、牧、副等行业以及人类的食品结构也会随之发生重要变革,用纳米生物工程、纳米化学工程合成的 食品#将极大丰富食品的数量和种类。

(2)医学中。控制药物释放、减少副作用、提高药效、发展药物定向治疗,是健康医学的要求。将超微粒子注入到血液中,输送到人体的各个部位,作为检测和诊断疾病的手断。科研人员已经成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离;用金的纳米粒子进行定位病变治疗,以减少副作用。由于纳米材料比红血球(6~9 m)小得多,可以在血液中自由运动,因此可以注人各种对机体无害的纳米粒子到人体的各个部位,检查病变和进行治疗(如纳米Au)。纳米粒子不但具有能穿过组织间隙被细胞吸收、并可通过人体最小的毛细血管、甚至可通过血脑屏障等特性,而且还具有靶向、缓释、高效、低毒且可实现口服、静脉注射等多种给药途径等许多优点,因而使其在药物输送方面具有广阔的应用前景。

(3)医疗工业中。将纳米颗粒压成薄片制成过滤器,其过滤孔径为纳米量级,在医疗工业中可用于血清消毒(引起人体发病的病毒尺寸一般为几十纳米)。纳米材料具有优异的吸附性能,可用作微生物吸附和选择分离的功能材料。并且纳米金属粉末还是制备动物生长素药物的添加剂。利用纳米技术将中药材制成极易被人体吸收的纳米粒子口服胶囊、口服液或膏药,不但克服了中药在煎熬过程中有效成分的损失及口感上的不足,而且可使有效成分吸收率大幅度提高。将制成的纳米中药膏直接贴于患处,纳米粒子很容易经皮肤直接被吸收。研发纳米中药产品是促进中药走向世界、提高产品附加值、实。起

化学催化作用的纳米粒子催化剂主要有3种类型。一是直接用金属纳米粒子作催化剂。该类催化剂以贵金属(Ag,Pd,P,tRh等)的纳米粉末为主,Fe,Co,Ni等贱金属纳米粉末也得到了一定应用。一些金属纳米粒子作为催化剂时,除了提高反应速率外,还具有良好的选择性,并且这种选择性与纳米粒子的颗粒度有关。二是将金属纳米粒子负载到多孔性载体上作催化剂。可以将多种金属纳米粒子同时负载或制成复合金属纳米粒子后负载到同一载体上,能够进一步增加催化剂的选择性。目前,此类催化剂是应用最多的纳米粒子催化剂。三是用有关化合物的纳米粒子作为催化剂,如将MoS、ZnS、CdS和FeS等硫化物纳米粒子加入到煤、油等燃料后,对煤、油等燃料的燃烧有很好的催化助燃作用,同时不会增加尾气中的硫含量。

除化学催化作用以外,半导体纳米粒子的光催化作用已经引起人们的广泛重视并在催化降解有机物等方面得到了一定应用

[7]

。半导体纳米粒子在光

的照射下,其价带电子可以跃迁到导带,价带的空穴能够把周围有机物中的一些电子夺过来,使有机物中的部分短链基团变成自由基,作为强氧化剂而使酯类、醇类、醛类和酸类有机物发生一系列变化,最终降解为CO2。半导体纳米粒子的粒径越小,光生载流子越容易通过扩散而从粒子内部迁移到表面,光催化性能越好。将半导体纳米粒子做成空心小球,使其浮于水面上,利用太阳光对废水中的有机物、海面上泄漏的石油等进行降解已经得到应用。另外,TiO2纳米粉在光催化分解污水中的有机毒物、Y2O3、Eu纳米发光粉末在荧光灯,等离子体显示平板等众多方面,纳米发光材料使产品的性能获得更为显著的改进。特别是半导体硫化物纳米发光粒子在发光材料、非线性光学材料、光敏感传感器材料、光催化材料等方面均具有更为广阔的应用前景。1. 3+

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3

将不易被人体吸收或毒性较大的药物或保健品制成纳米胶囊或纳米粒子悬浮液,则可制得前景可观的纳米保健品。一些具有生物活性的纳米材料,还可用于人造骨、人造牙、人造人体器官等。1.3 在环保方面的应用

纳米材料的控制污染源方面可起到关健性的作用。主要体现在它降低能源消耗和有毒物质的使用;减少水资深消耗;减少废物的产生;治理环境污染物及大气污染。

(1)在污水治理方面。污水中通常含有有毒有害物质、异味污染物、细菌、病毒等。传统的水处理方法效率低、成本高、存在二次污染等问题,纳米技术的发展和应用可以彻底解决这一问题。纳米材料在环保中的应用主要与纳米粒子的化学催化和光催化特性有关。除已经提到的光催化降解废水的纳米材料以外,另有许多纳米材料可以用来治理有害气体和废水,并已走出实验室而进入实用阶段

[9]

些是致癌物。研究表明,纳米二氧化钛可以很好地降解甲醛、甲苯等污染物,降解效果几乎可达到100%。以55~70nm的CoTiO3负载到多孔硅胶或A12O3陶瓷载体上制成的石油脱硫催化剂可用于炼油脱硫工艺,催化效率很高,催化后石油中硫的含量可小于0.01%;纳米Zr0.5Ce0.5O2粉体负载到活性炭上,因其表面存在Zr/Zr及Ce/Cr电对,具有极强的电子得失能力,在氧化CO的同时能够还原NOx,使它们转化为对人体和环境无害的CO2和N2气体,这种催化剂已经用于汽车尾气净化装置;纳米TiO2能够降解空气中的有机物、杀菌除臭并在杀死细菌的同时,降解由细菌释放出的有毒物质。

(3)城市固体垃圾处理方面的应用将纳米技术及材料应用与城市固体垃圾处理,主要表现在两个

[11,12]

方面:一方面可以将橡胶制品、塑料制品、废印刷电路板等制成超微粉末,除去其中的异物,成为再生原料回收;另一方面,可以应用纳米二氧化钛加速城市垃圾的降解,其降解速度是大颗粒二氧化钛的10倍以上,从而可以缓解大量生活垃圾给城市环境带来的压力。

1.4 在工程材料中的应用

(1)纳米陶瓷材料。普通的陶瓷材料都是通过高温高压使各种颗粒融合在一起制成的,纳米材料因粒径小、熔点低以及相变温度低等特征,添加纳米颗粒使常规陶瓷的综合性能得到改善。纳米陶瓷具有优良的室温和高温力学性能,抗弯强度,断裂韧性均有显著提高。故在低温低压下就可作为原料制备质地致密、性能优异的纳米陶瓷,它具有坚硬、耐磨、耐高温及耐腐蚀的性能。比如把纳米氧化铝与二氧化锆进行混合,已获得高韧性的陶瓷材料,烧结温度可降低100 。此外,纳米陶瓷的高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应等,都将成为材料开拓应用的一个崭新领域。

纳米粉体也可使陶瓷改性,因为纳米颗粒表面积大,扩散速度快,因而烧结时致密化速度快,烧结温度低。在粗晶粉体中加入纳米Al2O3可提高Al2O3的致密度和耐热疲劳性;把Al2O3与ZrO2纳米粉混合后,可得到高韧性的陶瓷材料,并使烧结温度降低100 ;再如,美国Argonne实验室Siegel等人用惰性气体蒸发,原位加压制备了纳米TiO2陶瓷,致密度达到95%。在同样的烧结温度下,纳米陶瓷的硬度比普通陶瓷高,而对应相同的硬度,纳米陶4+

3+

4+

3+

。利

用纳米TiO2表面具有超亲水性和超亲油性的特点,在玻璃表面涂覆纳米TiO2可以制成自清洁外墙玻璃,具有防污、防雾、易洗、易干、自清洁等功能。它的出现使玻璃具有了自纳米净水剂的超强吸附和絮凝能力将污水中悬浮物完全吸附并沉淀下来,然后使水通过由纳米磁性物质、纤维和活性炭组成的净化装置,除去水中的铁锈、泥沙以及异味等污染物,再使水通过由纳米孔径的水处理膜和带有不同纳米孔径的陶瓷小球组装成的过滤装置,可以将水中的细菌、病毒几乎100%去除,得到完全可以饮用的高质量纯净水。

(2)在大气污染的治理方面。大气污染一直是各国政府需要解决的难题

[10]

。纳米技术及材料的

应用将会为我们解决大气污染问题提供全新的途径。工业生产和汽车使用的汽油、柴油等,在燃烧时会产生二氧化硫气体,这是二氧化硫最大的污染源。纳米钛酸钴是一种非常好的石油脱硫催化剂,经它催化的石油中硫的含量达到国际标准。煤燃烧也会产生二氧化硫气体,如果在燃烧的同时加入一种纳米级助烧催化剂,不仅可以使煤充分燃烧,而且会使硫转化成固体的硫化物,而不产生二氧化硫气体。复合稀土化物的纳米级粉体具有极强的氧化还原性能,是其它任何汽车尾气净化催化剂所不能比拟的。它的应用可彻底解决汽车尾气的污染问题。新装修房间的空气中有机物浓度高于室外,甚至高于工业区,

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(2)高熔点材料的烧结。纳米材料的体积效应使得通常在高温烧结的材料,如SiC、WC和BC等,在较低温度下就可获得高密度的烧结体。此外,由于纳米微粒的粒径小,比表面大具有烧结温度低、流动性好、扩散速率高以及烧结收缩大等特性,使其又可作为烧结过程的活化剂使用,可降低烧结温度、缩短烧结时间和加快致密化的速度,从而加速烧结过程。从应用的角度,发展高性能纳米陶瓷最重要的是降低纳米粉体的成本。在制备粉体的工艺上,除了保证纳米粉体的质量,做到尺寸和分布可控,无团聚,能控制颗粒的形状,还要求生产量大,这将为发展新型纳米陶瓷奠定良好的基础。

(3)纳米荧光材料。21世纪是生命与信息科学的世纪,而生物芯片无疑是这一世纪迅速发展最热点的前沿领域之一。生物芯片是在多种固定化载体上刻蚀具有多种性能的生物反应器。大多数特异性生物芯片都要使用标记物。目前使用最多的是发光标记物,其中纳米粒子发光标记物具有更高的量子产率,更长的发光寿命,而且性能稳定。在标记生物大分子,生物芯片研究中纳米发光材料的使用已取得了显著成效。同时,免疫标记技术与传统的酶标和荧光技术相比,不仅有极高的灵敏度而且该标记技术简单,光谱信息丰富,在免疫分析中有广阔的应用前景。

(4)高密度磁记录材料。磁记录是信息储存与处理的重要手段,随着信息化的高速发展,要求记录密度日益提高。磁性纳米材料因具有单磁畴结构,矫顽力很高,故用它作磁记录材料可以提高信噪比,改善图象质量。高矫顽力的强磁性纳米材料还可以制成磁性信用卡、磁性票证及磁性钥匙等。

(5)永磁性材料。由于纳米材料的磁化过程完全由旋转磁化进行,即使不磁化也是永久性磁体,因此可用作永磁性材料。

(6)磁流体。磁流体是将强磁性纳米粒子稳定地分散于水或油等分散介质中所形成的分散体系,它在通常的重力场和磁场作用下不发生凝聚和沉降。磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性,在工业废液处理方面有一定的实用价值。1.5 在建筑领域的应用

(1)建筑塑料。纳米塑料是指金属、非金属和有机填充物,以纳米尺寸分散于树脂基体中形成的树脂基纳米复合材料。在树脂基纳米复合材料中,分散相的纳米尺寸效应、大的比表面积和强界面结合,使纳米塑料具有一般工程塑料所不具备的优异性能

[13,14]

。

(2)建筑涂料。随着建筑业的高速发展,对建筑

[15]

涂料的性能要求也越来越高,而纳米材料对涂料的很多性能起到了明显的改善作用

。

(3)树脂基复合材料。树脂基复合材料具有重量轻、强度高、耐腐蚀等优点,但硬度、耐磨性能、耐热性能较差。通过超声分散方法将纳米SiO2添加到不饱和聚酯树脂中制得的复合材料,可大幅提高耐磨性、硬度、强度、耐热和耐水性能1.6 在涂料方面的应用

[16]

。

纳米材料制备的涂层具有特有的优异性能。在涂料中加入纳米材料,可进一步提高其防护能力,实现防紫外线辐射、耐大气侵害和抗降解、变色等,在卫生用品上应用可起到杀菌保洁作用。已有美国的研究人员用纳米级二氧化锡、二氧化钛、三氧化二铬等与树脂复合,作为静电屏蔽的涂层;在标牌上使用纳米材料涂层,可利用其光学特性,达到储存太阳能、节约能源的目的。在建材产品中,如玻璃、涂料中加入适宜的纳米材料,可以达到减少光的透射和热传递效果,产生隔热、阻燃等效果。纳米SiO2是一种抗紫外线辐射材料,加入涂料中,可使抗老化性能、光洁度及强度成倍地增加。纳米涂层具有良好的应用前景,将为涂层技术带来一场新的技术革命,也将推动复合材料的研究开发与应用。

1.7 在光电领域的应用

纳米技术的发展,使微电子和光电子的结合更加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上,可使其能力提高10倍至几百倍,甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。纳米材料由于具有特殊的光学性能,可作为非线性光学材料、特异吸光材料、军事航空中用的吸波隐身材料等。如用纳米微粒制成的光纤材料可以降低光导纤维的传输损耗;红外线反射膜和多层膜材料可用于节能方面;优异的光吸收可提高使用寿命、防止塑料老化、防止油漆脱落等。

纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段,按照全新的理念来构造电子系统,并开发物质潜在的储存和处理信息的能力,实现信息采集

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纪信息时代的核心。1.8 在静电屏蔽方面的应用

具有半导体特性的纳米氧化物粒子在室温下具有比常规的氧化物高的导电特性,因而能起到良好的静电屏蔽作用。同时纳米微粒的颜色不同,这样还可以控制静电屏蔽涂料的颜色。克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。化纤衣服和化纤地毯由于静电效应,容易吸附灰尘,危害人体健康。在其中加入少量金属纳米微粒,就会使静电效应大大降低,同时还有除味杀菌的作用。

1.9 在焊接领域的应用

[17,18]

纳米材料还可用作新型焊接材料。我们知道很多陶瓷部件是在高温环境下使用的,目前所采用的几种陶瓷焊接工艺根本无法保证其高温强度。若采用纳米陶瓷进行焊接,利用其低温烧结及快速扩散等特点,可以将两个陶瓷部件很好地连为一体。而且若选择的纳米陶瓷与所焊部件成分相同或相近,则可有效地保证其高温强度。纳米金属粉末也同样可以应用于机械制造、仪器仪表、微电子工业等技术领域中对部件进行整体焊接。由于纳米微粒熔点很低,可有效地降低焊接温度,保证部件在焊接过程中不发生变形。

1.10 在解决能源中的应用

合理利用传统能源和开发新能源是一项长期和重要的任务。近年来开发的可用于煤和油料燃烧的纳米净化剂、助燃剂以及利用纳米技术提取粉煤灰中的有用物质的工作都已获得初步结果,并可望尽快得到产业化

[19]

钥匙、磁性车票等。将磁性纳米微粉通过界面活性剂均匀分散于溶液中制成磁流体,在宇航、磁制冷、显示及医药中已广泛应用。研究表明,Fe/Cu、Fe/A、lFe/Cr等纳米结构的多层模具有显著的巨磁阻效应(GMR),即在一定的磁场下,物质(金属或合金)的电阻急剧减小的现象。IBM公司早在1994年就研制出巨磁阻效应的读出磁头,使磁盘记录密度提高了17倍。以巨磁阻为原理的纳米结构器件可用于读出磁头、磁存储、磁记忆等方面。由磁性纳米棒组成的 量子磁盘#的记录密度可达62Gb/cm,极限磁记录理论值可达930Gb/cm1.12 在产业中的应用有很多潜在的应用价值

[21]

2[20]

2

。

纳米材料作为功能材料与产业技术的结合,具

。

(1)微电子器件。当电子器件进入纳米尺寸时,量子效应十分明显,因此,纳米材料应用在电子器件上,会出现普通材料所不能达到的效果。1993年,&自然 杂志的副主编曾预言 以单电子隧道效应为基础设计的单电子晶体管可能诞生在下一世纪的初叶#。他的预言发表后2年,日本率先在实验室研制成功纳米结构的三极管。继之,美国的普度大学也在实验室研制成功纳米结构的晶体管。1995年,超低功耗和高集成的纳米结构单电子三极管在美国研制成功,使人类进一步认识到纳米结构的研究对下一代量子器件的诞生起着至关重要的作用。随着纳米材料科学技术的发展,在信息领域,20世纪最广泛的微电子将要转换为21世纪的纳米电子,因此在这方面的研究,将是最热门的课题之一。

(2)传感器方面。纳米粒子的高比表面积、高活性使之在传感器方面成为最有前途的材料。外界环境(如温度、光、湿度等)的改变会迅速引起材料表面或界面离子价态和电子输运的变化,利用其电阻的显著变化可以制成传感器,而且响应速度快,灵敏度高。20世纪80年代初,日本已研制出SnO2纳米薄膜传感器,纳米陶瓷材料用于传感器也具有很大潜力。

(3)电器领域。由纳米TiO2与活性Ag制成的纳米抗菌剂具有强的吸附性和催化性,细菌一旦接触其表面便被牢牢吸住,Ag快速进入细菌内部,发生生化反应,使蛋白质变性,抑制细菌生长。再利用纳米TiO2的光催化作用释放活性氧,杀灭细菌。这种抗菌剂抑菌率可达90%以上,抗菌效果可达10~20年。将其应用于冰箱的内部塑料及洗衣机的滚筒,+

+

。在纳米半导体材料表面负载贵

金属、金属氧化物或在半导体表面修饰染料、导电高聚物等能使光分解水(H2O%H2+O2)的效率成倍增加,将对太阳能的光化学存贮起巨大的推动作用。利用半导体纳米材料制备光电转化效率极高,即使在阴雨天也能正常工作,使新型太阳能电池取得重大进展。大量研究表明,除了纳米晶TiO2光伏电池外,其它如ZnO、Ag2O、SnO2、WO3、Fe2O3等单一氧化物和CdSe等单一硒化物纳米晶光伏电池也表现出非常出色的光电转换特征。1.11 在信息科技领域中的应用

21世纪的信息社会要求记录材料高性能化和高密度化,而纳米微粒能为这种高密度记录提供有利条件。磁性纳米微粒由于尺寸小,具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性,用它制作磁记录材料可以提高

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著增强。由于纳米材料的比表面积大,表面能高,表面活性强,且均分布在高分子空隙中,与高分子树脂间结合力强,从而提高了增强塑料和陶瓷(如纳米CaF2和TiO2)的抗拉伸强度、抗冲击强度和表面硬度,使它们的机械强度大大提高。

纳米材料的运用可使许多产品改头换面,比如传统的彩电等家用电器一般都是黑色的,这是因为要利用树脂加炭黑来进行静电屏蔽,现在,Fe2O3、TiO2等纳米涂料既有屏蔽作用,又有不同色彩,从而克服了用炭黑静电屏蔽只有单一颜色的局限性。汽车制造业中,车身若采用纳米复合材料,则车身抗冲击强度和安全系数比普通钢板车身高出几倍。1.13 在文物保护方面的应用

我国的一些文物(如秦兵马俑)遭受霉菌侵扰而受到损害,最新的纳米成果将对其加以保护,使其永葆青春。西北大学纳米材料研究所利用溶胶与凝胶相结合的方法把新研制成的纳米材料制成一种透明的胶体,涂在文物表面后可形成一种 无机膜#,使文物完全与外界条件隔绝,有利于文物的长期保护。这种纳米材料可以吸收紫外线,保护文物的颜色不变,材质不腐坏,还可有效地排除虫菌对文物的侵蚀。这种纳米 无机膜#除了对陶质文物可进行有效保护外,还可用于丝绸和书画等文物的保护1.14 在人体防护中的应用

[22]

成高价值保健品;被废弃的虾蟹壳、蛋壳及各类动物骨头等超细粉碎后,是良好的有机钙添加剂。使用纳米微粒的灯泡,可以提高发光效率;纳米管元件组

装的计算机将替代现今的 巨型#计算机。在防晒护肤品中添加纳米级ZnO、TiO2有很好的护肤美容作用,其防紫外线效果优于有机防晒剂。目前日本已开发出了化妆品用紫外线屏蔽剂。用Ag等纳米粒子制成的抗菌、除臭复合剂粉,具有光谱杀菌、除臭功能,并可长时间使用。

纳米材料自从被人们所认识,就与应用紧密联系在一起。纳米粒子的特殊效应导致了纳米材料的特殊性质,而这些特殊性质带来了纳米材料的广泛应用。目前,纳米材料已经在催化、环保、能源行业以及新型工程、磁性和防护材料的制备等方面得到了一定的应用。纳米科技与电子学、医学、生物学、计算机科学和军事科学等学科的交叉渗透,产生了诸如纳米电子学、纳米医学等传统学科前冠以纳米前缀的新学科,为纳米材料展现更为广阔的应用前景。但仍有许多问题有待进一步探索和解决,如纳米材料的微观结构特征,还需作深入细致的研究和确证;纳米材料制备过程中的结构控制及性能确定等方面也有许多工作要做,这都是纳米技术实行工业化应用的基础。我们深信,纳米材料作为一门新兴科学必将对人类生活产生深远的影响。2 制备方法

从Gleiter等(1951)

[24]

。

人类已进入二十一世纪,在不断提高个人的素质、改善生活质量的过程中,一个不容忽视的问题是环境问题。 三废#及噪音的危害很早就为人类所认识,并进行了大量的研究,取得了一定的成果。如今,随着电子技术的发展,各种电器在人们的生活中日益普及,由此引发的电磁辐射给人体的健康带来了意想不到的危害。因此,研制开发用于个人防护的吸波材料已成为当前一个迫不及待的任务,而纳米吸波材料无疑将成为一大热点。若能研制成以纳米吸波材料制成的服装,将满足人们长期以来对吸

[23]

波材料的要求以及防护服时装化的要求。1.15 在生活中的应用

抹布、瓷砖、磁卡,化纤制品、纺织品、冰箱、洗衣机、餐具中添加纳米微粒,可以除味杀菌。用掺入纳米微粒的水泥、混凝土建成楼房,可以吸收、降解汽车尾气;化纤布料加入少量的金属纳米微粒就可以摆脱因摩擦而引起的静电现象。食品制造采用纳米技术,可以帮助我们提高肠胃吸收能力;将天然花粉,,首次应用惰性气体凝聚

(IGC)结合原位冷压成型法(In situCom Paction)在实验室制备出纳米晶体样品以来,又提出和发展了机械研磨法

[25]

,非晶态晶化法

[26]

,电沉积法

[27]

等许

多种制备方法。

纳米材料的制备在当前材料科学研究中占据极为重要的位置,新的材料制备工艺和过程的研究对纳米材料的微观结构和性能具有重要的影响。制备出清洁、成分可控、高密度(不含微孔隙)的粒度均匀的纳米材料是制备合成工艺研究的目标。因此,如何控制及减少纳米材料尤其是界面的化学成分及均匀性、以及如何控制晶粒尺寸分布是制备工艺研究的主要课题。对纳米材料的制备方法目前主要

[29]

有三种分类方法。第一种是根据制备原料状态分为固体法、液体法及气体法。第二种按反应物状态分干法和湿法。第三种为物理法和化学法两大[28]

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塑性变形法、激光束法、机械合金化法等;化学法包括气相燃烧合成法、溶胶 凝胶法、有机液相合成法等。2.1 物理法

(1)惰性气体蒸发法。目前,大部分金属纳米粒子都是通过惰性气体蒸发法制得的,该法的主要过程是在真空蒸发室内充入惰性气体,然后对蒸发源进行真空加热、蒸发,使原料气化或形成等离子体,原料气体与惰性气体原子碰撞失去能量而骤冷成纳米尺寸的团簇。该法制备的纳米材料纯度主要是由原料纯度、真空度、气体浓度和纯度决定的,工艺过程中,无外来污染,反应速度快,结晶较好,不足之处是对设备要求高,投入较大。

(2)爆炸法。将高能炸药(TNT)置于密闭压力容器内,将容器抽成真空,再充入保护性气体。炸药爆轰发生分解反应生成游离碳,在爆轰产物高温和高压作用下发生碳原子的聚集、晶化等一系列变化,合成纳米级粉体,然后再酸洗提纯就可得到纳米级金刚石粉。该法可大量制备纳米晶粒,粒度在2~122nm之间,纯度可达91%左右。

(3)严重塑性变形法。严重塑性变形法是指在静压力的作用下,使块状材料发生严重的形变,最终细化到纳米尺度,得到晶态材料和非晶态材料的混合物,再经过一定的热处理,从而得到纳米材料。该法制备的纳米材料纯度高,粒度可控性好。2.2 化学法

(1)气相燃烧合成法。气相燃烧合成是指在气体燃烧火焰中形成纳米颗粒。该法不仅可以合成氧化物纳米颗粒,而且通过气体的无氧燃烧,可以合成金属氮化物、碳化物等非氧化物纳米颗粒,气相燃烧合成已应用于批量生产纳米石墨、超细氧化钛涂料。合成的纳米颗粒粒度细,粒子团聚少,粒度分布窄,产物纯度高。

(2)溶胶 凝胶法。溶胶 凝胶法制备纳米材料的主要步骤是先制备金属化合物,然后金属化合物溶解在适当的溶剂中,经过溶胶、凝胶过程而固化,再经低温热处理得到纳米粒子,与其他方法比。该法具有反应物种多、各组分混合均匀性好、合成温度低、过程易控制等优点,广泛应用于制备陶瓷纳米颗粒和氧化物纳米颗粒。该法的不足之处是必须进行后处理才能得到纳米颗粒,而且纳米颗粒容易发生团聚。

([28,30,31]

有机溶剂中,能够稳定存在的金属有机化合物和某些无机物成为反应原料,在适当的反应条件下生成纳米材料。该法的显著优点是克服了某些反应物在水溶

液中不能稳定存在的缺点,可以在许多介质中制备纳米材料,反应产物可以通过精馏或结晶达到很高纯度。有机液相合成法的缺点是反应时间过长,产物须进行后处理才能得到结晶较好的纳米颗粒。2.3 其它方法

报导的方法尚有相转移法气相蒸发法备方法。3 前景

纳米材料的研究,它使人类在改造自然方面进入了一个新的层次,即进入到原子、分子的纳米层次。纳米技术的核心是按人们的意志直接操纵单个原子、分子或原子团、分子团,制造具有特定功能的产品。由于纳米颗粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对材料某一种性能的贡献大小、强弱往往很难区分,是有利的作用,还是不利的作用更难以判断,这不但给某一现象的解释带来困难,同时也给设计新型纳米结构带来很大的困难。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制一种效应的影响而引出另一种效应的影响,这都是控制工程研究亟待解决的问题。在纳米材料的研究中,目前主要的工作有:一是用纳米材料替代传统材料改善产品品质与性能;另一方面是开发新材料。

4 结语

综上所述,纳米材料所展示的诱人前景还远不及此。随着人们对纳米材料认识的深人,相信还会有更多方面的发展和应用,因此系统地研究和开发新型纳米材料具有重要的实际意义。随着人们对纳米材料研究的深入,纳米材料必将出现更为广阔的应用前景,纳米材料的大规模工业生产和商业应用也将成为现实。纳米材料作为一门新兴科学必将对人类生活产生深远的影响,并将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。

考

献

[42]

[34,35]

[32]

、配位沉淀法

[37~39][41]

[33]

、

、热解法

[36]

、气相反应法、微

波等离子体化学气相沉积法

[40]

、机械化学法等制

纳米材料 耐热材料 碳纳米管 制备技术 表征技术

8

热处理技术与装备第31卷

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