材料表面氧化锌纳米材料水热生长及其对力学性能影响

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1、材料表面氧化锌纳米材料水热生长及其对力学性能影响第1章绪论1.1课题背景及研究的目的和意义作为当代科学研究领域的一个极其重要的研究方向，纳米材料科学与技术是一个具有前沿性、交叉性以及多学科性特征的新兴研究领域，其在化学与材料、生物与医学、信息与微电子及光电子、能源与环境等各方面展示出越来越广阔及深入的应用前景，在土木及土木工程材料领域的研究与应用也得到越来越多的重视。而在众多的纳米材料体系中，作为其中最重要的研究对象之一的氧化锌纳米材料，基于其优异的电、光、磁、力等性能而在众多领域中显示出极大的应用潜力，在世界范围内受到越来越多的关注

2、[1-5]。本文从氧化锌纳米材料的合成出发，运用水热法在多种衬底材料上生长氧化锌纳米线/棒阵列，同时对水热生长过程中的附加产物（一些其他类型的氧化锌纳米材料）进行分析，在制备过程中结合衬底材料不断探索纳米氧化锌的新型结构形式。具体结合氧化锌纳米线阵列等结构特征及其优异的力学性能，对氧化锌纳米线阵列/纳米片修饰碳纤维表面后其接触角的变化及其对碳纤维复合材料界面改性作用，纳米线阵列插层膨胀蛭石生长形成叠层阵列结构及其宏观性能输出（包括弹塑性、耗能能力以及最终宏观强度等）进行试验研究与分析。通过上述研究，发展基于氧化锌纳米材料结构特征及其优

3、异力学性能的高性能土木工程新材料研究与应用方法。1.2氧化锌纳米材料及其应用的研究现状1.2.1氧化锌纳米材料的研究现状纳米科学与技术，作为与信息科学、生命科学及环境科学同为21世纪科学与技术的四大关键领域之一，当前已成为全球高新科技战略竞争的热点与焦点，并且随着纳米科学与技术的不断发展，其将对人类社会的发展及科学技术的进步产生巨大的影响。纳米科学与技术（nanoscienceandtechnology）通常是指在纳米尺度即1nm~100nm范围内研究物质的特性及其相互作用，以及探讨如何利用这些特性的一门多学科交叉的科学和技术。当物质

4、小到1nm~100nm时，其量子效应、小尺寸效应、表面效应以及宏观量子隧道效应将使物质的很多性能发生质变，而呈现出许多既不同于宏观物体，也不同于单个孤立原子的奇异特性。纳米科学与技术的最终目标是直接利用这些原子、分子及宏观物质在纳米尺度所表现出来的新颖的物理、化学及生物学特性制造出具有特定功能的产品[6]。纳米材料是纳米科学与技术最重要的研究领域之一，而在众多的纳米材料体系中，一维氧化锌纳米材料作为与碳纳米管及硅纳米线齐名的一类最具代表性的一维纳米结构，出于其一维的结构特点及优异的力、光、电、磁等性能而深受国内外科研工的关注。图1-1

5、是2008年由英国物理学会Physicsapofphysics），由图可见氧化锌纳米线与碳纳米管、量子点、量子计算、光纤、太阳能电池、高温超导、暗能量等同属于当前最热门的研究领域[1,7]。本文主要关注一维氧化锌纳米材料，同时对一些其他形态如纳米管团簇、纳米片等进行了研究。第2章氧化锌纳米材料的水热生长2.1引言水热技术作为目前纳米材料合成向绿色可持续方向发展的一项重要技术，对当前纳米科学与技术的发展具有重要意义。本章围绕氧化锌纳米材料的水热生长，提出基于衬底材料的选择性将氧化锌纳米材料的水热生长应用拓展的研究思路；研究水热生长过程影

6、响氧化锌纳米材料生长形态的参数及其影响分析；表征并分析水热生长过程中形成的无衬底法生长阵列以及氧化锌纳米管团簇结构；利用二次水热法生长氧化锌纳米针/带阵列。水热法制备氧化锌纳米材料所使用的主要仪器设备如表2-3所示。其中精密电子天平用于配置晶种及生长液时精确称量所用原料；数显恒温磁力搅拌器用于配置溶液及溶胶凝胶法制备晶种时用于高温搅拌；真空干燥箱（最高控温260℃）用于淬火（代替一般用于淬火的马弗炉）以及干燥；数显恒温水浴锅用于水热生长；超声清洗器用于清洗衬底及水热生长后取出表面杂质。由于水热生长氧化锌纳米材料并不要求非常高的温度及压

7、强，反应釜及普通玻璃容器都能满足生长要求，本文中使用的是普通玻璃容器（表中未列出）。2.2基于不同衬底材料的氧化锌纳米材料制备与表征2.2.1衬底材料的选择及其研究意义氧化锌纳米材料，尤其是一维氧化锌锌纳米材料，是纳米科学与技术领域的一项研究热点。目前，对氧化锌纳米材料的研究关注点主要在氧化锌本身，并且集中在如何利用其半导体性能、压电性能、光电性能等，对其优异的力学性能的应用却不多，同时对生长用衬底材料的关注也不够。事实上，由于水热合成技术的简便易行，并且氧化锌纳米材料水热生长对生长条件要求并不苛刻，可用于氧化锌纳米材料尤其是纳米线生

8、长用的衬底材料非常丰富。将氧化锌纳米材料优秀的力学及功能性与丰富的衬底材料的可选择性相结合，对拓展氧化锌纳米材料的实际应用和材料的改性具有重要意义。水热法的一个非常重要但是却并不被关注的优点在于溶液的均匀性及渗透覆盖性，