2022年纳米技术资料.docx

《2022年纳米技术资料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年纳米技术资料.docx（15页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、精选学习资料 - - - - - - - - - 纳米材料从尺寸大小来说,通常产生物理化学性质 显著变化的细小微粒的尺寸在0.1 微米以下（注 1 米=100 厘米, 1 厘米 =10000 微米, 1 微米 =1000 纳米,1 纳米 =10 埃）,即 100 纳米以下；因此,颗粒尺寸在 0.1 100 纳米的微 粒称为超微粒材料,也是一种 纳米 材料；纳米 金属材料 是 20 世纪 80 岁月中期研制胜利的,后来相继问世的有 纳米 半导体 薄膜、纳米 陶瓷 、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等；纳米材料：纳米级 结构材料 简称为纳米材料 nano material,是指其 结构单元 的 尺寸

2、介于 1 纳米 100 纳米范畴之间； 由于它的尺寸已经接近电子的相干长 度,它的性质由于强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化；并且,其尺度已接近光的 波长 ,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的 特性,例如 熔点 、磁性、 光学 、导热、导电特性等等,往往不同于该物质 在整体状态时所表现的性质；纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料,由 纳米粒子 nano particle组成；纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1 100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,从通常的关于微观和宏观的观点看,这样 的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,是一种典型的介观系统,它具有表面效

3、应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应；当人们将宏观物体细 分成超微颗粒（纳米级）后,它将显示出很多奇特的特性,即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块 著的不同；固体 时相比将会有显纳米技术 的广义范畴可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量 技术 、纳米应用技术等方面；其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的 生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等）,性能检测技术（化学组成、微 结构、表面形状、物、化、电、磁、热及光学等性能）；纳米加工技术包 含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术；纳米材料具有肯定的特殊性,当物质尺度小到肯定程度时,就必需改 10 微 用 量子力学 取代传统

4、力学的观点来描述它的行为,当粉末粒子尺寸由 米降至 10 纳米时,其粒径虽转变为 1000 倍,但换算成体积时就将有 10 的 9 次方倍之巨,所以二者行为上将产生明显的差异；纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大,也就是超微粒 子的表面布满了阶梯状结构,此结构代表具有高表面能的担心定原子；这 类原子极易与外来原子吸附键结,同时因粒径缩小而供应了大表面的活性 原子；名师归纳总结 就熔点来说,纳米粉末 中由于每一粒子组成原子少,表面原子处于不第 1 页,共 8 页安定状态,使其表面晶格 震惊的振幅较大,所以具有较高的表面能量,造- - - - - - -精选学习资料 - - - - -

5、- - - - 成超微粒子特有的热性质,也就是造成熔点下降,同时纳米粉末将比传统 粉末简单在较低温度烧结,而成为良好的烧结促进材料；一般常见的磁性物质均属多磁区之集合体,当粒子尺寸小至无法区分 出其磁区时,即形成单磁区之磁性物质；因此磁性材料制作成超微粒子或 薄膜时,将成为优异的磁性材料；纳米粒子的粒径（10 纳米 100 纳米）小于光波的长,因此将与入射光 产生复杂的交互作用；金属在适当的蒸发沉积条件下,可得到易吸取光的黑色金属超微粒子,称为金属黑 ,这与金属在真空镀膜形成高反射率光泽面成剧烈对比；纳米材料因其 光吸取 率大的特色,可应用于红外线感测 器材料；纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段

6、,美、日、德等少数国家,虽然 已经初具基础,但是尚在讨论之中,新理论和技术的显现仍旧方兴未艾；我国已努力赶上先进国家水平,讨论队伍也在日渐壮大；1纳米材料的发觉组成材料的物质颗粒变小了,“ 小不点” 会不会与“ 大个子” 的性质 很不相同呢？这便是纳米材料的发觉者德国物理学家格莱特（Grant ）的科 学思路；那是 1980 年的一天,格莱特到澳大利亚旅行,当他独自驾车横穿澳大 利亚的大沙漠时,空旷、孤寂和孤独的环境反而使他的思维特殊活跃和敏 锐；他长期从事晶体材料的讨论,明白晶体的晶粒大小对材料的性能有很 大的影响：晶粒越小,强度就越高；格莱特上面的设想只是材料的一般规律,他的想法一步一步地

7、深化：假如组成材料的晶体的晶粒细到只有几个纳米大小,材料会是个什么样子 呢？或许会发生“ 翻天覆地” 的变化吧！格莱特带着这些想法回国后,立刻开头试验；经过将近 4 年的努力,最终在 1984 年制得了只有几个纳米大小的超细粉末,包括各种金属、无机 化合物和有机化合物的超细粉末；格莱特在讨论这些超细粉末时发觉了一个特别好玩的现象；众所周知,金属具有各种不同的颜色,如金子是金黄色的,银子是银白色的,铁是灰 黑色的；至于金属以外的材料如无机化合物和有机化合物,它们也可以带 着不同的颜色：瓷器上面的釉历来都是多彩的,由各种有机化合物组成的 染料更是明艳无比；可是,一旦全部这些材料都被制成超细粉末时,

8、它们的颜色便一律都 是黑色的：瓷器上的釉、染料以及各种金属统统变成了一种颜色 黑色；正像格莱特想像的那样,“ 小不点” 与“ 大个子” 相比,性能上发生了“ 翻天覆地” 的变化；名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 为什么无论什么材料,一旦制成纳米“ 小不点” ,就都成了黑色的呢？原先,当材料的颗粒尺寸变小到小于光波的波长（1 10m左右）时,它对光的反射才能变得特别低,大约低到小于1%；既然超细粉末对光的反射能力很小,我们见到的纳米材料便都是黑色的了；“ 小不点” 性质上的变化的确是令人难以置信的；闻名的美国阿贡国 家

9、试验室制备出了一种纳米金属,竟然使金属从导电体变成了绝缘体；用 纳米大小的陶瓷粉末烧结成的陶瓷制品再也不会一摔就破了；格莱特的发觉已经和正在转变科学技术中的一些传统概念；因此,纳 米材料将是 21 世纪备受瞩目的一种高新技术产品；纳米结构纳米结构 是以纳米尺度的物质单元为基础按肯定规律构筑或营造的一 种新体系；它包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系；目前对 纳米阵列体系的讨论集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘 的衬底上整齐排列所形成的二位体系上；而纳米微粒与介孔固体组装体系 由于微粒本身的特性,以及与界面的基体耦合所产生的一些新的效应,也 使其成为了讨论热点,根据其中支撑体

10、的种类可将它划分为无机介孔复合 体和高分子介孔复合体两大类,按支撑体的状态又可将它划分为有序介孔 复合体和无序介孔复合体；在薄膜嵌镶体系中,对纳米颗粒膜的主要讨论 是基于体系的电学特性和磁学特性而绽开的；美国科学家利用自组装技术将几百只单壁纳米碳管组成晶体 索“ Ropes” ,这种索具有金属特性,室温下 电阻率 小于 0.0001 /m; 将纳米三 碘化铅 组装到尼龙 -11 上,在 X 射线照 射下具有光电导性能 , 利用这种性能为进展数字 射线照相 奠定了基础；技术指标纳米氧化铝 外观 白色粉末；纳米氧化铝晶相 相；纳米氧化铝平均粒度 nm 20 5. 纳米氧化铝含量 % 大于 99.9

11、% ；熔点： 2022 - 2050 沸点： 2980 相对密度（水 =1）】： 3.97-4.0 应用范畴自然纳米材料 海龟在美国佛罗里达州的海边产卵,但诞生后的幼小海龟为了查找食 物,却要游到英国邻近的海疆,才能得以生存和长大；最终,长大的海龟名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 仍要再回到佛罗里达州的海边产卵；如此来回约需56 年,为什么海龟能够进行几万千米的长途跋涉呢？它们依靠的是头部内的纳米磁性材料,为 它们精确无误地导航；生物学家在讨论鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生物为什么从来不会迷失 方向时,也发觉这些生物体内

12、同样存在着纳米材料为它们导航；纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的；纳米磁性材料具有 特别特殊的磁学性质,纳米粒子尺寸小,具有单磁畴结构和矫顽力很高的 特性,用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好,而且记录密度 比 -Fe2O3 高几十倍；超顺磁的强磁性纳米颗粒仍可制成磁性液体,用于 电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域；纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动,材料质脆,烧结温度高；纳米陶瓷 的晶粒尺寸小,晶粒简单在其他晶粒上运动,因此,纳米陶瓷材料具有极 高的强度和高韧性以及良好的延展性,这些特性使纳米陶瓷材料可在常温 或次高温下进行冷加工；假如在次高

13、温下将纳米陶瓷颗粒加工成形,然后 做表面退火处理,就可以使纳米材料成为一种表面保持常规陶瓷材料的硬 度和化学稳固性,而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷；纳米传感器 纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽 车尾气都特别敏锐；因此,可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和 汽车尾气检测仪,检测灵敏度比一般的同类陶瓷传感器高得多；纳米倾斜功能材料 在航天用的氢氧发动机中,燃烧室的内表面需要耐高温,其外表面要 与冷却剂接触；因此,内表面要用陶瓷制作,外表面就要用导热性良好的 金属制作；但块状陶瓷和金属很难结合在一起；假如制作时在金属和陶瓷 之间使其成分逐步地连续变化,让金属

14、和陶瓷“ 你中有我、我中有你” ,最终便能结合在一起形成倾斜功能材料,它的意思是其中的成分变化像一 个倾斜的梯子；当用金属和陶瓷纳米颗粒按其含量逐步变化的要求混合后 烧结成形时,就能达到燃烧室内侧耐高温、外侧有良好导热性的要求；纳米半导体材料 将硅、砷化镓等半导体材料制成纳米材料,具有很多优异性能；例如,纳米半导体中的量子隧道效应使某些半导体材料的电子输运反常、导电率 降低,电导热系数也随颗粒尺寸的减小而下降,甚至显现负值；这些特性 在大规模集成电路器件、光电器件等领域发挥重要的作用；利用半导体纳米粒子可以制备出光电转化效率高的、即使在阴雨天也 能正常工作的新型太阳能电池；由于纳米半导体粒子受

15、光照耀时产生的电 子和空穴具有较强的仍原和氧化才能,因而它能氧化有毒的无机物,降解名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 大多数有机物,最终生成无毒、无味的二氧化碳、水等,所以,可以借助 半导体纳米粒子利用太阳能催化分解无机物和有机物；纳米催化材料 纳米粒子是一种极好的催化剂,这是由于纳米粒子尺寸小、表面的体 积分数较大、表面的化学键状态和电子态与颗粒内部不同、表面原子配位 不全,导致表面的活性位置增加,使它具备了作为催化剂的基本条件；镍或铜锌化合物的纳米粒子对某些有机物的氢化反应是极好的催化 剂,可替代昂贵的铂或钯催化剂

16、；纳米铂黑催化剂可以使乙烯的氧化反应 的温度从 600 降低到室温；医疗上的应用血液中红血球的大小为6 000 9 000 nm ,而纳米粒子只有几个纳米大小,实际上比红血球小得多,因此它可以在血液中自由活动；假如把各种 有治疗作用的纳米粒子注入到人体各个部位,便可以检查病变和进行治疗,其作用要比传统的打针、吃药的成效好；纳米运算机世界上第一台电子运算机产生于1945 年,它是由美国的高校和陆军部共同研制胜利的,一共用了 18 000 个电子管,总重量 30 t ,占地面积约 170 m,可以算得上一个庞然大物了,可是,它在 1 s 内只能完成 5 000 次 运算；经过了半个世纪,由于集成电

17、路技术、微电子学、信息储备技术、计 算机语言和编程技术的进展,使运算机技术有了飞速的进展；今日的运算 机小巧玲珑,可以摆在一张电脑桌上,它的重量只有老祖宗的万分之一,但运算速度却远远超过了第一代电子运算机；假如采纳纳米技术来构筑电子运算机的器件,那么这种将来的运算机 将是一种“ 分子运算机” ,其袖珍的程度又远非今日的运算机可比,而且 在节省材料和能源上也将给社会带来特别可观的效益；纳米碳管 1991 年,日本电气公司的专家制备出了一种称为“ 纳米碳管” 的材料,它是由很多六边形的环状碳原子组合而成的一种管状物,也可以是由同轴 的几根管状物套在一起组成的；这种单层和多层的管状物的两端经常都是

18、封死的,如下列图；这种由碳原子组成的管状物的直径和管长的尺寸都是纳米量级的,因此被称为纳米碳管；它的抗张强度比钢高出100 倍,导电率比铜仍要高；在空气中将纳米碳管加热到 700 左右,使管子顶部封口处的碳原子 因被氧化而破坏,成了开口的纳米碳管；然后用电子束将低熔点金属（如 铅）蒸发后凝结在开口的纳米碳管上,由于虹吸作用,金属便进入纳米碳 管中空的芯部；由于纳米碳管的直径微小,因此管内形成的金属丝也特殊名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 细,被称为纳米丝,它产生的尺寸效应是具有超导性；因此,纳米碳管加 上纳米丝可能成

19、为新型的超导体；纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段,美、日、德等少数国家,虽然 已经初具基础,但是尚在讨论之中,新理论和技术的显现仍旧方兴未艾；我国已努力赶上先进国家水平,讨论队伍也在日渐壮大；纳米材料分类纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜 、纳米块体等四类；其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟,是生产其他三类产品的基础；纳米粉末又称为超微粉或超细粉,一般指粒度在100 纳米以下的粉末或颗粒,是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料；可用于：高密度 磁记录材料 ；吸波隐身材料；磁流体材料；防辐射材料；单晶硅和精密光学 器件 抛光材料； 微芯片 导热基片与布线材料；

20、微电子 封装材料； 光电子材料 ；先进的电池电极材料；太阳能电池材料；高效催化剂；高效助燃剂；敏锐元件；高韧性陶瓷材料 （摔不裂的陶瓷,用于陶瓷发动机等）；人体修复材料；抗癌制剂等；纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料；可用于：微导线、微 光纤（将来量子运算机与 光子运算机 的重要元件）材料；新型 激光 或发光二极 管材料等；纳米膜纳米膜分为颗粒膜与致密膜；颗粒膜是纳米颗粒粘在一起,中间有极 为细小的间隙的薄膜；致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜；可 用于： 气体 催化（如汽车尾气处理）材料；过滤器材料；高密度磁记录材 料；光敏材料；平面显示器材料；超导材料 等；纳米块体纳米块体

21、是将纳米粉末高压成型或掌握金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料；主要用途为：超高 纳米材料的用途强度 材料；智能金属材料等；名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 8 页精选学习资料 - - - - - - - - - 很广,主要用途有：医药使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米材料的尺 度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品；纳米材料粒子 将使药物在人体内的传输更为便利,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜寻并攻击癌细胞 或修补损耗组织；使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质和 DNA诊断出各种疾病；家电 用纳米材料制成的

22、纳米材料多功能塑料,具有抗菌、 除味、 防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料；电子 运算机 和电子工业 前 芯片 上千倍的纳米材料级可以从阅读 硬盘 上读卡机以及储备容量为目 储备器 芯片都已投入生产；运算机在普遍采纳纳米材料后,可以缩小成为“ 掌上电脑” ；环境爱护 环境科学领域将显现功能特殊的纳米膜；这种膜能够探测到 由化学和生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而排除污 染；纺织工业在 合成纤维 树脂中添加纳米SiO2、纳米 ZnO、纳米 SiO2 复配 粉体材料 ,经抽丝、织布,可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装,可用于制造抗菌

23、内衣、用品,可制得满意 紫外线辐射的 功能纤维 ；国防工业 要求的抗机械工业采纳纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命；制备方法：（1）惰性气体下蒸发凝结法；通常由具有清洁表面的、粒度为 1-100nm的微粒经高压成形而成,纳米陶瓷仍需要烧结；国外用上述惰性气体蒸发 和真空原位加压方法已研制胜利多种纳米固体材料,包括金属和合金,陶 瓷、离子晶体、非晶态和半导体等纳米固体材料；我国也胜利的利用此方 法制成金属、半导体、陶瓷等纳米材料；（2）化学方法：1 水热法,包括水热沉淀、合成、分解和结晶法,适宜制备纳米氧化物；2 水解法,包括溶胶-

24、凝胶法、溶剂挥发分解法、乳胶法和蒸发分别法等；（3）综合方法；结合物理气相法和化学沉积法所形成的制备方法；其他一般仍有球磨粉加工、喷射加工等方法；国内的讨论情形及取得的成果纳米技术作为一种最具有市场应用潜力的新兴科学技术,其潜在的重名师归纳总结 要性毋庸置疑,一些发达国家都投入大量的资金进行讨论工作；如美国 最第 7 页,共 8 页早成立了纳米讨论中心,日本 文教科部把纳米技术,列为材料科学 的四大- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 重点讨论开发项目之一；在德国 ,以汉堡高校和美因茨高校 为纳米技术研究中心,政府每年出资6500 万美元支持微系统的讨论；

25、在国内,很多科研院所、高等院校也组织科研力气,开展纳米技术的讨论工作,并取得了一 定的讨论成果,主要如下：定向纳米碳管阵列的合成,由中国科学院物理讨论所解思深 讨论员 等 完成；他们利用化学气相法高效制备出孔径约 20 纳米,长度约 100 微米的碳纳米管 ；并由此制备出纳米管阵列,其面积达 之间间距为 100 微米；3 毫米 3 毫米,碳纳米管氮化镓纳米棒的制备,由清华高校 范守善 教授等完成；他们首次利用碳纳米管制备出直径 340 纳米、长度达微米量级的半导体氮化镓一维纳米棒,并提出碳纳米管限制反应的概念；并与美国斯坦福高校 戴宏杰 教授合作,在国际上首次实现硅衬底上碳纳米管阵列的自组织生

26、长；准一维纳米丝和纳米电缆 ,由中国科学院固体物理讨论所张立德 讨论员等完成；他们利用碳热仍原、溶胶 新技术,首次合成了碳化钽纳米丝外包- 凝胶软化学法并结合纳米液滴外延等 绝缘体 SiO2 纳米电缆；用催化热解法制成纳米金刚石 ,由中国科学技术高校的钱逸泰 等完成；他们用催化热解法使四氯化碳和钠反应,以此制备出了金刚石纳米粉；但是,同国外发达国家的先进技术相比,我们仍有很大的差距；德国科学技术部曾经对纳米技术将来市场潜力 作过猜测：他们认为到2000 年,纳米结构器件市场容量将达到6375 亿美元, 纳米粉体 、纳米复合陶瓷以及其它 纳米复合材料市场容量将达到5457 亿美元,纳米加工技术市场容量将达到 442 亿美元,纳米材料的评判技术市场容量将达到27.2 亿美元；并预测市场的突破口可能在信息、通讯、环境和医药等领域；名师归纳总结 总之,纳米技术正成为各国科技界所关注的焦点,正如钱学森 院士所第 8 页,共 8 页预言的那样：纳米左右和纳米以下的结构将是下一阶段科技进展的特点,会是一次技术革命,从而将是21 世纪的又一次产业革命；2- - - - - - -