材料制备技术

重庆科技学院课程结业论文课程名称：材料制备技术论文题目：纳米材料的应用现状及发展趋势院（系）冶金与材料工程学院专业班级 金属材料工程071班学生姓名学生学号2007440375任课教师孙建春讲师成绩：，评语：2010 年 6 月 12 日纳米材料的应用现状及发展趋势罗新中2007440375摘要 作为一种新型的材料，纳米材料曾经引起了一场巨大的科技的革命，它的 特殊性能、规模化制备和生产引起了人们对其不懈的探索。纳米材料的研发制备 是其应用的基础，而规模化产业化的应用才是研究的最终目的。因此，如何使纳 米材料由科学研究转化为大规模的产业化生产才是重中之重。文章分别从纳米材 料的制备、纳米材料的应用以及纳米材料未来的发展方向三个方面对其进行总 结。介绍了其研究现状及应用前景，分析了目前在纳米材料研究方面所存在的问 题，并对以后的研究提出了自己的看法。关键词 纳米材料 制备 应用 前景纳米材料是指物质的粒径至少有一维在11 oo nm之间，具有特殊物理化学 性质的材料。如果仅仅是尺度达到纳米，而没有特殊性能的材料，也不能叫纳米 材料。纳米材料独特的纳米晶粒及高浓度特征以及由此产生的小尺寸量子效应和 晶界效应，使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、光、 电、声、磁等性能，在电子信息、生物工程、航空航天、国防科技及日常生活中 有着广阔的应用前景。因此，近年来关于纳米材料的研究及其制备技术引起了世 界各国的普遍重视，对纳米材料的制备、结构、性能及其应用的研究也成为20 世纪90年代材料科学研究的热点，继而在整个社会中形成了 “纳米热”。1 纳米材料的制备技术1.1 现阶段纳米材料的制备技术 纳米材料的制备从制备手段来分一般可归纳为物理方法和化学方法 。1.1.1 物力制备方法物理制备纳米材料的方法有：粉碎法、高能球磨法、惰性气体发、溅射法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。高能球磨法是利用球磨机的转动或震动对原料进行强烈的撞击，研磨和搅 拌，将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不相互融的 几种元素制成纳米固溶体，为发展新材料开辟了新途径。惰性气体凝聚蒸发法是在以充满惰性气体的超高真空室中将蒸发源加热蒸 发，产生原子雾，原子雾再与惰性气体碰撞失去能量，骤冷后形成纳米颗粒。由 于颗粒的形成是在很高温度下形成的，因此得到的颗粒很细，同时颗粒的一些形 态特征也可以得到很好的控制。溅射技术是采用高能粒子撞击耙材表面的原子或分子交换能量或动量，使得 耙材表面原子或分子从耙材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴 极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射粒子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁 控溅射等技术。等离子体法的基本原理是利用惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气 体电离产生高温等离子体，从而使原料溶化和蒸发，蒸汽达到周围的气体就会被 冷凝或发生化学反应形成超微粒。1.1.2 化学制备方法化学法是指通过适当的化学反应，从分子原子离子出发制备纳米材料，它包 括化学气相沉积法、化学气相冷凝法、溶胶凝胶法、水蒸发沉淀法等。化学气相沉积法是在一个加热的衬底上，通过一种或几种气态元素或化合物 产生的化学元素反应形成纳米材料的过程，该方法主要可分为热分解反应沉积和 化学反应沉积。随着其他相关技术的发展，由此延伸出来的许多新技术，如等离 子体增强化学气相沉积等。化学气相冷凝法主要通过有机高分子热解获得纳米粉体，具体过程是先将反 应室抽真空，热后注入惰性气体He，使气压达到几百帕斯卡，反应物和载气He 从外部系统先进入前部分的热磁控溅射CVD装置由化学反应得到反应物的前驱 体，然后通过对流达到后部分的转筒式骤冷器，用于冷却和收集合成的纳米微粒。溶胶凝胶法是用易水解的金属化合物（无机盐或金属盐）在某种容剂中与 水发生反应，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，在经干燥烧结等后处理得到所需 的材料。该法又可分为醇盐法和非醇盐法。化学沉淀法是在金属液的水溶液中控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反 应，产生水和氧化物或难溶化合物，使溶液转化为沉淀然后经分离干燥或热分解 而得到纳米级超微粒。化学沉淀法又可以分为 、直接沉淀发、均匀沉淀法、共 沉淀法和醇盐水解沉淀法.1.2 纳米材料的制备技术发展趋势现阶段纳米材料的制备技术在纳米离子的分散和污染方面还存在很大的缺 陷，以及复合纳米材料和结构纳米材料的制备方面还有待突破。因此纳米材料的 制备技术的未来发展方向就要从这几个方面入手。一是寻找低成本，无污染易于产业化的制备方法，使纳米材料尽早产业化。二是研究纳米材料制备过程中对纳米材料表面的修饰方法，使生产出来的纳 米材料的颗粒度实现可控且稳定性好，不易发生团聚，同时易于在同介质中分散， 以利于纳米材料能够广泛应用。三是结构材料的制备方法，以纳米颗粒或纳米丝，纳米管为基本单位，在一 维，二维，三维空间规则排列成具有纳米结构的体系，如人造超原子体系，有序 阵列等。这种纳米结构材料不仅包含了纳米单元的实组元，而且包括支撑它们的 具有纳米尺度的空间的基体。这种纳米材料充分发挥了纳米材料的纳米效应，使 纳米材料的性能实现可控，是纳米材料的发展高级阶段。但是应该看到，由于纳 米状态的物质尺寸十分细小，表面又处于极不稳定的高能状态，要使其按照人们 的设计有规则排列难度是相当大的，实现这种工艺的方法和技术都有待于研究和 开发，但这肯定是纳米材料发展的一个方向。四是复合材料也是纳米材料制备的又一发展方向。纳米复合材料是将几种纳 米材料通过某种特殊工艺复合在一起所形成的新的材料。在实际应用过程中我们 发现，用一种纳米材料作为制造某种产品的基础材料时，一是纳米材料在功能等 方面均不能达到要求，二是产品的制造成本太高，若将几种纳米材料或者用纳米 材料和一些其他材料复合在一起，形成纳米复合材料，材料的功能将大大提高、 增强，但是纳米材料在复合的过程中，由于体系能量高，极不稳定，在复合时要 充分考虑到复合的纳米材料的表面修饰状态以及纳米材料与其他复合材料的相 互作用关系，以保证复合成的纳米复合材料具有稳定、不团聚、易分散的特点， 同时具有良好的性能。2 纳米材料的应用纳米材料的奇特效应为其广泛的应用前景奠定了基础，主要应用与化工、轻 工、冶金、电子、高技术陶瓷、复合材料、核技术、生物医学以及国防尖端技术 等领域。大大推进了这些领域的发展，可以说纳米材料正在逐渐渗入整个工业部 门和高技术领域因此纳米材料被誉为现代高新技术的原点2.1 纳米材料在化工领域中的应用 催化是纳米粒子应用的重要领域之一，利用其高比表面积与高活性可以显著 地增进催化效率，国际上已作为第四代催化剂进行研究与开发例如在火箭发射 的固体燃料推进剂中添加约1%纳米铝粉或镍粉，每克燃料的燃烧热可增加一倍。另外许多廉价的天然矿物和化工原料制成纳米粉后不仅扩大了应用范围。 而且产生了高额附加值。如用超细云母粉增强的塑料是制造汽车车身和部件的理 想材料，在油漆、颜料、化妆品中则产生珍珠光泽；超细滑石粉可作为高光泽涂 层；粒径在10到lOOnm的纳米白炭黑粉能赋予橡胶最高的抗张强度、抗撕裂性和 耐磨性，它已成功地应用于国内硅橡胶生产中，作为橡胶补强剂。2.2 在磁性材料方面的应用2.2.1 磁记录材料 磁记录是信息储存与处理的重要手段。其发展的总趋势是大容量、高密度、 高速度、低价格。而磁性纳米粒子具有单磁畴结构、矫顽力很高的特征。是满足 这种要求的极好材料。如日本松下电器公司已制成纳米级微粉录象带，它具有图 象清晰、信噪比高、失真十分小的优点。磁性纳米粉除了上述应用外，还可作光 快门、光调节器（改变外磁场，控制透光量）、激光磁爱滋病毒检测仪等仪器仪表、 抗癌药物磁性载体等。2.2.2永久性磁性材料 纳米粒子是属于单磁畴区结构的粒子，它的磁化过程完全由旋转磁化进行。即使不磁化也是永久性磁体，因此可以用纳米粒子作永久性磁性材料。2.2.3 磁流体 当磁性材料的粒子的粒径小于临界半径时，粒子就变得有顺磁性，称超顺磁性。这是磁相互作用弱，利用这种超顺磁性便可做磁流体。如把强磁性纳米粒子 包裹一层表面活性剂后均匀地分散到溶液中。形成的一种液体磁性材料便是磁流 体，磁流体具有液体的流动性和磁体的磁性，在工业废液处理方面有广阔的应用 前景。2.3 光学材料的应用 纳米材料与同质材料相比，具有明显的光学特性，有宽频带强吸收、蓝移以及新的发光特性，在光发射、光通讯、光储存、光开关、光过滤、光导体发光、 光折变、光学非线形、吸波隐身、红外传感材料等方面，有着极大的应用范围。2.4 制备精细陶瓷的原材料 精细陶瓷是以人工合成的高纯度纳米粉末为原料，经过粉体处理、成形、烧结、加工及设计等技术工艺，制成的含微细结构及卓越性能的无机非金属材料。 它具有坚硬、耐磨、耐高温、耐腐蚀的性能。有些陶瓷材料还具有能量转换、信 息传递功能等。此外，纳米陶瓷的高磁率、高矫顽力、低饱和磁距、低磁耗，特 别是光吸收效应都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并对高技术及新材料的 发展产生重要作用。2.5 在医学及生物学工程上的应用 纳米粒子与生物体有着密切的关系。如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，其线度在15到20nm之间，生物体内的多种病毒是纳米粒子。此外，用 纳米二氧化硅微粒可进行细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少 副作用等。研究纳米生物学可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与 功能的关系，获取生命信息，特别是细胞内的各种信息；利用纳米传感器可获取 各种生化信息和电化学信息；还可利用纳米粒子研制成纳米器人，注入人体的血 管内，对人体进行全身健康检查，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积 物，甚至还能吞噬病毒、杀死癌细胞等2.6 在军事上的应用 纳米技术将是未来驱动军事作战革命的关键技术。与传统武器相比，纳米武 器具有许多不同的特点：1 武器装备超微型化。纳米技术使武器的体积、重量大大减少，用纳米技术 制造的微型武器，其体积只有昆虫般大小，却能象士兵一样执行任务。2 高度智能化。量子器件的工作速度比半导体快 1000 倍，采用量子器件取代 半导体的纳米技术，可使现有雷达体积缩小数千分之一，同时，其信息获取能力 提高数百倍用纳米材料作军用机器人的“皮肤”，可以使之具有比真人还要灵 敏的“触感”从而能更有效地完成军事任务。3 便于大量使用。用纳米技术制造的微型武器系统，其成本将低得多，运用也十分方便，利用纳米技术生产出的纳米卫星重量小于0 .lkg。一枚“飞马座” 级的运载火箭一次即可发射数百颗乃至数千颗卫星，覆盖全球，完成侦察和信息 转发任务。事实上，由于纳米材料具有非常多的不同于一般材料的优秀性能，所以其用 途非常广泛，只是目前对各种纳米材料的特性研究还没有透彻，随着科学技术的 发展，纳米材料的应用范围必将越来越厂 ，纳米材料产品也将越来越多，纳米 材料的应用时代必将到来。3 纳米材料未来的研究方向虽然纳米材料的应用不断增多，但就目前的情况来看，纳米材料应用研究报 道的多，推断的多，成为产品的少，成为商品的更少。现在的一些企业，他们确 实使用了纳米材料，但由于他们在将纳米材料制成产品的过程中，由于没有对纳 米材料进行“保护”，纳米材料在产品的制造过程中有一部分或者全部早就发生 了团聚，这时纳米材料的优异性能不能完全表现出来，结果使这些企业的人们对 纳米材料的优异性能产生了怀疑。这种情况也使得纳米材料的应用和推广变得十 分困难。所以在对纳米材料应用研究的过程中不仅需要产品制造的专家，而且需 要纳米材料的专家共同配合，才能使纳米材料的应用研究搞好。事实上一种新的材料如果不进行大量的应用研究，不能使其尽早进入产品的 制造中。让其充分发挥其材料本身的优异性能。那么再好的材料也会被人们所淘 汰。这是历史的经验。目前广大科学工作者已经重视这一问题。开始把大量的精 力从纳米材料的制备研究、纳米材料性能理论的研究转到纳米材料的应用研究 上。纳米材料的应用研究目前正从以下几方面进行：3.1 纳米材料特性的研究只有将纳米材料的特性全部、仔细的研究清楚，才有可能知道这种纳米材料 的使用范围和产品优势，从而开拓出相应的纳米材料产品；3.2 纳米材料的表面修饰与改性的研究知道了纳米材料的特性后，怎样对其使用成为了关键，纳米材料的表面修饰 与改性的研究正是通过对纳米材料表面状态的研究，发现和了解纳米材料应用 的方向、范围和方法，是纳米材料研究中非常重要的问题：3.3 纳米材料应用规律与工艺过程的研究对于纳米材料应用的规律性问题，比如对纳米材料分散的规律、防止团聚的 规律、改性的规律以及实现工艺过程的规律等等都是目前应用研究中的重要问题，是应用研究的重点之一。4 结束语纳米材料作为一种新型的材料，它的研究在理论和实际上都具有非常重要的 意义， 是二十一世纪材料发展的主要方向，也是二十一世纪科学技术的发展关 键。虽然纳米材料在发展过程中受到这样那样的困扰，但我们深信， 科学技术 的发展是永恒的，是任何力量都不可阻挡的，在广大科学工作者的共同努力下， 纳米材料一定能够为人类发挥巨大的作用，有可能从根本上解决人类面临的能 源、交通、环保及健康等一系列问题。5 课程总结材料制备技术是新材料获取和应用的关键也是对材料进行加工、成形和应用 的品质保证。随着生产的发展和社会的进步，人们对材料提出了更高的要求，既 要求特殊的高性能，也要求特殊的高质量和低廉的生产成本和对资源环境的最小 损害，从而促进了新材料的研制和新材料制备技术的产生。总的来说，材料的制备是对材料化学成分的改变或者组织结构的改变，或者 两者都发生了变化。制备方法有冶炼、铸造、粉末冶金、半固态加热、快速凝固、 气相沉积等。制备的原理主要有化学反应、凝固理论、流变学原理、结晶学。另 外，金属基复合材料、单晶材料、薄膜材料、非晶态合金、纳米材料、金属件化 合物材料、陶瓷材料以及高分子材料的制备技术，使原有的材料在功能和性能上 发生了巨大的变化，能够更好的为我们人类服务，制造出我们所需要的各种材料。 在成分方面，新材料的制备技术使金属材料、高分子材料、陶瓷材料的学科体系 交叉融合，相互借鉴，加速了材料和材料学科的发展，克服了相互分割的障碍， 促成了复合材料和功能材料的发展。参考文献：1 于文斌，程南璞，吴安如.材料制备技术.重庆：西南师范大学出版社，2006.1792 王惠今.国内外纳米材料的研究现状及对未来的影响J.化工科技市场， 2006，12(10)：163 周世杰，张喜燕，贾冲，等.纳米材料制备技术的研究现状J.材料导报,2005, 2(11)：84 张立德，牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京：科学出版社， 2001.1465 林峰纳米材料的制备方法J.广东技术师范学院学报，2007, 10 (7)，125.6 齐民，杨大智，朱敏.机械合金化过程的固态相变J.功能材料，1995, (26): 472.7 都有为超微颗粒的应用J.化工进展.1993.(7)： 2124.8 汪晖，汪周云,帅颖松，等.我国超细微粉体应用市场分折J.化工进展.1993,9 ： 48-50.9 郭景坤，冯楚德.纳米陶瓷的最近进展口 J.材料研究学报.1995,9(5)： 412.10 张喜梅，陈玲，李琳，等纳米材料制备研究现状及其发展方向J.现代化 工.2000,(7)： 13.11 张彩霞，刘维平纳米材料及其应用现状与发展J.南方冶金学院学报， 2001， 250(7)： 1.12 阮亿明纳米材料的现状及发展J.凉山大学学报，2004, 13 (4)： 106.13 张振忠，宋广生，杨根仓块状金属纳米材料的制备技术进展及展望兵器 材料科学与工程， 2003， 20(1)： 20