先进材料导论报告纳米铜的研究进展

河北工业大学课程报告材料科学与工程学院

课程名称：«先进材料导论»

题目：纳米铜的研究进展

专业：无机非金属材料工程

班级：

学号：

姓名：

2019年11月20日

纳米铜的研究进展

摘要:纳米铜颗粒具有量子尺寸效应、高导热率、电阻低以及高效的催化活性等优异特性，在诸多领域具有重要的应用价值。本文介绍了当前纳米铜材料的应用及其研究的重要性，目前纳米铜材料及纳米材料发展中的困难，对近几年纳米铜材料的研究新进展进行了综述, 对纳米铜的前景进行了展望。

关键词：纳米铜；应用；发展

目录

1 引言 (1)

2 研究背景 (1)

3 发展前景 (2)

3.1 在催化剂方面 (2)

3.2 在抗菌方面 (2)

3.3 润滑剂 (2)

3.4 在导电涂层方面 (2)

4 目前存在的问题 (3)

5 结论 (3)

参考文献 (4)

1 引言

纳米材料一般是指颗粒尺寸为1~100 nm的材料, 由于存在着小尺寸效应、表面界面效应、量子尺度效应及量子隧道效应等基本特征, 使其具有许多与相同成分的常规材料不同的性质, 在力学、电学、磁学及化学等领域有许多特异性能和极大的潜在应用价值。]21[，

纳米铜是紫褐色或紫黑色的粉末, 纳米铜中的铜原子和普通铜中的铜原子都一样, 只是纳米铜颗粒很小, 呈现的化学性质较普通铜更为活泼。

铜离子是最早被应用的无机类长效抗菌材料之一，因具有较好的环境协调性和抗菌持久性而获得广泛应用。含铜抗菌材料主要是指将铜离子负载到载体上而制备出抗菌材料，对单质纳米铜抗菌性能的研究还较少。

此外, 纳米铜可用作凝胶推进剂、燃烧活性剂、水清洁吸附剂、烧结活性剂等。随着电子工业的发展, 由纳米铜粉制备的超细厚膜浆料将在大规模集成电路中起着重要的作用, 同时价格比贵金属银粉、钯粉低廉, 具有广阔的应用前景。

2 研究背景

纳米材料是指在结构上具有纳米尺度特征的材料，纳米尺度一般是指1~100 nm。虽然在19世纪科学家就开始对直径处于纳米尺度的粒子系统进行了研究，但是真正有效地研究纳米粒子还是开始于1963年，研究人员用气体冷凝法制备出了纳米级的金属粒子。1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支]3[。随后，金属纳米材料也开始在各个领域呈现出了极其重要的应用价值。

铜是唯一能大量天然产出的金属，存在于各种矿石中;它在有色金属材料的消费中仅次于铝。由于纳米铜粉具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应及介电限域效应等特点，因此它的物理化学性质也与传统材料大不相同。

自1995年IBM的C.K.HU]4[等指出纳米铜粉由于其低电阻可以用于电子连接后，其性质引起了电子界的很大兴趣。纳米铜粉作为重要的工业原料，代替贵金属粉末在制作高级润滑油、导电浆料、高效催化剂等方面可大大降低工业成本，有着广阔的应用前景。因此，近年来对纳米铜粉的研究已经引起了国内外的广泛关注。

目前，纳米铜粉的制备主要分为物理法和化学法。物理法包括物理气相沉积法、高能球磨法和γ-射线辐射法。化学法包括化学气相沉积法、化学沉淀法、微乳液法、溶

胶-凝胶法、水热法、电解法和液相还原法等。

3 发展前景

3.1 在催化剂方面

纳米铜呈褐红色。由于粉末极细、化学活性强,一般存放在惰性气体或有机溶剂中。纳米铜的比表面大、表面活性中心数目多,在冶金和石油化工中是优良的催化剂。在高分子聚合物的氢化和脱氢反应中,纳米铜催化剂有极高的活性和选择性。在乙炔聚合反应用来制作导电纤维的过程中,纳米铜粉是很有效的催化剂。

3.2 在抗菌方面

纳米铜在食品包装、医疗器械、纺织品、药品以及水处理方面的应用研究一直是近几年的热点。众多研究表明,纳米铜及其氧化物 (如CuO，Cu2O等) 具有良好的抑制细菌、真菌、病毒和藻类生长的功效,且纳米铜-聚合物复合膜也展示出了广谱抗菌性。3.3 润滑剂

纳米铜粉可以作为一种添加剂被广泛应用于各种润滑油中,用来改善润滑剂。通过微乳液法制备的纳米铜粉,经过表面活性剂的修饰,可以得到良好的纳米铜润滑剂添加剂,它们悬浮在润滑油中形成稳定状态的悬浊液,吸附在仪器表面形成了一层保护膜,可有效阻止磨损和避免润滑表面划伤,甚至在仪器超负荷使用时,可以起到保护设备的作用。蔡逸飞等人]5[通过用微乳液法制备纳米铜对其摩擦性能进行了探讨,得出了提高润滑油的摩擦学性能的最优条件。

3.4 在导电涂层方面

导电涂层是加涂在绝缘材料表面具有一定导电能力的薄膜或涂层。涂敷金属填充涂料用填充有金属粒子的涂料在塑料外壳形成一层屏蔽层的方法,是一种最简便、最经济的涂敷方法。因此利用铜离子的导电性,可以将纳米铜材料制成导电涂料。随着科技水平的快速发展,存在着大量电磁波污染等问题,因此导电涂料的使用正是解决这一问题的有效途径。又因为铜价格低廉,并且其导电性又与其他贵金属相似,因此用它作为导电涂料,工业成本可大大地降低,因此人们越来越重视对纳米铜粉导电涂料的研究]6[。

4 目前存在的问题

纳米铜及纳米铜-聚合物复合材料的制备技术已较为成熟, 其功能性包装的研发存在很大的发展空间。目前对纳米铜抗菌包装材料的迁移研究较为零散, 缺少系统化的研

究与归纳, 对于纳米铜迁移过程、迁移机理的研究仍十分模糊, 纳米铜在不同基质及食品或食品模拟液中的迁移模型也亟待建立。

当前,在纳米材料制备技术研究中的一个重要趋势就是加强控制工程的研究,这包括颗粒尺寸、表面形状和微结构的控制。由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应和量子尺寸效应都同时在起作用,它们对某一材料的贡献大小是很难区分的。这些效应究竟在起有利作用,还是在起不利作用都难以判断。这不仅给某些现象的解释带来困难,而且也给设计新型纳米结构材料带来不利因素。如何控制这些效应对纳米材料性能的影响,如何控制每一种效应对纳米材料结构与性能的作用,是控制工程亟待解决的问题。

5 结论

综上分析, 纳米铜的制备方法多种多样, 关键在于如何控制粒子的尺寸、形貌及稳定的形态, 同时满足简单易行、低成本、产率高、绿色环保等要求。虽然铜纳米材料有着广阔的应用前景, 其制备技术也取得相当可观的成果, 但其大多数制备和性能研究还处于实验室阶段, 尚存在纳米微粒单分散性、尺寸和形貌、稳定性和分散性的控制等问题, 离工业化生产和应用还有一定距离。因此, 纳米科技的发展应由材料制备和性能研究向真正实现工业化生产和应用转移。纳米铜粒子与聚合物复合可以实现纳米粒子与聚合物功能的集成,这对于更好地开发纳米材料的功能具有重要意义, 纳米材料的实用性和功能化将成为今后铜纳米材料的发展趋势。