先進材料的制備及加工技術(shù)江蘇大學材料科學與工程學院1納米線的制備納米柱的制備碳納米管制備碳納米管陣列制備第三講一維納米材料的制備2第四講二維納米材料制備納米薄膜簡介納米薄膜制備技術(shù)石墨烯及其制備31、納米薄膜簡介典型的碳納米管在溶液中易聚集成束，幾乎不溶于任何溶劑，大大限制了CNTs在各方面的應用。近年來，人們利用表面活性劑的包裹作用或CNT與大π共軛體系之間的π-π相互作用，成功的將CNTs分散在不同溶劑包括水中。經(jīng)過化學反應修飾和各種官能化，除能獲得CNTs的分散液外，還能增加其與基體的界面結(jié)合力，為CNTs的組裝及表面反應提供了可能，基于CNT分散液的諸多薄膜材料相繼被成功開發(fā)。由于具有優(yōu)良的電子電導性、化學穩(wěn)定性，以及高的比表面積等獨特的物理化學性能，CNT薄膜可在化學催化、智能響應等領(lǐng)域得到應用。4納米TiO2薄膜在光催化、太陽能電池、精細陶瓷、傳感器等領(lǐng)域的廣泛應用,引起眾多材料學家的關(guān)注。超細TiO2

粉末在應用時存在易團聚、難分離等問題，而將二氧化鈦粉體負載于固體材料的表面，即將TiO2

或其前驅(qū)體，運用各種鍍膜工藝涂覆在各種基材(如玻璃、陶瓷、鋁材等)表面上，可以得到分散性較好的二氧化鈦薄膜。由于薄膜的厚度、均勻度、晶型等工藝參數(shù)是影響二氧化鈦薄膜性能的主要因素，因此其制備工藝成為目前研究的熱點之一。5多孔金屬材料是指一種內(nèi)部含有一定數(shù)量、尺寸的孔徑，具有明顯孔隙特征的金屬材料。由于其獨特的結(jié)構(gòu)，多孔金屬具有了一系列特殊的性能，如表觀密度低、比表面積大、可壓縮性好等，這使得多孔金屬材料在現(xiàn)代工業(yè)得到了廣泛的應用納米材料的興起與發(fā)展使得一類孔壁處于納米尺度(指1到100nm)的金屬多孔材料受到了廣泛關(guān)注和研究，它集中了納米材料和多孔材料的優(yōu)點，被稱為納米多孔金屬材料。由于貴金屬價格昂貴，且資源稀少，提高其利用率以減少其載量對催化劑的設計非常重要。6氮化碳除了具備高硬度和高彈性外，還具有耐磨損、防腐蝕、耐高溫等優(yōu)異性能，其耐高溫和化學穩(wěn)定性要大大優(yōu)于金剛石，在機械加工領(lǐng)域具有良好的應用前景。它還具有寬能帶間隙、高熱導、光學非線性，是制造半導體和光學器件的候選材料，也有可能是一種理想的場致發(fā)射材料。二十年來，眾多研究小組對合成該種材料進行了嘗試。迄今為止，已有一系列的技術(shù)手段例如陰極電弧、直流與射頻濺射、熱絲化學氣相沉積、激光燒蝕沉積(PLD)、等離子體輔助化學氣相沉積(PCVD)等，被用來合成這種新型物質(zhì)。采用等離子體束沉積和活性源輔助PLD方法合成出同時含ββ和g相的C3N4納米微晶。72、納米薄膜制備技術(shù)CNT薄膜的制備納米TiO2薄膜制備納米多孔金屬薄膜制備氮化碳納米薄膜制備納米顆粒膜制備靜電紡絲法81）CNT薄膜的制備CNT薄膜的制備可分為兩種途徑：一種為干法，如通過經(jīng)典的化學氣相沉積(CVD)技術(shù)實現(xiàn)CNT在不同襯底上的自組織生長。另外一種為濕法，主要是先把CNT分散在溶液中，再借助于各種成膜技術(shù)獲得表面平整的CNT薄膜。濕法主要包括：溶液澆鑄法、層-層吸附自組裝法、電泳沉積法、電化學沉積法、自組裝成膜法(SAM)、浸漬涂布法、改性表面吸附法、過濾-轉(zhuǎn)移法和LB技術(shù)等。9CNT薄膜10鎳-碳納米管薄膜的電泳電鍍方法示意圖11碳納米管的SEM圖12超聲復合空氣攪拌及復合電沉積技術(shù)13142）納米TiO2薄膜制備溶膠-凝膠法，以適宜的無機鹽或有機鹽為原料制備溶膠，把溶膠涂覆在基材表面，經(jīng)水解和縮聚反應等在基材表面膠凝成膜，再經(jīng)干燥、焙燒與燒結(jié)獲得表面膜。一般以Ti(OC4H9)4、TiCl4、TiOSO4為原料,乙醇等為溶劑,HNO3、HCl、CH3COOH、NH4OH等為催化劑?？梢杂秒x心旋轉(zhuǎn)法、浸漬提拉法、噴鍍法在基材表面涂膜，目前采用較多的是浸漬提拉法。15近年來，隨著對環(huán)境和能源的重視，染料敏化納米晶TiO2薄膜的研究也發(fā)展得很快。TiO2薄膜的比表面積、粗糙度、膜厚等性質(zhì)參數(shù)強烈地影響著太陽能電池的光電性能。絲網(wǎng)印刷技術(shù)制備薄膜時使膠體溶液在刮板的作用下通過網(wǎng)孔，均勻的沉積到導電基底上，形成納米

TiO2

膠體膜，大量制備時可用平面印刷機進行操作。該技術(shù)具有印刷膜層厚、對漿料適應性強、對承印物形狀和尺寸適應性廣等特點，近年來備受關(guān)注。16液相沉積法(Liquidphasedeposition,LPD)是利用金屬氟化物鹽的水解制備出相應的金屬氧化物或氫氧化物。液相沉積法制備薄膜需進行熱處理促使TiO2晶化，而在熱處理過程中薄膜內(nèi)的水分以及揮發(fā)性物質(zhì)往往會導致薄膜表面龜裂。微波輔助液相沉積法(Microwaveliquidphasedeposition,MWLPD)是將整個液相沉積過程置于微波輻射環(huán)境下，在較低溫度下實現(xiàn)TiO2由無定型向銳鈦礦型的轉(zhuǎn)化，不需要后續(xù)的煅燒處理，從而避免了TiO2納米薄膜的龜裂。17CVD法沉積的薄膜具有很好的階梯覆蓋性能，適用于在形狀復雜的基體表面沉積膜層，因而越來越受到重視。為了克服是以TiCl4為反應物Cl對膜的污染，人們使用鈦醇鹽作為原料來制備TiO2薄膜,同時還可以顯著地降低沉積溫度,提高工藝的使用范圍。水熱法是制備納米材料的常用方法,是用前驅(qū)體在高溫、高壓條件下，在水介質(zhì)中水解，直接轉(zhuǎn)化為晶態(tài)納米粒子。183）納米多孔金屬薄膜制備19202122欠電位沉積(UPD)，氧化還原置換反應(RRR)234）氮化碳納米薄膜制備等離子體反應氣相沉積技術(shù)24原子束輔助脈沖激光燒蝕沉積技術(shù)(PLD)25265）納米顆粒膜制備先后將Co磁性層和C保護層沉積在以非晶質(zhì)的C為襯底的玻璃基片上。C層和Co層分別采用射頻濺射和對靶直流濺射模式制備，通過調(diào)節(jié)濺射時間和功率來控制其厚度。襯底層和保護層的C層厚度為30nm，磁性層Co層的厚度在14~34nm范圍內(nèi)變化。在退火溫度為40℃時，形成更多的HCP-Co微晶2728室溫下用磁控濺射法在Si(111)襯底上生成Au/SiO2復合納米顆粒膜29靜電紡絲法，將紡絲溶液裝入注射器內(nèi)，并加上高壓；由于高壓電場的作用，在針頭處形成“泰勒錐”。溶液在高電壓作用下形成射流，并經(jīng)過多次分裂，同時溶劑快速揮發(fā)，在收集板上就得到了微納米尺度的纖維。該方法是一種簡便易行、可以直接從聚合物及復合材料制備連續(xù)纖維的方法,其制備的納米纖維薄膜通常是以無紡布形式存在的。靜電紡絲技術(shù)具有一些突出的優(yōu)點：設備和實驗成本較低，纖維產(chǎn)率較高，制備出的纖維比表面積比較大(纖維直徑在幾十納米到幾個微米的范圍內(nèi))，并且適用于許多不同種類的材料。6）靜電紡絲法30313、石墨烯及其制備2004年，英國曼切斯特大學科學家GeimAK等人，通過膠帶反復剝離石墨片獲得一個原子厚度的石墨單片—石墨烯(graphene)。石墨烯是普遍存在于其他碳材料中，并可以看作是其他維度碳基材料的組成單元。三維的石墨可以看作是由石墨烯單片經(jīng)過堆砌而形成；零維的富勒烯可看作由特定石墨烯形狀團聚而成；而石墨烯卷曲后就可形成一維的碳納米管結(jié)構(gòu)。3233氧化石墨烯(grapheneoxide)是石墨烯的一種衍生物，它是由氧化石墨發(fā)生剝離而形成的石墨烯單片。由于問題的復雜性，氧化石墨烯的精確結(jié)構(gòu)還無法得到確定。目前普遍接受的結(jié)構(gòu)模型是在氧化石墨烯單片上隨機分布著烴基和環(huán)氧基，而在單片的邊緣則引入了羧基和羰基。由于在石墨烯片上引入了大量的氧基活性功能團，使得原本較為惰性的石墨烯表面變得異?；顫?，基于這些活性功能團的化學反應也因此豐富多樣。34氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)示意圖35目前己報道了很多石墨烯的制備方法，主要包括：微機械剝離、化學氣相沉積、氧化-還原、溶劑剝離和溶劑熱法等。利用傳統(tǒng)的物理法制備出來的石墨烯具有較為完整的晶體結(jié)構(gòu)，這種完整的晶體結(jié)構(gòu)為石墨烯的電子性能研究提供了較好的研究對象。然而利用物理法所需要的條件較為嚴格，且制備出的石墨烯產(chǎn)量較低，從而不利于石墨烯的規(guī)?；a(chǎn)和應用。36化學氣相沉積（CVD法）