2013年功能材料论文
浅谈纳米材料
向宇琦
材化学院 材料
（一）班
【摘 要】:介绍了国内外纳米材料及其技术在电子工业、环保工业、建材工业、金属工业、文物保护、医学等领域的开发应用现状，并对此进行了总结。纳米科技并非是某一学科的延伸或某一工艺的革新,而是一门跨学科的边缘科学。它是许多基础理论、专业理论与当代尖端高新技术的结晶。纳米科技是20世纪80年代末-90年代初才逐步发展起来的前沿，对未来经济和社会发展中有着十分重要影响的研究对象。在纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术将成为21世纪前20年的主导技术,并带来纳米产业的蓬勃发展,纳米科技的迅猛发展将在新世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。目前,世界上发达国家对纳米科技的开发研究进行了大量的投入,试图抢占这一21世纪科技战略制高点。目前,国内外在纳米材料和纳米技术的应用研究方面取得了显著成效。现根据有关资料,将国内外纳米材料和纳米技术的应用研究现状及发展趋势做一综述.
关键词: 纳米材料;纳米技术;应用;发展趋势
一．纳米材料的特性
纳米材料的力、热、光、磁，化学性质与传统固体相比显著不同。通过研究发现超微粒子的特殊性质主要取决于它的表面效应，小尺寸效应和量子效应。
（1）表面效应：表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减少而大幅度地增加，比表面积增大，粒子的表面能和表面张力也会随之增加，从而引起纳米粒子性质的变化。纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在许多悬空键并具有不饱和性，因而极易与其它原子相结合趋于稳定，具有很高的化学活性。
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（2）小尺寸效应：当超微颗粒尺寸不断减少，在一定的条件下会引起材料的宏观物理化学性质的变化，称为小尺寸效应。
对力学性质的影响：传统陶瓷呈现出脆性，由纳米超微粉制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。由于超微粉具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性。
特殊的热学性质：由于在纳米尺寸下，可以说材料的空间维数减少，表面能增大，金属纳米材料的熔点减少。
特殊的光学性质：金属超微粉对光的反射率很低，一般低于1%，几乎所有的金属材料在细到小于光波的波长时（几千个埃）会失去原有的金属光泽，呈现黑色。尺寸越小，颜色越黑。利用此特性可以做高效的光热，光电转换材料。
特别的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大块材料强许多倍。 20nm 的磁性氧化物的矫顽力是大块铁的1000倍，但当尺寸再减少的时候，其矫顽力反而又降低了成为超顺磁性。利用超微粒子具有的高的矫顽力的性质，已做成了高储存密度的磁记录粉，用于磁带、磁盘、磁卡及磁性钥匙等。
(3) 量子效应：孤立原子的能级是分立的，能量是量子化的。当原子形成固体之后，由于晶体周期场的影响，分离的能级形成能带。后来日本科学家在研究金属粒子理论时发现由于超微粒子中原子数的减少，电子能级类似孤立原子中的能级, 变为不连续,能带中能级间隔加大。当能隙大于它具有的热能、电磁能时，超微粒子就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的性质，称之为量子尺寸效应。
(4) 量子隧道效应：电子具有粒子性也具有波动性，因此存在隧道效应。近年来科学家发现纳米颗粒也具有隧道效应，属于宏观量子隧道效应。这两个量子效应将是未来微电子、光电子器件的基础。
二．纳米材料制备方法
纳米材料的制备，按制备原料的状态来分，有固体法、液体法及气体法；按反应物状态来分，主要有干法和湿法；按制备手段来分，有物理法（沉淀法、相转变法、气溶胶反应法等）、化学法（蒸气冷凝法、爆炸法、点火花法、离子溅
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射法、机械研磨法、低温等离子法等）和综合法（等离子加强化学沉积法PECVD、激光诱导化学沉积法LICVD等）。溶胶-凝胶法（Sol-Gel法）是最常用的方法之一。该法是将金属醇盐或无机盐类协调水解得到均相溶胶后，加入溶剂、催化剂、螯合剂等形成无流动性水凝胶，再于一定条件下转为均一凝胶，最后除去有机物、水及酸根后进行干燥、热处理，最后得到超细化产物。
三．国外纳米科技研究现状
3.1 发达国家对纳米科技领域的部署和投入
由于纳米科技对一个国家未来战略将会产生重大影响,因此,发达国家的政府和企业纷纷投入大量的人力、物力和财力进行纳米科技的研究和产业化生产。美国政府对纳米科技研究的资助已由1997年的1.16亿美元增加到2001年的近5亿美元。法国政府于2000年投资了8亿法郎建立起一个占地8ha、建筑面积为6万m2的纳米技术发展中心,该中心配备最先进的仪器设备,并成立纳米技术之家,专门负责专利申请和帮助研究人员建立创新企业。日本从2001年起实施为期7年的“纳米材料工程”计划,预计每年的投资额为50亿日元。同时日本通产、文部和科技三省厅将在明年投资330 亿日元,用于建立“纳米材料研究中心”,该中心将集中数百名专家进行纳米材料的开发应用研究,并将与企业和大学合作应用推广。此外,英国、瑞典、瑞士等国也纷纷建立和正在建立纳米科技中心,以加强该项技术的研究。
3.2 国外纳米研究取得的成果
经过十多年的研究和实践,纳米材料和技术均取得了令人鼓舞的成果,有的研究成果已经转化为生产力。早在1984年,德国学者把6nm的金属粉末压制成纳米块,研制出世界上第一块纳米材料,开纳米材料科学之先河。在纳米技术研究方面,日本也是起步较早和开发应用发展较快的国家之一。近10多年来,日本在纳米技术研究中取得的成果主要有: (1)开发出硫化钨和硫化钼的富勒结构(直径仅数十纳米)
(2)利用化学方法对碳富勒结构进行处理,获得了直径达3/10 万mm 的中空球
体。
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(3)发现了直径为数百纳米至1μm、长为5μm 的针状、棒状、桶状等多种纳
米碳结晶,这些碳结晶具有良好的导电性和化学稳定性
(4) 研制成直径为10nm 的碳纳米管,并用碳纳米管作电子源,制作磁场效应显
示器(FED) ,用这种显示器现已研制成薄型彩色显示屏
(5) 研制成纳米碳线圈、碳钻头、碳管道等产品,这些产品可用于微型机械、医疗和生物技术等方面
(6) 研制成直径为2nm、长度为2～300nm 的导线,实现人类操纵原子分子组合物质的愿望
(7) 利用纳米技术开发出一种把抗癌药定点直接送到癌症患部的新投药方法。经临床验证表明,该方法安全、有效,其效果是普通抗癌药的2 倍
1998年,美国成功地研制出由磁性纳米棒组成的纳米阵列体系———量子磁盘。美国商家已将该项技术迅速转化为产品,预计2005 年其产品市场销售额将达400亿美元。美国还成功地研究了一种新型纳米粉体材料。该材料在橡胶、颜料、陶瓷制品的改性等方面将给传统产业和产品注入新的高科技含量,在未来市场上将占有重要的份额.2000 年,国际上开发出一种可代替汽车金属构件的纳米粒子增强复合材料,据测算,应用这种材料可使汽油的燃烧量每年减少15亿L ,二氧化碳的排放量每年减少500 万t ,从而使环境污染得到了改善。同时,用粘土和聚合物的纳米粒子替代轮胎中的炭黑是一项生产环保型、耐磨损轮胎的新技术。
四．我国纳米科技研究现状
我国政府对纳米科技研究也十分重视,早在“八五”、“九五”期间即投资约700万美元设立了“攀登计划”的重点项目研究。我国的纳米科技研究领域主要以金属和无机物非金属纳米材料为主,约占80 %。目前,我国纳米产业正蓬勃发展,据2001年5月统计,全国共有纳米企业323 家,社会投入资金30亿元。现国内已初步形成以北京、上海两大纳米研发中心为核心并辐射四周的纳米科技格局。据统计,截止2000年底,我国涉及纳米材料领域已公开的专利有582项,其中已授权107项。据悉,未来5年,我国将投入25亿元进行纳米科技研究,建立10个国家级纳米研究中心。
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4.1 研制纳米级金属粉末及其产品
1997年山东省正元纳米材料有限公司承担了“金属纳米粉生产线”国家火炬计划项目,建成并投产国内第一条金属纳米粉末生产线,每年可批量生产铁、钴、镍、铬、银、铜等多种纯金属和合金纳米粉末500kg ,部分产品现已批量出口到美国和欧洲等地。
4.2 纳米技术应用于环保业
湖南省智能达有限公司研制成“Z 氏法”技术,成功地将纳米技术应用于环保领域。该项技术是将纳米材料对通用的污水处理净水剂、絮凝剂、杀菌消毒剂加以物化改性,从而形成多元复合型高效水处理剂。这种水处理剂具有处理污水效果佳、污水沉淀率高、费用低、用时少、缩短流程、使用方便、应用范围广等优点。“Z 氏法”为我国开创了一个高效、低耗、低投入的污水治理局面。 4.3 开发电器产品
安徽美菱集团利用我国在纳米材料合成和添加等方面的成熟技术,找到了一条与美菱冰箱生产工艺流程相吻合的纳米产业化之路,推出了美菱纳米材料冰箱,这种冰箱以其极佳的抗菌保鲜性能受到国内外用户的青睐,产品除在国内销售外,还远销日本、西班牙和墨西哥等国。我国利用纳米材料添加多种稀土金属联合作用,研制成纳米稀土空调。这种空调在不改变空气自然状态的情况下,具有过滤空气中的有害物质,增加室内空气含氧量的优良性能。 4.4 研制纳米碳管、纳米级钛酸盐和锆盐系列产品
2000年,香港科技大学研究人员研发出纯碳纳米碳管,并在单根纯碳纳米碳管中观察到超导特性,这一新发现,在全球科学界引起轰动。它将有助于解决电子在集成半导体器件中传输时的发热问题。陕西省太和科技公司经多年的实践,采用液相法研制的纳米级钛酸盐和锆盐系列产品。钛酸盐系列产品主要用于信息、通讯、电子元器件、陶瓷等方面。
4.5 研制化学建材产品、各种涂料、化工原料、塑料和胶体产品
我国将纳米技术用于化工领域取得了较好的效果。例如,北京师范大学与东海防腐防水公司共同开发出纳米材料在防水、防腐、涂料等化学建材中的应用技术, 如在丙烯酸乳液中加入纳米SiO
2、TiO2 后使涂料的抗老化、耐擦洗、耐水等
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性能均有很大提高,改性后的纳米涂料具有较强的耐酸碱盐浸泡、耐磨洗可达几万次。在JS防水涂料中加入纳米粒子后,其抗拉强度可达2.1MPa ,伸长率可达400 % ,耐低温达- 30～41.[2]夏秦海.纳米技术与环境保护[J ] .环境保护,2001 , (3) :44.[3]丘星林,徐安武.纳米级TiO2 光催化净化大气的环保涂料[J ] .新型建筑材料,2001 , (5) :115.[6]张莉芹,袁泽喜.《纳米技术和纳米材料的发展及其应用》 武汉科技大学学报,2003.[7]张立德.纳米材料研究的进展与我国的对策[J ] .科技导报,2000 , (10) :33 - 34.[8]Bai C L.J.Aerosol Sci,1998,29:751
