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1、 纳米材料技术介绍 专 业： 机械设计制造及其自动化学生姓名： 胡宇杨 学 号： 1120101117 班 级： D机制131 引言：纳米概念是1959年木，诺贝尔奖获得着理查德.费曼在一次讲演中提出的。他在“There is plenty of room at thebottom”的讲演中提到，人类能够用宏观的机器制造比其体积小的机器，而这较小的机器可以制作更小的机器，这样一步步达到分子尺度，即逐级缩小生产装置，以至最后直接按意愿排列原子，制造产品。他预言，化学将变成根据人仃的意愿逐个地准确放置原子的技术问题，这是最早具有现代纳米概念的思想。20世纪80年代末、90年代初，出现了表征纳米尺度
2、的重要工具一扫描隧道显微镜(STM)，原子力显微镜(AFM)一认识纳米尺度和纳米世界物质的直接的工具，极大地促进了在纳米尺度上认识物质的结构以及结构与性质的关系，出现了纳米技术术语，形成了纳米技术。 其实说起来纳米只是一个长度单位，1纳米(nm)=10又负3次方微米=10又负6次方毫米(mm)=10又负9次方米(m)=l0A。纳米科学与技术(Nano-ST)是研究由尺寸在1-100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。关于纳米技术，从迄今为止的研究状况来看，可以分为4种概念。在这里就不一一介绍了。1纳米材料的特性 纳米是一种度量单位，1 nm为百
3、万分之一毫米，即l毫微米，也就是十亿分之一米，一个原子约为0 1 nm。纳米材料是一种全新的超微固体材料，它是由纳米微粒构成，其中纳米颗粒的尺寸为l100 nm。纳米技术就是在100 nm以下的微小结构上对物质和材料进行研究处理，即用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米微粒是由数目较少的原子和分子组成的原子群或分子群，其占很大比例的表面原于是既无长程序又无短程序的非晶层：而在粒子内部，存在结晶完好的周期性排布的原子，不过其结构与晶体样品的完全长程序结构不同。正是纳米微粒的这种特殊结构，导致了纳米微粒奇异的表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、量子隧道效应，并由此产生许多纳米材料与常规材料不同的
4、物理、化学特性。11表面与界面效应 纳米材料的表面效应口即纳米微粒表面原子与总原子数比随纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子的表面能及表面张力也随之增加，从而引起纳米榻料性质的变化。例如，粒径为5 nm的SiC比表面积高达300 12g；而纳米氧化锡的表面积随粒径的变化更为显著，10 lltlfl时比表面积为903 m2g，5 nm时比表面积增加到181 m2g，而当粒径小于2 nm时，比表面积猛增到450 m2g。这样大的比表面积使处于表面的原子数大大增加这些袭面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同，存在着大量的表而缺陷和许多悬挂键，具有高度的不饱和性质，因而使这些原子极易与其他原
5、子相结合而稳定下来，具有很高的化学反应活性。 另外，处于高度活化状态的纳米微粒的表面能也很高，比表面积和裘面能可使纳米微粒具有很强的化学反应活性。例如，金属纳米微粒在空气中会燃烧一些氧化物纳米微粒暴露在大气中会吸附气体，并与气体进行反应等。此外，由于纳米微粒表面原予的畸形也引起表面电子自旋构象和电子能潜的变化，所以纳米材料具有新的光学及电学性能。例如，一些氧化物、氮化物的纳米微粒对红外线有良好的吸收和发射作用，对紫外线有良好的屏蔽作用。12小尺寸效应 当超微粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电磁、热力学
6、等特性均会呈现新的尺寸效应。例如，光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态，超导相向正常相的转变；声子谱发生改变。纳米微粒的这些小尺寸效应为实用技术开拓了新领域。例如，银的熔点为900C，而纳米银粉熔点可降低到100，C，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺。利用等离子共振频率颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒尺寸来控制吸收边的位移，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。1. 3量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级现象，其关系为： 式中为能级间距；E为费米能级；N为总电子数。宏观物体包含无限个原子(即所
7、含电子数，N），于是0，即大粒子或宏观物体的能级间距几乎为零；而纳米微粒包含的原子数有限，N值很小，导致有一定的值，即能级间距发生分裂。块状金属的电子能谱为准连续能带，而当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导的凝聚态能时，必须考虑量子效应，这就导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性的显著不同，称为量子尺寸效应。14物理特性纳米材料的物理效应包括磁学、光学特性。 纳米材料的直径小，材料以离子键及共价键为主要结合力。与晶体相比，对光的吸收能力增强，表现出宽频带、强吸收、反射率低的特点。例如，尽管各种块状金属有不同颜色，但当其细化到纳米级的颗粒时所有金属都有呈现出黑色
8、；有些物体还会出现新的发光现象，如硅本身属不发光的物体，但纳米硅具有发光现象。由于纳米材料直径小，原子、分子更加裸露，磁性排更加随机，更加无规则，因此，纳米材料具有超顺磁性。l . 5化学特性纳米材料的化学效应包括吸附及催化等特性。纳米材料有着较大的比表面积使得其对其他物质具有更强的吸附特性。纳米材料可以用作高教催化剂。由于纳米微粒尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态、电子态与颗粒内部不同，表面原子配价不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。纳米材料作为催化剂的作用主要有3个方面：(1)改变反应速度，提高反应效率；(2) 决定反应路径，有优良的选择性，如只进行氢
9、化、脱氢反应，不发生氢化分解和脱水反应；(3)降低反应温度。例如，以粒径小于03 nm的Ni和Cumon合金的超细微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物氢化的效率是传统镍催化剂的10倍；超细PL粉、WC粉是高效的氢化催化剂；超细的Feb、Ni与Fe02，混合轻烧结体可以替代贵金属作为汽车尾气净化剂；超细Aug粉可以作为乙炔氧化的催化剂。2纳米材料的制备 纳米材料的制备方式有多种，根据制备过程中是否有明显的化学反应发生，可分为物理制备方法和化学制备方法。其中物理制备方法有机械研磨法、干式冲击法、共混法、高温蒸发法；化学制备法有溶胶一凝胶法、沉淀法、溶剂蒸发法。3纳米材料在纺织领域中的应用 正是由
10、于纳米微粒这些奇特的性质，为其广泛应用奠定了基础。例如，纳米微粒有特殊的抗紫外线、吸收可见光和红外线、抗老化、高的强度和韧性、良好的导电和静电屏蔽效应，强的抗菌消臭功能以及吸附能力等等。因此，通过把具有这些特殊功能的纳米微粒与纺织原料进行复合，可以制造纺织新原料、纳米浆料以及改善织物功能。31抗紫外、耐日晒和抗老化纤维 所谓抗紫外纤维，即是指对紫外线有较强的吸收和反射性能的纤维，其制备和加工原理通常是对纤维添加能屏蔽紫外线物质，进行混合和处理，以提高纤维对紫外线的吸收和反射能力。这里的能屏蔽紫外线的物质指的是两类、即：起反射紫外线作用的物质、习惯上称为紫外线屏蔽剂；而对紫外线有强烈选择吸收，并
11、能进行能量转换而减少它的透过量的物质，习惯上称为紫外线吸收剂。紫外线屏蔽剂通常选用一些金属氧化物的粉体，国内外紫外线吸收剂品种较多，常用的有水杨酸酯类化合物，金属离子螯合物，二苯甲酮类以及苯并三唑类等。利用纳米微粒优异的光吸收特性，将少量纳米Ti02加入合成纤维中。由于它能屏蔽大量紫外线，用它做成的服装和用品具有阻隔紫外线功效，对防治皮肤病及由紫外线吸收造成的皮肤病等也有辅助疗效。32抗菌纤维 某些金属粒子(如纳米银粒子、纳米铜粒子)具有一定的杀菌性能，其与化纤复合纺丝，制造出抗茵的纤维比一般的抗菌织物具有更强的抗菌效果和更多的耐洗次数。例如国家超细粉末工程中心研制的超细抗菌粉体，它可赋予树脂
12、制品以抗菌能力，对各种细菌、真菌和霉菌起到抑制作用。这种抗菌粉体的核可以是硫酸钡、氧化锌的纳米颗粒，外包覆银以抗菌，外包氧化铜、硅酸锌以抗真菌。在台成纤维中加1这种粉体就能得到具有良好可纺性的抗菌纤维。33远红外纤维 将某些纳米级陶瓷粉体(如氧化锆单晶体、远红外负氧离子陶瓷粉体)分散到熔融纺丝溶液中，再纺成纤维。这种纤维能有效吸收外界能量，并辐射与人体生物波波谱相同的远红外线。这种远红外辐射波不仅极易被人体吸收，而且还具有很强的渗透力，能深入皮下，使皮肤深部组织发热而产生共振效应，有活化生物细胞、促进血液循环、加强新陈代谢、增强组织再生等保健作用。34高强耐磨的新材料 纳米材料本身就具有超强、
13、高硬、高韧的特性，将其与化学纤维融为一体后，化学纤维将具有高强、高硬、高韧性。例如，纳米碳管用作复合添加剂，在航空航天的纺织材料、汽车轮胎帘子线等工程纺织材料方面有很大的发展前途。35隐身纺织材料 某些纳米材料(如纳米碳管等)具有良好的吸波性能，将其加人纺织纤维利用纳米材料对光波的宽频带、强吸收、反射率低的特点，可使纤维不反射光用于制作特殊用途的吸渡防反射织物(如军事隐形织物)等。3. 6抗静电纤维 在化纤纺丝过程中加人金属纳米材料或碳纳米材料，可使纺出的长丝本身具有抗静电、防微波的特性。如纳米碳管是一种非常优异的导电体，经测定其导电性优于铜，将其作为功能添加剂，使之稳定地分散于化纤纺丝液中，
14、在不同的摩尔浓度下可以制成具有良好导电性能或抗静电的纤维和织物。37抗电磁波纤维 在合成纤维中加入纳米Si02可以制得高介电绝缘纤维。近年来，随着通讯、家用电器业的不断发展，手机、电视机、电脑、微波炉等的使用越来越普遍，电磁场存在于所有的电设备和电线周围，电磁波对人体的心脏、神经、孕妇、胎儿的影响已有明确的结论。据报道，美国、日本、韩国等已有抗电磁波的服装上市，国内采用纳米材料制备抗电磁波纤维的研究也在进行中。38其他功能纤堆 纳米级或超微细材料的不同特性在各具特色的功能纤维中得到应用。利用碳化钨等高比重材料开发超悬垂纤维，如13本东丽公司的“XYE”、旭化成公司的“July”和东洋纺公司的“
15、Pyramidal”等；利用Ti02的折光性开发不透明纤维，日本尤尼吉卡公司采用皮芯复合纺丝方法，皮层和芯层含有不同禽量的Ti02，制得具有良好不透明性的聚酯纤维；利用铝酸锶、铝酸钙的蓄光性开发荧光纤维，日本根本特殊化学公司开发了以铝酸锶、铝酸钙为主要成分的蓄光材料，其余辉时间可达10 h以上；某些金属复盐，过渡金属化合物由于随温度变化而发生晶型转变或配位体几何体型改变或结晶水“得水”而发生颜色改变，可利用其可逆热致变色的特征开发变色纤维；三菱人造丝公司利用在聚酯中添加胶体状的碳酸钙制得中空纤维，经碱减量处理，在纤维上形成微孔，纤维具有良好的吸湿性能。 4结束语 纳米材料科学是原子物理、凝聚态
16、物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交叉汇台而出现的新学科生长点。纳米材料中涉及许多未知过程和新奇现象，很难用传统物理化学理论进行解释。从某种意义上来说，纳米材料研究的进展将把物理、化学领域的许多学科推向一个新层次。近年来通过向台成纤维聚合物中添加某些超微或纳米级无机材料粉末，经过纺丝获得具有某种特殊功能的纤维，已成为颇为流行的功能纤维制造方法，如远红外纤维、抗紫外纤维、磁性纤维、超悬垂纤维、荧光纤维、变色纤维、抗静电纤维、导电纤维和高吸湿纤维等。随着制备纳米材料的合成技术不断取得进展和基础理论的日趋完善，纳米材料会有更快的发展，应用面将遍及世界多个领域。 参考文献1张立德，牟季美纳米材料和纳米结构 辽宁：辽宁科技出版社2001 5172小汉英一趣敝粒应用拉术动向 R本的科学与拄术，1985“)32373杨毅，李风生超细粒子复古技术进展材料导报，200 L，15(3)：35一”4是缨菊关于纳米技术在纺织上应用的探讨纺织科学研究，1999，10(2)：5456