功能材料論文

1、功能材料課程論文納米材料及其應(yīng)用姓名：虎少奇班級(jí)：金材132班學(xué)號(hào)：131402080113材料科學(xué)與工程學(xué)院河南科技大學(xué)納米材料及其應(yīng)用摘要：納米材料由于其獨(dú)特的效應(yīng)，使得納米材料具有不同于常規(guī)材料的特殊用途。近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)尤其是納米技術(shù)的發(fā)展，納米材料已經(jīng)從高精尖領(lǐng)域逐漸走到百姓的生活之中，它的科學(xué)價(jià)值及應(yīng)用價(jià)值逐漸被發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)，納米技術(shù)的研究得到了更多的關(guān)注。逐漸新興起的的納米材料進(jìn)入人們的眼球，就需要我們對(duì)納米材料進(jìn)行更多的研究與發(fā)展，揭秘其中的奧秘之處，就像人們所認(rèn)知的那樣被大家熟知。為此，我們應(yīng)該付出更多的努力。本文將帶大家探索我們不太熟知的納米材料的奧秘，關(guān)鍵詞：納米材料；

2、效應(yīng)；納米技術(shù)；納米結(jié)構(gòu)；應(yīng)用范圍；1 .納米材料納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料，廣義上是三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍超精細(xì)顆粒材料的總稱。根據(jù)2011年10月18日歐盟委員會(huì)通過(guò)的定義，納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀、團(tuán)塊狀的天然或人工材料，這一基本顆粒的一個(gè)或多個(gè)三維尺寸在1納米至100納米之間，并且這一基本顆粒的總數(shù)量在整個(gè)材料的所有顆?？倲?shù)中占50%以上。從尺寸大小來(lái)說(shuō)，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1100納米的微粒稱為超微粒

3、材料，也是一種納米材料。納米顆粒材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過(guò)渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當(dāng)人們將宏觀物體細(xì)分成超微顆粒（納米級(jí)）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時(shí)相比將會(huì)有顯著的不同。2 .納米材料的發(fā)展史1962年，久保提出超微顆粒的量子限域理論，推動(dòng)了實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家對(duì)納米微粒的探索。第一個(gè)真正認(rèn)識(shí)到納米粒子的

4、性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家。他們?cè)?0世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法做了超微粒子，并發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，失去原來(lái)的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)熱。1984年德國(guó)的H.Gleiter教授等合成了納米晶體Pd,Fe等。并且1987年美國(guó)阿貢國(guó)立實(shí)驗(yàn)室Siegel博士制備出納米TiO2多晶陶瓷，呈現(xiàn)良好的韌性，在100多度高溫彎曲仍不裂。這一突破性進(jìn)展造成第一次世界性納米熱潮，使其成為材料科學(xué)的一個(gè)分支。這使得納米材料飛速發(fā)展。1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦Nanotechnology»和«Nanobiology»兩種

5、國(guó)際性專業(yè)期刊也在同年相繼問(wèn)世。標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。今天，納米科技的發(fā)展使費(fèi)曼的預(yù)言已逐步成為現(xiàn)實(shí)。納米材料的奇特物性正對(duì)人們的生活和社會(huì)的發(fā)展產(chǎn)生重要的影響。納米材料的發(fā)展分為三個(gè)階段：第一個(gè)階段(在1990年以前)主要是在實(shí)驗(yàn)室探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評(píng)估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。對(duì)納米顆粒和納米塊體材料結(jié)構(gòu)的研究在80年代末期一度形成熱潮。研究的對(duì)象一般局限在單一材料和單相材料，國(guó)際上通常把這類納米材料稱納米晶或納米相材料。第二個(gè)階段(1994年以前)是人們關(guān)注的熱點(diǎn)是如何利用納米材料已挖掘出來(lái)的奇特物理、化學(xué)

6、和力學(xué)性能，設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。第三個(gè)階段(1994年以后)主要是納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點(diǎn)。3 .納米材料的五大效應(yīng)(1)體積效應(yīng)當(dāng)納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點(diǎn)等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，這就是納米粒子的體積效應(yīng)。(2)表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米粒子表面原子與總原子數(shù)之比隨著粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上

7、的變化。表9-2給出了納米粒子尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系。(3)量子尺寸粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)接近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)的現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。例如，導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)反常變化，光譜線會(huì)產(chǎn)生向短波長(zhǎng)方向的移動(dòng)，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。因此，對(duì)超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。(4)量子隧道微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)

8、。用此概念可定性解釋超細(xì)饃微粒在低溫下保持超順磁性等。(5)介電限域納米粒子的介電限域效應(yīng)較少不被注意到。實(shí)際樣品中，粒子被空氣、聚合物、玻璃和溶劑等介質(zhì)所包圍，而這些介質(zhì)的折射率通常比無(wú)機(jī)半導(dǎo)體低。光照射時(shí)，由于折射率不同產(chǎn)生了界面，鄰近納米半導(dǎo)體表面的區(qū)域、納米半導(dǎo)體表面甚至納米粒子內(nèi)部的場(chǎng)強(qiáng)比輻射光的光強(qiáng)增大了。這種局部的場(chǎng)強(qiáng)效應(yīng)，對(duì)半導(dǎo)體納米粒子的光物理及非線性光學(xué)特性有直接的影響。對(duì)于無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料以及用于多相反應(yīng)體系中光催化材料，介電限域效應(yīng)對(duì)反應(yīng)過(guò)程和動(dòng)力學(xué)有重要影響。4,納米技術(shù)納米技術(shù)的廣義范圍可包括納米材料技術(shù)及納米加工技術(shù)、納米測(cè)量技術(shù)、納米應(yīng)用技術(shù)等方面。其中納米材

9、料技術(shù)著重于納米功能性材料的生產(chǎn)(超微粉、鍍膜、納米改性材料等)，性能檢測(cè)技術(shù)(化學(xué)組成、微結(jié)構(gòu)、表面形態(tài)、物、化、電、磁、熱及光學(xué)等性能)C納米加工技術(shù)包含精密加工技術(shù)(能量束加工等)及掃描探針技術(shù)。目前，納米技術(shù)主要應(yīng)用于“袖珍軍團(tuán)“，微型環(huán)狀激光器，納米級(jí)微電子軟件，超微型計(jì)算機(jī)等方面。5 .納米結(jié)構(gòu)納米結(jié)構(gòu)是以納米尺度的物質(zhì)單元為基礎(chǔ)按一定規(guī)律構(gòu)筑或營(yíng)造的一種新體系。它包括納米陣列體系、介孔組裝體系、薄膜嵌鑲體系。對(duì)納米陣列體系的研究集中在由金屬納米微?；虬雽?dǎo)體納米微粒在一個(gè)絕緣的襯底上整齊排列所形成的二位體系上。而納米微粒與介孔固體組裝體系由于微粒本身的特性，以及與界面的基體耦合所產(chǎn)

10、生的一些新的效應(yīng)，也使其成為了研究熱點(diǎn)，按照其中支撐體的種類可將它劃分為無(wú)機(jī)介孔復(fù)合體和高分子介孔復(fù)合體兩大類，按支撐體的狀態(tài)又可將它劃分為有序介孔復(fù)合體和無(wú)序介孔復(fù)合體。在薄膜嵌鑲體系中，對(duì)納米顆粒膜的主要研究是基于體系的電學(xué)特性和磁學(xué)特性而展開的。6 .納米材料的制備(1)惰性氣體下蒸發(fā)凝聚法。通常由具有清潔表面的、粒度為1-100nm的微粒經(jīng)高壓成形而成，納米陶瓷還需要燒結(jié)。國(guó)外用上述惰性氣體蒸發(fā)和真空原位加壓方法已研制成功多種納米固體材料，包括金屬和合金，陶瓷、離子晶體、非晶態(tài)和半導(dǎo)體等納米固體材料。我國(guó)也成功的利用此方法制成金屬、半導(dǎo)體、陶瓷等納米材料。(2)化學(xué)方法：1水熱法，包括

11、水熱沉淀、合成、分解和結(jié)晶法，適宜制備納米氧化物；2水解法，包括溶膠-凝膠法、溶劑揮發(fā)分解法、乳膠法和蒸發(fā)分離法等。(3)綜合方法。結(jié)合物理氣相法和化學(xué)沉積法所形成的制備方法。其他一般還有球磨粉加工、噴射加工等方法。6.納米材料的應(yīng)用范圍就目前而言，納米材料應(yīng)用主要是天然納米材料，納米磁性材料，納米陶瓷材料，納米傳感器，納米傾斜功能材料，納米半導(dǎo)體材料，納米催化材料，納米計(jì)算機(jī)，納米碳管，醫(yī)療應(yīng)用，家電，環(huán)境保護(hù)，紡織工業(yè)，機(jī)械工業(yè)等方面。而被我們所了解的納米材料大概就有納米磁性材料，納米陶瓷，納米半導(dǎo)體材料了。(1)納米磁性材料在實(shí)際中應(yīng)用的納米材料大多數(shù)都是人工制造的。納米磁性材料具有十分

12、特別的磁學(xué)性質(zhì)，納米粒子尺寸小，具有單磁疇結(jié)構(gòu)和矯頑力很高的特性，用它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖像和信噪比好，而且記錄密度比r-Fe2O3高幾十倍。超順磁的強(qiáng)磁性納米顆粒還可制成磁性液體，用于電聲器件、阻尼器件、旋轉(zhuǎn)密封及潤(rùn)滑和選礦等領(lǐng)域。(2)納米陶瓷材料傳統(tǒng)的陶瓷材料中晶粒不易滑動(dòng)，材料質(zhì)脆，燒結(jié)溫度高。納米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上運(yùn)動(dòng)，因此，納米陶瓷材料具有極高的強(qiáng)度和高韌性以及良好的延展性，這些特性使納米陶瓷材料可在常溫或次高溫下進(jìn)行冷加工。如果在次高溫下將納米陶瓷顆粒加工成形，然后做表面退火處理，就可以使納米材料成為一種表面保持常規(guī)陶瓷材料的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，而內(nèi)部仍

13、具有納米材料的延展性的高性能陶瓷。(3)納米半導(dǎo)體材料將硅、神化錢等半導(dǎo)體材料制成納米材料，具有許多優(yōu)異性能。例如，納米半導(dǎo)體中的量子隧道效應(yīng)使某些半導(dǎo)體材料的電子輸運(yùn)反常、導(dǎo)電率降低，電導(dǎo)熱系數(shù)也隨顆粒尺寸的減小而下降，甚至出現(xiàn)負(fù)值。這些特性在大規(guī)模集成電路器件、光電器件等領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。利用半導(dǎo)體納米粒子可以制備出光電轉(zhuǎn)化效率高的、即使在陰雨天也能正常工作的新型太陽(yáng)能電池。由于納米半導(dǎo)體粒子受光照射時(shí)產(chǎn)生的電子和空穴具有較強(qiáng)的還原和氧化能力，因而它能氧化有毒的無(wú)機(jī)物，降解大多數(shù)有機(jī)物，最終生成無(wú)毒、無(wú)味的二氧化碳、水等，所以，可以借助半導(dǎo)體納米粒子利用太陽(yáng)能催化分解無(wú)機(jī)物和有機(jī)物?？傊?/p>

14、，納米材料存在我們生活中一切事物之中，只是我們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)而已，就像鴿子大腦里的導(dǎo)航，生活的一些半導(dǎo)芯片，很多的精密儀器之中都可能存在納米材料。納米材料已經(jīng)在我們身邊大量事物中出現(xiàn)。它的應(yīng)用前景非常廣闊，我們應(yīng)該更深一步的研究納米材料，揭開其神秘的面紗。參考文獻(xiàn)1 .丁秉鈞，納米材料，普通高等教育材料科學(xué)與工程專業(yè)規(guī)劃教材，2011-07-27;2 .原繼紅，黃楠，韓曉云，康傳紅，孫治堯，閆爾云，納米材料的應(yīng)用，綏化學(xué)院學(xué)報(bào)2012年第1期184-186,3 .王仁清，納米材料的應(yīng)用，中國(guó)科技信息，2004年第22期19,21,課程學(xué)習(xí)后的收獲與建議：收獲：自當(dāng)學(xué)習(xí)了功能材料之后，我便從中更深一步了解到了材料的本質(zhì)，這對(duì)我們材料專業(yè)的學(xué)生來(lái)說(shuō)無(wú)疑是最有幫助的，我們是學(xué)習(xí)材料的，就必須從材料的多個(gè)層面去了解，并且熟悉材料，這樣才可以更加熟悉的運(yùn)用材料的特性，掌握材料的本質(zhì)。學(xué)習(xí)本課程之后，我們便可以從只知道材料的一些淺顯的的特性像更深一層的特性去了解掌握。例如導(dǎo)電陶瓷的原理，鐵電體，壓敏陶瓷，氣敏陶瓷等等這些我們聽過(guò)和沒(méi)有見識(shí)過(guò)的材料和材料方面的其他知識(shí)。就拿形狀記憶合金來(lái)說(shuō)，我們能想到的是它會(huì)記憶自己的形態(tài)，就像之前學(xué)過(guò)的Ti合金一樣，但是，卻沒(méi)有了解它的基本原理，不知道合金的這種記憶效應(yīng)是由合金的“相變化”來(lái)實(shí)現(xiàn)的，隨著溫度的改