学
院：专业年级：学生姓名：
指导老师：
机电工程学院 2009级机械五班 刘 威
学号：20091347
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 20091347，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】: Briefly introduces the claification of nanomaterials and its basic effect, explaining the nanometer material the special performance.A new energy nanomaterials analyzed in photoelectric conversion, hot conversion, super capacitors and battery electrodes nanometer material; Environmental purification of nanomaterials photocatalytic, adsorption, exhaust handling, etc.; The more specific about nano biological medicine materials nano ceramic material, nano carbon materials, nanometer high polymer materials, nano composite materials.
【Keywords】: nanomaterials, performance ,the application.
纳米是一个长度单位，1nm=10ˉ9m。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1~100nm。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1 000℃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（power density）和能量密度（energy density）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（grid energy storage），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。
来自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-air battery)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材易老化和光催化易脱落而使其寿命短的缺陷。活性炭改性工艺及增强性能；活性炭是一种多孔性的含碳物质，它具有高度发达的空隙构造，是一种优良的空气中异味吸附剂。 甲醛能够吸附改性活性炭，应用先进的活性炭改性工艺，克服普通活性炭对极性小分子醛类污染物吸附能力差的弱点，消除效率可提高10倍；氨吸附改性活性炭：应用活性炭表面改性工艺，增强活性炭对氨类污染的媳妇性能；TVOC吸附改性活性炭：催化改性活性炭，高效快速吸附消除空气中的TVOC污染。光催化空气净化器通过在壳体内上置贯流风扇的结构设计，相对节省了空间，有效增大过滤系统的空间，即实现了在有限空间内，HEPA过滤器和除氨（除甲醛、除TVOC）特效过滤器可同时使用，提高了空气净化的效率和质量。同时，贯流扇叶的应用吸取空调中风扇结构的优点，使应用环境更加健康、环保。
吸附时气体吸附质在固体吸附剂表面发生的行为，其发生的过程与吸附剂固体表面特征密切相关。对于纳米粒子的吸附原理，目前普遍认为：纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表面上对金属离子或有机物产生吸附作用。另外，纳米粒子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸附作用的重要原因。正因为如此，使它具有优越的吸附性能，在制备性能吸附剂方面表现出巨大的潜能，提供了在环境治理方面应用的可能性。
纳米TiO2[2]具有巨大的比表面积，与废水中有机物更充分地接触，可将有机物最大限度地吸附在它的表面具有更强的紫外光吸收能力，因而具有更强的光催化降解能力可快速降息夫在其表面的有机物分解。此外，在汽车尾气催化的性能方面以及在空气净化中广泛应用。
常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响，存在着低温脆性的缺点，它的弹性模量远高于人骨，力学相容性欠佳，容易发生断裂破坏，强度和韧性都还不能满足临床上的高要求，使它的应用受到一定的限制。而纳米陶瓷由于晶粒很小，使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少，材料不易造成穿晶断裂，有利于提高材料的断裂韧性[3`4]；而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加，有助于晶粒间的滑移，使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料，在临床上已有多方面应用，主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿，以及牙种植体、耳听骨修复体等等。
此外还用作负重的骨杆、锥体人工骨、修补移植海绵骨的充填材料、不受负重影响的人工海绵骨及兼有移植骨作用的髓内固定材料等。纳米陶瓷的问世，将使陶瓷材料在强度、硬度、韧性和超塑性上都得到提高，因此，在人工器官制造、临床应用等方面纳米陶瓷材料将比传统陶瓷有更广泛的应用并具有极大的发展前景。
碳是组成有机物质的主要元素之一，更是构成人体的重要元素，很早以前人们就发现碳与人体的生物相容性十分优异。因此碳材料在人工心脏瓣膜、人工齿根、人工骨与人工关节、人工血管、人工韧带和肌腱等方面获得广泛应用。
由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料中主要包括纳米碳纤维、碳纳米管、类金刚石碳等；纳米碳纤维[5]除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外，还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点，这些超常特性和良好的生物相容性，使它在医学领域中有广泛的应用前景，包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高；此外，利用纳米碳材料的高效吸附特性，还可以将它用于血液的净化系统，清除某些特定的病毒或成份。
自从1991年碳纳米管发现以来，就以它独特的导电、机械及半导体性能而成为引人注目的新材料[6]。碳纳米管的强度很高，同时还具有理想的弹性和很高的硬度，这种理想的力学性能使碳纳米管具有许多潜在的应用价值。另外，在扫描隧道显微镜（STM）上用碳纳米管修饰的针尖来研究生物大分子，成功地解决了许多用普通STM 针尖无法解决的问题，分辨率也更高。例如在针尖上使多壁碳纳米管修饰上可以识别一些特种原子的不同基团，就使得STM不仅能够表征一般的形貌，而且能够识别生物大分子，这对于研究生物薄膜和细胞结构非常有意义[7]。 目前，纳米高分子材料[8]的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性诊疗等许多方面[9]。免疫分析作为一种常规的分析方法，在蛋白质、抗原、抗体乃至整个细胞的定量分析上发挥着巨大的作用。在特定的载体上，以共价结合的方式固定对应于分析对象的免疫亲和分子标识物，将含有分析对象的溶液与载体温育，通过显微技术检测自由载体量，就可以精确地对分析对象进行定量分析。在免疫分析中，载体材料的选择十分关键。纳米聚合物粒子，尤其是某些具有亲水性表面的粒子，对非特异性蛋白的吸附量很小，因此已被广泛地作为新型的标记物载体来使用。
在药物控制释放方面，纳米聚合物粒子有重要的应用价值。许多研究结果已经证实，某些药物只有在特定部位才能发挥其药效，同时它又易被消化液中的某些生物大分子所分解，因此，口服这类药物的药效并不理想。于是人们用某些生物可降解的高分子材料对药物进行保护并控制药物的释放速度，这些高分子材料通常以微球或微囊的形式存在。药物经过载体运送后，药效损伤很小，而且还可以有效控制释放，延长了药物的作用时间。 据报道[10]，纳米高分子材料作为载体，与各类药物之间，无论是亲水性的、疏水性的药物或者是生物大分子制剂，都有良好的相容性，因此能够负载或包覆多种药物，同时可以更有效地控制药物的释放速度。纳米高分子粒子还可以用于某些疑难病的介入性诊断和治疗。纳米粒子的直径比红血球小得多，可以在血液中自由运动，因此可以注入各种对机体无害的纳米粒子到人体的各部位，检查病变和进行治疗。除此之外，载有抗生素或抗癌制剂的纳米高分子粒子可以用动脉输送给药的方法进入体内，用于某些特定器官的临床治疗。载有药物的纳米球还可以制成乳液进行肠外或肠内的注射；也可以制成疫苗进行皮下或肌肉内注射。
近年来，组织工程成为一个崭新的研究领域，吸引了众多学科研究者的关注。在工程化的方法培养组织、器官的过程中，用于细胞种植、生长的支架材料是一个关键的因素，能否使种植的细胞保持活性和增殖能力，是支架材料应用的重要条件。据报道，将甲壳素按一定的比例加入到胶原蛋白中可以制成一种纳米结构的复合材料，与以往的胶原蛋白支架相比，其力学强度得到增强，孔径尺寸增大，表明这种具有纳米结构的复合材料作为细胞生长的三维支架，在力学、生物学方面有很大的优越性和应用潜力。在硬组织修复与替换的研究中，纳米复合材料也开始逐步显示出其优异的性能。用肽分子和两亲化合物的自组装可以得到一种类似细胞外基质的纤维状支架，这种纳米纤维可以引导羟基磷灰石的矿化，形成纳米结构的复合材料，研究发现，这种纳米复合材料内部的微观结构与自然骨中胶原蛋白/羟基磷灰石晶粒的排列结构一致[11]。
参考文献：
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