納米材料與碳納米管：本文簡述了納米材料的根本概念、特性、制備方法紹。451.1納米技術(shù)的進展簡史 ..-5-1.2納米材料的概念 ..-5-1.3納米材料的分類 ..-6-72.1小尺寸效應(yīng) ..-7-2.2外表與界面效..-7-2.3量子尺寸效應(yīng) ..-7-2.4宏觀量子隧道效應(yīng) ..-7-93.1納米材料的制備技術(shù)的進展 ..-9-3.2納米材料的制備 ..-9-第四章納米材料在社會生活方面應(yīng)................. -13-4.1信息產(chǎn)業(yè)中的納米技術(shù)..........................-13-4.2環(huán)境產(chǎn)業(yè)中的納米技術(shù)..........................-13-4.3能源環(huán)保中的納米技術(shù)..........................-13-4.4納米生物醫(yī)藥..................................-14-4.514-4.6納米技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造........................-14-第五章碳納米管................................-16-5.1碳納米管進展..................................-16-5.2碳納米管的獨特性質(zhì)............................-18-第六章碳納米管的制備...........................-20-6.1概述.........................................-20-第七章碳納米管的應(yīng)用與前景......................-24-7.1碳納米管的應(yīng)用................................-24-7.2-26-前言納米材料是一門興學科，它是指：材料微觀構(gòu)造在0-3維內(nèi)其長度不超過(1<100nm)材料(2維)塊體納米材料(3生物、醫(yī)藥、日化諸多方面有重要價值，得到廣泛的應(yīng)用。20C60們始終認為這類分子很不穩(wěn)定，難以存在。德、美科學家制出了C60籠狀分子為型碳材料具有很多優(yōu)異的物理和化學特性，被廣泛地應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。領(lǐng)域中最富有潛力，并對將來經(jīng)濟和社會進展有格外重要影響。本文依據(jù)大量資料,對納米材料和納米碳管所具有的一些獨特性能進展綜述,并對其應(yīng)用、制備及前景進展了介紹和展望。第一章納米材料的概述第一章納米材料的概述納米技術(shù)的進展簡史1959年，著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德。費曼預(yù)言，人類可以用是關(guān)于納米科技最早的夢想。類對材料性能的開掘到達了的高度。1999500億美元。納米材料的概念納米的概念納米〔nm〕是一個長度單位，110-9〔十億分之一米〕，對宏7000-8000nm，小，金屬的晶粒尺寸一般在微米量級；對于微觀物質(zhì)如原子、分子等以前用埃來表示，11110納米材料的概念及其根本條件1-100nm特別物理化學特性。納米材料的分類其中納米粉末開發(fā)時間最長、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的根底。納米粉末：又稱為超微粉或超細粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧?；吸波隱身材料；磁流體材料；防輻射材料；單晶硅和周密光學器件拋光材料；微芯片導熱基片與布線材料；微電子封裝材料；光電子材料；先進的電池電極材料；太陽能電池材料；高效催化劑；高效〔體修復材料；抗癌制劑等。納米纖維：指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。可用于：微導線、微光纖〔將來量子計算機與光子計算機的重要元件〕材料；型激光或發(fā)光二極管材料等。納米膜：納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜?？伞踩缙囄矚馓幚砉饷舨牧?；平面顯示器材料；超導材料等。納米塊體：是將納米粉末高壓成型或掌握金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為：超高強度材料；智能金屬材料等。其次章納米材料的特性小尺寸效應(yīng)電、磁、熱、力學等特性均會呈現(xiàn)的小尺寸效應(yīng)。外表與界面效應(yīng)納米微粒由于尺寸小,外表積大,外表能高,因此其活性極高,極不穩(wěn)定,很簡潔與其他原子結(jié)合。量子尺寸效應(yīng)當粒子尺寸下降到最低值時,費米能級四周的電子能級會由準連續(xù)變?yōu)殡x這被稱為量子尺寸效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)隧道效應(yīng)是指微觀粒子具有貫穿勢壘的力量,人們覺察一些宏觀量,如磁化強度、量子相干器中的磁通量等具有隧道效應(yīng),稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。由于以上4高強度和高韌性高熱膨脹系數(shù)、高比熱容和低熔點特別的導電率和磁化率極強的吸波性高集中性第三章納米材料的制備納米材料的制備技術(shù)的進展〔NanocrystallineorNanophase〕其次階段：納米復合材料。通常承受納米微粒與納米微粒的復合〔0-0復合、納米微粒同常規(guī)塊體之間的復合〔0-3復合〕及復合納米薄膜〔0-2復合。第三階段：納米組裝體系〔Nanostructuredassemblingsystem、納米尺度的圖案材料〔Patterningmaterialsonthenanometerscal具有納米構(gòu)造的體系〔如右圖。其中包括納米陣列體系、介空組裝體系、薄膜鑲嵌體系。納米顆粒、絲、管可以有序的排列而不同于第一、其次階段中帶有肯定程度的隨機性質(zhì)。納米材料的制備物理制備方法束外延法等等聚苯乙烯微球涂敷到基片上，由于轉(zhuǎn)速不同，即可得到銀納米顆粒的陣列。中科院物理所開發(fā)了對玻璃態(tài)合金進展[3]。例如：ZrTiCuBeC玻璃態(tài)合金在6GPa和623Ｋ的條件下進展晶化,可以制備出顆粒尺寸小于5nm的納米晶?；瘜W制備方法固相法固相法包括固相物質(zhì)熱分解法和物理粉碎法的超細化，但很難使粒徑小于100納米。機械合金法(ＭＡ)是1970年美國ＩNCO公司Benjamin為制作鎳的氧化物粒子彌散強化合金而研制成功的一種工藝。該法工藝簡潔。制備效率高，并能制備出常規(guī)法難以獲得的高熔點金屬或合金納米材料質(zhì)，降低純度，顆粒分布也不均勻。近年來，助磨劑物理粉碎法和超聲100氣相法氣相法在納米微粒制造技術(shù)中占有重要地位，利用此法可以制造出純度高、顆粒分布性好、粒徑分布窄而細的納米超微粒。尤其是通過掌握氣氛，可制備出液相法難以制備的金屬碳化物、硼化物真空蒸發(fā)—冷凝法在高純惰性氣氛下(ArHe)，對蒸發(fā)物質(zhì)進展真空加熱蒸發(fā)，蒸氣在氣體介質(zhì)中冷凝形成超微小粒。在1987年，BieglesTiO2

陶瓷材料。高壓氣體霧化法該法是利用高壓氣體霧化器將-20～40℃的氫氣和氬氣以3倍于音速的速度射入熔融材料的液體內(nèi)，熔體被裂開成極細顆粒的射流然后急劇驟冷得到超微粒度分布窄的納米材料。高頻感應(yīng)加熱法以高頻感應(yīng)線圈作熱源,使坩堝內(nèi)的物質(zhì)在低壓(1～10kPaHeN2

等惰性氣體中蒸發(fā),蒸發(fā)后的金屬原子與惰性氣體原子相碰撞,冷卻分散成顆粒.該法的優(yōu)點是產(chǎn)品純度高,粒度分布窄,保存性好,但本錢較高,難以蒸發(fā)高沸點的金屬.此外,還有濺射法、氣體復原法、化學氣相沉淀法和粒子氣相沉淀法。作為特別方法,用爆炸法可制備納米金剛石,用低壓燃燒法制備SiO2

、AlO23

等多種納米材料.液相法80,在不沉淀法該法包括直接沉淀法、均勻沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是僅用沉淀操作從溶液中制備氧化物納米微粒的方法米材料分解獲得超微粒。溶膠—凝膠法溶膠—凝膠法可制備傳統(tǒng)制備方法不能制得的產(chǎn)醇鹽和非醇鹽兩種方法。水解反響法依據(jù)水熱反響的類型不同進水解反響。膠體化學法金屬氧化物的水凝膠，以陰粒子外表活性劑[如ＤＢＳ]進展憎水處理，然后用有機溶劑沖洗制得有機膠體，經(jīng)脫水和減壓蒸餾，在低于外表活性劑的熱分解溫度的條件下，制得無定性球狀納米材料。溶液蒸發(fā)和熱分解法鹽溶液快速蒸發(fā)、升華、冷凝和脫水過程，避開了分凝作用，能制得與不同濃度的氣流接觸物理化學方法熱等離子體法該法是用等離子體將金屬等粉末熔融粒，是制備高純、均勻，粒徑小的氧化物、氮化物、碳化物系列，金屬系列和金屬合金系列納米微粒的最有效方法各種系列納米微粒以及含有揮發(fā)性組分合金的制備開拓了前景發(fā)出的電弧法[10]混合等離子體法彌補了傳統(tǒng)等離子體法存在的等離子槍壽命短、功率小、熱效率低等缺點。激光加熱蒸氣法。該法可快速生50電解法它包括水溶液和熔鹽電解兩種方法。用此法可制得高純金屬超微粒，尤其是電負性大的金屬粉末。輻射合成法用輻射合成法[11]制備納米材料具有明顯的特點γ射線輻照較大濃度的金屬鹽溶液制備周期短，產(chǎn)物粒度易掌握，一般可得10納米左右的粉末，產(chǎn).所以納米材料的輻射法制備近年來得到了很大的進展。納米微粒的制備除上述方法外，還有一些其他方法，如模板合成法,利用納米多孔材料的納米孔或納米管道為模板，可獲得粒徑可控，易摻雜和反響易掌握的納米粒子；自組裝法，用此法可制造中空ＢDVA特異功能制備納米顆粒等方法。第四章納米材料在社會生活方面應(yīng)用信息產(chǎn)業(yè)中的納米技術(shù)①網(wǎng)絡(luò)通訊、寬頻帶的網(wǎng)絡(luò)通訊、納米構(gòu)造器件、芯片技術(shù)以及①網(wǎng)絡(luò)通訊、寬頻帶的網(wǎng)絡(luò)通訊、納米構(gòu)造器件、芯片技術(shù)以及高清楚度數(shù)字顯示技術(shù)。②光電子器件、分子電子器件、巨磁電子器件。器、微電容、微電極等方面。④壓敏電阻、非線性電阻等，可添加氧化鋅納米材料改性。環(huán)境產(chǎn)業(yè)中的納米技術(shù)納米技術(shù)對空氣中納米技術(shù)對空氣中20納米以及水中的200納米污染物的降解是不行替代的技術(shù)。要凈化環(huán)境，必需用納米技術(shù)成功了一種對甲醛、氮氧化物、一氧化碳能夠降解的設(shè)備，可使空氣中的大于10ppm的有害氣體降低到0.1ppm，該設(shè)備已進入有用化生理產(chǎn)業(yè)，用于提高水的質(zhì)量，已見成效。能源環(huán)保中的納米技術(shù)在合理利用傳統(tǒng)能源方面，現(xiàn)在主要是凈化劑、助燃劑，它們在合理利用傳統(tǒng)能源方面，現(xiàn)在主要是凈化劑、助燃劑，它們一種液態(tài)小分子可燃燒的團簇物質(zhì)，有助燃、凈化作用。現(xiàn)在國際上主要研發(fā)能量轉(zhuǎn)化材料，我國也在做，它包括將太陽能轉(zhuǎn)化成電能、熱一種液態(tài)小分子可燃燒的團簇物質(zhì)，有助燃、凈化作用。現(xiàn)在國際上主要研發(fā)能量轉(zhuǎn)化材料，我國也在做，它包括將太陽能轉(zhuǎn)化成電能、熱能轉(zhuǎn)化為電能、化學能轉(zhuǎn)化為電能等。納米生物醫(yī)藥目前，國際醫(yī)藥行業(yè)面臨的決策，那就是用納米尺度進展制藥目前，國際醫(yī)藥行業(yè)面臨的決策，那就是用納米尺度進展制藥向藥物。對傳統(tǒng)藥物的改進，承受納米技術(shù)可以提高一個檔次。納米材料據(jù)美國測算，到據(jù)美國測算，到21世紀30年月，汽車上40％鋼鐵和金屬材料要40％，削減co2，排放401000還有各種功能材料，玻璃透亮度好但份量重，用納米改進它，使它變輕，使這種材料不僅有力學性能，而且還具有其他功能色、貯光，反射各種紫外線、紅外線，光的吸取、貯藏等功能。納米技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)改造個領(lǐng)域技術(shù)相結(jié)合的最好機遇。首先是家電、輕工、電子行業(yè)美菱集團從1996開頭研制納米冰箱，可折疊的pvc磁性冰箱門封不發(fā)霉，用的是抗菌涂料，里面的果盤都承受納米材料，進展輕工、電織。人造纖維是化纖和紡織行業(yè)進展的趨勢。以上只是列舉了納米材料于某幾個方面上的應(yīng)用，即已顯示了納米材料于世紀之交的材料科學之中的舉足輕重的地位最終列表總結(jié)一下納米材料可能應(yīng)用的領(lǐng)域。性能性能用途磁性磁記錄、磁性液體、永磁材料、吸波材料、磁光元件、慈存儲、磁探測器、磁制冷材料光學性能吸波隱身材料，光反射材料，光通信、光存儲、光開關(guān)，光過濾材料、光導電體發(fā)光材料，光學非線性元件、紅外線傳感器、光折變材料電學性能導電漿料、電極、超導體、量子器件、壓敏和非線性電阻敏感性能熱敏、濕敏、氣敏、熱釋電熱學性能低溫燒結(jié)材料、熱交換材料、耐熱材料顯示、記憶性能顯示裝置〔電學裝置，電泳裝置〕力學性能超硬、高強、高韌，超塑性材料，高性能陶瓷和高韌高硬圖層催化性能催化劑燃燒特性固體火箭和液體燃料的阻燃劑、助燃劑流淌性固體潤滑劑、油墨懸浮特性各種高精度拋光液其他醫(yī)用過濾器，能源材料、環(huán)保用材第五章碳納米管碳納米管進展(SumioIijima)首次利用電子顯度為數(shù)微米，甚至毫米，稱為“碳納米管”。理論分析和試驗觀看認為它是一種由六角網(wǎng)狀的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管狀構(gòu)造是由于飯島的覺察才真正引發(fā)了碳納米管爭論的熱潮和近十年來碳納米管科學和技術(shù)的飛速進展年隨著碳納米管及納米材料爭論的深入其寬闊的應(yīng)用前景也不斷地呈現(xiàn)出來。圖1依據(jù)石墨烯片的層數(shù)，可分為：單壁碳納米管〔Single-wallednanotubes,SWNTs〕：由一層0.75～3nm和1～50μm。又稱富勒管(Fullerenestubes)。圖22～50不等，層間距為0.34±0.01nm(0.34nm2～30nm和0.1～50μm。碳納米管的獨特性質(zhì)力學性能50～200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6，至少比常規(guī)石墨纖維高一個數(shù)量級。它是最強的纖維，在假設(shè)用它做成地球——月球載人電梯它的高彈性和彎曲剛性估量可以由超過兆兆帕的楊氏模量的熱振幅測量證明。對于具有抱負構(gòu)造的單層壁的碳納米管，其抗拉強度約800GPa米管的構(gòu)造雖然與高分子材料的構(gòu)造相像穩(wěn)定得多。973K的溫度下失重很少，構(gòu)造基本沒有發(fā)生變化。碳納米管在酸、堿的長時間浸泡下，構(gòu)造根本不發(fā)生破壞。電學性能由于碳納米管的構(gòu)造與石墨的片層構(gòu)造一樣，所以具有很好的電CNTs成具有良好導電性能的一維量子導線。熱學性能管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至150oC電介質(zhì)的品德振動波長大一個量料。儲氫性能碳納米管的中空構(gòu)造，以及較石墨 (0.335nm)略大的層間距(0.343nm)，是否具有更加優(yōu)良的儲氫性能，也成為科學家們關(guān)注的焦點。1997年，A.C.Dillon對單壁碳納米(SWNT)的儲氫性能做了爭論，SWNT在0℃時,儲氫量到達了5%DeLuchi指出:一輛燃料機車行駛500km,消耗約31kg的氫氣，以現(xiàn)有的油箱來推算，需要氫氣儲存的重量和體積能量密度到達65%和62kg/m3。這兩個結(jié)果大大增加了人們對碳納米管儲氫應(yīng)用前景的期望。第六章碳納米管的制備6.1概述碳納米管主要制備法方法有電弧法、熱解法和激光刻蝕法。其中〔與Wolfgang-Kratschmer法制備富勒烯類似為在惰性氣體分解得到碳納米管。激光刻蝕法承受激光刻蝕高溫爐中的石墨靶子，碳納米管就存在于惰性氣體夾帶的石墨蒸發(fā)產(chǎn)物中SWNT或者鑭系元素NdLaY〕，或者它們的混合物。催化劑在SWNTs阻擋SWNTs分布主要取決于制備方法、催化劑的種類、生長溫度等反響條件。石墨電弧法是最早的、最典型的碳納米管合成方法。根本原理：電弧室充惰性氣體保護，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開，以保持電弧穩(wěn)定。放電過程中陽極溫度相對陰極較高，的產(chǎn)物。影響因素：載氣類型、氣壓、電弧的電壓、電流、電極間距等。抱負的工藝條件60—50Pa，電流60A～100A，19V～25V，電極間距1mm～4mm50％。在石墨棒中摻雜金屬Fe、Co、NiIijima等生產(chǎn)出了半徑約1nm優(yōu)點：4000K的高溫碳納米管最大程度地石墨化，管缺陷少，比較能反映碳納米管的真正性能。離。3電弧發(fā)試驗裝置圖即碳氫化合物催化分解法是目前使用最多和最有期望實現(xiàn)批量生產(chǎn)的工藝之一。根本原理：將有機氣體(如乙炔、乙烯等)混以肯定比例的氮氣作層包覆，碳納米管生長完畢。影響因素：催化劑的選擇，反響溫度、時間，氣流量等。碳納米管的直徑的大小依靠于催化劑顆粒的直徑。試驗抱負參數(shù)：溫度為650℃～700’C，氣體流量＝10ml／min、N2＝600ml／min，反響時間60min～70min