納米材料論文

1、<p><b>　　納米材料技術(shù)介紹</b></p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化</p><p>　　學(xué)生姓名： 胡宇楊 </p><p>　　學(xué) 號(hào)： 1120101117 </p><p>　　班 級(jí)

2、： D機(jī)制131 </p><p>　　引言：納米概念是1959年木，諾貝爾獎(jiǎng)獲得著理查德.費(fèi)曼在一次講演中提出的。他在“There is plenty of room at thebottom”的講演中提到，人類(lèi)能夠用宏觀的機(jī)器制造比其體積小的機(jī)器，而這較小的機(jī)器可以制作更小的機(jī)器，這樣一步步達(dá)到分子尺度，即逐級(jí)縮小生產(chǎn)裝置，以至最后直接按意愿排列原子，制造產(chǎn)品。他預(yù)言，化學(xué)將變成

3、根據(jù)人仃〕的意愿逐個(gè)地準(zhǔn)確放置原子的技術(shù)問(wèn)題，這是最早具有現(xiàn)代納米概念的思想。20世紀(jì)80年代末、90年代初，出現(xiàn)了表征納米尺度的重要工具一掃描隧道顯微鏡(STM)，原子力顯微鏡(AFM)一認(rèn)識(shí)納米尺度和納米世界物質(zhì)的直接的工具，極大地促進(jìn)了在納米尺度上認(rèn)識(shí)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，出現(xiàn)了納米技術(shù)術(shù)語(yǔ)，形成了納米技術(shù)。</p><p>　　其實(shí)說(shuō)起來(lái)納米只是一個(gè)長(zhǎng)度單位，1納米(nm)=10又負(fù)3次方微米=

4、10又負(fù)6次方毫米(mm)=10又負(fù)9次方米(m)=l0A。納米科學(xué)與技術(shù)(Nano-ST)是研究由尺寸在1-100nm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。關(guān)于納米技術(shù)，從迄今為止的研究狀況來(lái)看，可以分為4種概念。在這里就不一一介紹了。</p><p><b>　　1納米材料的特性</b></p><p>　　納米是一種度

5、量單位，1 nm為百萬(wàn)分之一毫米，即l毫微米，也就是十億分之一米，一個(gè)原子約為0 1 nm。納米材料是一種全新的超微固體材料，它是由納米微粒構(gòu)成，其中納米顆粒的尺寸為l～100 nm。納米技術(shù)就是在100 nm以下的微小結(jié)構(gòu)上對(duì)物質(zhì)和材料進(jìn)行研究處理，即用單個(gè)原子、分子制造物質(zhì)的科學(xué)技術(shù)…。</p><p>　　納米微粒是由數(shù)目較少的原子和分子組成的原子群或分子群，其占很大比例的表面原于是既無(wú)長(zhǎng)程序又無(wú)短程序的非

6、晶層：而在粒子內(nèi)部，存在結(jié)晶完好的周期性排布的原子，不過(guò)其結(jié)構(gòu)與晶體樣品的完全長(zhǎng)程序結(jié)構(gòu)不同。正是納米微粒的這種特殊結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致了納米微粒奇異的表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、量子隧道效應(yīng)，并由此產(chǎn)生許多納米材料與常規(guī)材料不同的物理、化學(xué)特性。</p><p>　　1．1表面與界面效應(yīng)</p><p>　　納米材料的表面效應(yīng)口即納米微粒表面原子與總原子數(shù)比隨納米微粒尺寸的減小而大幅度增加

7、，粒子的表面能及表面張力也隨之增加，從而引起納米榻料性質(zhì)的變化。例如，粒徑為5 nm的SiC比表面積高達(dá)300 ／12／g；而納米氧化錫的表面積隨粒徑的變化更為顯著，10 lltlfl時(shí)比表面積為90．3 m2／g，5 nm時(shí)比表面積增加到181 m2／g，而當(dāng)粒徑小于2 nm時(shí)，比表面積猛增到450 m2／g。這樣大的比表面積使處于表面的原子數(shù)大大增加．這些襲面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在著大量的表而缺陷和許多

8、懸掛鍵，具有高度的不飽和性質(zhì)，因而使這些原子極易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來(lái)，具有很高的化學(xué)反應(yīng)活性。</p><p>　　另外，處于高度活化狀態(tài)的納米微粒的表面能也很高，比表面積和裘面能可使納米微粒具有很強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)活性。例如，金屬納米微粒在空氣中會(huì)燃燒．一些氧化物納米微粒暴露在大氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)等。此外，由于納米微粒表面原予的畸形也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能潛的變化，所以納米材料具有新的光學(xué)及

9、電學(xué)性能。例如，一些氧化物、氮化物的納米微粒對(duì)紅外線有良好的吸收和發(fā)射作用，對(duì)紫外線有良好的屏蔽作用。</p><p><b>　　1．2小尺寸效應(yīng)</b></p><p>　　當(dāng)超微粒子的尺寸與光波波長(zhǎng)、德布羅意波長(zhǎng)以及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度或透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，周期性的邊界條件將被破壞，聲、光、電磁、熱力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。例如，光吸收顯著增加

10、并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；磁有序態(tài)向磁無(wú)序態(tài)，超導(dǎo)相向正常相的轉(zhuǎn)變；聲子譜發(fā)生改變。納米微粒的這些小尺寸效應(yīng)為實(shí)用技術(shù)開(kāi)</p><p>　　拓了新領(lǐng)域。例如，銀的熔點(diǎn)為900'C，而納米銀粉熔點(diǎn)可降低到100，C，此特性為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝。利用等離子共振頻率顆粒尺寸變化的性質(zhì)，可以通過(guò)改變顆粒尺寸來(lái)控制吸收邊的位移，制造具有一定頻寬的微波吸收納米材料，用于電磁波屏蔽、隱形飛機(jī)等。</p

11、><p>　　1. 3量子尺寸效應(yīng)</p><p>　　當(dāng)粒子尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)現(xiàn)象，其關(guān)系為： </p><p>　　式中£為能級(jí)間距；E為費(fèi)米能級(jí)；N為總電子數(shù)。宏觀物體包含無(wú)限個(gè)原子(即所含電子數(shù)，N），于是0，即大粒子或宏觀物體的能級(jí)間距幾乎為零；而納米微粒包含的原子數(shù)有限，N值很小，導(dǎo)致

12、有一定的值，即能級(jí)間距發(fā)生分裂。塊狀金屬的電子能譜為準(zhǔn)連續(xù)能帶，而當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)的凝聚態(tài)能時(shí)，必須考慮量子效應(yīng)，這就導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性的顯著不同，稱(chēng)為量子尺寸效應(yīng)。</p><p><b>　　1．4物理特性</b></p><p>　　納米材料的物理效應(yīng)包括磁學(xué)、光學(xué)特性。</p>

13、;<p>　　納米材料的直徑小，材料以離子鍵及共價(jià)鍵為主要結(jié)合力。與晶體相比，對(duì)光的吸收能力增強(qiáng)，表現(xiàn)出寬頻帶、強(qiáng)吸收、反射率低的特點(diǎn)。例如，盡管各種塊狀金屬有不同顏色，但當(dāng)其細(xì)化到納米級(jí)的顆粒時(shí)所有金屬都有呈現(xiàn)出黑色；有些物體還會(huì)出現(xiàn)新的發(fā)光現(xiàn)象，如硅本身屬不發(fā)光的物體，但納米硅具有發(fā)光現(xiàn)象。</p><p>　　由于納米材料直徑小，原子、分子更加裸露，磁性排更加隨機(jī)，更加無(wú)規(guī)則，因此，納米材料具

14、有超順磁性。</p><p><b>　　l . 5化學(xué)特性</b></p><p>　　納米材料的化學(xué)效應(yīng)包括吸附及催化等特性。</p><p>　　納米材料有著較大的比表面積．使得其對(duì)其他物質(zhì)具有更強(qiáng)的吸附特性。</p><p>　　納米材料可以用作高教催化劑。由于納米微粒尺寸小，表面所占的體積百分?jǐn)?shù)大，表面的鍵態(tài)、

15、電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配價(jià)不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。納米材料作為催化劑的作用主要有3個(gè)方面：</p><p>　　(1)改變反應(yīng)速度，提高反應(yīng)效率；</p><p>　　決定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性，如只進(jìn)行氫化、脫氫反應(yīng)，不發(fā)生氫化分解和脫水反應(yīng)；</p><p>　　(3)降低反應(yīng)溫度。例如，以粒徑小于0．3 nm

16、的Ni和Cu—mon合金的超細(xì)微粒為主要成分制成的催化劑，可使有機(jī)物氫化的效率是傳統(tǒng)鎳催化劑的10倍；超細(xì)PL粉、WC粉是高效的氫化催化劑；超細(xì)的Feb、Ni與Fe02，混合輕燒結(jié)體可以替代貴金屬作為汽車(chē)尾氣凈化劑；超細(xì)Aug粉可以作為乙炔氧化的催化劑。</p><p><b>　　2納米材料的制備</b></p><p>　　納米材料的制備方式有多種，根據(jù)制備過(guò)程中

17、是否有明顯的化學(xué)反應(yīng)發(fā)生，可分為物理制備方法和化學(xué)制備方法。其中物理制備方法有機(jī)械研磨法、干式?jīng)_擊法、共混法、高溫蒸發(fā)法；化學(xué)制備法有溶膠一凝膠法、沉淀法、溶劑蒸發(fā)法。</p><p>　　3納米材料在紡織領(lǐng)域中的應(yīng)用</p><p>　　正是由于納米微粒這些奇特的性質(zhì)，為其廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。例如，納米微粒有特殊的抗紫外線、吸收可見(jiàn)光和紅外線、抗老化、高的強(qiáng)度和韌性、良好的導(dǎo)電和靜電屏蔽

18、效應(yīng)，強(qiáng)的抗菌消臭功能以及吸附能力等等。因此，通過(guò)把具有這些特殊功能的納米微粒與紡織原料進(jìn)行復(fù)合，可以制造紡織新原料、納米漿料以及改善織物功能。</p><p>　　3．1抗紫外、耐日曬和抗老化纖維</p><p>　　所謂抗紫外纖維，即是指對(duì)紫外線有較強(qiáng)的吸收和反射性能的纖維，其制備和加工原理通常是對(duì)纖維添加能屏蔽紫外線物質(zhì)，進(jìn)行混合和處理，以提高纖維對(duì)紫外線的吸收和反射能力。這里的能屏

19、蔽紫外線的物質(zhì)指的是兩類(lèi)、即：起反射紫外線作用的物質(zhì)、習(xí)慣上稱(chēng)為紫外線屏蔽劑；而對(duì)紫外線有強(qiáng)烈選擇吸收，并能進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換而減少它的透過(guò)量的物質(zhì)，習(xí)慣上稱(chēng)為紫外線吸收劑。紫外線屏蔽劑通常選用一些金屬氧化物的粉體，國(guó)內(nèi)外紫外線吸收劑品種較多，常用的有水楊酸酯類(lèi)化合物，金屬離子螯合物，二苯甲酮類(lèi)以及苯并三唑類(lèi)等。利用納米微粒優(yōu)異的光吸收特性，將少量納米Ti02加入合成纖維中。由于它能屏蔽大量紫外線，用它做成的服裝和用品具有阻隔紫外線功效，對(duì)防

20、治皮膚病及由紫外線吸收造成的皮膚病等也有輔助療效。</p><p><b>　　3．2抗菌纖維</b></p><p>　　某些金屬粒子(如納米銀粒子、納米銅粒子)具有一定的殺菌性能，其與化纖復(fù)合紡絲，制造出抗茵的纖維比一般的抗菌織物具有更強(qiáng)的抗菌效果和更多的耐洗次數(shù)。例如國(guó)家超細(xì)粉末工程中心研制的超細(xì)抗菌粉體，它可賦予樹(shù)脂制品以抗菌能力，對(duì)各種細(xì)菌、真菌和霉菌起到抑

21、制作用。這種抗菌粉體的核可以是硫酸鋇、氧化鋅的納米顆粒，外包覆銀以抗菌，外包氧化銅、硅酸鋅以抗真菌。在臺(tái)成纖維中加1％這種粉體就能得到具有良好可紡性的抗菌纖維。</p><p><b>　　3．3遠(yuǎn)紅外纖維</b></p><p>　　將某些納米級(jí)陶瓷粉體(如氧化鋯單晶體、遠(yuǎn)紅外負(fù)氧離子陶瓷粉體)分散到熔融紡絲溶液中，再紡成纖維。這種纖維能有效吸收外界能量，并輻射與人

22、體生物波波譜相同的遠(yuǎn)紅外線。這種遠(yuǎn)紅外輻射波不僅極易被人體吸收，而且還具有很強(qiáng)的滲透力，能深入皮下，使皮膚深部組織發(fā)熱而產(chǎn)生共振效應(yīng)，有活化生物細(xì)胞、促進(jìn)血液循環(huán)、加強(qiáng)新陳代謝、增強(qiáng)</p><p>　　組織再生等保健作用。</p><p>　　3．4高強(qiáng)耐磨的新材料</p><p>　　納米材料本身就具有超強(qiáng)、高硬、高韌的特性，將其與化學(xué)纖維融為一體后，化學(xué)纖維將

23、具有高強(qiáng)、高硬、高韌性。例如，納米碳管用作復(fù)合添加劑，在航空航天的紡織材料、汽車(chē)輪胎簾子線等工程紡織材料方面有很大的發(fā)展前途。</p><p><b>　　3．5隱身紡織材料</b></p><p>　　某些納米材料(如納米碳管等)具有良好的吸波性能，將其加人紡織纖維利用納米材料對(duì)光波的寬頻帶、強(qiáng)吸收、反射率低的特點(diǎn)，可使纖維不反射光．用于制作特殊用途的吸渡防反射織物

24、(如軍事隱形織物)等。</p><p>　　3. 6抗靜電纖維</p><p>　　在化纖紡絲過(guò)程中加人金屬納米材料或碳納米材料，可使紡出的長(zhǎng)絲本身具有抗靜電、防微波的特性。如納米碳管是一種非常優(yōu)異的導(dǎo)電體，經(jīng)測(cè)定其導(dǎo)電性優(yōu)于銅，將其作為功能添加劑，使之穩(wěn)定地分散于化纖紡絲液中，在不同的摩爾濃度下可以制成具有良好導(dǎo)電性能或抗靜電的纖維和織物。</p><p>&l

25、t;b>　　3．7抗電磁波纖維</b></p><p>　　在合成纖維中加入納米Si02可以制得高介電絕緣纖維。近年來(lái)，隨著通訊、家用電器業(yè)的不斷發(fā)展，手機(jī)、電視機(jī)、電腦、微波爐等的使用越來(lái)越普遍，電磁場(chǎng)存在于所有的電設(shè)備和電線周?chē)?，電磁波?duì)人體的心臟、神經(jīng)、孕婦、胎兒的影響已有明確的結(jié)論。據(jù)報(bào)道，美國(guó)、日本、韓國(guó)等已有抗電磁波的服裝上市，國(guó)內(nèi)采用納米材料制備抗電磁波纖維的研究也在進(jìn)行中。<

26、;/p><p><b>　　3．8其他功能纖堆</b></p><p>　　納米級(jí)或超微細(xì)材料的不同特性在各具特色的功能纖維中得到應(yīng)用。利用碳化鎢等高比重材料開(kāi)發(fā)超懸垂纖維，如13本東麗公司的“XY—E”、旭化成公司的“July”和東洋紡公司的“Pyramidal”等；利用Ti02的折光性開(kāi)發(fā)不透明纖維，日本尤尼吉卡公司采用皮芯復(fù)合紡絲方法，皮層和芯層含有不同禽量的Ti0

27、2，制得具有良好不透明性的聚酯纖維；利用鋁酸鍶、鋁酸鈣的蓄光性開(kāi)發(fā)熒光纖維，日本根本特殊化學(xué)公司開(kāi)發(fā)了以鋁酸鍶、鋁酸鈣為主要成分的蓄光材料，其余輝時(shí)間可達(dá)10 h以上；某些金屬?gòu)?fù)鹽，過(guò)渡金屬化合物由于隨溫度變化而發(fā)生晶型轉(zhuǎn)變或配位體幾何體型改變或結(jié)晶水“得水”而發(fā)生顏色改變，可利用其可逆熱致變色的特征開(kāi)發(fā)變色纖維；三菱人造絲公司利用在聚酯中添加膠體狀的碳酸鈣制得中空纖維，經(jīng)堿減量處理，在纖維上形成微孔，纖維具有良好的吸濕性能。</

28、p><p><b>　　4結(jié)束語(yǔ)</b></p><p>　　納米材料科學(xué)是原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、固體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和表面、界面科學(xué)等多種學(xué)科交叉匯臺(tái)而出現(xiàn)的新學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)。納米材料中涉及許多未知過(guò)程和新奇現(xiàn)象，很難用傳統(tǒng)物理化學(xué)理論進(jìn)行解釋。從某種意義上來(lái)說(shuō)，納米材料研究的進(jìn)展將把物理、化學(xué)領(lǐng)域的許多學(xué)科推向一個(gè)新層次。近年來(lái)通過(guò)向臺(tái)成纖維聚合物

29、中添加某些超微或納米級(jí)無(wú)機(jī)材料粉末，經(jīng)過(guò)紡絲獲得具有某種特殊功能的纖維，已成為頗為流行的功能纖維制造方法，如遠(yuǎn)紅外纖維、抗紫外纖維、磁性纖維、超懸垂纖維、熒光纖維、變色纖維、抗靜電纖維、導(dǎo)電纖維和高吸濕纖維等。隨著制備納米材料的合成技術(shù)不斷取得進(jìn)展和基礎(chǔ)理論的日趨完善，納米材料會(huì)有更快的發(fā)展，應(yīng)用面將遍及世界多個(gè)領(lǐng)域。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p>&l

30、t;p>　　1張立德，牟季美納米材料和納米結(jié)構(gòu) 遼寧：遼寧科技出版社．2001 517</p><p>　　2小漢英一趣敝粒應(yīng)用拉術(shù)動(dòng)向 R本的科學(xué)與拄術(shù)，1985．“)32—37</p><p>　　3楊毅，李風(fēng)生超細(xì)粒子復(fù)古技術(shù)進(jìn)展材料導(dǎo)報(bào)，200 L，15(3)：35一”</p><p>　　4是纓菊關(guān)于納米技術(shù)在紡織上應(yīng)用的探討紡織科學(xué)研究，1999，