材料导论-纳米材料的制备和应用

纳米材料的制备和应用

（13化学班 B2013061111）

摘要：纳米材料由于其特殊性质，近年来受到人们极大的关注。随着纳米科技的发展，纳米材料的制备方法已日趋成熟。纳米材料的制备方法按物态一般可归纳为气相法、液相法、固相法。目前，各国科学家在纳米材料的研究方面已取得了显著的成果。纳米材料将推动21世纪的信息技术、医学、环境、自动化技术及能源科学的发展, 对生产力的发展产生深远的影响。

关键字：纳米材料，制备，应用

近年来，纳米材料作为一种新型的材料得到了人们的广泛关注。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料，具有表面与界面效应，量子尺寸效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应，因而纳米具有很多奇特的性能，广泛应用于各个领域。为此，本文综述了纳米材料制备、应用及发展前景。

本文列举了纳米材料的两种制备方法--气相法和液相法。

1 气相法

气相法是将高温的蒸汽在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长低维纳米材料的方法。气相法主要包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

1.1物理气相沉积（PVD）

物理气相沉积（PVD）在PVD过程中没有化学反应产生，其主要过程是固体材料的蒸发和蒸发蒸气的冷凝或沉积。采用PVD可制备出高质量的纳米材料粉体。PVD可分为制备出高质量的纳米粉体。PVD可分为蒸气-冷凝法和溅射法。

1.1 .1蒸气-冷凝法

此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热物质，使其蒸发汽化, 然后在气体介质中冷凝后形成5-100 nm的纳米微粒。通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。

用两块金属板分别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的材料，在两电极间充入Ar气(40～250Pa)，两电极间施加的电压范围为0.3～1.5kv。由于两极间的辉光放电使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离子冲击阴极靶材表面，使靶材原产从其表面蒸发出来形成超微粒子．并在附着面上沉积下来。

1.2 化学气相沉积（CVD）

该方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,具有均匀性好,可对整个基体进行沉积等优点。随着其它相关技术的发展,由此衍生出来的许多新技术,如分子束外延（MBE）、化学束外延（CBE）。

1.2.1分子束外延（MBE）

在超高真空系统中相对地放置衬底和几个分子束源炉，将组成化合物的各种元素和掺杂元素等分别放入不同的炉源内，加热炉源使它们以一定的速度和束流强度比喷射到加热的衬底表面上，在表面互相进行晶体的外延生长。

1.2.2化学束外延（CBE）

CBE是在MBE设备上使用气态源取代固态源，兼有MBE和MOCVD的优点，还可生长出MBE难以控制生长的，但又十分重要的磷化物超晶格材料，能消除MBE 材料中经常出现的由Ga源引起的椭圆形缺陷，均匀性好。

2液相法

液相法是以均匀的溶液相为出发点，通过各种途径是溶液和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒或所需材料的前驱体，再通过干燥或热分解后得到纳米颗粒，该法主要用于氧化物纳米材料的制备。常用的液相法包括沉淀法，水热法，微乳液法和喷雾法。

在一种或多种离子的可溶性盐溶液，加入沉淀剂（OH-,CO32- , C2O42- 等），形成不溶性氢氧化物、碳酸盐、草酸盐等沉淀物，然后将沉淀物过滤，洗涤，烘干及焙烧，即可得氧化物粉体。该法简单易行，但是纯度低，颗粒半径大。共沉淀法还可分为单相共沉淀法（形成单一化合物沉淀）、混合物共沉淀法（形成2种以上化合物沉淀）和均相沉淀法（均匀，缓慢地沉淀)。

2.2水热法

水热法是通过高温高压在水溶液或蒸汽等流体中合成物质,再经分离和热处理得到纳米微粒。水热条件下离子反应和水解反应可以得到加速和促进,使一些在常温下反应速度很慢的热力学反应,在水热条件下可以实现快速反应。依据反应类型不同分为: 水热氧化、还原、沉淀、合成、水解、结晶等。该法制得的纳米粒子纯度高、分散性好、晶形好且大小可控。郭景坤等人采用高压水热处理,将化学制得的Zr(OH)4胶体置于高压釜中,控制合适的温度和压力,使氢氧化物进行相变,成功地得到了10～15nm 的形状规则的ZrO2超微粒。

2.3微乳液法

该方法是利用两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成一个均匀的乳液，从乳液中析出固相。这样可使成核、生长、聚结、团聚等过程局限在一个微小的球形液滴内，从而可形成球形颗粒，并避免颗粒间进一步团聚。微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域,具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。

2.4喷雾法

喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得纳米粒子的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程包括溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理，

其特点是颗粒分布比较均匀，具体的尺寸范围取决于制备工艺和喷雾的方法。喷雾法可根据雾化和凝聚过程分为喷雾干燥法、雾化水解法和雾化焙烧法。

3纳米材料的应用

3.1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。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，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γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。

3.2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，晶粒容易在其他晶粒上运动，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。如果在次高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定性，而内部仍具有纳米材料的延展性的高性能陶瓷。

3.3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十分敏感。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，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。

3.4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，外表面则要用导热性良好的金属制作。但