纳米材料的特性制备及应用

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1、华东理工大学2012-2013第1学期《纳米材料技术》课程论文2012.12班级材化092学号1002435姓名朱敏捷开课学院材料学院任课教师胡彦杰成绩__________论文题目:纳米材料的特性、制备及应用论文要求：根据选择的论文范围，通过查阅文献资料，内容能够反映教师要求，举例恰当，论文格式符合规范（参见华东理工大学学报）。3000~5000字。教师评语：教师签字：年月日8纳米材料的特性、制备及应用材化09210092435朱敏捷摘要：纳米材料由于其独特的表面效应、体积效应以及量子尺寸效应，使得材料的电学、力学、磁学、光学等性能产生了惊人的变化。纳米技术

2、在精细陶瓷、微电子学、生物工程、化工、医学等领域的成功应用及其广阔的应用前，使得纳米材料及其技术成为目前科学研究的热点之一，被认为是21世纪的又一次产业革命。Abstract:Duetotheuniquesurfaceeffect,volumeeffectandthequantumsizeeffectoftheNano-materials,itmakestheelectrical,mechanical,magnetic,opticalandotherpropertiesofthematerialgeneratedamazingchanges.关键词：纳米材料

3、特性制备应用展望纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9m)的超细材料。它的微粒尺寸一般为1-100nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子，二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。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。从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。在纳米材

4、料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷和其他固体材料都是由同样的原子组成。只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。纳米材料研究是目前材料科学研究的一个热点,其相应发展起来的纳米技术被公认为是21世纪最具有前途的科研领域。1纳米材料的特性1.1纳米材料的表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。当粒径在10nm以

5、下，将迅速增加表面原子的比例；当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上,原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，8使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。1.2纳米材料的体积效应由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应，其中有名的久保理论就是体积效应的典型例子。久保理论是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的，久保把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限

6、制的简并电子态，并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级,并认为相邻电子能级间距和金属纳米粒子的直径的关系为：其中，N为一个金属纳米粒子的总导电电子数；V为纳米粒子的体积；EF为费米能级。随着纳米粒子的直径减小，能级间隔增大，电子移动困难，电阻率增大,从而使能隙变宽，金属导体将变为绝缘体。1.3纳米材料的量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。在纳米粒子中处于分立的量子化

7、能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质，如高的光学非线性、特异的催化和光催化性质等。当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以改变颗粒尺寸、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、隐型飞机等。由于纳米粒子细化，晶界数量大幅度的增加，可使材料的强度、韧性和超塑性大为提高。其结构颗粒对光、机械应力和电的反应完全不同于微

8、米或毫米级的结构颗粒,使得纳米材料在宏观上显示出许多