納米材料的制備與應(yīng)用

1、 17/21 本科畢業(yè)論文(設(shè)計(jì))題目： 納米材料的制備及應(yīng)用 學(xué)院： 物理與電子科學(xué)學(xué)院班級(jí)：XX級(jí)XX班 姓名：XXX指導(dǎo)教師： XXX 職稱： 完成日期： 20XX年X 月XX日納米材料的制備及應(yīng)用摘要:近幾年來，由于納米材料有眾多特殊性質(zhì)，人們?cè)絹碓疥P(guān)注納米材料?？萍嫉难该桶l(fā)展使納米材料的制備變得更加成熟。本論文講述納米材料的制備，以及納米技術(shù)在將來的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：納米材料 物理方法 化學(xué)方法 應(yīng)用前景目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc11639 引言 PAGEREF _Toc11639 1 HYPERLINK l _Toc7056 1.納米材料的物理制

2、備方法 PAGEREF _Toc7056 1 HYPERLINK l _Toc28351 1.1物理粉碎法 PAGEREF _Toc28351 1 HYPERLINK l _Toc19954 1.2球磨法 PAGEREF _Toc19954 1 HYPERLINK l _Toc21128 1.3.蒸發(fā)冷凝法 PAGEREF _Toc21128 2 HYPERLINK l _Toc6377 1.3.1.激光加熱蒸發(fā)法 PAGEREF _Toc6377 2 HYPERLINK l _Toc22859 1.3.2.真空蒸發(fā)冷凝法 PAGEREF _Toc22859 3 HYPERLINK l _To

3、c28100 1.3.3.電子束照射法 PAGEREF _Toc28100 4 HYPERLINK l _Toc16112 1.3.4.等離子體法 PAGEREF _Toc16112 4 HYPERLINK l _Toc12626 1.3.5.高頻感應(yīng)加熱法 PAGEREF _Toc12626 5 HYPERLINK l _Toc13162 1.4.濺射法 PAGEREF _Toc13162 6 HYPERLINK l _Toc16538 2.納米材料的化學(xué)制備方法 PAGEREF _Toc16538 7 HYPERLINK l _Toc16664 2.1化學(xué)沉淀法 PAGEREF _Toc1

4、6664 7 HYPERLINK l _Toc24609 2.2化學(xué)氣相沉積法 PAGEREF _Toc24609 7 HYPERLINK l _Toc5991 2.3化學(xué)氣相冷凝法 PAGEREF _Toc5991 9 HYPERLINK l _Toc4768 2.4溶膠-凝膠法 PAGEREF _Toc4768 9 HYPERLINK l _Toc25415 2.5水熱法 PAGEREF _Toc25415 10 HYPERLINK l _Toc31247 3.納米材料的其他制備方法 PAGEREF _Toc31247 10 HYPERLINK l _Toc27753 3.1分子束外延法

5、PAGEREF _Toc27753 11 HYPERLINK l _Toc15992 3.2靜電紡絲法 PAGEREF _Toc15992 11 HYPERLINK l _Toc9577 4.納米材料的應(yīng)用前景 PAGEREF _Toc9577 12 HYPERLINK l _Toc4076 5.總結(jié) PAGEREF _Toc4076 13 HYPERLINK l _Toc3664 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc3664 13 HYPERLINK l _Toc17804 致謝 PAGEREF _Toc17804 14引言納米材料是指任一維空間尺度處于1100nm之間的材料。它有著不同尋常的

6、性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)可引起物理性質(zhì)的突變，從而具有獨(dú)特的性能；量子尺寸效應(yīng)和表面與界面效應(yīng)使其具有了一般大顆粒物不具備的性質(zhì)，如對(duì)紅外線、紫外線有很強(qiáng)的反射作用，應(yīng)用到紡織品中有抗紫外線，隔熱保溫作用。納米材料的這些特性使其在化工、物理、生物、醫(yī)學(xué)方面都有非常重要的價(jià)值。多年以來，通過科學(xué)家們的潛心研究，使納米材料在其制備及其應(yīng)用中得到了很大的發(fā)展。納米材料將逐漸進(jìn)入人們的日常生活，并將成為未來新工業(yè)革命的必備材料。1.納米材料的物理制備方法1.1物理粉碎法物理粉碎法就是用機(jī)械粉碎和電火花爆炸等方法得到納米微粒。此方法操作簡(jiǎn)單，成本較低，但得到的納米微粒純度不高，分布也不均勻。圖1.機(jī)械粉碎法儀

7、器圖 1.2球磨法球磨法是將材料放入球磨機(jī)內(nèi)，在球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或振動(dòng)過程中，鋼球與原料之間產(chǎn)生劇烈的碰撞，再經(jīng)過攪拌、研磨，形成納米微粒。該方法操作比較簡(jiǎn)單，效率高，能獲得常規(guī)方法不易得到的高熔點(diǎn)合金，如金屬陶瓷納米微粒；球磨法此外還可以將相圖上本來不互溶的納米元素制成固溶體，但該方法得到的納米微粒分布不均勻，而且很容易引入新的雜質(zhì)，有次得到的納米微粒純度不高。圖2.球磨法示意圖1.3.蒸發(fā)冷凝法 蒸發(fā)-冷凝法也稱為物理氣相沉積法，即使用激光、電子束照射、真空蒸發(fā)、電弧高頻反應(yīng)等方法使原料生成等離子體，再在介質(zhì)中冷卻凝結(jié)行成納米微粒。這種方法大致又分一下幾種: 1.3.1.激光加熱蒸發(fā)法光加熱蒸

8、發(fā)法：用激光作為加熱源，氣相反應(yīng)物可在吸收傳遞能量之后快速凝結(jié)成核、長(zhǎng)大、終止。用該方法可以達(dá)到減少雜質(zhì)的目的，實(shí)驗(yàn)過程容易控制，但這種方法電能消耗比較大，生產(chǎn)效率低，成本高，不宜大規(guī)模生產(chǎn)。圖3.激光加熱蒸發(fā)法制備納米顆粒實(shí)驗(yàn)裝置圖圖4.激光加熱法制成的TiO2顆粒1.3.2.真空蒸發(fā)冷凝法真空 蒸發(fā)冷凝法：在真空室里通入惰性氣體（He、Ar氣），然后對(duì)物質(zhì)進(jìn)行真空加熱，使其蒸發(fā)形成原子霧，原子霧遇冷凝結(jié)形成納米顆粒。這種在高溫下獲得的納米微粒很?。尚∮?0nm），在制備過程中無其它雜質(zhì)污染，反應(yīng)快，成品純度高，材料組織好。但這種方法僅能制備成分單一、熔點(diǎn)低的物質(zhì)。在制備金屬氧化物、氮化物

9、等高熔點(diǎn)物質(zhì)的納米微粒時(shí)還存在很大局限性。而且此方法對(duì)設(shè)備要求高、成本也比較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)。圖5.真空蒸發(fā)冷凝法制備納米顆粒示意圖1.3.3.電子束照射法電子束照射法：原材料（一般指金屬氧化物）在高能電子束的照射下獲得能量，金屬氧鍵斷裂，金屬原子蒸發(fā)后遇冷凝結(jié)成核、長(zhǎng)大，最終形成納米微粒。此方法只可以用來制備金屬納米粉末。圖6.電子束照射法制備納米微粒裝置圖1.3.4.等離子體法等離子體法：原材料在惰性或反應(yīng)性氛圍中，通過直流放電來使氣體電離，從而熔融、蒸發(fā)、冷凝得到納米微粒。用此種方法制得的產(chǎn)品分布均勻、純度高，適合于金屬及金屬氧化物、碳化物、氮化物等高熔點(diǎn)物質(zhì)納米微粒的制備。但此方法

10、離子槍短、功率低。圖7.等離子體法制備納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖1.3.5.高頻感應(yīng)加熱法高頻感應(yīng)加熱法：用高頻線圈作為熱源，坩堝內(nèi)的原材料在低壓氣體（一般為He、Ne等惰性氣體）中蒸發(fā)，原子蒸發(fā)后與惰性氣體碰撞凝結(jié)行成納米微粒。此方法僅限于制備低熔點(diǎn)的物質(zhì)，并不適合于沸點(diǎn)高的金屬盒難熔化物質(zhì)，且成本加高，一般不采用。 圖8.高頻感應(yīng)加熱法制備納米納米微粒實(shí)驗(yàn)裝置圖1.4.濺射法濺射法：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽(yáng)極，兩極之間充入Ar氣，壓強(qiáng)在40250Pa。由于兩極放電使得Ar氣體電離且撞擊陰極材料表面，陰極材料表面的分子或原子蒸發(fā)出來沉積到基片上，形成納米顆粒。目前，常用的濺射法有離子束濺射法，陰

11、極濺射法，直流磁控濺射法等。此方法有鍍膜層與基材結(jié)合力強(qiáng)、鍍膜層致密、均勻等優(yōu)點(diǎn)。但產(chǎn)品分布不均勻，產(chǎn)量較低。圖9.濺射法制備納米微粒原理圖2.納米材料的化學(xué)制備方法納米材料的化學(xué)制備方即通過化學(xué)反應(yīng)，從原子、離子、分子出發(fā)，制備納米微粒。常用的化學(xué)制備法有沉淀法、氣相沉積法、等離子體誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積法、氣相冷凝法、溶膠冷凝法、光化學(xué)合成法、化學(xué)氣相反應(yīng)法、水熱法、熔融法、火焰水解法、輻射合成法等。2.1化學(xué)沉淀法化學(xué)沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑，使其反應(yīng)生成難溶物或水和氧化物，再經(jīng)過慮、干燥、分解得到納米化合物微粒；化學(xué)沉淀法又有均勻沉淀法、直接沉淀法、醇鹽水解沉淀法、共沉淀法；其

12、中，均勻沉淀法是預(yù)沉淀劑在溶液中緩慢反應(yīng)釋放出沉淀劑，沉淀劑與金屬離子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀劑與金屬離子直接反應(yīng)形成沉淀；醇鹽水解沉淀法就是金屬醇鹽遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金屬鹽溶液中加入沉淀劑，獲得混合沉淀，再進(jìn)行熱分解或得納米微粒；此方法是液相化學(xué)合成納米微粒應(yīng)用最多的方法之一，其中關(guān)鍵是控制粉末成分的均勻，避免形成硬團(tuán)聚。這種方法在冷凍干燥過程中，冷凍液體不收縮，形成的納米微粒表面積較大，可以很好的消除粉末團(tuán)聚現(xiàn)象。沉淀法制備納米微粒時(shí)成品的影響因素比較多，如過濾過程，洗滌液的濃度、酸堿度等都會(huì)影響納米微粒的大??；此種方法操作簡(jiǎn)單，但很容易引入新的雜

13、質(zhì)，影響產(chǎn)品的純度。2.2化學(xué)氣相沉積法.化學(xué)氣相沉積法又叫CVD法，就是原材料在氣相中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)得到納米材料，所用的加熱源與物理氣相沉積法相同10。普通的化學(xué)氣相沉積法得到的納米微粒易團(tuán)聚燒結(jié)，而且比較粗，用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法就可以很好的避免上述情況的發(fā)生?；瘜W(xué)氣相沉積法得到的納米微粒分布比較均勻，粒度小，純度高，化學(xué)活性高，而且成本低、生產(chǎn)效率高，是目前制備納米材料最常用的方法之一。此外，化學(xué)氣相沉積法由于制備工藝簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少，方便操作，適于大規(guī)模生產(chǎn)，工業(yè)應(yīng)用前景較好。化學(xué)氣相沉積法可以制備幾乎所有的金屬、氮化物、氧化物、碳化物、復(fù)合氧化物等膜材料。隨著制備納米材料的技術(shù)逐

14、步完善，化學(xué)氣相沉積法將會(huì)由更廣泛的應(yīng)用11。圖10. 化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的實(shí)驗(yàn)裝置圖圖11. 化學(xué)氣相沉積法制備納米微粒的原理圖圖12.化學(xué)氣相沉積法獲得的各種形態(tài)固體示意圖2.3化學(xué)氣相冷凝法化學(xué)氣相冷凝法就是在真空室中充入惰性氣體，壓強(qiáng)在Pa左右，原材料和惰性氣體先在磁控濺射裝置中反應(yīng)，在經(jīng)過冷凝得到納米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，簡(jiǎn)稱CVC法，目前已經(jīng)成功應(yīng)用這種方法獲得了二氧化鈦、二氧化鋯、氮化硅、碳化硅的納米材料。2.4溶膠-凝膠法溶膠-凝膠法是以易溶于水的金屬化合物為原材料，使其在溶液中與水反應(yīng)，溶質(zhì)發(fā)生水解生成納米級(jí)的微粒并形成溶膠，溶膠經(jīng)過

15、蒸發(fā)、干燥轉(zhuǎn)變?yōu)槟z(該法在低溫下反應(yīng)，允許摻雜大量的無機(jī)物和有機(jī)物)，再經(jīng)過干燥、燒結(jié)等后處理獲得氧化物納米微粒；這種方法常涉及的反應(yīng)有聚合反應(yīng)、水解反應(yīng)。目前，溶膠-凝膠法一般又分為兩種：膠體化學(xué)法和金屬醇鹽水解法。其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，在低溫環(huán)境下就可以獲得分布均勻、純度較高的納米微粒，而且可以用來獲得一般方法難以得到納米材料。用溶膠凝膠法制備的納米材料有多孔狀結(jié)構(gòu)，表面積較大，在氣敏、濕敏及催化方面有很大的應(yīng)用，可以使氣敏、濕敏特性和催化率得到較大提高。此外，這種方法是制備涂層以及薄膜非常有效的方法之一，也特別適合制備非晶態(tài)納米材料。但這種方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收

16、縮、開裂，所以使用范圍不廣。 圖13.溶膠-凝膠法制備納米材料的流程圖2.5水熱法 水熱法是指在封閉的反應(yīng)容器中，將水溶液作反應(yīng)體系，對(duì)水溶液加熱增大體系壓強(qiáng)來制備無機(jī)材料，再經(jīng)過分離、熱處理得到納米微粒；離子反應(yīng)和水解反應(yīng)在水熱條件下可得到加速、促進(jìn)，常溫下反應(yīng)很慢的熱力學(xué)反應(yīng)，在水熱條件下就可以快速反應(yīng)；在高壓下，大部分反應(yīng)物能部分溶于水中，使得反應(yīng)在液相或氣相中進(jìn)行。水熱法可以控制微粒的形態(tài)、結(jié)晶度、組成和大小，使用此法獲得的粉體具有較低的表面能，因此粉體一般無團(tuán)聚或少團(tuán)聚。這一特點(diǎn)大幅度提高了粉體的燒結(jié)性能，所以此法非常適合于陶瓷的生產(chǎn)；并且，水熱法的反應(yīng)溫度低，活性高，為大規(guī)模的生產(chǎn)

17、納米材料提供了非常有利的條件；水熱法的低溫條件有利于合成熔點(diǎn)較低的化合物；水熱法合成的高壓和低溫條件，便于制成晶型完好、取向規(guī)則的晶體材料，而且合成產(chǎn)物的純度較高。水熱法缺點(diǎn)是一般只能制備氧化物納米粉體，對(duì)晶核的形成過程以及晶體生長(zhǎng)過程中的控制影響因素等許多方面還缺乏深入研究。此外，水熱法制備過程中有高溫、高壓步驟，對(duì)生產(chǎn)設(shè)備的安全性要求較高。3.納米材料的其他制備方法納米材料的制備方法有很多種，除了上述方法之外還有分子束外延法、靜電紡絲法等。3.1分子束外延法分子束外延法就是在晶體基片上生長(zhǎng)高質(zhì)量的晶體薄膜。在真空條件下，加熱裝有各種所需組分的爐子，產(chǎn)生蒸汽，蒸汽通過小孔形成分子束或原子束，

18、直接噴到單晶基片上，同時(shí)控制分子束，對(duì)襯底掃描，就可以使按晶體排列的分子或原子一層層地生長(zhǎng)在基片上形成薄膜。圖14.分子束外延法原理圖 分子束外延法生長(zhǎng)溫度低，能減少不希望的熱激活過程，生長(zhǎng)速度緩慢，外延層厚度可得到精確控制；生長(zhǎng)表面可達(dá)到原子級(jí)光滑度，可制備極薄的薄膜；生長(zhǎng)的薄膜可以保持原來靶材料的化學(xué)計(jì)量比；把分析測(cè)試設(shè)備與生長(zhǎng)系統(tǒng)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)薄膜生長(zhǎng)的原位監(jiān)測(cè)。分子束外延法也有不足的地方，如對(duì)真空要求非常高，分子束外延設(shè)備貴投資大，能耗大。3.2靜電紡絲法靜電紡絲法是在高壓電場(chǎng)作用下使聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電，當(dāng)電場(chǎng)力達(dá)到一定程度時(shí)，聚合物液滴在電場(chǎng)力作用下克服表面張力形成噴射流

19、。噴射時(shí)，射流中的溶液發(fā)生蒸發(fā)或自身發(fā)生固化形成纖維，最終落在接收裝置上，獲得納米材料。 圖15. 所示為靜電紡絲原理圖靜電紡絲法制備納米材料優(yōu)點(diǎn)很多，如裝置簡(jiǎn)單、成本低、可紡物多、工藝易控制，是制備納米纖維材料的有效方法。納米技術(shù)的發(fā)展使靜電紡絲作為一種簡(jiǎn)便有效的生產(chǎn)納米纖維的新型制備技術(shù)，將會(huì)在生物、醫(yī)用、催化、光電、食品工程、化妝品等領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用。4.納米材料的應(yīng)用前景 納米材料有很多優(yōu)異的特點(diǎn)，使得納米材料有很多不同于一般材料的奇特性質(zhì)。納米材料的應(yīng)用有著廣闊的應(yīng)用前景。采用納米技術(shù)制造的納米結(jié)構(gòu)微處理器在微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)方面其效率要比普通微處理器的效率高100萬倍；納米存儲(chǔ)器

20、的密度比普通存儲(chǔ)器的要高1000倍；而納米技術(shù)與集成技術(shù)結(jié)合又可制成納米傳感器；用納米材料做成的具有巨大表面積的電極，可以大幅度的提高放電效率；用納米材料制成的磁記錄材料可以將磁帶記錄的密度提高數(shù)十倍。在環(huán)境與能源方面，納米材料可提高太陽(yáng)能電池的能量轉(zhuǎn)換效率，還可以用來消除空氣中的污染物。例如將Ti02催化劑涂在物體上，可以使物體具有自潔功能，任何粘在物體表面上的物質(zhì)（油污、細(xì)菌）在光的照射下，通過Ti02催化劑催化作用，變成氣體或容易被擦掉的物質(zhì)。納米催化劑還可以徹底消除水或空氣中的有害物質(zhì)。納米材料在減少環(huán)境污染、凈化環(huán)境上有廣闊的應(yīng)用前景。在生物學(xué)工程與醫(yī)學(xué)方面，將磁性納米材料做為藥物載

21、體，在外磁場(chǎng)作用下集中于病患處，有利于提高藥效，也可以減少藥物副作用。用納米材料制成的溶液加上抗原或抗體，可以實(shí)現(xiàn)免疫學(xué)的間接凝聚實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)快速診斷。用納米材料制成的機(jī)器人，用來人體進(jìn)行全方位的檢查，可消除血栓、心臟動(dòng)脈脂肪沉積物。5.總結(jié) 納米材料作為一種新興材料，具有十分廣闊和誘人的發(fā)展前景。納米材料的制備方法和技術(shù)將隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展更加成熟，將對(duì)人們的生活和人類生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生重大的影響。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域都開始廣泛應(yīng)用納米材料。這必將會(huì)不斷出現(xiàn)更新更好的制備方法，希望在將來以下幾個(gè)方面可取得突破。在結(jié)構(gòu)、組成、排布、尺寸、等方面，制備出更適合各領(lǐng)域發(fā)展需要，具有更多預(yù)期

22、功能的納米材料； 從節(jié)能、節(jié)約材料、提高效率等角度出發(fā)，研制出更多的新設(shè)備，以便制備出更多的新型納米材料；設(shè)計(jì)出新的制備方法，采用新的制備工藝，在原有納米材料的基礎(chǔ)上，提高納米材料的功能。參考文獻(xiàn)1.張立德，牟季美。納米材料和納米結(jié)構(gòu)M.北京:科學(xué)出版社，2001.1462.齊民，楊大智，朱敏.機(jī)械合金化過程的固態(tài)相變J.功能材料.1995(26):472 - 475 3.郭永，鞏雄，楊宏秀.納米微粒的制備方法及其進(jìn)展3.化學(xué)通報(bào)，1996,3.14.Gleiter H , On the structure of grain boundaries in metals J.Mater Sci.E

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