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纳米材料论文范文
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纳米材料论文
题目：
纳米科技及纳米材料
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材料与冶金学院无机非金属材料工程xx02128064周鸣赵惠忠xx.11．2
【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。
文章简要地概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。
【关键词】纳米技术；纳米材料；结构；性能；应用；前景
【Abstract】Nanotechnologyistheworld'smostpromisingdecisivetechnology.Thearticlebrieflyoutlinesthenanometertechnology,thestructureandnano-materialsandnano-materialsspecialnatureoftheperformanceofvariousaspectsoftheapplicationinpractice,andtheprospectofnano-materialsapplications.
【Keywords】nanotechnology;Nanomaterials;Structure;Performance;Application;Prospects
1．纳米科学和技术
1.1纳米科技的定义
纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门
在0.1~100nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。
其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。
纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。
其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。
1.2纳米科技的内容纳米科技主要包含：
纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳
米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学
1.3纳米科技的内涵
它的出现标志着人类改造自然的能力已延伸到原子、分子水平，标志着人类科学技术已进入一个新的时代。
纳米科技的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。
纳米材料是未来社会发展极为重要的物质基础，许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持。
第三：
纳米材料不仅仅是颗粒尺寸减小的问题。
有些人认为，纳米技术与微米技术相比仅仅是尺寸缩小、精度提高的问题，检验一项技术或产品只要看它是否是纳米量级即可。
这种认识是片面的。
纳米科技的重要意义主要体现是在这样一个尺寸范围内，其所研究的物质
对象将产生许多既不同于宏观物体也不同于单个原子、分子的奇异性质或对原有性质有十分显著的改进和提升。
因此，判断纳米材料，不仅仅看颗粒是否在纳米量级，更重要的是要检测它在这一尺寸下，是否发生了性能的改变或原有性能显著的提高。
2纳米材料
2.1纳米材料的定义
粒径为1nm-100nrni勺纳米粉，直径为1nm-100nm的纳米线，厚度为1nm-10Onm的纳米簿膜，并且出现纳米效应的材料称为纳米材料。
2.2纳米材料勺分类
A、按维数或结构来分，纳米材料的基本单元可以分为四类：
零维纳米材料；一维纳米材料；二维纳米材料；三维纳米材料。
B、按材料物性划分，纳米材料可分为：
纳米半导体；纳米磁性材
料；纳米非线性光学材料；纳米铁电体；纳米热电材料；纳米光电材料；纳米超导材料。
C、按应用划分，纳米材料又可分为：
纳米电子材料；纳米光电子
材料；纳米生物医药材料；纳米敏感材料；纳米储能材料。
D、按应用划分，纳米材料又可分为：
纳米电子材料；纳米光电子材料；纳米生物
医药材料；纳米敏感材料；储能材料。
E、按化学组分划分，纳米材料可划分为：
纳米金属；纳米晶体；
纳米陶瓷；纳米玻璃；纳米高分子；纳米复合材料。
2.3纳米材料的颗粒特征
由于颗粒极度细化，晶界所占体积分数增加，使得材料的某些性能发生截然不同的变化。
例如，以前给人极脆印象的陶瓷，纳米化后居然可以用来加工制造发动机零件；尽管各种块状金属有不同颜色，但当其细化到纳米级的颗粒时，所有金属都呈现出黑色。
纳米材料的另一特点是熔点极低，金的熔点通常是1000多摄氏度，而晶粒尺度为3nm的金微粒，其熔点仅为普通金的一半。
如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级，又将恢复通常陶瓷的特性，因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工，随后进行热处理，使其转变为通常陶瓷，或进行表面热处理，使材料内部保持韧性，但表面却显示出高硬度、高耐磨性与抗腐蚀性。
2.4纳米材料的结构在纳米材料的结构中，存在着两种结构组元，即晶体组元和界面组元。
晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位臵；界面组元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。
晶体组元由所有晶粒中的原子组成，这些原子都严格地位于晶格位臵，长程有序；界面组元由处于各晶粒间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。
界面原子密度低，界面上邻近原子配位数发生变化，界面原子间距差别大。
纳米材料两种结构组元的存在，特别是界面组元的存在，使其特性既不同于原子，又不同于结晶体，其物理化学性质与块体材料相比有明显差异。
可以说它是一种不同于本体材料的新材料。
构成纳米块体材料、薄膜材料、多层膜的基本结构单元主要有：
原子团簇、纳米微粒、人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝和同轴纳米电缆。
其中：
原子团簇是一类于20世纪80年代才发现的新的化学物种。
它是几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm,如Fen,CunSmCnH（n和m为正数）和碳簇（C60,C70等）等。
原子团簇不同于具有特定大小和形状的分子，也不同于以弱的结合力结合的松散分子团簇和具有周期性的晶体。
它们的形状多种多样，它们尚未形成规整的晶体。
纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒,它的尺寸大于原子簇（cluster）,小于通常的微粉。
在固体物理和分子化学中，常将含有几个到几百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”，它是介于单个原子和固态之间的原子集合体。
纳米微粒一般在1~100nm之间。
当粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等方面有着广阔的使用前景。
人造原子是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它的尺寸小于100nm有时称其为量子点，是20世纪90年代提出来的新概念。
人们曾将半导体的量子点也称为人造原子。
当体系的尺度与物理特征量
相近时，量子效应十分显著。
因此当大规模集成电路微细化到100nm左右时，以传统观念和原理为基础的大规模集成电路的工作原理将受到严峻挑战，电子在人造原子中的运动规律将出现经典物理难于解释的新现象。
2.5纳米材料的性质：
纳米材料的特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显差异。
主要表现在：
纳米材料性能表现出强烈的尺寸依赖性当粒子尺寸减小到纳米级的某一尺寸时，则材料的物性会发生突变，与同组分的常规材料的性能完全不同，且同类材料的不同性能有不同的临界尺寸，对同一性能，不同材料相应的临界尺寸也有差异，所以当物质的粒子尺寸达到纳米数量级时，将会表现出优于同组分的晶态或非晶态的性质。
如熔点下降、强烈的化学活性和催化活性及特殊的光学、电学、磁学和力学及烧结性能。
这主要是由纳米材料的下列效应引起：
小尺寸效应（体积效应）；表面与界面效应；量子尺寸效应（久保效应）；宏观量子隧道效应；库仑堵塞与量子隧穿；介电限域效应。
随着颗粒尺寸的减小，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。
由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
小尺寸效应为纳米材料的应用开拓了广阔的领域。
作为高温陶瓷材料的烧结活化剂；通过改变晶粒尺寸来控制吸收波的位移，从而制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等；陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微粒制成的纳米陶瓷却具有良好的韧性。
这是由于纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移。
因此使原先脆性的材料表现出良好的韧性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能；纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬件3~5倍，则金属-陶瓷复合材料可在更大的范围内改变材料的力学性能，应用前景十分广阔.
纳米材料的表面效应是指：
随着粒子粒径变小，表面原子数与总原子数之比急剧增大后引起性质上的变化。
纳米粉体隨著粒径变小，占表面位臵的原子数量增加，因此纳米粉微粒通常具有相当高的表面能。
当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立（离散）能级的现象、纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级和能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。
纳米材料的量子尺寸效应即处于分离量子化能级中的电子的波动性带来了纳米材料一系列的特殊性质。
纳米材料的量子尺寸效应使纳米材料具有：
高度光学非线性；特异性催化和光催化性；强氧化性与强还原性。
用这一特性可制得光催化剂、强氧化剂与强还原剂。
可使用于制备无机抗菌材料。
微观粒子具有粒子性又具有波动性，因此具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。
隧道效应是由于粒子的波动性而引起的，只有在一定的条件下，隧道效应才会显著。
库仑堵塞效应是20世纪80年代介观领域所发现的极其重要的物理现象之一。
当体系的尺度进入到纳米级，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量Ec为e2/2C，体系越小，C越小，能量越大。
这个能量称为库仑堵塞能。
介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，这种介电增强通常为介电限局，主要微粒表面和内部局场强的增加。
当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增加称为介电限域。
一般来说，过渡族金属氧化物和半导体微粒都可能产生介电限域效应。
纳米微粒的介电限域对光吸收、光化学、光学非线性等会有重要的影响。
因此，在分析纳米材料光学现象的时候，既要考虑量子尺寸效应，又要考虑介电限域效应。
学院：
专业年级：
学生姓名：
指导老师：
机电工程学院xx级机械五班刘威学号：
xx1347袁光明
纳米材料与应用
（中南林业科技大学机电工程学院机械专业xx1347，湖南长沙，410004）摘要：
简要介绍了纳米材料的分类以及它的基本效应，讲解了纳米材料的特殊性能。
分析了新型能源纳米材料中光电转换、热点转换、超级电容器及电池电极的纳米材料；环境净化纳米材料中的光催化、吸附、尾气处理等；较具体的讲述了纳米生物医药材料中纳
米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。
关键词：
纳米材料，性能，应用。
【Abstract】:
Brieflyintroducestheclassificationofnanomaterialsanditsbasiceffect,explainingthenanometermaterialthespecialperformance.Anewenergynanomaterialsanalyzedinphotoelectricconversion,hotconversion,supercapacitorsandbatteryelectrodesnanometermaterial;Environmentalpurificationofnanomaterialsphotocatalytic,adsorption,exhausthandling,etc.;Themorespecificaboutnanobiologicalmedicinematerialsnanoceramicmaterial,nanocarbonmaterials,nanometerhighpolymermaterials,nanopositematerials.
【Keywords】:
nanomaterials,performance,theapplication.
纳米是一个长度单位，1nm=1CT9m纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1~1COnm当一种材料
的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。
纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。
按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。
其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。
按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料）。
按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。
按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等）。
当纳米材料的结构进入纳米尺度调至范围时，会表现出小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。
表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。
随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。
表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻的原子，有许多剩余键力，易与其他原子结合而稳定具有较高的化学活性。
纳米材料中界面原子所占的体积分数很大，它对材料性能的影响非常显著。
低温超塑性是纳米材料的一个重要特性，普通陶瓷只有在1000C以上，在小于一定的应变速率时才能表现出塑性，而许多纳米陶瓷在室温下就会发生塑性变形。
这种纳米陶瓷增韧效应主要归因于大量界面的存在。
而它的塑性变形主要是通过晶粒之间相对滑移而实现的。
而小尺寸效应纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺，利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。
对于量子尺寸而言，对于晶粒状态难以发光的间接带隙半导体，当其粒径减少到纳米量级时，会表现出明显的可见光发光现象，且随着粒径的进一步减少，发光强度逐渐增强，
这是因为颗粒尺寸为纳米量级时，传统固体理论中量子跃迁选择定则的作用将大大减弱并逐渐消失，并且由于能级的分裂导致发光光谱逐渐蓝移。
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。
用量子相干磁强计研究低温条件下纳米颗粒磁化率对频率的依赖性，证实了在低温确实存在磁的宏观量子隧道效应。
这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，先顶了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。
当材料的结构具有纳米尺寸调制特征时，将呈现许多特异的性能。
陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而有纳米超微颗粒压制成的纳米材料却具有良好的韧性，这是因为纳米材料具有很大的界面和比表面积，界面的原子在外力变形的条件下具有很高的扩散速率，因而用纳米粉末进行烧结，致密化速度快，可降低烧结温度，并且表现出甚佳的韧性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。
纳米材料的磁性性能拥有许多功效，利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力的性能，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。
在低温或超低温下，纳米粒子几乎没有热阻，纳米银微粒的轻烧结体是良好的低温导热材料，超微细氮化铝的导热率即使在常温下也比大块氮化铝的导热率高4~5倍。
悬浮于流体的纳米颗粒可大幅度提高流体的热导率及传热效果，例如在水中添加5%的铜纳米颗粒，热导率可以增大约1.5倍，这对提高冶金工业的热效率有重要意义。
纳米颗粒可表现出同质大块物体不同的光学特性，例如宽频带、强吸收、蓝移现象及新的发光现象，从而可用于发光反射材料、光通讯、光储存、光开光、光过滤材料、光导体发光材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外线传感器等领域。
纳米颗粒在电学性能方面也出现了许多独特性。
例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝缘性，纳米钛酸铅、钛酸钡等颗粒由典型得铁电体变成了顺电体。
可以利用纳米颗粒制作导电浆料、绝缘浆料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料压敏和非线性电阻及热电和介电材料等。
纳米粒子的粒径小，表面原子所占比例很大，表面原子拥有剩余的化学键合力，表现出很强的吸附能力和很高的表面化学反应活性。
新制备的金属粒子接触空气，能进行剧烈氧化反应或发光燃烧（贵金属除外）。
纳米材料还广泛应用于环境保护中，它具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出特点。
纳米材料在生物学性能也有广泛应用，用纳米颗粒很容易将血样中极少的胎儿细胞分离出来，方法简便，成本低廉，并能准确判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。
人工纳米材料由于其所具有的独特性质能满足人类发展中的多样化需求，近年来获得迅速的发展。
目前，越来越多的人工纳米材料已被投放市场，给人们的生活带来巨大的变化和进步。
纳米光电材料是利用纳米材料的一系列介观或量子特性，大大提高光电转换效率、发现和制备新的转换装置或大大降低成本。
目前，纳米光电材料的研究已经在太阳能电池、光电开关、图像记录、光储存、光催化合成以及环境保护等方面取得了重要的进展，为太阳能及其他光能的利用开辟了广泛的途径。
热电材料时一种先进的能量转换材料，通过载流子的移动能静态的进行热能与电能相互转换。
利用热电材料制备的发电器、制冷器、传感器等组件具有体积小、质量轻、结构简单、无介质泄露、无噪声、无磨损、移动方便、使用寿命长等优点，在军事、航天等高科技领域，在废热发电、医学恒温、小功率电源、微型传感器等民用领域有着广泛的应用前景。
中美两国的科学家们合作研发出了具有更高的功率密度（powerdensity）和能量密度（energydensity）的超级电容器，该电容器中使用到了包含碳纳米管的复合纳米材料。
作为高效的电能储存装置，超级电容器对大规模网格储能（gridenergystorage），电驱动汽车，电动工具，移动电子设备等都是不可或缺的。
超级电容器实际上就是具有高能量密度的电化学电容器。
它一般由两块导体材料（阴极和阳极），以及将两个电极隔开的绝缘体材料所构成。
传统的基于活性炭材料的对称超级
电容器的能量密度往往比较有限。
提高能量密度的办法之一是制造以碳材料为阴极，以金属氧化物为阳极的非对称超级电容器。
但是，初步的尝试由于动力学的设计仅局限于很薄的电极薄膜，因而所获得的能量密度比较低。
所以研发同时具有高能量密度和高功率密度的级电容器仍然是材料科学家们所面临的一个难题。
美国加州大学洛杉矶分校和中国天津大学的研究人员们合作，将导电性能良好的碳纳米管和高容量的氧化钒编织成多孔的纤维复合材料，并将该复合材料应用到超级电容器的电极上，获得了新型的具有高能量密度和高循环稳定性的超级电容器。
这种超级电容器是非对称的，包含复合材料的阳极和传统的阴极，以及有机的电解质。
其中电极薄膜的厚度要比之前的报道高很多，可以达到100微米上，从而使其可以获得更高的能量密度。
由于其制备过程与传统的锂离子电池和电容器的生产过程近似，研究人员们认为这种新型电容器的可以比较容易地投入大规模生产。
同时，他们也相信该项研究成果向同行们展示了纳米复合材料在高能量、高功率电子设备中的应用前景。
金属空气电池（metal-airbattery）被寄予厚望。
据了解，这类电池是特殊的燃料电池，是新一代绿色蓄电池，构造原理与干电池相同，所不同的只是它的去极剂取自空气中的氧。
它的制造成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高、原材料可回收再生利用，与燃料电池汽车（FCHV所用氢燃料电池相比，结构简单，价格十分便宜，并且性能优越。
例如有一种空气电池，以锌为阳极，以氢氧化钠为电解液，而阴极是多孔的活性炭，因此能吸附空气中的氧以代替一般干电池中的去极剂（二氧化锰）。
此材料具有大比表面积、吸氧性强、优良的催化性和稳定性。
碳贮能材料随着市场对锂离子电池性能要求的不断提高，锂离子电池对负极材料活性物质的要求不断提高。
通过先进碳材料的应用，综合了人造石墨和天然石墨做为锂离子电池负极材料活性物质的优点，克服了它们各自存在的缺点，是满足先进锂离子电池性能要求的新一代碳贮锂材料。
具有下列优点：
微观结构稳定性好，适合大电流充放电；表观性状相容性好，适合形成稳定的SEI膜；粒子形貌、粒径分布适应性强，适合不同的加工工艺要求。
适用于先进锂离子电池（液态、聚合物）对下列性能的要求：
更高的比能量（体积比、重量比）；更高的比功率；更长的循环寿命；更低的使用成本。
随着人民生活水平的提高和环境保护意识的增强，空气净化技术的研究应运而生。
第一层次的产品以物理为主的空气净化器，是利用滤、吸附、磁化处理杂质、静电凝聚清除尘埃、负离子消除烟尘等单一技术或其综合。
第二层次产品是以臭氧负离子为主要功能的空气净化器。
臭氧具有消毒、杀菌、除臭去味和去颜料色素等功能，利用臭氧与负离子以及其他物理过滤方法结合可以达到一定的空气净化效果。
但是臭氧仍然存在不能分解有机污染物的缺点。
采用纳米光催化［1］分解有害气体为核心，结合HEPA除尘技术、紫外杀菌技术、臭氧耦合技术和负离子清新技术于一体的空气净化技术将带来第三层次的全方位空气净化器。
具有强力除尘、脱臭、消毒、灭菌、分解有害气体等净化空气的功能。
应用纳米TiO2泡沫镍金属滤网及甲醛、氨、TVOC吸附改性活性炭等新材料，以及采用惯流风扇取代传统的离心风扇结构，提高空气净化器的性能。
光催化泡沫镍金属滤网的特性；镍金属网是用特殊的工艺方式将金属镍制作成具有三维网状结构的金属滤网。
它具有：
空隙加大，一般大于96%；通透性好，流体通过阻力小；其实际面积比表观面积大很多倍的特性。
镍金属网是将纳米级的TiO2以特殊工艺镶嵌在泡沫状镍金属网上，从而将光催化材料的杀菌、除臭、分解有机物的功能和镍的超稳定性很好的结合在一起。
它有效的解决了其他光催化材料在使用中存在的有效受光面积小、流体和光催化材料接触面积小、气阻大以及因光催化材料在光催化作用下的强氧化性致使其附着基
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