2011-2012(2)纳米材料学：读书报告

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2010 ～ 2011 学年第 2 学期考查试卷

学院 材料工程学院 班级 __M050401111_ 姓名 _刘传荣__ 学号 __M05040111108__

《纳米材料学》试卷A：读书报告规范

无机纳米材料

摘要 无机纳米材料是纳米材料从物质的类别来划分出的一种纳米材料，其组成的主体是无机物质。从物质的类别来分，可分为金属纳米材料、无机氧化物纳米材料、无机半导体纳米材料和有机小分子和聚合物纳米材料。其中纳米材料指的是纳米结构按一定方式堆积或一定基体中分散形成的宏观材料，其结构为至少一维尺寸在1～100nm 区域的结构，它包括纳米粒子、纳米纤维、纳米薄膜、纳米块状和纳米晶等。无机纳米材料是纳米材料学研究中最为重要的领域。无机纳米材料以及与之相关的纳米复合材料的研究开发与应用正吸引众多科学家的浓厚兴趣，成为材料科学领域研究的热点，最近十几年来亦已取得了可喜的进展。目前，一些重要的无机纳米材料在制备技术、性能及结构表征以及应用方面已取得成功，近几年来，更不断有无机纳米材料产品产业化的报道。因此，无机纳米材料的制备及无机／有机纳米复合材料的研究具有广阔的应用前景，是对相关行业的技术进步具有重要促进作用的、前景十分灿烂的研究开发领域。

关键词：无机纳米材料，制备技术，纳米复合材料

1 引言

纳米是计量学上的一种长度单位，1纳米(nm)=10-3微米(µm)=10-6毫米(mm)=10-9米(m)。材料是具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质，是组成生产工具的物质基础。纳米材料是纳米级结构材料的简称，是颗粒直径在1～100 nm范围内的超微粒及其致密的聚集体，以及以这些纳米颗粒／聚集体所构成的特殊材料。从微观结构来看纳米材料是至少在一维方向上受纳米尺度(1-100nm)限制的各种固体超细材

料。纳米材料的基本单元按空间维数可以分为三类，(1)零维(空间三维尺度均在纳米尺寸范围)，如纳米微粒、原子团簇、人造超原子体系、介孔组装体系等；(2)一维(空间有两维处于纳米尺度范围)，如纳米丝、纳米棒、纳米管、纳米带等；(3)二维(三维空间中有一维在纳米尺度)，如超薄膜、多层膜、超品格等。根据物理形态划分，纳米材料大致可分为纳米粉末(纳米颗粒)、纳米纤维(纳米管、纳米线)、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。三维尺寸均为纳米量级的纳米粒子或人造原子被称为零维纳米材料，纳米纤维为一维纳米材料，而纳米膜(片、层)可以称为二维纳米材料，而有纳米结构的材料可以称为三维纳米材料。由于纳米粒子是一种介观粒子，粒径小(粒径范围在1-100 nm)，比表面积大，所以纳米粒子的表面原子处于高度活化状态，并且纳米粒子内还存在着各种缺陷，甚至会以亚稳态的形式存在。纳米粒子结构的这种特殊性使其产生了一系列不同于宏观块体的性能特性，主要体现为表面效应和体积效应。[1]

2 无机纳米材料的种类和性能

无机纳米材料同样可分为金属纳米材料和非金属纳米材料，后者是无机纳米材料的主体。

2．1 金属纳米材料

纳米金属微粒是纳米科技最早的研究对象，始于20世纪60年代初。至今，已成功开发出的纳米金属材料已有纳米Ag、Au、Ti、Fe、co、Ni、孙、Pd、Pt及Cu等[6|。纳米金属颗粒具有许多奇异的结晶形态，如多面体、截角多面体、四面体、条状、针状、环状、球形、三角形、长方形、六边形。

纳米金属微粒具有宏观金属无可比拟的特异性能，其光学性质、电学性质、磁学性质、热学和力学性质等均发生突变。如，金属纳米微粒的色彩、熔点和硬度均显著，不同于大块材料；其导电性能会显著下降，会具有特异的磁性和超导性质，等等。表l给出了一些金属的纳米晶态与其正常晶态在性能上的差异。纳米晶体Cu或Ag的硬度和屈服强度分别比常规材料高50倍和5倍。纳米晶体铜具有超塑性延展性，延展率超过500％，且不出现加工硬化现象，这些都是宏观金属材料无可比拟的。将通常的金属催化剂Fe，Co，Ni，Pd，Pt制成纳米微粒，可明显改善催化效果。例如，30 nln Ni粉可使有机物加氢反应速率提高15倍。当然，催化过程是一个复杂的过程，对于非均相催化反应来说，增加催化剂的比表面积并不是其唯一的要素。

2.2 无机非金属纳米材料

无机非金属纳米材料品种多、用途广，是纳米材料中最重要的一类。目前主要研发、生产的无机非金属纳米材料有：

（1） 纳米SiO2（白炭黑），在国内外组早被使用为橡胶补强剂。此外，已被用于各种涂料、粘合剂、密封剂、润滑剂、催化剂载体以及化妆品、医药、农药等领域，现正在开发其更广泛的用途，如用于不饱和聚酯、PP、PS等塑料的改进。

（2）纳米金属氧化物，如TiO2、Al2O3、ZnO、MgO及ZrO2等，这是一类品种众多的纳米材料。该类纳米材料的表面较易被改性，从而可获得较为稳定的纳米微粒，并且具有广泛的应用领域。例如，可做纳米催化剂，可用于制备纳米陶瓷、纳米塑料以及其他许多复合材料和工业产品。

（3）其他非金属化合物纳米材料，包括硫化物（CdS、ZnS、MnS和AgS等）；碳化物、硅化物、氮化物和磷化物等（SiC、MoSi2、TiN和GnP等）。

（4） 含氧酸盐纳米材料，如CaCO3、BaTiO3 、ZnFeO4 、ZrSiO4等，它们亦是一类具有许多特别的性能和广泛用途的纳米材料。其中，纳米碳酸钙可广泛用于橡胶、塑料、涂料、油墨及造纸等行业，是一种廉价而用量大、用途广泛有着良好应用前景的纳米材料。随着近几年来国内纳米热的兴起，我国纳米碳酸钙极易团聚的问题未能很好解决，其纳米颗粒的性能未能充分体现而严重地制约了纳米碳酸钙的应用。

无机纳米材料因具有述及的小尺寸效应、界面效应和体积效应等性质，其光性质、热性质、力学性质和电性质可表现为透明性和颜色效应、优异的热导性和力学性能。[1-5] 3 无机纳米材料的制备

纳米材料从形态上分，可分为纳米颗粒，纳米固体(块体或薄膜)和纳米结构。其中，纳米颗粒是最基本的、也是研究最早、最广泛的材料。无机纳米粉体的制备方法可分为物理和化学两大类。

3.1 物理制备方法

3.1.1 蒸发一冷凝法

该方法是将装有待蒸发物质的容器抽至10-5-10-6 Pa。10“Pa的高真空或充填低压惰性气体后，加热蒸发源，使物质(金属、合金或化合物)蒸发成雾状原子，随隋性气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度的粒子刮下、收集即得到纳米等离子体法、高频感应法、激光加热法和电子束加热法等等。该法主要用于制备金属或金属氧化物纳米颗粒，其纯度、粒径和粒

径分布都能达到理想要求。该法所制备的纳米颗粒表面清洁，但晶体形状难以控制，生产效率低，适于实验室采用。

3.1.2 高能机械球磨法

高能机械球磨法，又称机械合金化法。这是一种依靠机械能使大晶粒经球磨变成纳米晶来制备纳米粉体的方法。同时还可通过颗粒间湿相反应直接合成金属间化合物、金属一碳化物和金属硫化物。类似这种利用机械能使大颗粒粉碎的方法还有高速射流撞击法。这些方法得到的颗粒粒径分布较宽，需要进行分级处理。

3.1.3 溅射法

该法是用经加速的高能离子撞击材料表面使材料蒸发，发射出中性的及电离的原子和原子团粒，从而形成纳米颗粒。该法又可分为：①离子溅射法，在低压惰性气氛中形成纳米粒子；②激光侵蚀法，用激光侵蚀块体，造成气化；③等离子体溅射法，即以等离子体为轰击源，溅射块体。溅射法的优点是它几乎可以使所有物质气化， …… 此处隐藏：4624字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……