电弧等离子体与水热法制备纳米材料

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1、第一章绪论1．1引言纳米材料的研究可以追溯到1861年，英国化学家Thomas首次采用“胶体”来描述悬浮液中直径为1～lOOnm的颗粒物。1992年，纳米材料的学术期刊《(NanostructuredMaterials》开始正式出版，标志着纳米材料学成为一门相对独立的学科。纳米材料独特的纳米晶粒及高浓度特征以及由此产生的小尺寸量子效应和晶界效应，使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力、光、电、声、磁等性能，在电子信息、生物工程、航空航天、国防科技及日常生活中有着广阔的应用前景。因此，近年来关于纳米材料的研究及其制备技术引起了世界各国的普遍重视，对纳米材料的制

2、备、结构、性能及其应用的研究也成为20世纪90年代材料科学研究的热点[1．6】，在整个社会中形成了“纳米热”。纳米科技是研究尺寸在0．1一lOOnm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。它从思维方式的概念表明生产和研究的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展，将从微米层次深入至纳米层次。纳米技术未来的目标是按照需要操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。我们可以根据纳米科技与传统学科领域的结合而细分为纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米物理学、纳米化学、纳米机械学(制造工艺学)、纳米加工及表征等七个研究领域，它们是相

3、互独立又相互渗透的。纳米材料指的是晶粒尺寸为纳米级(10一9m)的超细材料，是一种具有全新结构的材料，结晶晶粒度大于原子簇，小于通常的晶粒，一般为(1--100)nm。它由体积分数近似相等的晶粒组元和界面组元两部分组成。广义的讲，在三维空问中，材料只要有一维处于纳米尺度范围就可认为是纳米材料，若根据其维度来划分，可以分为三类：(1)零维，是指在空间中三维尺度都处于纳米范围，如纳米颗粒，原子团簇等；(2)一维，是指在空间中有两维处于纳米尺度，如纳米管、纳米线、纳米棒等；(3)--维，是指在空间中有一维处于纳米尺度，如纳米薄膜、多层膜、超晶格等。由于这些单元往往具有量子性质，所

4、以零维，一维和二维基本单元又分别被称为量子点、量子线和量子阱。通常将纳米材料分为功能材料和结构材料两大类。功能材料主要是纳米尺寸的原子团、纳米线、纳米带等，多用于制造催化、杀菌、清洁、隐身、燃料等材料和信息器件。结构材料是由纳米粒子、纳米线、纳米带等压成的块体，或加入其他材料中构成的复合体。纳米材料学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、配位化学、化学反应动力学和界面科学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米材料科学的研究主要包括两个方面：一是系统的研究纳米材料的性能、微结构和光谱学特征，通过与常规材料对比找出纳米材料的特殊规律，建立描述和标准纳米材料的新概念和新理论，发

5、展和完善纳米材料科学体系；二是发展新型纳米材料，为发展新材料提供了新途径，并为如何实现新的纳米产业寻找新思路。1．2纳米材料的研究概况【2】【6】纳米材料的研究最早源于十九世纪六十年代对粒径约(卜一100)nm的胶体粒子的研究，其间历经了三个阶段：孕育萌生阶段(1984年以前)、探索研究阶段(1993年以前)、应用开发阶段(1993年到现在)。进入20世纪90年代以来，纳米材料及其技术开始蓬勃发展，研究的内涵不断扩大，领域也逐渐拓宽。目前人工组装合成的纳米结构的材料体系越来越受到人们的关注，正逐渐成为纳米材料研究的新热点。国际上，由于美国经济和国力的强盛，由它引发的国际“纳

6、米热”使得众多国家以及一些国际大公司都投巨资，有计划、有目标地进行纳米科技的研发工作，其显著特点是：基础研究与应用结合密切。因此纳米科技发展的进展和取得的成功都是惊人的，其产业化的速度也令人振奋。美国加州大学洛杉矾分校与惠普公司合作，在1999年成功研制出lOOnm的芯片；1997年制成以巨磁电阻为原理的纳米结构器件，用于磁存储、记录和计算机读写磁盘；纳米材料在医药方面应用成果不断出现；纳米结构的高密度接头用于集成电路，制成纳米结构小型激光器：mM公司制成超微型碳分子算盘；日本从1992年开始将纳米材料技术用于微型机械产品中；德国在超薄薄膜基础研究方面居世界领先地位；英国重

7、视纳米材料技术用于生物医学，开发生物传感器、神经细胞结构、血液流变。在新科技来临的关键时刻，作为发展中国家的中国，在发展纳米科技上也有2积极举措，在1993年--2000年间，中国在纳米科技研究方面取得了丰硕的成果，引起了世界的关注，对纳米科技的发展做出了应有的贡献，主要成果集中在材料制备及表征方法、装置方面。我国科研人员主要从事基础与应用技术研究，如纳米材料制备、性能表征、团聚体自起因和消除、表面吸附与脱附、纳米图像有序化组装、纳米结构与特异物性、纳米复合及表面与界面、功能分子与分子器件等。1．3纳米材料的制备方