材料制備技術(shù)

1、 重慶科技學(xué)院課程結(jié)業(yè)論文課程名稱：材料制備技術(shù)論文題目：納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)院（系）冶金與材料工程學(xué)院專業(yè)班級(jí)金屬材料工程071班學(xué)生姓名學(xué)生學(xué)號(hào)2007440375任課教師孫建春講師成績(jī)：，評(píng)語(yǔ)：2010年6月12日納米材料的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)羅新中2007440375摘要作為一種新型的材料，納米材料曾經(jīng)引起了一場(chǎng)巨大的科技的革命，它的特殊性能、規(guī)?；苽浜蜕a(chǎn)引起了人們對(duì)其不懈的探索。納米材料的研發(fā)制備是其應(yīng)用的基礎(chǔ)，而規(guī)模化產(chǎn)業(yè)化的應(yīng)用才是研究的最終目的。因此，如何使納米材料由科學(xué)研究轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)才是重中之重。文章分別從納米材料的制備、納米材料的應(yīng)用以及納米材料未來(lái)

2、的發(fā)展方向三個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行總結(jié)。介紹了其研究現(xiàn)狀及應(yīng)用前景，分析了目前在納米材料研究方面所存在的問(wèn)題，并對(duì)以后的研究提出了自己的看法。關(guān)鍵詞納米材料制備應(yīng)用前景納米材料是指物質(zhì)的粒徑至少有一維在11oonm之間，具有特殊物理化學(xué)性質(zhì)的材料。如果僅僅是尺度達(dá)到納米，而沒(méi)有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。納米材料獨(dú)特的納米晶粒及高濃度特征以及由此產(chǎn)生的小尺寸量子效應(yīng)和晶界效應(yīng)，使其表現(xiàn)出一系列與普通多晶體和非晶態(tài)固體有本質(zhì)差別的力學(xué)、光、電、聲、磁等性能，在電子信息、生物工程、航空航天、國(guó)防科技及日常生活中有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，近年來(lái)關(guān)于納米材料的研究及其制備技術(shù)引起了世界各國(guó)的普遍重視，對(duì)

3、納米材料的制備、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用的研究也成為20世紀(jì)90年代材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)，繼而在整個(gè)社會(huì)中形成了“納米熱”。納米材料的制備技術(shù)現(xiàn)階段納米材料的制備技術(shù)納米材料的制備從制備手段來(lái)分一般可歸納為物理方法和化學(xué)方法。物力制備方法物理制備納米材料的方法有：粉碎法、高能球磨法、惰性氣體發(fā)、濺射法等。粉碎法是通過(guò)機(jī)械粉碎或電火花爆炸而得到納米級(jí)顆粒。高能球磨法是利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)或震動(dòng)對(duì)原料進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊，研磨和攪拌，將金屬或合金粉碎為納米級(jí)顆粒。高能球磨法可以將相圖上幾乎不相互融的幾種元素制成納米固溶體，為發(fā)展新材料開(kāi)辟了新途徑。惰性氣體凝聚蒸發(fā)法是在以充滿惰性氣體的超高真空室中將蒸發(fā)源加熱蒸發(fā)，

4、產(chǎn)生原子霧，原子霧再與惰性氣體碰撞失去能量，驟冷后形成納米顆粒。由于顆粒的形成是在很高溫度下形成的，因此得到的顆粒很細(xì)，同時(shí)顆粒的一些形態(tài)特征也可以得到很好的控制。濺射技術(shù)是采用高能粒子撞擊耙材表面的原子或分子交換能量或動(dòng)量，使得耙材表面原子或分子從耙材表面飛出后沉積到基片上形成納米材料。常用的有陰極濺射、直流磁控濺射、射頻磁控濺射粒子束濺射以及電子回旋共振輔助反應(yīng)磁控濺射等技術(shù)。等離子體法的基本原理是利用惰性氣氛或反應(yīng)性氣氛中通過(guò)直流放電使氣體電離產(chǎn)生高溫等離子體，從而使原料溶化和蒸發(fā)，蒸汽達(dá)到周?chē)臍怏w就會(huì)被冷凝或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)形成超微粒。化學(xué)制備方法化學(xué)法是指通過(guò)適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)反應(yīng)，從分子原子

5、離子出發(fā)制備納米材料，它包括化學(xué)氣相沉積法、化學(xué)氣相冷凝法、溶膠凝膠法、水蒸發(fā)沉淀法等?；瘜W(xué)氣相沉積法是在一個(gè)加熱的襯底上，通過(guò)一種或幾種氣態(tài)元素或化合物產(chǎn)生的化學(xué)元素反應(yīng)形成納米材料的過(guò)程，該方法主要可分為熱分解反應(yīng)沉積和化學(xué)反應(yīng)沉積。隨著其他相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，由此延伸出來(lái)的許多新技術(shù)，如等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積等。化學(xué)氣相冷凝法主要通過(guò)有機(jī)高分子熱解獲得納米粉體，具體過(guò)程是先將反應(yīng)室抽真空，熱后注入惰性氣體He，使氣壓達(dá)到幾百帕斯卡，反應(yīng)物和載氣He從外部系統(tǒng)先進(jìn)入前部分的熱磁控濺射CVD裝置由化學(xué)反應(yīng)得到反應(yīng)物的前驅(qū)體，然后通過(guò)對(duì)流達(dá)到后部分的轉(zhuǎn)筒式驟冷器，用于冷卻和收集合成的納米微粒。溶

6、膠凝膠法是用易水解的金屬化合物（無(wú)機(jī)鹽或金屬鹽）在某種容劑中與水發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過(guò)水解與縮聚過(guò)程逐漸凝膠化，在經(jīng)干燥燒結(jié)等后處理得到所需的材料。該法又可分為醇鹽法和非醇鹽法?；瘜W(xué)沉淀法是在金屬液的水溶液中控制適當(dāng)?shù)臈l件使沉淀劑與金屬離子反應(yīng)，產(chǎn)生水和氧化物或難溶化合物，使溶液轉(zhuǎn)化為沉淀然后經(jīng)分離干燥或熱分解而得到納米級(jí)超微粒?；瘜W(xué)沉淀法又可以分為、直接沉淀發(fā)、均勻沉淀法、共沉淀法和醇鹽水解沉淀法.納米材料的制備技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)現(xiàn)階段納米材料的制備技術(shù)在納米離子的分散和污染方面還存在很大的缺陷，以及復(fù)合納米材料和結(jié)構(gòu)納米材料的制備方面還有待突破。因此納米材料的制備技術(shù)的未來(lái)發(fā)展方向就要從這幾個(gè)方面入手。

7、一是尋找低成本，無(wú)污染易于產(chǎn)業(yè)化的制備方法，使納米材料盡早產(chǎn)業(yè)化。二是研究納米材料制備過(guò)程中對(duì)納米材料表面的修飾方法，使生產(chǎn)出來(lái)的納米材料的顆粒度實(shí)現(xiàn)可控且穩(wěn)定性好，不易發(fā)生團(tuán)聚，同時(shí)易于在同介質(zhì)中分散，以利于納米材料能夠廣泛應(yīng)用。三是結(jié)構(gòu)材料的制備方法，以納米顆粒或納米絲，納米管為基本單位，在一維，二維，三維空間規(guī)則排列成具有納米結(jié)構(gòu)的體系，如人造超原子體系，有序陣列等。這種納米結(jié)構(gòu)材料不僅包含了納米單元的實(shí)組元，而且包括支撐它們的具有納米尺度的空間的基體。這種納米材料充分發(fā)揮了納米材料的納米效應(yīng)，使納米材料的性能實(shí)現(xiàn)可控，是納米材料的發(fā)展高級(jí)階段。但是應(yīng)該看到，由于納米狀態(tài)的物質(zhì)尺寸十分細(xì)

8、小，表面又處于極不穩(wěn)定的高能狀態(tài)，要使其按照人們的設(shè)計(jì)有規(guī)則排列難度是相當(dāng)大的，實(shí)現(xiàn)這種工藝的方法和技術(shù)都有待于研究和開(kāi)發(fā)，但這肯定是納米材料發(fā)展的一個(gè)方向。四是復(fù)合材料也是納米材料制備的又一發(fā)展方向。納米復(fù)合材料是將幾種納米材料通過(guò)某種特殊工藝復(fù)合在一起所形成的新的材料。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)，用一種納米材料作為制造某種產(chǎn)品的基礎(chǔ)材料時(shí)，一是納米材料在功能等方面均不能達(dá)到要求，二是產(chǎn)品的制造成本太高，若將幾種納米材料或者用納米材料和一些其他材料復(fù)合在一起，形成納米復(fù)合材料，材料的功能將大大提高、增強(qiáng)，但是納米材料在復(fù)合的過(guò)程中，由于體系能量高，極不穩(wěn)定，在復(fù)合時(shí)要充分考慮到復(fù)合的納米材料的

9、表面修飾狀態(tài)以及納米材料與其他復(fù)合材料的相互作用關(guān)系，以保證復(fù)合成的納米復(fù)合材料具有穩(wěn)定、不團(tuán)聚、易分散的特點(diǎn)，同時(shí)具有良好的性能。納米材料的應(yīng)用納米材料的奇特效應(yīng)為其廣泛的應(yīng)用前景奠定了基礎(chǔ)，主要應(yīng)用與化工、輕工、冶金、電子、高技術(shù)陶瓷、復(fù)合材料、核技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)以及國(guó)防尖端技術(shù)等領(lǐng)域。大大推進(jìn)了這些領(lǐng)域的發(fā)展，可以說(shuō)納米材料正在逐漸滲入整個(gè)工業(yè)部門(mén)和高技術(shù)領(lǐng)域因此納米材料被譽(yù)為現(xiàn)代高新技術(shù)的原點(diǎn)納米材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用催化是納米粒子應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一，利用其高比表面積與高活性可以顯著地增進(jìn)催化效率，國(guó)際上已作為第四代催化劑進(jìn)行研究與開(kāi)發(fā)例如在火箭發(fā)射的固體燃料推進(jìn)劑中添加約1%納米鋁粉或

10、鎳粉，每克燃料的燃燒熱可增加一倍。另外許多廉價(jià)的天然礦物和化工原料制成納米粉后不僅擴(kuò)大了應(yīng)用范圍。而且產(chǎn)生了高額附加值。如用超細(xì)云母粉增強(qiáng)的塑料是制造汽車(chē)車(chē)身和部件的理想材料，在油漆、顏料、化妝品中則產(chǎn)生珍珠光澤；超細(xì)滑石粉可作為高光澤涂層；粒徑在10到lOOnm的納米白炭黑粉能賦予橡膠最高的抗張強(qiáng)度、抗撕裂性和耐磨性，它已成功地應(yīng)用于國(guó)內(nèi)硅橡膠生產(chǎn)中，作為橡膠補(bǔ)強(qiáng)劑。在磁性材料方面的應(yīng)用磁記錄材料磁記錄是信息儲(chǔ)存與處理的重要手段。其發(fā)展的總趨勢(shì)是大容量、高密度、高速度、低價(jià)格。而磁性納米粒子具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特征。是滿足這種要求的極好材料。如日本松下電器公司已制成納米級(jí)微粉錄象帶，

11、它具有圖象清晰、信噪比高、失真十分小的優(yōu)點(diǎn)。磁性納米粉除了上述應(yīng)用外，還可作光快門(mén)、光調(diào)節(jié)器（改變外磁場(chǎng)，控制透光量）、激光磁愛(ài)滋病毒檢測(cè)儀等儀器儀表、抗癌藥物磁性載體等。2.2.2永久性磁性材料納米粒子是屬于單磁疇區(qū)結(jié)構(gòu)的粒子，它的磁化過(guò)程完全由旋轉(zhuǎn)磁化進(jìn)行。即使不磁化也是永久性磁體，因此可以用納米粒子作永久性磁性材料。磁流體當(dāng)磁性材料的粒子的粒徑小于臨界半徑時(shí)，粒子就變得有順磁性，稱超順磁性。這是磁相互作用弱，利用這種超順磁性便可做磁流體。如把強(qiáng)磁性納米粒子包裹一層表面活性劑后均勻地分散到溶液中。形成的一種液體磁性材料便是磁流體，磁流體具有液體的流動(dòng)性和磁體的磁性，在工業(yè)廢液處理方面有廣闊

12、的應(yīng)用前景。光學(xué)材料的應(yīng)用納米材料與同質(zhì)材料相比，具有明顯的光學(xué)特性，有寬頻帶強(qiáng)吸收、藍(lán)移以及新的發(fā)光特性，在光發(fā)射、光通訊、光儲(chǔ)存、光開(kāi)關(guān)、光過(guò)濾、光導(dǎo)體發(fā)光、光折變、光學(xué)非線形、吸波隱身、紅外傳感材料等方面，有著極大的應(yīng)用范圍。制備精細(xì)陶瓷的原材料精細(xì)陶瓷是以人工合成的高純度納米粉末為原料，經(jīng)過(guò)粉體處理、成形、燒結(jié)、加工及設(shè)計(jì)等技術(shù)工藝，制成的含微細(xì)結(jié)構(gòu)及卓越性能的無(wú)機(jī)非金屬材料。它具有堅(jiān)硬、耐磨、耐高溫、耐腐蝕的性能。有些陶瓷材料還具有能量轉(zhuǎn)換、信息傳遞功能等。此外，納米陶瓷的高磁率、高矯頑力、低飽和磁距、低磁耗，特別是光吸收效應(yīng)都將成為材料開(kāi)拓應(yīng)用的一個(gè)嶄新領(lǐng)域，并對(duì)高技術(shù)及新材料的發(fā)

13、展產(chǎn)生重要作用。在醫(yī)學(xué)及生物學(xué)工程上的應(yīng)用納米粒子與生物體有著密切的關(guān)系。如構(gòu)成生命要素之一的核糖核酸蛋白質(zhì)復(fù)合體，其線度在15到20nm之間，生物體內(nèi)的多種病毒是納米粒子。此外，用納米二氧化硅微?？蛇M(jìn)行細(xì)胞分離，用金的納米粒子進(jìn)行定位病變治療，以減少副作用等。研究納米生物學(xué)可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息，特別是細(xì)胞內(nèi)的各種信息；利用納米傳感器可獲取各種生化信息和電化學(xué)信息；還可利用納米粒子研制成納米器人，注入人體的血管內(nèi)，對(duì)人體進(jìn)行全身健康檢查，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動(dòng)脈脂肪沉積物，甚至還能吞噬病毒、殺死癌細(xì)胞等在軍事上的應(yīng)用納米技術(shù)將是未來(lái)驅(qū)動(dòng)

14、軍事作戰(zhàn)革命的關(guān)鍵技術(shù)。與傳統(tǒng)武器相比，納米武器具有許多不同的特點(diǎn)：武器裝備超微型化。納米技術(shù)使武器的體積、重量大大減少，用納米技術(shù)制造的微型武器，其體積只有昆蟲(chóng)般大小，卻能象士兵一樣執(zhí)行任務(wù)。高度智能化。量子器件的工作速度比半導(dǎo)體快1000倍，采用量子器件取代半導(dǎo)體的納米技術(shù)，可使現(xiàn)有雷達(dá)體積縮小數(shù)千分之一，同時(shí)，其信息獲取能力提高數(shù)百倍用納米材料作軍用機(jī)器人的“皮膚”，可以使之具有比真人還要靈敏的“觸感”從而能更有效地完成軍事任務(wù)。便于大量使用。用納米技術(shù)制造的微型武器系統(tǒng)，其成本將低得多，運(yùn)用也十分方便，利用納米技術(shù)生產(chǎn)出的納米衛(wèi)星重量小于0.lkg。一枚“飛馬座”級(jí)的運(yùn)載火箭一次即可發(fā)

15、射數(shù)百顆乃至數(shù)千顆衛(wèi)星，覆蓋全球，完成偵察和信息轉(zhuǎn)發(fā)任務(wù)。事實(shí)上，由于納米材料具有非常多的不同于一般材料的優(yōu)秀性能，所以其用途非常廣泛，只是目前對(duì)各種納米材料的特性研究還沒(méi)有透徹，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，納米材料的應(yīng)用范圍必將越來(lái)越廠，納米材料產(chǎn)品也將越來(lái)越多，納米材料的應(yīng)用時(shí)代必將到來(lái)。納米材料未來(lái)的研究方向雖然納米材料的應(yīng)用不斷增多，但就目前的情況來(lái)看，納米材料應(yīng)用研究報(bào)道的多，推斷的多，成為產(chǎn)品的少，成為商品的更少?，F(xiàn)在的一些企業(yè)，他們確實(shí)使用了納米材料，但由于他們?cè)趯⒓{米材料制成產(chǎn)品的過(guò)程中，由于沒(méi)有對(duì)納米材料進(jìn)行“保護(hù)”，納米材料在產(chǎn)品的制造過(guò)程中有一部分或者全部早就發(fā)生了團(tuán)聚，這時(shí)納米

16、材料的優(yōu)異性能不能完全表現(xiàn)出來(lái)，結(jié)果使這些企業(yè)的人們對(duì)納米材料的優(yōu)異性能產(chǎn)生了懷疑。這種情況也使得納米材料的應(yīng)用和推廣變得十分困難。所以在對(duì)納米材料應(yīng)用研究的過(guò)程中不僅需要產(chǎn)品制造的專家，而且需要納米材料的專家共同配合，才能使納米材料的應(yīng)用研究搞好。事實(shí)上一種新的材料如果不進(jìn)行大量的應(yīng)用研究，不能使其盡早進(jìn)入產(chǎn)品的制造中。讓其充分發(fā)揮其材料本身的優(yōu)異性能。那么再好的材料也會(huì)被人們所淘汰。這是歷史的經(jīng)驗(yàn)。目前廣大科學(xué)工作者已經(jīng)重視這一問(wèn)題。開(kāi)始把大量的精力從納米材料的制備研究、納米材料性能理論的研究轉(zhuǎn)到納米材料的應(yīng)用研究上。納米材料的應(yīng)用研究目前正從以下幾方面進(jìn)行：納米材料特性的研究只有將納米材

17、料的特性全部、仔細(xì)的研究清楚，才有可能知道這種納米材料的使用范圍和產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，從而開(kāi)拓出相應(yīng)的納米材料產(chǎn)品；納米材料的表面修飾與改性的研究知道了納米材料的特性后，怎樣對(duì)其使用成為了關(guān)鍵，納米材料的表面修飾與改性的研究正是通過(guò)對(duì)納米材料表面狀態(tài)的研究，發(fā)現(xiàn)和了解納米材料應(yīng)用的方向、范圍和方法，是納米材料研究中非常重要的問(wèn)題：納米材料應(yīng)用規(guī)律與工藝過(guò)程的研究對(duì)于納米材料應(yīng)用的規(guī)律性問(wèn)題，比如對(duì)納米材料分散的規(guī)律、防止團(tuán)聚的規(guī)律、改性的規(guī)律以及實(shí)現(xiàn)工藝過(guò)程的規(guī)律等等都是目前應(yīng)用研究中的重要問(wèn)題，是應(yīng)用研究的重點(diǎn)之一。結(jié)束語(yǔ)納米材料作為一種新型的材料，它的研究在理論和實(shí)際上都具有非常重要的意義，是二十一

18、世紀(jì)材料發(fā)展的主要方向，也是二十一世紀(jì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵。雖然納米材料在發(fā)展過(guò)程中受到這樣那樣的困擾，但我們深信，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展是永恒的，是任何力量都不可阻擋的，在廣大科學(xué)工作者的共同努力下，納米材料一定能夠?yàn)槿祟惏l(fā)揮巨大的作用，有可能從根本上解決人類面臨的能源、交通、環(huán)保及健康等一系列問(wèn)題。課程總結(jié)材料制備技術(shù)是新材料獲取和應(yīng)用的關(guān)鍵也是對(duì)材料進(jìn)行加工、成形和應(yīng)用的品質(zhì)保證。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)材料提出了更高的要求，既要求特殊的高性能，也要求特殊的高質(zhì)量和低廉的生產(chǎn)成本和對(duì)資源環(huán)境的最小損害，從而促進(jìn)了新材料的研制和新材料制備技術(shù)的產(chǎn)生。總的來(lái)說(shuō)，材料的制備是對(duì)材料化學(xué)成分的改變或者組織結(jié)構(gòu)的改變，或者兩者都發(fā)生了變化。制備方法有冶煉、鑄造、粉末冶金、半固態(tài)加熱、快速凝固、氣相沉積等。制備的原理主要有化學(xué)反應(yīng)、凝固理論、流變學(xué)原理、結(jié)晶學(xué)。另外，金屬基復(fù)合材料、單晶材料、薄膜材料、非晶態(tài)合金、納米材料、金屬件化合物材料、陶瓷材料以及高分子材料的制備技術(shù)，使原有的材料在功能和性能上發(fā)生了巨大的變化，能夠更好的為我們?nèi)祟惙?wù)，制造出我們所需要的各種材料。在成分方面，新材料的制備技術(shù)