纳米材料的进展及其制备方法和应用的综述

纳米材料的进展及其制备方法和应用的综述摘要：介绍了纳米材料最近几年的研究进展，主要包括纳米材料的结构特性,也介绍了纳米材料的广泛应用和其主要的制备方法。同时对纳米材料的微乳液法和激光诱导气相沉积法,这两种制备方法进行了简要介绍。关键词：纳米材料；特性；应用；制备1.引言近年来，纳米材料作为一种新型的材料已经得到了人们的广泛关注。纳米材料是指尺度为1~100nm的超微粒(可以是非晶体、赝晶和晶体)组成的固态材料。上世纪80年代初,德国科学家H·Gleiter首先用惰性气体凝聚法制备出了具有清洁表面的纳米粒子并且提出了纳米晶体材料的概念,并采用人工方法首次合成了纳米晶体,至90年代,世界上便掀起了制备和研究纳米材料的热潮。目前,美国、日本和德国等在纳米材料研究领域处于领先水平,我国也步入了国际先进行列。如今,纳米材料作为21世纪最有前途的材料已受到越来越多的各国科技界和产业界浓厚的兴趣和广泛的关注。2.结构特征纳米材料又称为纳米结构材料。纳米材料具有很特殊的结构特征，主要有纳米粒和晶界组成。纳米材料在结构上属于原子簇和宏观物体交界的过渡区域.是由数目很少的原子或分子组成的原子或分子的聚集体。粒子具有壳层结构,其表面层原子占很大的比例并且是无序的类气体状结构,在粒子内部存,在有序无序结构。与晶体体相基层的完全长程有序结构不同,纳米粒子的结构的特殊性使它们具有与传统固体材料不同的许多特殊性质,成为材料科学领域中跨世纪的材料科学研究的热门课题。纳米材料具有以下4个主要的结构特征:（1）小尺寸效应构成纳米固体的单元—纳米微晶由宏观尺寸进入纳米级范围，微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或比它们更小时，晶体点阵的周期性条件将被破坏，准连续的能级将分裂成分立的能级，而呈现Kubo。效应。非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等物理性质呈现小尺寸效应。（2）宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。一些宏观量，如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等具有隧道效应。这对基础研究及实用都有着重要的意义。（3）表面效应纳米材料中的晶粒表面积很大，具有巨大的表面能，位于表面的原子占有相当大的比例，从而使得表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。例如，金属的纳米粒子在空气中会燃烧甚至爆炸，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。(4)界面效应随着纳米材料的粒径减小，界面原子所占比例迅速增大。巨大的纳米材料界面处的原子排列混乱，表面原子配位严重不足，界面上存在大量缺陷，这就导致表面活性增加，晶格显著收缩，晶格常数变小，以及表面原子输送和构型的变化，原子在外力作用下，很容易迁移，因此表现出很好的韧性与一定的延展性，与界面状态有关的吸附、扩散等物理、化学性质将与传统的大颗粒材料显著不同。纳米材料按结构不同可以分为以下四类（1）零维材料，如原子簇和原子束；（2）一维材料，具有纤维结构，如将纳米颗粒沿一维方向进行排列即可得到纳米丝；（3）二维材料，在二维空间排列得到的层状结构，如纳米薄膜；（4）三维材料，在三维空间堆积的纳米块。3.纳米材料的应用纳米材料独特的结构特征和特殊性能，具有十分诱人的应用前景。其奇特性质为其广泛的应用奠定了基础。我们首先讨论下纳米材料在高技术领域的应用。科学家们已成功地利用纳米材料和纳米技术制造出只有头发丝直径大小的电动马达,用作人体血管血栓清除的设备。这种马达可以10万r/min的速度带动切削头来打通血栓,疏通血液循环。澳大利亚已研制出纳米级的生物传感器,植入人体后来监测糖尿病患者的血糖变化,其灵敏度相当高。利用纳米材料对电磁波的超吸收功能,将其涂覆于飞机和导弹上,可防止被雷达测出,达到隐形的目的。还可生产出在高温下能超倍拉伸的陶瓷,其超塑性可达到标准形状的200%以上。这种可超倍拉伸的陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料而得到广泛应用。利用纳米材料在高温下的高强、高韧和稳定性好的特点改造传统的工具,如切削刀具,可大大提高硬度和使用寿命。纳米碳管可广泛应用于超微导线、超微开关及纳米级的电子线路等。利用某些纳米材料,日本科学家已研制成功自洁玻璃和自洁瓷砖。这种新产品的表面有一层纳米级的TiO2,在光的照射下,任何沾污在表面上的污物,包括油污、细菌等,均会被光催化分解,使之被氧化成气体或小分子物质,极易被清洗。利用纳米材料的红外反射功能,在各种灯泡内壁涂以纳米微粒以形成膜结构可以在透过可见光的转换,不仅节能,而且可以延长灯具的使用寿命。将纳米材料用于化妆品,可以生产出高档的具有防晒和抗紫外功能的产品。纳米材料作为新一代催化剂备受国内外重视。纳米材料同样可以作为搞笑的气敏材料。因为气敏材料的基本要求是对吸附气体有快速的反应,吸附后能改变其物理性质。而且这种改变是可逆的,能再生。纳米材料的高比表面积无疑将增进气敏元件的灵敏度。纳米材料作为气体吸附剂也是十分吸引人的。纳米材料的高比表面积将有利于吸附量的提高。在气体吸附的研究中,固体吸附储氢是一个很有实用意义的研究方向。纳米材料的纺织技术也具有很好的应用前景。例如,纳米材料具有特殊的抗紫外线、吸收和反射红外线、抗老化、良好的导电效应、强的抗菌消臭等性能。因此,将纳米材料与纺织材料进行复合,可以制备各种功能性纺织品。4.纳米材料的制备纳米材料的制备关键在于控制颗粒的大小和获得较窄的粒度分布。所需的设备也尽可能的简单，易于操作。制备要求一般要达到表面洁净，粒子的形状及其粒径，粒度分布可控，易于收集，具有良好的热稳定性，产率高等几个方面。目前世界上纳米材料的制备方法大致分为两种，即物理法和化学法。物理方法有离子溅射，分子束外延技术,高能机械球磨法,物理蒸镀以及激光蒸发/凝聚技术等。但是这些方法设备昂贵,工艺过程复杂,制作时间长,成本高,不宜于大面积工件的镀覆等缺点，后来又出现了电化学的方法。化学方法有化学气相沉积，化学沉淀法，水热合成法，溶胶-凝胶法，溶剂蒸发法，微乳液法，激光气相法，气相等离子体沉积法，表面化学修饰法，金属醇盐水解法，模板反应法等。而更多的方法则是对化学反应及物理变化的综合应用，以增加制备过程中的成核，控制或抑制生长过程。使产物成为所需要的纳米材料。其中微乳液法是制备纳米材料的重要方法,近年来得到了很大的发展和完善。由于微乳液能对纳米材料的粒径和稳定性进行精确控制,限制了纳米粒子的成核、生长、聚结、团聚等过程,从而形成的纳米粒子包裹有一层表面活性剂,并有一定的凝聚态结构。它与传统的制备方法相比,具有明显的优势和先进性,是制备单分散纳米粒子的重要手段近年来得到了很大的发展和完善。用该法制备纳米粒子的实验装置简单,能耗低操作容易。激光诱导气相沉积法,也称LICVD法。它是利用反应气体分子(或光敏剂分子)对特定波长激光束的吸收,引起反应气体分子的激光分解、激光裂解、激光光敏化和激光诱导化学反应,在一定激光功率密度、反应池压、反应气体配比和流速、反应温度等工艺条件下获得超细粒子空间成核和生长。这种方法主要用来制备多元素的非金属与金属间化合物以及非金属与非金属间化合物的纳米材料。5.结语纳米材料具有独特的功能,它在信息科技的超微化、高密度、灵敏度、高集成度和高速度的发展中,将发挥巨大的作用。今天纳米材料是世界各国竞相研究和开发的重要领域,并不断给人们带来新技术和新产品。毫无疑问纳米材料革命已经来临,它的发展前景是极其美好的。参考文献[1]杨鼎义,等.纳米材料的结构特征与特殊性能，材料导报，2003,17(10):7[2]陈改荣.纳米材料的特性及其进展，平原大学学报，2000,17(4):42[3]李瑞萍.纳米技术和纳米材料及其在纺织工业中的应用，丝绸，2001,9[4]吴俊,等.纳米材料的进展，电镀与精饰，1999,21(6):2[5]张万忠,等.微乳液法合成纳米材料的进展，石油化工，2005,34(1)84~85[6]戴峰泽,等.激光法制备纳米材料的进展，电加工与模具，2001,3,11