纳米材料与碳纳米管

纳米材料与碳纳米管：本文简述了纳米材料的根本概念、特性、制备方法绍。451.1纳米技术的进展简史 ..-5-1.2纳米材料的概念 ..-5-1.3纳米材料的分类 ..-6-72.1小尺寸效应 ..-7-2.2外表与界面效..-7-2.3量子尺寸效应 ..-7-2.4宏观量子隧道效应 ..-7-93.1纳米材料的制备技术的进展 ..-9-3.2纳米材料的制备 ..-9-第四章纳米材料在社会生活方面应................. -13-4.1信息产业中的纳米技术..........................-13-4.2环境产业中的纳米技术..........................-13-4.3能源环保中的纳米技术..........................-13-4.4纳米生物医药..................................-14-4.514-4.6纳米技术对传统产业改造........................-14-第五章碳纳米管................................-16-5.1碳纳米管进展..................................-16-5.2碳纳米管的独特性质............................-18-第六章碳纳米管的制备...........................-20-6.1概述.........................................-20-第七章碳纳米管的应用与前景......................-24-7.1碳纳米管的应用................................-24-7.2-26-前言纳米材料是一门兴学科，它是指：材料微观构造在0-3维内其长度不超过(1<100nm)材料(2维)块体纳米材料(3生物、医药、日化诸多方面有重要价值，得到广泛的应用。20C60们始终认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为型碳材料具有很多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。领域中最富有潜力，并对将来经济和社会进展有格外重要影响。本文依据大量资料,对纳米材料和纳米碳管所具有的一些独特性能进展综述,并对其应用、制备及前景进展了介绍和展望。第一章纳米材料的概述第一章纳米材料的概述纳米技术的进展简史1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用是关于纳米科技最早的梦想。类对材料性能的开掘到达了的高度。1999500亿美元。纳米材料的概念纳米的概念纳米〔nm〕是一个长度单位，110-9〔十亿分之一米〕，对宏7000-8000nm，小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，11110纳米材料的概念及其根本条件1-100nm特别物理化学特性。纳米材料的分类其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的根底。纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。可用于：高密度磁记录材料；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和周密光学器件抛光材料；微芯片导热基片与布线材料；微电子封装材料；光电子材料；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效〔体修复材料；抗癌制剂等。纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。可用于：微导线、微光纤〔将来量子计算机与光子计算机的重要元件〕材料；型激光或发光二极管材料等。纳米膜：纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。可〔如汽车尾气处理光敏材料；平面显示器材料；超导材料等。纳米块体：是将纳米粉末高压成型或掌握金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。主要用途为：超高强度材料；智能金属材料等。其次章纳米材料的特性小尺寸效应电、磁、热、力学等特性均会呈现的小尺寸效应。外表与界面效应纳米微粒由于尺寸小,外表积大,外表能高,因此其活性极高,极不稳定,很简洁与其他原子结合。量子尺寸效应当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级四周的电子能级会由准连续变为离这被称为量子尺寸效应。宏观量子隧道效应隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的力量,人们觉察一些宏观量,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具有隧道效应,称之为宏观量子隧道效应。由于以上4高强度和高韧性高热膨胀系数、高比热容和低熔点特别的导电率和磁化率极强的吸波性高集中性第三章纳米材料的制备纳米材料的制备技术的进展〔NanocrystallineorNanophase〕其次阶段：纳米复合材料。通常承受纳米微粒与纳米微粒的复合〔0-0复合、纳米微粒同常规块体之间的复合〔0-3复合〕及复合纳米薄膜〔0-2复合。第三阶段：纳米组装体系〔Nanostructuredassemblingsystem、纳米尺度的图案材料〔Patterningmaterialsonthenanometerscal具有纳米构造的体系〔如右图。其中包括纳米阵列体系、介空组装体系、薄膜镶嵌体系。纳米颗粒、丝、管可以有序的排列而不同于第一、其次阶段中带有肯定程度的随机性质。纳米材料的制备物理制备方法束外延法等等聚苯乙烯微球涂敷到基片上，由于转速不同，即可得到银纳米颗粒的阵列。中科院物理所开发了对玻璃态合金进展[3]。例如：ZrTiCuBeC玻璃态合金在6GPa和623Ｋ的条件下进展晶化,可以制备出颗粒尺寸小于5nm的纳米晶。化学制备方法固相法固相法包括固相物质热分解法和物理粉碎法的超细化，但很难使粒径小于100纳米。机械合金法(ＭＡ)是1970年美国ＩNCO公司Benjamin为制作镍的氧化物粒子弥散强化合金而研制成功的一种工艺。该法工艺简洁。制备效率高，并能制备出常规法难以获得的高熔点金属或合金纳米材料质，降低纯度，颗粒分布也不均匀。近年来，助磨剂物理粉碎法和超声100气相法气相法在纳米微粒制造技术中占有重要地位，利用此法可以制造出纯度高、颗粒分布性好、粒径分布窄而细的纳米超微粒。尤其是通过掌握气氛，可制备出液相法难以制备的金属碳化物、硼化物真空蒸发—冷凝法在高纯惰性气氛下(ArHe)，对蒸发物质进展真空加热蒸发，蒸气在气体介质中冷凝形成超微小粒。在1987年，BieglesTiO2

陶瓷材料。高压气体雾化法该法是利用高压气体雾化器将-20～40℃的氢气和氩气以3倍于音速的速度射入熔融材料的液体内，熔体被裂开成极细颗粒的射流然后急剧骤冷得到超微粒度分布窄的纳米材料。高频感应加热法以高频感应线圈作热源,使坩埚内的物质在低压(1～10kPaHeN2

等惰性气体中蒸发,蒸发后的金属原子与惰性气体原子相碰撞,冷却分散成颗粒.该法的优点是产品纯度高,粒度分布窄,保存性好,但本钱较高,难以蒸发高沸点的金属.此外,还有溅射法、气体复原法、化学气相沉淀法和粒子气相沉淀法。作为特别方法,用爆炸法可制备纳米金刚石,用低压燃烧法制备SiO2

、AlO23

等多种纳米材料.液相法80,在不沉淀法该法包括直接沉淀法、均匀沉淀法和共沉淀法。直接沉淀法是仅用沉淀操作从溶液中制备氧化物纳米微粒的方法米材料分解获得超微粒。溶胶—凝胶法溶胶—凝胶法可制备传统制备方法不能制得的产醇盐和非醇盐两种方法。水解反响法依据水热反响的类型不同进水解反响。胶体化学法金属氧化物的水凝胶，以阴粒子外表活性剂[如ＤＢＳ]进展憎水处理，然后用有机溶剂冲洗制得有机胶体，经脱水和减压蒸馏，在低于外表活性剂的热分解温度的条件下，制得无定性球状纳米材料。溶液蒸发和热分解法盐溶液快速蒸发、升华、冷凝和脱水过程，避开了分凝作用，能制得与不同浓度的气流接触物理化学方法热等离子体法该法是用等离子体将金属等粉末熔融粒，是制备高纯、均匀，粒径小的氧化物、氮化物、碳化物系列，金属系列和金属合金系列纳米微粒的最有效方法各种系列纳米微粒以及含有挥发性组分合金的制备开拓了前景发出的电弧法[10]混合等离子体法弥补了传统等离子体法存在的等离子枪寿命短、功率小、热效率低等缺点。激光加热蒸气法。该法可快速生50电解法它包括水溶液和熔盐电解两种方法。用此法可制得高纯金属超微粒，尤其是电负性大的金属粉末。辐射合成法用辐射合成法[11]制备纳米材料具有明显的特点γ射线辐照较大浓度的金属盐溶液制备周期短，产物粒度易掌握，一般可得10纳米左右的粉末，产.所以纳米材料的辐射法制备近年来得到了很大的进展。纳米微粒的制备除上述方法外，还有一些其他方法，如模板合成法,利用纳米多孔材料的纳米孔或纳米管道为模板，可获得粒径可控，易掺杂和反响易掌握的纳米粒子；自组装法，用此法可制造中空ＢDVA特异功能制备纳米颗粒等方法。第四章纳米材料在社会生活方面应用信息产业中的纳米技术①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米构造器件、芯片技术以及①网络通讯、宽频带的网络通讯、纳米构造器件、芯片技术以及高清楚度数字显示技术。②光电子器件、分子电子器件、巨磁电子器件。器、微电容、微电极等方面。④压敏电阻、非线性电阻等，可添加氧化锌纳米材料改性。环境产业中的纳米技术纳米技术对空气中纳米技术对空气中20纳米以及水中的200纳米污染物的降解是不行替代的技术。要净化环境，必需用纳米技术成功了一种对甲醛、氮氧化物、一氧化碳能够降解的设备，可使空气中的大于10ppm的有害气体降低到0.1ppm，该设备已进入有用化生理产业，用于提高水的质量，已见成效。能源环保中的纳米技术在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们在合理利用传统能源方面，现在主要是净化剂、助燃剂，它们一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热一种液态小分子可燃烧的团簇物质，有助燃、净化作用。现在国际上主要研发能量转化材料，我国也在做，它包括将太阳能转化成电能、热能转化为电能、化学能转化为电能等。纳米生物医药目前，国际医药行业面临的决策，那就是用纳米尺度进展制药目前，国际医药行业面临的决策，那就是用纳米尺度进展制药向药物。对传统药物的改进，承受纳米技术可以提高一个档次。纳米材料据美国测算，到据美国测算，到21世纪30年月，汽车上40％钢铁和金属材料要40％，削减co2，排放401000还有各种功能材料，玻璃透亮度好但份量重，用纳米改进它，使它变轻，使这种材料不仅有力学性能，而且还具有其他功能色、贮光，反射各种紫外线、红外线，光的吸取、贮藏等功能。纳米技术对传统产业改造个领域技术相结合的最好机遇。首先是家电、轻工、电子行业美菱集团从1996开头研制纳米冰箱，可折叠的pvc磁性冰箱门封不发霉，用的是抗菌涂料，里面的果盘都承受纳米材料，进展轻工、电织。人造纤维是化纤和纺织行业进展的趋势。以上只是列举了纳米材料于某几个方面上的应用，即已显示了纳米材料于世纪之交的材料科学之中的举足轻重的地位最终列表总结一下纳米材料可能应用的领域。性能性能用途磁性磁记录、磁性液体、永磁材料、吸波材料、磁光元件、慈存储、磁探测器、磁制冷材料光学性能吸波隐身材料，光反射材料，光通信、光存储、光开关，光过滤材料、光导电体发光材料，光学非线性元件、红外线传感器、光折变材料电学性能导电浆料、电极、超导体、量子器件、压敏和非线性电阻敏感性能热敏、湿敏、气敏、热释电热学性能低温烧结材料、热交换材料、耐热材料显示、记忆性能显示装置〔电学装置，电泳装置〕力学性能超硬、高强、高韧，超塑性材料，高性能陶瓷和高韧高硬图层催化性能催化剂燃烧特性固体火箭和液体燃料的阻燃剂、助燃剂流淌性固体润滑剂、油墨悬浮特性各种高精度抛光液其他医用过滤器，能源材料、环保用材第五章碳纳米管碳纳米管进展(SumioIijima)首次利用电子显度为数微米，甚至毫米，称为“碳纳米管”。理论分析和试验观看认为它是一种由六角网状的石墨烯片卷成的具有螺旋周期管状构造是由于饭岛的觉察才真正引发了碳纳米管争论的热潮和近十年来碳纳米管科学和技术的飞速进展年随着碳纳米管及纳米材料争论的深入其宽阔的应用前景也不断地呈现出来。图1依据石墨烯片的层数，可分为：单壁碳纳米管〔Single-wallednanotubes,SWNTs〕：由一层0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenestubes)。图22～50不等，层间距为0.34±0.01nm(0.34nm2～30nm和0.1～50μm。碳纳米管的独特性质力学性能50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。它是最强的纤维，在假设用它做成地球——月球载人电梯它的高弹性和弯曲刚性估量可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证明。对于具有抱负构造的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa米管的构造虽然与高分子材料的构造相像稳定得多。973K的温度下失重很少，构造基本没有发生变化。碳纳米管在酸、碱的长时间浸泡下，构造根本不发生破坏。电学性能由于碳纳米管的构造与石墨的片层构造一样，所以具有很好的电CNTs成具有良好导电性能的一维量子导线。热学性能管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介质的品德振动波长大一个量料。储氢性能碳纳米管的中空构造，以及较石墨 (0.335nm)略大的层间距(0.343nm)，是否具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。1997年，A.C.Dillon对单壁碳纳米(SWNT)的储氢性能做了争论，SWNT在0℃时,储氢量到达了5%DeLuchi指出:一辆燃料机车行驶500km,消耗约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积能量密度到达65%和62kg/m3。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的期望。第六章碳纳米管的制备6.1概述碳纳米管主要制备法方法有电弧法、热解法和激光刻蚀法。其中〔与Wolfgang-Kratschmer法制备富勒烯类似为在惰性气体分解得到碳纳米管。激光刻蚀法承受激光刻蚀高温炉中的石墨靶子，碳纳米管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中SWNT或者镧系元素NdLaY〕，或者它们的混合物。催化剂在SWNTs阻挡SWNTs分布主要取决于制备方法、催化剂的种类、生长温度等反响条件。石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。根本原理：电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，的产物。影响因素：载气类型、气压、电弧的电压、电流、电极间距等。抱负的工艺条件60—50Pa，电流60A～100A，19V～25V，电极间距1mm～4mm50％。在石墨棒中掺杂金属Fe、Co、NiIijima等生产出了半径约1nm优点：4000K的高温碳纳米管最大程度地石墨化，管缺陷少，比较能反映碳纳米管的真正性能。离。3电弧发试验装置图即碳氢化合物催化分解法是目前使用最多和最有期望实现批量生产的工艺之一。根本原理：将有机气体(如乙炔、乙烯等)混以肯定比例的氮气作层包覆，碳纳米管生长完毕。影响因素：催化剂的选择，反响温度、时间，气流量等。碳纳米管的直径的大小依靠于催化剂颗粒的直径。试验抱负参数：温度为650℃～700’C，气体流量＝10ml／min、N2＝600ml／min，反响时间60min～70min