纳米材料论文
无论在学习或是工作中，大家都写过论文吧，论文的类型很多，包括学年论文、毕业论文、学位论文、科技论文、成果论文等。还是对论文一筹莫展吗？下面是小编帮大家整理的纳米材料论文，仅供参考，希望能够帮助到大家。
纳米材料论文1
1纳米材料的概述
纳米材料是指由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子组成的新一代材料。而纳米技术是研究物质组成体系的运动规律和相互作用以及在应用中实现特有功能和智能作用的一种科学技术。纳米涂料是利用纳米粒子抗紫外线的性能对涂料进行改性，提高涂料的某些性能。纳米涂料也是纳米复合涂料，是在涂料生产过程中加入纳米粒子，从而产生许多优异性能，使纳米涂料具有优异的力学、热学、光学及电磁学性能，这些都是传统涂料不能比拟的，而且添加不同的纳米粒子便生产出不同功能的纳米涂料，从而扩大了涂料的应用范围。
纳米涂料的发展：首先，纳米材料在我国的发展已经很广泛，在市场上也取得较好的反应，纳米建筑涂料是纳米涂料用量最大的品种之一，也是提升传统涂料的重点领域。近几年来，纳米材料的发展更为迅速，在建筑行业中，主要被用于改善建筑内墙涂料的抗菌性和建筑外墙涂料的耐候性，已经逐渐形成一种产业。但是还是落后于发达国家，国外的纳米材料的应用，对于纳米涂料的应用，国外对其的开发起步较早并形成产业化，美国对于纳米材料的应用主要用于绝缘涂料、豪华轿车面漆以及军事方面，还开展了在包装上使用阻隔性涂层、透明并耐磨性涂料、光致变色涂料等纳米涂料的应用研究。而日本主要在由光催化进行自动清洁涂料、静电屏蔽涂料的研究方面取得成效并将其发展为产业化。
2纳米材料的物理性能
纳米材料中能级分裂和电子布局的变化；纳米材料电子的强关联或相关性；纳米材料具备的激子过程和激发态；纳米材料的表面态与表面结构：纳米材料占比例较大的是的其表面，当纳米材料减少到10nm时，体内原子和表面原子的数目比将达到50%。表面原子与体内原子所处的化学环境截然不同，因此会有表面相形成。但是，由于普通材料中，表面相受到比例小的影响，局限性较大。对于纳米材料来说，由于自身表象与体相比例相差不大，因此，在許多物理变化以及化学变化中的作用显著，而且更加利于人们对其进行研究；纳米材料的量子隧穿与纳米尺度的耦合：目前改性涂料所使用纳米材料一般为半导体纳米材料，如纳米SiO2、TiO2、ZnO等，半导体纳米材料比较特殊；具有光学性；纳米半导体粒子，1-100nm。由于量子尺寸效应差异较大，因此目前最活跃的研究领域之一就是纳米半导体粒子的光化学性质和光物理性质，对于纳米半导体粒子所具有的室温光致发光及超快速的光学非线性响应等特性更加受到关注。一般情况下，当导体激子玻尔半径与导体粒子尺寸半径极其相近时，随着导体粒子尺寸的变化，其导体的有效带隙也随之发生变化。导体尺寸越小，其导体的有效带隙越多，其相应的荧光光谱和吸收光谱会发生蓝移，最终形成能级在能带中。
3纳米材料的其他性能
3.1光学性能：当纳米微粒的粒径与电子的德布罗意波长、超导相干波长以及玻尔半径相当时，其具有较为显著的尺寸效应。同时，纳米材料的比表面使处于小颗粒内部的电子、原子以及处于表面态的电子、原子与的行为有很大的差别，影响纳米微粒的光学特性与纳米材料的这种量子尺寸效应和表面效应有很大的关系。这是同样材质纳米材料的宏观大块物体不具备的。例如SiO2、TiO2、ZnO等，能够很好的吸收紫外光，而其中一些氧化物几乎不吸收紫外光，例如亚微米的.TiO2。由于这些纳米材料具有良好的半导体特性，因此容易吸收紫外光，其主要原因是由于电子被激发发生跃迁，从而吸收紫外光线。纳米材料与具有相同材质的大块材料相比，纳米材料在吸收紫外光线过程中，会出现蓝移现象，出现蓝移现象的原因有，量子尺寸发生变化，能隙变宽，光吸收靠近短波。另一种是表面效应。大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。
3.2吸附性能：当不同相相接触并且互相结合时，就是吸附现象。纳米微粒与材质相同的一些材料相比吸附性较强，主要是由于其比表面积较大，并且其表面得原子不能足够配位。影响纳米材料吸附性能的因素较多，其中，溶液性质、被吸附物质的性质、溶剂性质都可能对其产生影响。比如，水溶液的PH值不同，纳米材料微粒的电性也不相同，有可能带正电、也有可能带负电、还有可能呈中性。这些粒子所形成的吸附键不同，其吸附作用也具有差异。一些纳米材料能够利用气体，形成吸附层，如纳米氧化物可以与空气中的一些气体结合形成吸附表层。气体不同，形成的吸附层也不相同。
4纳米材料在涂料中的应用
4.1力学性能的改善
涂料力学性能主要表现在强度、硬度、耐磨性等方面，涂料力学性能的好坏直接关系到涂料的使用寿命。在涂料实际应用过程中，受多种因素的影响，会出现力学性能的变化，从而难以发挥涂料应有的作用。而纳米材料的应用能够有效地改善涂料的力学性能。纳米材料中的纳米粒子比表面积要大，能够与有机树脂基质之间存在良好的界面结合力，大颗粒与成膜物之间的空隙非常小，能够有效地减少毛细作用，从而提高涂层的强度、硬度以及耐磨性。
4.2光学性能的改善
涂料主要是涂在物体表面，而在物体表面，涂料很容易腐化、脱落，而出现这种问题的根源就在于涂料的光学性能比较差，涂料在太阳的照射下快速地发生反应。而纳米材料具备大颗粒所不具备的光学性能。当纳米级微粒掺和进母体材料时，可以提高母体材料的透明性，从而直接散射紫外光，同时，能够将紫外光纤带出散射区域，从而大大的增强涂料的曝光、保色及抗老化性能。
4.3提高光催化效率
就纳米材料而言，纳米粒子尺寸小，比表面积要大，表面原子配位不全，从而使得表面活性点增多，由于表面活性点比较多，反应接触面就比较大，催化效率就要高。对于涂料这种产品而言，纳米材料的可以作为涂料的光催化剂，因纳米粒子的粒径小，粒子吸收光能后，激发出的极子所到达表面的数量就会增多，从而加速催化，提高涂料的光催化性能。如二氧化钛的光催化性能，这种光催化剂集广泛应用于废水处理、有害气体净化、日用品等领域，同时还可以环境保护涂料自己杀菌涂料。
5纳米材料在涂料中应用的关键问题
纳米材料作为科技产物，它的作用毋庸置疑，但是就纳米材料在涂料中的应用来看，还处于初级阶段，在实际应用过程中出现了一些问题，纳米材料在涂料中的应用还有待于深入研究。纳米微粒比表面积以及表面张力大，纳米微粒容易吸附而发生团聚，而这种易团聚的粒子很难分散开来，如果这些团聚的粒子没有良好的分散，就难以发挥纳米材料在涂料中应有的作用。因此，针对纳米粒子团聚问题，就必须深入研究纳米粒子团聚后的分散，要加大研究，以科学、先进的方法来讲这些团聚的粒子来分散。纳米材料属于该科技产品，纳米材料在涂料中的应用与其他材料在涂料中的应用情况有着一定的区别，纳米材料在应用过程需要根据涂料的特性来进行，但是就目前来看，纳米材料对涂料的作用研究还不够深入，以至于纳米涂料技术水平不够高，涂料性能与国外相比存在着一定的差距。因此，加大科技的研究是纳米材料普及应用的保障。一方面，要继续深入研究纳米材料科技，不断提高纳米材料技术含量，另一方面，要加强国际合作，学习国外先进的技术理念，从而更好地发挥纳米材料在涂料中的作用，不断能提高涂料的性能。
6纳米材料及其技术在涂料中的应用
6.1TiO2在涂料中的应用
纳米TiO2具有光学效应，其粒径发生改变，光学效应也发生变化。纳米TiO2中的金红石型材料能够变色，角度不同，颜色随之发生改变。多应用于汽车喷漆中，能够产生一些很神奇的变化。利用纳米TiO2中的紫外吸收特性，对汽车面漆的耐候性能有较大的提升。除此之外，纳米TiO2还具有光催化特性，利用其这一特性，能够对空氣产生净化作用，并且对于空气中的其他污染物进行降解，保护环境。
TiO2的光催化效应及应用：纳米二氧化钛具有高的光催化活性，是一种光催化半导体抗菌剂，在波长小于400nm的光照下，能吸收能量高于其禁带宽度的短波光辐射，产生电子跃迁，价带电子被激发到导带，形成空穴-电子对，并将能量传递到周围介质，诱发光化学反应，具有光催化能力。一般抗菌剂有杀菌作用，但不能分解毒素，而二氧化钛利用生成的活性氧杀菌，并且能使细菌死后产生的内毒素分解。纳米TiO2广泛应用于自洁陶瓷、玻璃以及厨房和医院设施中，一些高速公路两侧的护墙上也涂有纳米TiO2以消除汽车尾气的影响。
TiO2的紫外屏蔽应用：纳米TiO2的小尺寸效应、量子效应和诱导效应可使光吸收带蓝移，产生强的紫外吸收。纳米TiO2具有很好的紫外线屏蔽作用，也是一种防老化材料，可将其均匀分散到涂料中制成紫外线屏蔽涂层和抗老化涂层。纳米TiO2作为一种良好的永久性紫外线吸收材料还可用于配制耐久型外用透明面漆，一般用于木器、家具、文物保护等领域。
6.2SiO2在涂料中的应用
纳米SiO2是无定型白色粉末，是一种无毒，无味，无污染的无机非金属材料，表面存在不饱和的残键和不同键和状态的羟基，其分子结构呈三维网状结构。
纳米颗粒的比表面积和表面张力都很大，容易相互吸附而发生团聚。而纳米粒子如果不能真正的以纳米级分散在涂料中，就失去了其应有的作用。添加纳米SiO2的涂料具有防流挂，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有优良的自清洁性能和附着力。纳米二氧化硅具有极强的紫外吸收、红外反射特性，它添加在涂料中，能对涂料形成屏蔽作用，达到抗紫外老化和热老化的目的，同时增加涂料的隔热性。
6.3纳米CaCO3在涂料中的应用
纳米碳酸钙的主要作用是改善涂料的性能，使涂料的触变性更好，在施工的过程中防止流挂并增加涂料的贮存稳定性。纳米碳酸钙改善涂料触变性的主要原因是由于纳米碳酸钙粒子表面相互聚集的氢键作用力不强，很容易被剪切力切开，在使用的时候这些氢键在外部剪切力的作用下又可以迅速的恢复，能够迅速的重整结构。纳米碳酸钙对涂膜有一定的补强作用，同时还具备其他纳米材料的普遍共性“蓝移”现象。从纳米碳酸钙的结构来看，部分纳米粒子聚集并形成一次链状结构，这种结构可以将涂料的结构化水平提高，在与聚合物混合时形成的物理缠结能力增强，从而增加涂膜补强效果。
7结束语
综上所述，加强对纳米材料及其技术在涂料产业中应用的研究分析，对于其良好实践效果的取得有着十分重要的意义，因此在今后的纳米材料及其技术应用过程中，应该加强对其关键环节与重点要素的重视程度，并注重其具体实施措施与方法的科学性。
参考文献
[1] 左美祥等，纳米Siox在涂料中的分散及改性作用[J].现代涂料与涂装.20xx（10）：60-62.
[2] 苑金生.纳米涂料的性能与特点[J].建材产品与应用.20xx（01）：115-116.
纳米材料论文2
作为一种补强填料，炭黑广泛应用于橡胶工业中。炭黑的加入能够大幅度地提高橡胶基体的拉伸强度、抗撕裂性、耐磨性，并能赋予橡胶优良的加工性能。但是炭黑的原生粒径小，比表面积大，极易团聚，这导致其难以在聚合物基体中均匀分散，削弱了它的补强效果。近些年来，通过胶乳混合法代替传统干法混炼以实现填料在橡胶基体中的良好分散的技术逐渐受到人们关注，一些亲水性的无机填充剂诸如皂土、陶土、白炭黑、硅酸盐等对于胶乳补强的研究均取得一定的进展，但是炭黑高度疏水的表面性质限制了其在该领域的应用。因此制备亲水性炭黑是当前实现传统干法混炼替代，提高硫化胶力学性能的重要途径。目前炭黑的亲水改性方法主要有氧化改性、聚合物接枝改性以及聚合物包覆等方法。采用氧化改性的方法可以使炭黑的非极性表面变成局部极性，增加含氧基团的数量，改善炭黑的润湿性，但是该方法增加的含氧基团量很少，因此制备的氧化炭黑在水中的分散稳定性并不理想。聚合物接枝与包覆也能在一定程度上改善炭黑的亲水性，但他们往往涉及到诸如高温、高压和无氧环境等复杂的化学反应条件，并且相应的接枝率或者包覆率增加有限。因此，寻找一种低成本、环境友好、技术上简单可行的方法来改性炭黑是目前制备亲水性炭黑，实现炭黑对胶乳的有效补强的迫切需要。
本文提出了一种新的炭黑改性方法，即在球磨力化学提供的机械力场作用下加入聚苯乙烯磺酸钠(PSS)，使炭黑附聚体甚至团聚体破碎的同时，PSS分子通过其苯环与炭黑表面的稠环芳烃间的π-π共轭效应吸附在活化的炭黑表面，成功制备了在水中稳定分散的炭黑分散液。接着采用该炭黑分散液，通过胶乳混合法制备了亲水性炭黑-天然橡胶纳米复合材料，并探讨了该工艺对于天然橡胶(NR)的力学性能的影响。结果表明炭黑的表面改性和湿法混炼工艺能够明显改善炭黑在天然橡胶中的分散性，增强填料与基体的相互作用，所制备的复合材料的力学性能特别是撕裂强度大幅度提高，填料网络化程度明显下降。
1 实验部分
1.1 原料
炭黑(CB)：牌号N234，原生粒径20～25nm，美国CABOT化工有限公司;PSS水溶液：固含量20%，喜润化学(上海)有限公司;天然胶乳：固含量61%，泰国Tech Bee Hang公司;促进剂M(2-巯醇基苯并噻唑)：东北助剂化工有限公司。
1.2 原位球磨法制备亲水性炭黑
将炭黑、去离子水和PSS溶液放入球磨罐中，置于行星式球磨机上(南京大学仪器厂)，球磨分散12h即得亲水性炭黑水分散液(MCB)。
1.3 亲水性炭黑-天然橡胶纳米复合材料(MCB-NR)的制备
在机械搅拌下，将MCB水分散液逐滴加入到经稀释的天然胶乳中，搅拌分散一定时间后加入氯化钙水溶液破乳，在低速搅拌下凝固，产物经脱水后置于真空烘箱中，30°C下烘干。上述产物和其他添加剂的混炼(天然橡胶100g，硬脂酸2g，氧化锌4g，促进剂M 2g，硫磺1.2g)是在双辊开炼机(无锡晨光橡塑机械厂)上进行的，前后辊转速比设为6∶5，混炼温度50～70°C。混炼胶的硫化是在140°C下根据硫化仪(无锡市蠡园电子化工设备厂)测定的正硫化时间在电热平板硫化机(高铁检测仪器有限公司)上进行的。传统干法硫化胶(DCB-NR)的制备：将天然橡胶在双辊开炼机上塑炼包辊后依次加入炭黑和其他添加剂，混炼均匀，薄通数次后出片，在140°C下硫化。
1.4 表征
1.4.1 粒径分析 采用纳米激光粒度仪(ZEN3600，Malvern)分析PSS表面修饰前后炭黑在水中的粒径及其分布，样品质量浓度为5mg/L。
1.4.2 分散稳定性分析 取10mL相同浓度的CB和MCB的水分散液，置于离心机中，在4 000r/min下离心一定时间后，取1mL上层液体分散于50mL去离子水中，然后在紫外可见光分光光度计(上海菁华科学仪器有限公司，测试波长430nm)上测定透光率，根据式(1)计算分散稳定性指数(D)。D =T0-TsT0×100% (1)式中，T0和Ts分别是去离子水与测试样品的透光率。
1.4.3 力学性能测试 硫化胶的拉伸强度和撕裂强度分别根据GB/T 528-1998和GB/T 529-1999在万能试验机(美国，Instron，Acton，MA)上进行测试。
1.4.4 结合胶含量测定 准确称取0.5g左右未经硫化的混炼胶，用滤纸包好，室温下放入含有80mL甲苯的广口瓶中浸泡，每2d换一次甲苯溶剂，8d后将甲苯换成丙酮继续浸泡2d，最后干燥至恒定质量，由式(2)求得结合胶含量(R)。R =m2-m1w2m1w1(2)其中，R 是结合橡胶含量(g/g)，m1和m2分别为浸泡前后混炼胶的质量，w1和w2分别为混炼胶中橡胶和填料的质量分数。
1.4.5 断面形貌观察 将样品在液氮中脆断，经喷金处理后，用扫描电镜(SEM)(S-3400N，Hitachi)对断面进行观察。
1.4.6 硫化胶的填料网络化 用动态机械分析仪(UBM，Rheogel E4000型)在较小应变范围内进行应变扫描，温度20°C，频率11Hz。
2 结果与讨论
2.1 PSS表面修饰炭黑的粒径分布与分散稳定性
CB的平均粒径是214nm，而MCB的平均粒径降至144nm。这是因为炭黑在球磨罐中进行球磨时，下落的研磨体(磨球)的冲击作用以及研磨体与球磨内壁的'研磨作用破碎了一部分的炭黑附聚体甚至团聚体，而与此同时，PSS分子上的疏水主链向炭黑新裸露的表面靠近，通过炭黑表面上的稠环芳烃结构与PSS分子链上苯环间的π-π共轭效应以及范德华力，使得PSS分子被吸附在炭黑表面上，通过静电和位阻斥力阻止了炭黑的再次团聚。而原炭黑在很短的时间内，由于其极大的表面能，又重新团聚在了一起。
MCB在离心45min后，其分散稳定性指数与CB未进行离心时的分散稳定性指数相当。在离心90min后，CB几乎全部沉到底部，其分散稳定指数低于10%，而MCB依然保持较高的分散稳定性。这些结果表明，在外力作用下，MCB水分散液依然表现出优异的稳定性。究其原因，MCB表面吸附的PSS分子阻碍了炭黑颗粒间的团聚，并且其分子链上带有大量的亲水性基团——磺酸钠基，静电斥力和位阻斥力的双重稳定作用使MCB稳定分散在水中。另外，炭黑在水中的分散稳定性也可以用Zeta电位来评价，一般情况下，Zeta电位的绝对值越大，分散体的静电斥力越大，其分散稳定性也相对越好。经过对未静置样品的测试，CB的Zeta电位为2.37mV，而MCB的Zeta电位则是-29.7mV。这也说明后者在水中具有较好的分散稳定性。
2.2 MCB-NR的力学性能
图3是采用不同工艺制备的硫化胶的拉伸强度与炭黑填充量之间的关系图。从图中可见，与传统干法混炼制备的硫化胶相比，MCB-NR具有更加优异的拉伸性能，当m(NR)∶m(CB)=100∶40时，MCB-NR的拉伸强度(21.7MPa)比DCB-NR(17.9MPa)提高了21%。 图4是两种硫化胶的撕裂强度与炭黑填充量之间的关系图。在相同填充量下，MCB-NR的撕裂强度均高于DCB-NR，并且炭黑填充量越大，两者之间的差距也愈加明显，当m(NR)∶m(CB)增加到100∶40时，MCB-NR的撕裂强度(85.9kN/m)比DCB-NR(29.9kN/m)提高了187%。MCB-NR优异的力学性能与填料在基体中的分散有很大关系。在MCB-NR中，MCB和胶乳的混合是在液相中进行的，由于MCB经过PSS表面修饰，能够很好地分散于胶乳中，在机械搅拌下，两者能够达到纳米级的分散状态。此后经过破乳干燥，MCB的分散状态并未有较大改变。因此MCB-NR中应力集中点较少，抵抗破坏的能力更强。 图5是DCB-NR和MCB-NR两种硫化胶的扫描电镜图。可以看到，炭黑在DCB-NR内的分散性较差，颗粒的团聚现象较为严重，粒子尺寸也较大，这是由于未经改性的炭黑粒子比表面积大，极易团聚所造成的。反之，采用胶乳混合法制备的硫化胶中并未出现大规模的炭黑团聚现象，并且分散相的尺寸也相对小很多，这是因为在胶乳共混阶段，MCB已经在基体中达到良好分散，并且在后期混炼过程中，部分破乳时未脱附的PSS分子在高温和剪切力的作用下发生脱附，同时橡胶分子迅速占据新裸露的MCB表面，阻止了其相互间的团聚。 除了分散性，结合胶含量也是影响炭黑补强效果的一个重要因素。虽然DCB-NR经历了更长时间的混炼过程，在高温和剪切力的作用下，橡胶分子断链的同时更加容易与炭黑表面发生相互作用，可见MCB-NR混炼胶含有更多的结合胶。这是因为，MCB-NR中，MCB在基体中的团聚作用弱，比表面积大，橡胶分子与炭黑表面发生相互作用的机会更多，并且吸附在炭黑表面的PSS分子在高温和剪切力的作用下容易发生脱附，此时橡胶分子迅速占据新裸露的表面，两者形成紧密的结合胶。由于被吸附在炭黑表面的橡胶分子链具有一定的活动能力，当硫化胶承受应力时，被吸附的橡胶分子链在炭黑表面发生滑移，促使应力重新分布，一定程度上阻止了由于应力集中而引起的分子链断裂，从而提高了橡胶的力学性能特别是撕裂强度。
2.3 MCB-NR纳米复合材料的填料网络化研究
可以看到随着应变的逐渐增大，两种硫化胶的储能模量(G′)均出现不同程度的下降，至应变为20%时，储能模量逐渐趋于恒定，这是因为大应变下，炭黑之间形成的填料网络几乎完全被破坏，填料-填料的相互作用对材料储能模量的贡献被消除。 Payne把极小应变下的模量G′0和与大应变下的模量G′∞之间的差值定义为ΔG′，认为其可以用来表示填料网络化的程度，ΔG′越小说明填料网络化程度越小，那么填料在基体内也就具有较好的分散性。从图7中可见，MCB-NR的ΔG′明显小于DCB-NR的，这是因为，干法混炼并不能使炭黑在基体中达到良好分散，炭黑粒子间形成了较强的填料-填料间相互作用;而在湿法混炼中，炭黑的分散过程已经在胶乳共混阶段完成，经过PSS表面修饰的MCB粒径处于纳米级，其在基体中的分散性明显好于干法混炼。因此湿法混炼制得的硫化胶其填料网络化程度明显低于干法混炼制得的硫化胶，这与SEM 结果相一致。
在小应变振幅下，两种硫化胶的损耗模量均出现一个平台，这是因为小应变下填料网络并未被打破，此时DCB-NR硫化胶的损耗模量明显大于MCB-NR的，而当应变振幅继续增大，损耗模量在达到一个最大值后逐渐减小直至达到最小值，此时两者相差不大，这是因为在较大的应变振幅下，填料网络被完全破坏，DCB-NR中之前被炭黑团聚体所包裹的橡胶基体(吸留橡胶)被释放出来，填料的有效份数降低到与MCBNR相接近的水平，因此两者的损耗模量在大应变下几乎一致。此外，湿法混炼制备的硫化胶的特征应变(损耗模量最大值时的应变)均大于干法硫化胶。 Kraus认为，特征应变(εc)与填料网络的打破和重建相关，计算公式如下，εc = (km/kb)m2(3)其中，km和kb分别是填料网络的打破和重建的速率常数。在MCB-NR中，湿法工艺明显改善了炭黑在基体内的分散状态，填料-填料间相互作用明显减弱，因此填料网络抵抗变形的能力较DCB-NR也明显弱化，因此在应变的作用下，填料网络打破速率常数比DCBNR更大，而重建的速率更慢，最终导致由km和kb决定的特征应变增大。
3 结 论
(1)利用原位球磨法制备了聚苯乙烯磺酸钠表面修饰炭黑，基于PSS产生强大的静电和位阻斥力，该炭黑能够稳定地分散在水中。
(2)通过胶乳混合法制备了改性炭黑-天然橡胶纳米复合材料。炭黑的表面修饰和湿法混炼工艺能够明显改善其在基体中的分散，增强填料与基体的相互作用，提高材料的力学性能。
(3)胶乳混合法制备的硫化胶其填料网络化程度更低。
纳米材料论文3
1 纳米金刚石的制备和特性
从空间尺度分类，纳米金刚石分为纳米金刚石膜、一维金刚石纳米棒和二维金刚石纳米片，三维纳米金刚石聚晶颗粒以及零维纳米金刚石单晶颗粒。纳米金刚石薄膜是利用CVD 方法生长出的纳米级晶粒组成的金刚石膜，其制备参数与传统微米尺度金刚石薄膜不同，是通过金刚石的二次成核，获得致密的、晶粒尺寸为纳米级的金刚石薄膜。晶粒尺寸小于10nm的金刚石膜又称为超纳米金刚石膜，这种薄膜光滑、致密、无孔，是制备生物传感器以及生物医学仪器的关键材料。一维金刚石纳米棒或金刚石纳米纤维可以通过氢等离子体长时间处理碳纳米管来获得。二维金刚石纳米片可在Au–Ge合金和纳米金刚石膜基底上通过微波等离子体CVD法制备，其厚度约10nm。
金刚石纳米颗粒的合成方法主要有静压合成、金刚石单晶粉磨、爆轰法三种，都已应用于工业化生产。爆轰法合成纳米金刚石生产效率相对较高，其原理是通过爆炸时产生的高温高压将爆炸体系的碳元素转变为金刚石。用该方法制备得到热力学稳定的含纳米金刚石的黑粉。黑粉经特殊工艺处理后得灰色的纳米金刚石粉，其回收率约为所用炸药质量的8%～10%，金刚石颗粒粒径为5～10nm，经过化学提纯可得到纯度约95%～97%的DND。
对于平均粒度尺寸5nm 的纳米金刚石颗粒，表面碳原子数(N 表面)与颗粒的总碳原子数(N 总)之比约为15%，导致金刚石表面碳原子空间对称性的破坏以及晶格间距的变化。纳米金刚石的性质与大尺寸金刚石单晶不同。根据高分辨透射电子显微镜观察，纳米金刚石颗粒内部核由金刚石结构碳原子规则排列，而在颗粒外壳区域为类金刚石或类石墨的无序结构。
爆轰法合成的纳米金刚石除碳元素以外，还包含其他元素。杂质元素的含量与合成、提纯以及处理的条件有关。如某些纳米金刚石除含有80%～88%的碳之外，还含有氧(>10%)、氢(0.5% ～1.5%)、氮(2% ～3%)，以及一些不燃的剩余物(0.5%～8%)。这些化合物的固态杂质很难除去。部分氧、氮、氢以气体分子形式吸附在金刚石表面，甚至形成吸附层。
2 纳米金刚石的应用
纳米金刚石在强度、硬度、导热性、纳米效应、重金属杂质、生物相容性等方面具有的独特性能，使其在精密抛光和润滑、化工催化、复合镀层、高性能金属基复合材料、化学分析及生物医药等领域得到了广泛的应用，并展现出良好的应用前景。
2.1 超精密抛光和润滑
纳米金刚石抛光膏和悬浮液用于电子、无线电、医学、机械制造、宝石等行业，对材料进行精密抛光。其优点是可在任何固体上获得镜面效果，表面粗糙度值Ra可达2～8nm。爆轰法合成的纳米金刚石粒径分布很窄(2～20nm)，用分布很窄的纳米粒子作磨料进行抛光或研磨，可得到表面粗糙度值Ra为0.1～1.0nm的.超光滑表面。润滑油中加入纳米金刚石可提高发动机和传动装置工作寿命，节约燃油机油，降低表面磨损等。纳米金刚石具有强共价键和强烈的亲油疏水特性，可以在各类润滑油中形成稳定分散的胶体体系，从而将纳米金刚石粒子引入摩擦副之间，起到显著的减摩耐磨作用。同时，由于纳米金刚石良好的抗压性能和修复功能，可以充分发挥其协同增效作用和润滑油添加剂之间的相互作用，研制出耐磨性能优异的复合润滑油和添加剂。
油中加入纳米金刚石后，滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦副表面逐渐改性，形成又硬又滑的金属碳化物，其减摩抗磨效果是用有机化工方法无法比拟的。台架实验表明：在EQ6100–1型汽油机上使用纳米金刚石发动机油后，输出功率平均提高4.2%，最高可达6.4%;燃油消耗率平均降低4.7%，最高可达10.3%;气缸压力提高28.9%;怠速转速提高10.2%;发动机怠速碳氢化物排放降低60%;氮氧化物排放降低20.5%。总之，发动机动力性、经济性和排放性均有较大改善;气缸密封性提高，且具有较好的减摩效果;对发动机具有免拆卸清洗功能;冬季更易点火，发动机油的使用周期成倍延长。纳米金刚石磨合油可使发动机的磨合时间缩短30%～50%，汽缸压力提高7%～10%，缸套硬度增加10%～20%，粗糙度明显改善，磨合油使用周期大大延长。目前，纳米金刚石在该领域的应用比较成熟，除了上述在发动机油中可明显减少尾气排放外，还可有效地过滤重金属和放射性物质。在溶液中，1g纳米金刚石可吸附50g Ni。润滑油使用周期延长不仅提高了用户的经济效益，其本身就是对环保的巨大贡献。
2.2 工业催化
爆轰法合成的纳米金刚石比表面积大，具有大量的结构缺陷，化学活性高，适于用作催化剂载体，提高催化效率。石晓琴等研究了铜/纳米金刚石复合粒子对高氯酸铵热分解的催化作用，结果表明：铜/纳米金刚石复合粒子较单一的纳米铜催化效果更好。
2.3 增强橡胶和树脂
纳米金刚石兼具纳米粒子和超硬材料的双重特性，利用这一特性可将其用来制造增强橡胶、增强树脂，该应用在提高材料热导率，聚合物降解温度、强度和耐磨性等方面作用明显，使纳米金刚石在新型复合材料领域具有广阔的开发前景。目前，橡胶所用的增强剂多为炭黑，如果用爆轰法合成的纳米金刚石作为增强剂，能使其强度提高1～4倍，明显改善其耐磨性和密封性。纳米金刚石增强聚酰亚胺可以使其降解温度提高30℃以上，同时提高其热导率和抗老化能力。
2.4 纳米金刚石在分析化学及生物医学领域中的应用
2.4.1 生物大分子的吸附基质
纳米尺寸的金刚石依托大的比表面积、表面多官能团等性质，通过亲水/疏水作用、静电力等实现对小分子以及大的生物分子的吸附。Huang等曾认为纳米金刚石表面缺少极性基团，从而缺少通过氢键等方式对蛋白质及其他生物分子的吸附。他们将纳米金刚石通过强酸(体积比H2SO4∶HNO3=9∶1)进行表面的氧化，并将多聚赖氨酸通过静电力与其作用，从而得到纳米金刚石多聚赖氨酸功能化修饰，并通过该方式实现蛋白质的固定化以及荧光标记基团，有望实现生物体内标记实验。同时，Kong等根据氧化/酸化后的100nm纳米金刚石对低浓度蛋白具有很好的富集能力，将其应用于血清短肽的富集分析，但由于使用的纳米金刚石粒径过大，在直接MALDI质谱分析上不能很好的与基质形成结晶，从而在富集效率上仅提高2个数量级。随后，Krueger等通过硅烷偶联试剂对纳米金刚石表面进行功能化修饰，使其可以通过酰胺键实现生物素的共价键固定化，为纳米金刚石表面共价键功能化修饰拓展了方向。根据上述功能化修饰，Yeap等使用烷基硅侧链为连接体，成功地将氨基苯硼酸进行了DND表面的功能化修饰，并用于标准糖蛋白的富集，富集容量达350mg/g。但由于烷基硅侧链具有较强的疏水键，使得氨基苯硼酸功能化修饰的DND水溶液分散性下降，溶液发生团聚现象，进而影响富集效率与回收率。
2.4.2 纳米金刚石作为载体和探针的应用
随着纳米技术的飞速发展，纳米半导体材料在生物分子载体与探针领域的应用也取得了一定的进展。纳米金刚石因在毒性实验过程中表现出良好的生物兼容性、无毒性而引起广泛的关注。
复旦大学魏黎明等利用爆炸法制备纳米金刚石表面多官能团的性能对低浓度多肽溶液进行了富集分析，表征了富集前后纳米金刚石的表面官能团改变，证明了纳米金刚石对多肽或蛋白的充分富集能力。LIU K K等通过评价5nm、100nm DND以及碳纳米管对人肺A549分泌薄壁细胞和HFL–1成纤维细胞的生物兼容性研究表明：相对于DND，碳纳米管对上述细胞表现出细胞毒性;5nm DND被细胞吞入能力比100nm DND强，同时其荧光强度也比后者高。LIU K K 等使用激光共聚焦显微镜观察5nmDND(100μm/mL)处理A549细胞4h后的胞内情况，可以证明DND对细胞没有细胞毒性。随后作者又将α–金环蛇毒素(Alpha-bungarotoxin)担载于5nm DND表面，并通过其处理A549细胞4h，完成进入细胞内过程后，金环蛇毒素仍可保持很好的活性，进行α7–乙酞胆碱受体的特异性抑制，进一步证实了DND在生物医学中具有一定的应用前景。
荧光纳米金刚石(FND)是通过高能电子束(2MeV)轰击含碳系物质，而后再高温(800℃)进行淬火轰击，从而得到的(N–V)缺失空腔的纳米金刚石。相对于其他量子点而言，FND具有很好的光稳定性，从而可以在细胞中观察和跟踪数小时。MOHAN N等将FND胶体溶液通过喂养或注入生殖腺进行蠕虫的活体生物实验。通过喂养进入的FND保持在肠道细胞内，而通过注射入生殖腺的FND会传递给下一代蠕虫，由于FND具有较好的光稳定性，可以连续几天观察整个代谢过程
3 结语
由于合成工艺的差别，不同来源的金刚石纳米颗粒的结构性能和表面性能差异明显，其中，一般静压单晶纳米颗粒结构致密，而爆轰单晶团簇脆性相对较大，爆轰金刚石纳米颗粒表面具有相对更为丰富的活性基团等。因此，不同纳米金刚石颗粒的应用领域应该有所不同，具体分析和结合应用环境、技术需求及金刚石的性能特点，采用不同的金刚石纳米颗粒及其加工改性产物，应当更有利于金刚石应用。
目前，纳米金刚石功能材料领域的应用技术没有得到根本解决，例如在生物制药、环境保护等方面应用技术还处于探索阶段，这就限制了纳米金刚石生产领域的产能提升。随着新材料技术的发展，性能优良的纳米金刚石在功能材料领域的应用将会快速推广，这将会推动超硬材料行业的转型和经济效益的提高。
纳米材料论文4
1 引言
Geim 和Novoselov在20xx 年发现了石墨烯，石墨烯是一种由sp2 杂化的碳原子连接的单原子层的新型二维原子晶体。石墨烯具有比表面积大、良好的电导性和热传导等优点，已报道了石墨烯氧化物和石墨烯在物理、化学、生物和材料科学等不同领域的应用。石墨烯的功能化包括共价键功能化和非共价键功能化，其中石墨烯的共价功能化有石墨烯的聚合物功能化和石墨烯的小分子功能化，石墨烯的非共价功能化包含有π-π 堆垛相互作用，疏水作用，静电作用等非共价键作用，使修饰分子对石墨烯进行表面功能化，形成稳定的分散体系。研究表明石墨烯是一种有前景的材料，有潜力应用于药物传递、骨组织工程支架、移植、生物传感器等。本文探讨了石墨烯基材料在药物释放和基因传递领域的应用。
2 药物释放
利用石墨烯的高比表面积、π-π 堆积、静电作用以及疏水作用来实现难溶性药物的高负载量，Liu 等[2]是最早在这领域进行研究的研究者之一，他们合成负载了喜树碱( CPT) 衍生物SN38 的聚乙二醇( PEG) -功能化的纳米石墨烯氧化物( NGO) ，NGO-PEG-SN38 复合物既保持了SN38 优良性能也表现出了良好的水溶性。在HCT-116 细胞中，该复合物也具有较高的细胞毒性，比CPT 强1000 倍，这导致了许多研究组对石墨烯基复合材料在药物传递中的应用展开了一系列的研究。在另一项研究中，他们也探索了含有共轭结构PEG-NGO 的rituxan( 抗体CD20 + ) 的靶向给药，也对体外非共价π-π 堆积负载阿霉素( DOX) 的PEG-NGO共轭型和pH 值依赖型的药物释放进行了研究。一般情况下，纳米载体是与细胞膜相互作用以及通过内吞作用进入细胞内的。石墨烯功能化已成功地用于开发释放药物在细胞质内的刺激响应性纳米载体。例如Kim 等利用谷胱甘肽( GSH) 的近红外( NIR) 、酸性pH 值和高细胞内水平来进行DOX 中的包质交付。经PEG 和支链聚乙烯亚胺( BPEI) 功能化的还原氧化石墨烯( PEG-BPEI-rGO) 纳米载体处理后的细胞暴露于近红外中辐射，以便诱导内涵体破裂以及DOX 释放。在经近红外辐射后的PEG-BPEI-rGO/DOX 复合物处理过的细胞中，谷胱甘肽胞质存在所导致的癌细胞死亡率要比在没经过辐射的细胞中的高。在另一项研究中，开发了DOX 负载的PEG-GO 纳米复合材料，并且利用无标记荧光技术实时监测活细胞体内以及体外DOX 释放所引起的微量变化。
Wu 等通过采用物理混合的方法在石墨烯氧化物表面负载DOX 方式在DOX-耐药MCF-7 /ADR 细胞中注射了抗耐癌药。在体外观测到高药物负载量与DOX 释放时的pH 值有关。GO 增加了MCF-7 /ADR细胞中DOX 的累积量，从而导致了MCF-7 /ADR 细胞的细胞毒性比游离DOX 的.要高。众所周知的是，肿瘤微环境中的pH 值，细胞内的溶酶体与内涵体都是酸性的。许多研究者已利用这一现象通过石墨烯改性的方法来实现肿瘤组织或细胞中活性药物的释放[6-7]。Depan 等[8]已对DOX 释放实验中DOX-GO-壳聚糖-叶酸( DOX-GO-CHI-FA) 纳米杂化合物形态的改变进行了研究。在DOX 释放之前，载体表面几乎没有孔隙，而DOX 药物释放之后，孔隙度和表面富集现象明显增加。DOX-GO 和DOX-GO-CHI-FA 复合物在pH 值=5. 3 时DOX 的释放速度要比pH 值= 7. 4 时的释放速度快得多。另一方面，聚( N-异丙基丙烯酰胺) 官能化的石墨烯复合材料( PNIPAM-GS) 中的药物释放与温度有着密切的关系[9]，Pan 等采用PNIPAM-GS 负载了不溶于于水的抗癌药物CPT，并对37 ℃下PNIPAMGS-CPT 复合物在水和磷酸盐缓冲液( PBS) 中CPT 的释放进行了究。在33 ℃下，PNIPAM 与石墨烯之间的相互作用将亲水相转变为疏水相，其低临界溶解温度( LCST) 要比PNIPAM 均聚物的低临界溶解温度( 37. 8℃) 低。由于π-π 键堆积、石墨烯的疏水作用，所获得的优良的负载型CPT 的抗癌活性要比CPT 的高。所报道的研究已经改善了水溶性、药物负载量以及石墨烯基药物偶联物的团聚现象。但是，聚合物功能化的石墨烯可以作为药物释放的扩散阻挡层。Wen 等采用二硫键合成了聚乙二醇纳米石墨烯氧化物( NGOSS-mPEG) ，该氧化物含有氧化还原的PEG 外壳，这种复合物能够快速地释放包裹在肿瘤细胞中的谷胱甘肽( GSH) ，由于二硫键的存在，PEG 外壳能选择性地分离细胞内谷胱甘肽刺激信号，并且DOX 的释放速度要比没有GSH 存在时的释放速度快1. 55 倍。Yang 等也通过金刚烷基卟啉，采用叶酸修饰的β-环糊精键连GO 载体，合成了纳米超分子组装复合物。小鼠体内生物分布研究表明，聚乙二醇纳米石墨烯氧化物积累在网状内皮系统中，包括静脉注射后的肝脏和脾。在剂量为20 mg /kg 的情况下，采用聚乙二醇纳米石墨烯氧化物进行了为期3 个月的检查，血液生化指标、血液分析以及组织学检查表明没有明显的毒性。
许多研究使用石墨烯基材料和许多天然生物聚合物如硅胶、壳聚糖共轭形成石墨烯基偶联物，可以作为药物传递中的官能化试剂。天然生物聚合物具有生物相容性、生物降解性、低免疫原性，可以大大减少石墨烯的毒性作用。明胶可以用来还原和官能化负载有DOX 的纳米石墨烯( gelatin-GS。由于比表面积大和π-π 键的相互作用，gelatin-GS 具有较高的药物负载能力。gelatin-GS-DOX 复合物通过内吞作用在MCF-7细胞中表现出了较高的毒性。壳聚糖是甲壳素的脱乙酰产物，是自然界唯一的天然阳离子多糖，已被用于石墨烯负载各种药物的领域中，如布洛芬、5-氟脲嘧啶和喜树碱，Rana 等将壳聚糖官能化的GO 用于布洛芬( IBU) 和5-氟脲嘧啶( 5-FU) 传递中，由于其亲水性特征，弱π-π 键相互作用以及二酰胺基团的存在，5-FU具有较低的药物负载能力。Bao 等合成了壳聚糖-GO-CPT 复合物，与CPT 相比，该复合物在HepG2 和HeLa 细胞中具有较高的细胞毒性。
氧化铁纳米颗粒共轭的石墨烯纳米材料具有超顺磁性，也可以用于药物传递的应用中。Yang 等采用湿化学法制备了氧化铁( Fe3O4) 纳米粒子共轭的GO复合材料，并负载了DOX。负载DOX 之前或之后，均匀分散在水溶液中的磁性混合物在酸性介质中会团聚，而在碱性介质中仍是分散的。GO-Fe3O4复合材料的pH 值触发性磁性行为可以用来控制药物传递。也报道了类似的pH 值依赖性药物释，即5-FU-负载纳米杂化系统，该杂化系统包括石墨烯片( GN) 、碳纳米管( CNT) 、Fe3O4，甚至是在高浓度80 μg /mL 的情况下，GN-CNT-Fe3O4复合材料也能够内吞HepG2 细胞，仍没有显示毒性，而5-FU-负载的复合物对HepG2 细胞有着显著的细胞毒性。Li 等制备了负载罗丹明B 的Fe3O4 /石墨烯复合材料，除了能够高效的负载罗丹明B 以外，这种材料也具有良好的电化学性能，那是由于石墨烯的导电性能增加以及Fe3O4包裹的石墨烯片比表面积增加。在酸性pH 值下，pH 值依赖型罗丹明B 的释放是最快的。
研究者也对石墨烯基材料用于多种药物共传递的化疗应用中进行了研究。Zang 等采用磺酸基共价键连叶酸分子来修饰GO，并将其用于靶向给药系统中。在相同的靶向给药系统中控制DOX 和CPT 的负载量，与仅负载了DOX 或CPT 的GO 相比，该复合材料在MCF-7 细胞中表现出了更高的毒性。
3 基因传递
成功的基因疗法需要高效的和安全的载体，以保护DNA 被核酸酶降解，也更有利于DNA 的提取。有文献报道石墨烯已被应用于基因传递、基因药物共同传递和蛋白质传递。石墨烯应用于基因传递的方法包括阳离子聚合物如聚乙烯亚胺( PEI ) 官能化GO。PEI 已被广泛地研究作为非病毒基因载体，由于它与RNA 和DNA 的带负电荷的磷酸盐有强静电相互作用，它还提供了方便的化学修饰，以达到增加转染效率和减少细胞毒性; 然而低生物相容性和PEI 的高毒性限制了其用于生物医学的应用。Feng和Chen 等用不同分子质量的PEI 研究PEI 官能化GO在基因传递的应用，这两项研究表明相对于单独的PEI，PEI-GO 复合物具有显著的低毒性，并且将石墨烯成功地用于转染效率高的新型纳米基因传递载体。应用PEI 官能团GO 进行Bcl-2-靶向-siRNA 和抗癌物质阿霉素的连续传递表现相互协同作用，从而导致更高的转染效率和较低细胞毒性的PEI 并且增强抗癌功效。
壳聚糖-GO 复合物也已开发用于药物和基因传递，壳聚糖-GO 与质粒DNA 凝聚成稳定的纳米复合物。胺基封端的聚乙二醇化的GO 被成功地用于提供高蛋白质的有效载荷，由于其与PEG-GO 表面非共价相互作用，两种不同的蛋白质即核糖核酸酶和蛋白激酶，被运送到细胞质中且在细胞内不会发生酶水解和生物活性损失。在另一项研究中，带- 2 价的蛋白质( BMP-2) 负载到钛载体上，涂覆有正( GO-NH3 + )和负( GO-COO - ) 交替电荷的GO 纳米片且具有较高的负载率并保持的生物活性，在活体小鼠中的研究显示，植入TI-GO-BMP2 与Ti 或Ti-GO 或Ti-BMP2 基因相比，可形成更强大的新骨，形成了一个新型复合非常有效输送治疗药物的载体。这些研究大部分都强调石墨烯基材料作为药物和基因传递载体的体外潜力; 然而，有必要证明在体内尤其侧重于安全性，生物分布和功效的潜力。
4 结语
近10 年来，石墨烯基纳米材料已被广泛地用于生物医学领域。石墨烯和GO 表面各种功能基团和自由电子为不同化学小分子和蛋白质类物质间的共价键联提供了无尽的可能性。在外部刺激( pH 值、磁场、近红外辐射) 下，使用官能化石墨烯是新兴起的一种药物/基因传递平台。但是从目前看来，石墨烯基纳米材料在生物医药中的应用研究仍然存在较多问题有待解决:
( 1) 全身/局部用药后，这些石墨烯载体的体外去向没有得到足够的重视。
( 2) 不同石墨烯族材料具有不同的理化性质和表面官能团，这些特性可能对这些材料的安全性、毒性以及清除率有着显著的影响。研究不同石墨烯族材料体内行为将会为发展其在药物和基因传递方面的应用提供保障。
( 3) 大部分的应用仍局限于癌症的治疗，还需扩展到其它方面的治疗。
纳米材料论文5
1 引言
碳化钨（WC）的核外电子排布因与铂类似而具有类铂催化性能，1 可用作电化学领域的催化剂，2，3 且由于具有优越的抗H2S和CO中毒能力等特点4而成为当今研究的热点， 但是其电催化活性远不如铂等贵金属催化剂。5，6 因此， 提高活性是WC替代或部分替代铂等贵金属催化剂的关键和面临的技术难题。研究表明， 结构和形貌调控，7，8 碳包覆9—15及与其它载体复合16是提高WC活性的有效技术手段。 本课题组在这方面也开展一些有针对性的研究工作，如制备WC/CNT、17 WC/TiO218和WC/天然沸石纳米复合材料，19 以及WC/Fe3W3C 核壳结构复合材料20等。 以上方法虽然在一定程度提高了WC的催化活性， 但均未能制备出具有类铂催化活性的碳化钨基催化剂。
选择蒙脱石（MMT）为碳化钨的载体， 制备碳化钨与蒙脱石复合催化材料， 并研究其性能， 是因为MMT具有2：1 型层状结构， 是一种天然的硅酸盐层状结构材料， 具有表面电负性强、比表面积大、吸附性强及阳离子交换性能好等特点；21 研究还表明， 将Pt2+引入到MMT的层间， 再利用NaBH4还原可得到Pt—MMT催化剂， 它对对硝基苯酚具有很好的催化活性与稳定性；22 将Ru、23 Au、24 CdTe25和Fe26等多种纳米微粒负载在MMT上， 不仅体现出良好的分散性， 还具有很好的催化性能。 这是由于MMT的纳米片层表面带有永久性负电荷， 电荷的相斥作用导致复合催化剂具有很好的分散性； Aihara 等27进一步认为， 为了降低表面能， 纳米颗粒吸附于MMT的片层上， 致使MMT片层对纳米颗粒具有很好的分散作用； Kawabata 等28 也认为MMT作为催化剂的载体， 对纳米微粒具有很好的分散与稳定作用， 并可保持复合催化剂的稳定性。 因此， 将具有类铂催化活性的碳化钨负载于MMT纳米片层之上必可得到性能良好的催化剂。
基于上述因素， 本文以蒙脱石为载体， 采用离子交换法将W6+引入到MMT表面及层间， 再利用原位还原碳化技术获得了碳化钨与蒙脱石纳米复合材料， 研究了其对甲醇的电催化性能， 报道了具有类铂电催化活性的碳化钨基催化材料， 揭示了复合材料的电催化性能与其物相组成和微结构之间的关系， 为制备具有类铂催化活性的碳化钨基电催化材料探索了一条新的途径。
2 实验部分
2。1 前驱体制备
三氧化钨（WO3） 与蒙脱石复合前驱体（WO3/MMT）的制备分为两步完成：（1） MMT 剥离； （2）WO3/MMT制备。
（1） MMT剥离： 将一定量的MMT加入到浓度为8 molL—1的LiCl 溶液中， 搅拌和超声分散10 min后转入水热反应釜中， 在140 °C下水热反应24 h， 过滤后再用50%的乙醇溶水液洗涤滤饼， 经离心和干燥后获得剥离MMT （E—MMT）。
（2） WO3/MMT 制备： 分别称取1。836 g WCl6 和1。000 g E—MMT， 先将WCl6溶于50 mL无水乙醇中，再将E—MMT加入上述溶液中， 超声分散10 min， 将体系置于30 °C的水浴中恒温搅拌24 h， 然后静置、过滤、洗涤、干燥和研磨后获得WO3/MMT前驱体。
2.2 样品制备
将适量的WO3/MMT前驱体装于石英舟内并置于管式电炉中， 通氮气（N2） 30 min 后， 改通CH4和H2混合气体（CH4：H2的体积比为1：4）， 同时将管式炉的温度升高至400 °C保持30 min， 再升高至800 °C保温一段时间， 然后在N2保护下冷却至室温， 即获得碳化钨与MMT纳米复合材料。
2.3 样品表征
采用荷兰的PANalytical 公司生产的X'PertPRO型X射线衍射（XRD）仪对样品的结构及物相组成进行表征。 实验采用Cu Kα靶， λ=0.54056 nm， 管电流40 mA， 管电压45 kV， 步长0.04°， 2θ的扫描速率为2.4 （°）min—1， 扫描范围为5°—80°； 采用配备有X射线能量散射谱（EDS）仪的HitachiS—4700Ⅱ型场发射扫描电镜来观察样品的表面形貌； 采用荷兰Philips—FEI 公司的300 kV 高分辨透射电子显微镜（TecnaiG2 F30 S—Twin）对样品的形貌特征和显微结构进行表征。
2.4 电催化性能测试
样品的'电催化性能测试采用CHI620B 型电化学工作站（上海辰华仪器公司）， 测试在298 K下采用循环伏安法和三电极体系进行。 其中， 工作电极为粉末微电极， 辅助电极为1 cm×1 cm 的99.99% Pt片， 参比电极为饱和甘汞电极（SCE）， 工作电极与辅助电极之间用多孔陶瓷隔膜隔开。
样品电催化性能对比用碳载铂（Pt/C）电催化材料从浙江省冶金研究院有限公司购买， 其铂含量为5% （w）， 标记为Pt/C（5%）。
3 结果与讨论
3.1 XRD分析
EMMT与WO3/MMT 在2θ小于10°的范围内均具有较强的衍射峰， 可归属于MMT（001）晶面的特征峰（PDF： 13—0259）。 与E—MMT相比， WO3/MMT中（001）晶面的2θ值向左偏移，这说明负载WO3 后MMT 的（001）晶面间距扩大了。 这可能与WO3/MMT制备过程中少量钨离子插入蒙脱石层间有关。 WO3/MMT经还原碳化后， 样品的物相组成主要是WC （PDF： 51— 0939）、W2C（PDF： 35— 0776） 和MM。 比较上述四个样品的XRD 衍射结果可发现， 随着还原碳化时间的增加，MMT（001）晶面的衍射峰逐渐减弱， 当还原碳化时间超过5 h， MMT（001） 晶面的衍射峰基本消失，MMT的其他衍射峰也逐渐减弱。 这说明随着还原碳化时间的增加， MMT片层结构的有序度降低， 甚至被破坏或向非晶态转变。 当还原碳化时间为3 和4 h 时， WC的各主要晶面（001）、（100）和（101）， 以及W2C的（101）晶面的衍射峰较弱。 这说明此时WC及W2C的结晶度不高； 当还原碳化时间增加到5 h 后，样品的物相主要是WC， 且其衍射峰明显增强； 当还原碳化时间增加到6 h 时， WC 的衍射峰变弱， 而W2C的衍射峰增强。 上述结果表明， WC的结晶程度随着还原碳化时间的增加由弱到强， 再由强到弱，而W2C 的结晶程度由强到弱， 再由弱到强， 即两者的结晶程度呈互补关系。 这反映还原碳化过程中WC与W2C 是一种动态平衡关系， 即W2C→WCW2C。为进一步验证上述关系， 基于XRD 分析结果，应用X'PertPRO 型X射线衍射仪自带的专业软件对样品中WC和W2C 的质量分数及其晶粒度进行了计算。 表中WC和W2C的晶粒度分别对应各自最强衍射峰的晶面， 即分别为（100）和（101）晶面。当还原碳化时间为3 h时， 样品中WC和W2C的含量分别为39%和61%， 两者的比值为0.641， 即W2C的含量约为WC的1.5 倍；当还原碳化时间为4 h 时， WC和W2C的含量分别为34%和66%， 两者的比值为0.515， 即W2C 的含量约为WC的2.0 倍。 这说明还原碳化3 和4 h 时，样品的物相以W2C为主。 当还原碳化时间为3 h 时， 两者的晶粒度有一定的差异； 当还原碳化时间为4 h 时， 两者的晶粒度基本一致。 当还原碳化时间为5 h 时， 样品中WC与W2C的含量分别为82%和18%， 两者的比值明显变大， 由0.515（4 h）增大至4.556（5 h）， 晶粒度变化不明显。 此时样品的物相以WC为主， 粒径没有明显变化。 当还原碳化时间为6 h 时， 样品中WC与W2C的含量分别为48%和52%， 两者的比值又变小， 由4。556（5 h）变小至0.923（6 h）， 此时样品的物相以W2C 为主， 粒径略有增加。 这说明还原碳化时间由5 到6 h， 样品的物相由以WC为主， 转变为WC与W2C 的含量基本相当， 且W2C 的含量略高。 比较不同还原碳化时间样品的XRD分析结果可发现， 随着还原碳化时间的增加， WC与W2C之间可发生转变，先是部分W2C 转变成WC， 然后是部分WC转化为W2C， 且还原碳化5 和6 h 样品中WC和W2C的结晶度明显优于还原碳化3 和4 h 时样品中的WC 和W2C。
3.2 SEM分析
剥离前MMT片层状结构不明显， 剥离后片层状结构明显， 其长度达到了几微米， 厚度仅为十几纳米， 片层边缘呈现卷曲状。 这说明经剥离后， MMT形成了分散性良好的片层状结构， 其表面积明显增大。 这为后续氧化钨的吸附与分散， 即前驱体的制备奠定了良好的基础。
3.3 TEM及STEM
为了解E—MMT与碳化钨的晶粒大小， 选择还原碳化时间为5 h 的样品进行了高分辨透射电子显微镜（TEM）和扫描透射电镜（STEM）分析。
样品片层状结构明显， 片层厚度较薄， 结合SEM 结果， 片层状颗粒为E—MMT，黑色颗粒均匀地分散于E—MMT的表面。样品局部放大及晶格像。 黑色细小颗粒经放大后用Digital Micrograph 软件精确测量其晶面间距约为0.2455 nm。 这与WC（100） 的晶面间距0.2517 nm（PDF： 51—0939）接近。黑色颗粒经放大后，其晶面间距约为0.2489 与0.2506 nm， 均与WC（100）的晶面间距接近。 这说明照片中的黑色颗粒为WC。晶面间距实测值与标准卡片值的差异可能是由于晶面拍摄角度以及系统误差所致。灰黑色颗粒表面分布灰白色亮点。 由于碳化钨比蒙脱石具有更强的电子衍射，灰白色亮点是碳化钨颗粒， 灰黑色区域为E—MMT片层， 并采用X射线能谱仪对上述结论进行了验证。 WC颗粒均匀分布于E—MMT片层的表面， 分散性较好， 团聚现象不明显， 颗粒大小大约在10 nm 左右。 这与XRD的计算结果吻合。
3.4 EDX分析
C、O、Mg、Al、W、Si 元素的谱峰。 其中， O、Mg、Al、Si 和Ca 为MMT中的元素所致， W 和C 谱峰的存在说明样品中存在碳化钨物相。 这与XRD 的分析结果相符。 这在一定程度上说明所制备的样品为WC/MMT复合材料。
3.5 电催化性能
样品在酸性甲醇溶液（0.1 mol /L—1CH3OH+0.5 mol/L—1 H2SO4）中的循环伏安曲线。 样品3 在0.5 molL—1 H2SO4溶液中出现了一组对称的氧化还原峰， 其氧化和还原峰峰电位分别为0.531 和0.426 V； 在正扫过程中， 四个样品均在0.7 V左右出现第一个氧化峰； 在负扫过程中，四个样品均在0.508—0.535 V范围内出现第二个氧化峰。 样品3 在硫酸溶液中并未出现双氧化峰， 而是一个氧化峰和一个还原峰。 这说明上述双氧化峰是样品对甲醇的电催化氧化， 也充分说明WC/MMT系列样品对甲醇的电催化氧化性能与贵金属催化剂铂的特征相似。为便于对比。 在正扫描过程中， 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.702、0.707、0.707 和0.696 V， 峰电流密度分别为8。05、6.09、16。40 和6.64μAcm—2。 即4 个样品的峰电位非常接近， 峰电流有明显的差异， 以样品3 的峰电流密度最大； 负扫描过程中， 样品1、2、3 和4 的峰电位分别为0.532、0.535、0.508 和0.515 V， 峰电流密度分别为5.42、4.24、10.20和3.95 μAcm—2。 即4 个样品的峰电位比较接近， 以样品3 的峰电位最负， 峰电流也有明显的差异， 以样品3 的峰电流密度最大。 由于氧化峰的峰电位越负，其电催化氧化活性越高。 因此可认为样品3 的电催化活性相对较好， 即还原碳化时间为5 h 所制备样品的电催化活性最好。 4 个样品的正扫峰电位与负扫描峰电位的比值存在一定的差异， 且样品4 的比值明显大于其它三个样品的比值。
正扫描时， 样品3 在硫酸溶液中的循环伏安曲线在电势为0。1 V左右均出现一个宽泛的氧化峰。 这应该是氢的脱附峰。3 氢脱附峰的形成是因为酸性溶液中含有大量的H+离子， 样品中MMT表面具有永久性负电荷， 这必然导致H+离子大量吸附于MMT表面， 随电位正移， H+离子从MMT表面脱附， 在循环伏安曲线上显示阳极电流和相应的电流峰。
甲醇在样品的电催化过程中能够出现双氧化峰是因为甲醇的电催化氧化总反应方程式：
2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O （1）
在酸性条件下， 其正极反应：
3O2+12e—+12H+→6H2O （2）
负极反应：
2CH3OH—12e—+2H2O→12H++2CO2 （3）
而在实际反应过程中， 甲醇的电催化氧化是分步进行的。30 即在电位正向扫描过程中， 甲醇发生电催化氧化， 但随着电流的正移， 催化剂表面产生的氧化物或溶液中硫酸根离子吸附抑制了甲醇的进一步吸附和氧化， 所以会产生第一个氧化峰； 当电位负向扫描时， 在正向扫描产生的氧化物被还原，且吸附的硫酸根离子也发生脱附， 此两个过程使得催化剂表面恢复活性， 所以甲醇可以进一步发生氧化， 从而形成第二个氧化峰。 这就是形成双氧化峰的根本原因。
不同钨与蒙脱石比的前驱体经5 h 还原碳化所制备的样品在酸性溶液（0.1 molL—1 CH3OH+0.5 molL—1 H2SO4）中循环伏安曲线。 从图7 中可看出， 所有样品在酸性甲醇溶液中均出现了双氧化峰， 一个是在正扫过程中， 且峰电位均在0。7 V左右，另一个在负扫过程中， 峰电位为0.5 V。 上述结果说明， 四个样品均对甲醇具有良好的电催化活性， 且其循环伏安曲线的双氧化峰特征与贵金属Pt 的电催化特征相类似。29 这充分说明碳化钨与蒙脱石纳米复合材料具有类Pt 的催化活性。 为了更好地对比样品的电催化活性。
正扫描过程中， 4 个样品的峰电位高低顺序为： 样品8>样品7>样品6>样品5。 由于氧化电位越低， 其电催化氧化活性越好， 越容易发生电催化氧化反应。 因此， 正扫描过程中， 样品5 的电催化活性最高。 正扫描过程中， 4 个样品的峰电流密度大小顺序为： 样品8>样品6>样品5>样品7。 其中， 样品8 的电流密度值明显大于其它样品的电流密度值； 样品7 的电流密度值明显小于其它样品的电流密度值。 负扫描过程中， 4 个样品的峰电位高低顺序为： 样品7>样品6>样品5>样品8， 样品8 的电催化活性最高。 4 个样品的峰电流密度大小顺序和特征与正扫一致。 从表3 中还可看出， 4 个样品的正扫峰电位与负扫峰电位的比值随着负载量的增大而减小， 即两个氧化峰的电位比值大小与负载量之间存在一定的相关性。
样品3 与碳载铂[Pt/C（5%）]在酸性甲醇溶液中的循环伏安曲线对比图。样品3 与Pt/C（5%）在酸性溶液中对甲醇的电催化均出现了双氧化峰。 为便于对比， 在相同的测试条件下， 与Pt/C（5%）的第一个和第二个氧化峰电位相比， 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移。 由于氧化峰的峰电位越负， 其电催化氧化活性越高。 这说明碳化钨与蒙脱石构成复合材料后， 在高电流密度下其电催化活性高于Pt/C（5%）， 即其电催化活性得到了明显的提升。
从表4 中还可看出， 与文献报道的WC与W2C复合材料31 和碳载铂（Pt/Vulcan XC—72R）电催化材料32的第一个和第二个氧化峰电位相比， 样品3 的第一个和第二个氧化峰电位明显负移； 与文献报道的碳载铂（Pt/Vulcan XC—72R）电催化材料32相比， 正扫时， 样品3 对甲醇电催化氧化第一个峰的峰电位明显正移， 第二个峰的峰电位相同。 这也从侧面说明将碳化钨复合于蒙脱石上之后， 其对甲醇的电催化活性得到显著的提高。
综合分析， 不同钨与蒙脱石比值的前驱体经5 h还原碳化所制备的样品中， 样品3， 即当前驱体的钨与蒙脱石比值为4 时， 样品在酸性溶液中对甲醇电催化氧化活性最好。 结合样品的XRD表征结果， 样品3 中的碳化钨物相组成为WC与W2C， 且WC与W2C 的比值达4.649， 即样品中以WC为主导， 而其它3 个样品的物相虽然也由WC与W2C组成， 但WC与W2C的比值均小于1， 即样品中碳化钨的物相以W2C为主。 这充分说明WC与W2C对甲醇的电催化氧化均具有一定的活性，31 但构成复合材料后两者的比例对样品的性能有较大影响， 即以WC为主的样品对甲醇的电催化性能好于以W2C 为主的样品的性能。 从TEM照片中可看出， 样品3 中碳化钨颗粒均匀地分布于MMT外表面， 并形成了较为完整的负载层； 虽然样品2 中碳化钨也较均匀地分布于MMT外表面， 但没有形成完整的负载层； 样品1 和4则是碳化钨颗粒均匀地分布于MMT 外表面， 在MMT外表面的碳化钨没有形成连续的层状结构。这充分说明样品的微结构特征对其电催化活性具有较大影响。 基于上述结果和分析可得出结论： 碳化钨与蒙脱石纳米复合材料对甲醇的电催化活性不仅与其物相组成和相对含量有关， 还与其微结构特征有关。
4 结论
以六氯化钨为钨源， 以剥离后的蒙脱石片层为载体， 将化学浸渍法与原位还原碳化技术结合可制备出碳化钨与蒙脱石纳米复合材料； 复合材料中碳化钨由WC与W2C组成， 调节还原碳化时间可获得具有不同物相组成的复合材料， 即可控制WC 与W2C 的比值； 调节前驱体中的钨与蒙脱石比例， 可获得具有不同结构特征的碳化钨与蒙脱石的纳米复合材料； 当前驱体中钨与蒙脱石的比例适中时，碳化钨均匀地负载于蒙脱石片层的外表面， 形成良好的负载层； 当前驱体中钨与蒙脱石的比值过低或过高时， 碳化钨以微粒形式复合于蒙脱石片层的外表面。 其中， 当比值低时， 碳化钨纳米颗粒均匀地分散于蒙脱石的外表面， 晶粒的尺寸在10 nm左右， 当比值过高时， 碳化钨纳米颗粒在蒙脱石的表面分布不均匀， 颗粒明显增大（60—100 nm）， 团聚明显。
碳化钨与蒙脱石纳米复合材料在酸性体系中对甲醇具有良好的电催化活性， 并具有类铂催化性能， 其电催化活性不仅与复合材料的物相组成有关， 还与复合材料的微结构特征有关。 当复合材料中碳化钨的物相由WC和W2C构成， 并以WC占绝对多数， 且两者在蒙脱石片层外表面形成均匀的负载层时， 复合材料对甲醇的电催化活性最好， 且类铂电催化性能最强。
上述充分说明， 蒙脱石片层是碳化钨良好的载体， 不仅可很好地分散碳化钨纳米颗粒， 也可构成负载层状结构， 两者复合后还可获得具有类铂催化性能的碳化钨基电催化材料。 这为制备具有类铂电催化性能的碳化钨基催化材料奠定了坚实的基础，为碳化钨基催化材料的制备与应用研究， 尤其是碳化钨替代铂等贵金属催化剂指明了方向。
纳米材料论文6
1 纳米材料的研究现状
近年来，科学技术发生了飞速发展，各种新兴产业和新兴科学技术应运而生，为了满足各个领域的快速发展，纳米材料受到越来越多的关注和重视，各国科学家都在研究纳米技术的基础理论知识，同时相关纳米技术在许多行业中已经得到广泛应用和实施，比如：电子电子行业、医疗行业等等，并向产业化的方向逐渐迈进。在美国、日本等国家纳米材料已经得到批量的生产，但是纳米材料的未来发展还需要科学家们不懈的努力和研究，研发和发展的道路任重而道远，尤其是纳米医疗诊断材料和纳米生物材料还需要不断的创新和发展。相关机构曾这样预测过：不到十年的时间，全世界纳米新材料市场便会达到87 亿美元的规模，整个行业便会有24.6%的年增长率。
社会对纳米材料的需求不断增加的同时，世界各国纷纷投入到纳米材料的研发中， 政府和企业大量人力和物力的投入，使纳米材料的发展达到了一个新的高度，纳米材料的市场规模不断的扩大。
在美国，纳米材料被广泛应用在军事、国防、航空航天等多个领域，因而美国将纳米材料的研究和发展作为一种国家战略层面的科研项目。事实证明，纳米材料具有优良的性能，已经被社会各界认可，随着纳米材料的不断研发，农业、医疗、生物等领域正在逐渐实施纳米技术，创造巨大的经济效益。
在世界各国中，我国对于纳米技术的研究并不算晚，当前，我国共有一百多个研发机构在进行纳米材料基础和应用的相关研究。这些研发机构主要是我国的一些高校和研究所，其中高校中开展较早的主要有：清华大学、东北大学、吉林大学等经典大学，研究所中开展较早的有：长春感光化学研究所、应用化学研究所等。通过各界不谢的努力和研究，近几年来，我国纳米材料的发展有了新的突破和发展， 并取得了丰硕的研究成果。研发过程中，应用的方法主要有物理法、化学法及多种方法相结合的复合法，从而研发出一系列金属和合金的氮化物和氧化物的纳米颗粒; 同时我国向纳米材料研发先进的国家学习，不仅学习其完善的纳米技术，而且引进我国不能自主生产但对于纳米材料的生产和发展不可或缺的设备，对纳米材料的颗粒大小进行微细的调控， 将这些研发成果广泛应用到生产当中，从而生产出相应的高科技纳米产品，比如：纳米块材、纳米薄膜等等;对纳米材料进行广泛生产的同时，又积极发掘原有纳米材料的新特性，在各个角度对纳米材料进行创新和发展，收到了成效，比如：我国已经成功研发出纳米陶瓷，这种纳米陶瓷具有优良的性能，密度高且结构复杂;同时，对于超塑性形变现象的发现，我国在世界上属于先锋，超塑性形变现象即在拉伸疲劳应力集区所表现出的纳米氧化铝晶粒特性;另外，我国在其他纳米材料的相关研究中也取得了不错的成绩，比如：我国深入研究功能纳米材料，并看到了相应的成效。
随着社会对纳米材料需求的不断增加，我国在"八五"研究工作的基础之上，又建立了许多研发基地，其中最重要的主要有：中科院金属所、南京大学、中科院物理所、清华大学及国防科技大学等。这些纳米材料基地的建立为我国纳米技术的发展提供了基础条件。通过近几年来不懈的努力和研发，我国在纳米材料的研发领域取得了一定的成果，在众多的发达国家中，我国已经具有一席之地。新的时期，我国的科研院校和研究所对纳米材料的研发做出了重要贡献，不仅提供生产纳米材料的技术，同时提供高质量的科研学者， 使纳米材料更加广泛的应用于生产中，促进了科研成果向工作和生产中的转化。在未来的发展中，这些科研院校和研究所是我国纳米材料发展的动力。
2 纳米材料发展的未来趋势
2.1 纳米技术与信息产业的融合
进入二十一世纪后，信息产业在社会的发展中具有不可替代的作用。到20xx 年，信息产业在我国GDP 中所占的利润已经达到10%。将纳米技术融入到信息产业主要表现在以下几个方面：近年来网络通讯、高清晰度数字显示技术及芯片技术飞速发展，便相应的推动了纳米技术的发展。而且在未来几年中，世界对于网络通讯和显示集成等方面的设备性能要求会不断的增加，许多国家已经开始研发纳米材料，并有了不错的成效。再者， 我国在网络通讯方面跟其他发达国家还存在一定的差距，应该对网络通讯的`关键零件进行研发，比如：微电容、谐振器及微电极等，在进行纳米材料的研发过程中应提高这些零件的性能，我国在网络通讯方面上的不足为纳米技术和信息产业的融合提供了合理的空间。
2.2 纳米技术与环境产业的融合
随着科学技术的不断发展，环境污染问题已经成为世界各国关注的话题，纳米技术可以有效应用在污染物的降解及空气的净化上， 因而纳米技术在环境的保护方面有着重大的意义。近几年来，随着我国污染程度的加大，已经研发出了可以成功降解氮氧化物、甲醛等污染物的相应纳米设备，空气的污染程度大为降低，将空气中的有害成分从10ppm 降到了0.1ppm。同时纳米技术也应用到了水污染的治理当中，很多企业应用纳米技术的光催化性质使污染的水质得到净化， 在未来的发展中，纳米技术在环境污染上的应用将会更加普遍。
2.3 纳米技术与生物医药产业的融合
进入世贸组织对我国许多行业造成了不同程度的影响，尤其是医药行业，在纳米技术的研发背景下，我国决定不断发展，奋起直追。纳米生物技术在医药上的研发主要是：在动植物中提取有益于人类健康的材料，再经过纳米技术，使这种材料的作用充分发挥出来。同时在医药行业应用纳米技术，可以使纳米技术的适用层次得到提高。
2.4 纳米技术与能源环保产业的融合
随着世界人口的不断增加， 各种能源逐渐出现耗竭的状态。因而， 目前我国最重要的工作便是合理有效的使用和开发资源，同时研发出能够取而代之的新能源。在传统能源方面，应该运用纳米技术使其充分利用，同时减少相应废弃物的排放。在新能源的研发方面，在借鉴发达国家先进纳米技术的同时，也要不断的创新，开发出一系列可燃气体等较清洁的能源，较少传统资源的过度使用和浪费，使新资源广泛的应用于人们的日常生活当中。
2.5 运用纳米技术对传统产业进行改造
运用纳米技术对传统产业进行改造并完美结合，是当前传统行业再度复兴的希望。比如，我国传统的纺织行业，国际上激烈的竞争已经严重打压了我国的纺织业，因而纳米技术应该应用在纺织材料领域， 这样才能使衣服的品质和质量得到提高，使我国的纺织行业在国际上占有一席之地。
纳米材料论文7
新材料的研发是我国重点发展的高新技术领域之一，而纳米材料又是其中的佼佼者。据权威机构推测，20xx年全世界纳米材料市场规模已超过20xx亿美元。随着国际科技进步及工业向高精尖发展，纳米技术已成各国竞相发展的重要领域之一。其中，碳纳米材料由于其独特的理化性质，近年来在纳米科学及纳米技术的发展中得到了广泛的关注。其应用范围从起初的涂料、润滑油、聚合物添加剂、电子器件、传感器和电化学领域扩展到了生物医学领域。目前已有的研究表明，纳米金刚石可用于生物标签、生物成像、药物传输、基因治疗、癌症诊断与治疗等生物医学领域。纳米金刚石指的是粒径在1～100nm的金刚石晶粒存在形态，其兼有金刚石、纳米材料的特性，例如高硬度、高耐腐蚀性、高热导率、低摩擦系数、低表面粗糙度、大的比表面积、高的表面活性等。根据其存在形式，纳米金刚石可以分为单分散的纳米金刚石粒子和纳米金刚石多晶两类。纳米金刚石粒子可以看作由块材金刚石切割出的纳米尺寸的金刚石团簇;纳米金刚石聚晶有聚晶颗粒和膜两种存在形式。纳米金刚石粉的比表面积为300～400m2/g，还有大量的结构缺陷和表面官能团等，这些性能使得其在开发具有特殊性能的新材料方面有较大的潜力。
以上优异性能使得纳米金刚石除作为传统机械加工的精密抛光及润滑用材料以外，在化工催化及生物医学上展现出了良好的应用前景。但纳米金刚石的团聚及除杂问题是制约纳米金刚石使用的两大难题。
1 纳米金刚石的制备和特性
从空间尺度分类，纳米金刚石分为纳米金刚石膜、一维金刚石纳米棒和二维金刚石纳米片，三维纳米金刚石聚晶颗粒以及零维纳米金刚石单晶颗粒。纳米金刚石薄膜是利用CVD 方法生长出的纳米级晶粒组成的金刚石膜，其制备参数与传统微米尺度金刚石薄膜不同，是通过金刚石的二次成核，获得致密的、晶粒尺寸为纳米级的金刚石薄膜。晶粒尺寸小于10nm的金刚石膜又称为超纳米金刚石膜，这种薄膜光滑、致密、无孔，是制备生物传感器以及生物医学仪器的关键材料。一维金刚石纳米棒或金刚石纳米纤维可以通过氢等离子体长时间处理碳纳米管来获得。二维金刚石纳米片可在Au–Ge合金和纳米金刚石膜基底上通过微波等离子体CVD 法制备，其厚度约10nm。金刚石纳米颗粒的合成方法主要有静压合成、金刚石单晶粉磨、爆轰法三种，都已应用于工业化生产。爆轰法合成纳米金刚石生产效率相对较高，其原理是通过爆炸时产生的高温高压将爆炸体系的碳元素转变为金刚石。用该方法制备得到热力学稳定的含纳米金刚石的黑粉。黑粉经特殊工艺处理后得灰色的纳米金刚石粉，其回收率约为所用炸药质量的8%～10%，金刚石颗粒粒径为5～10nm，经过化学提纯可得到纯度约95%～97%的DND。
对于平均粒度尺寸5nm 的纳米金刚石颗粒，表面碳原子数(N 表面)与颗粒的总碳原子数(N 总)之比约为15%，导致金刚石表面碳原子空间对称性的破坏以及晶格间距的变化。纳米金刚石的性质与大尺寸金刚石单晶不同。根据高分辨透射电子显微镜观察，纳米金刚石颗粒内部核由金刚石结构碳原子规则排列，而在颗粒外壳区域为类金刚石或类石墨的无序结构。
2 纳米金刚石的应用
纳米金刚石在强度、硬度、导热性、纳米效应、重金属杂质、生物相容性等方面具有的独特性能，使其在精密抛光和润滑、化工催化、复合镀层、高性能金属基复合材料、化学分析及生物医药等领域得到了广泛的'应用，并展现出良好的应用前景。
2.1 超精密抛光和润滑
纳米金刚石抛光膏和悬浮液用于电子、无线电、医学、机械制造、宝石等行业，对材料进行精密抛光。其优点是可在任何固体上获得镜面效果，表面粗糙度值Ra可达2～8nm。爆轰法合成的纳米金刚石粒径分布很窄(2～20nm)，用分布很窄的纳米粒子作磨料进行抛光或研磨，可得到表面粗糙度值Ra为0.1～1.0nm的超光滑表面。润滑油中加入纳米金刚石可提高发动机和传动装置工作寿命，节约燃油机油，降低表面磨损等。纳米金刚石具有强共价键和强烈的亲油疏水特性，可以在各类润滑油中形成稳定分散的胶体体系，从而将纳米金刚石粒子引入摩擦副之间，起到显著的减摩耐磨作用。同时，由于纳米金刚石良好的抗压性能和修复功能，可以充分发挥其协同增效作用和润滑油添加剂之间的相互作用，研制出耐磨性能优异的复合润滑油和添加剂。油中加入纳米金刚石后，滑动摩擦变成滚动摩擦，摩擦副表面逐渐改性，形成又硬又滑的金属碳化物，其减摩抗磨效果是用有机化工方法无法比拟的。台架实验表明：在EQ6100–1型汽油机上使用纳米金刚石发动机油后，输出功率平均提高4.2%，最高可达6.4%;燃油消耗率平均降低4.7%，最高可达10.3%;气缸压力提高28.9%;怠速转速提高10.2%;发动机怠速碳氢化物排放降低60%;氮氧化物排放降低20.5%。总之，发动机动力性、经济性和排放性均有较大改善;气缸密封性提高，且具有较好的减摩效果;对发动机具有免拆卸清洗功能;冬季更易点火，发动机油的使用周期成倍延长。纳米金刚石磨合油可使发动机的磨合时间缩短30%～50%，汽缸压力提高7%～10%，缸套硬度增加10%～20%，粗糙度明显改善，磨合油使用周期大大延长。目前，纳米金刚石在该领域的应用比较成熟，除了上述在发动机油中可明显减少尾气排放外，还可有效地过滤重金属和放射性物质。在溶液中，1g纳米金刚石可吸附50g Ni。润滑油使用周期延长不仅提高了用户的经济效益，其本身就是对环保的巨大贡献。
2.2 工业催化
爆轰法合成的纳米金刚石比表面积大，具有大量的结构缺陷，化学活性高，适于用作催化剂载体，提高催化效率。石晓琴等研究了铜/纳米金刚石复合粒子对高氯酸铵热分解的催化作用，结果表明：铜/纳米金刚石复合粒子较单一的纳米铜催化效果更好。
2.3 增强橡胶和树脂
纳米金刚石兼具纳米粒子和超硬材料的双重特性，利用这一特性可将其用来制造增强橡胶、增强树脂，该应用在提高材料热导率，聚合物降解温度、强度和耐磨性等方面作用明显，使纳米金刚石在新型复合材料领域具有广阔的开发前景。目前，橡胶所用的增强剂多为炭黑，如果用爆轰法合成的纳米金刚石作为增强剂，能使其强度提高1～4倍，明显改善其耐磨性和密封性。纳米金刚石增强聚酰亚胺可以使其降解温度提高30℃以上，同时提高其热导率和抗老化能力。
2.4 纳米金刚石增强金属基复合材料
目前，研究较多的增强型金属材料是纳米金刚石复合镀层和弥散强化型金属材料。纳米复合镀技术是在电解质溶液中加入不溶性纳米颗粒，使金属离子被还原的同时，将纳米颗粒弥散分布于金属镀层的方法。复合镀层能有效提高镀层与基体之间的结合强度，纳米金刚石复合镀层具有超硬、高耐磨、耐热防腐的性能，可用于金属表面和橡胶、塑料、玻璃等表面的涂覆。纳米复合镀基体主要有镍、铜、钴等，含纳米金刚石的复合镀镍层用作磁盘或磁头耐磨保护层与普通镀层相比，其硬度增加了50%，耐磨性能增加的更显著。王立平等利用直流电沉积技术制备了纳米金刚石增强镍基复合镀层，研究发现：微米镍基质中引入纳米金刚石后，复合镀层的硬度提高了一倍以上。许向阳等利用纳米金刚石作为增强相制备的金属基复合材料耐磨性明显提高，研究发现：采用粉末冶金法，经冷压、烧结制备的ND/Al复合材料，当载荷为0.005N时，摩擦系数仅为0.005，这一数值低于纯金刚石和石墨的最小摩擦系数。相英伟等用化学沉淀–热压成型方法制备了纳米金刚石增强Cu10Sn基复合材料，材料的摩擦系数降低50%以上。加有纳米金刚石的塑料膜极易附着在金属上而不需要加黏结剂。加入纳米金刚石的硅胶强度可提高1～3倍。在Cr镀液中加入纳米金刚石，可使冲模寿命提高10倍以上。原镀金镀层厚4μm，加入纳米金刚石后，可使镀层减薄至2μm且保持镀层完整，其耐磨性还大幅提高，镀后表面色泽与不加纳米金刚石的一样。原镀1m2需80g金，加纳米金刚石后仅需40g金，可节省1万多元，纳米金刚石的消耗量仅需0.4g
3 结语
由于合成工艺的差别，不同来源的金刚石纳米颗粒的结构性能和表面性能差异明显，其中，一般静压单晶纳米颗粒结构致密，而爆轰单晶团簇脆性相对较大，爆轰金刚石纳米颗粒表面具有相对更为丰富的活性基团等。因此，不同纳米金刚石颗粒的应用领域应该有所不同，具体分析和结合应用环境、技术需求及金刚石的性能特点，采用不同的金刚石纳米颗粒及其加工改性产物，应当更有利于金刚石应用。
目前，纳米金刚石功能材料领域的应用技术没有得到根本解决，例如在生物制药、环境保护等方面应用技术还处于探索阶段，这就限制了纳米金刚石生产领域的产能提升。随着新材料技术的发展，性能优良的纳米金刚石在功能材料领域的应用将会快速推广，这将会推动超硬材料行业的转型和经济效益的提高
纳米材料论文8
摘要：纳米材料是近年来材料学中的一种新型材料，纳米材料以其优良的性能越来越受到各个行业的关注，应用领域广泛，例如在催化、涂料、医药、污水处理、空气净化等行业，当今世界各国对于纳米材料的研究投入都相当大，本文针对纳米材料的性质、应用等方面展开进一步的研究。
关键词：纳米材料；高分子材料；污水处理；化工；应用
纳米材料是指的大小处于纳米级（1-100mm）的材料，这种材料由纳米粒子组成，纳米粒子的大小介于原子和分子之间，因此它具有一般材料不具有的特殊性质，在许多领域中，尤其是化工、催化剂、涂料、医药等化工行业中，这些特殊的性质展现出了良好的性能，被广泛的利用，在其他精细化工方面的应用也较多，本文对纳米材料在化工领域的应用进行阐述。
1纳米材料的特殊性质
1.1力学性质
由于纳米材料由纳米粒子组成，而粒子处于纳米级时，材料的强度、硬度等力学性质会随着粒子的粒径减小而增大。正是由于纳米材料的这种性质，它可以被用于某些需要强度和硬度的包装上，解决大多包装容易破坏的问题，例如在塑料中加入纳米二氧化钛、纳米碳酸钙等材料，可以改进塑料在许多方面的缺陷，提高塑料力学方面的性能。塑料本身耐热性差、脆性大、强度低、透明度低等缺点通过在塑料中加入无机纳米材料后都取得了很好的效果，纳米材料对于塑料行业无疑是一次重要的技术性突破。
1.2磁学性质
纳米材料中纳米粒子由于粒径处于纳米级别，各个纳米晶粒之间的此理作用反映到纳米材料中，影响材料磁学性质。纳米晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用对纳米颗粒的磁化作用起到了决定性作用，而纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、结构等物理性质有很大的关系，这就体现了纳米颗粒的小尺寸对于纳米材料磁学性质的作用。
1.3电学性质
纳米结构的电阻较其他晶结材料高是由于纳米结构的晶结面上的原子体积分数增大，在电器元件中能够发挥较好的作用，其良好的电学性能，例如高速、高容量、体积微小，都比现如今的半导体材料更好，因此在不久的将来，由纳米材料制造的电器元件有可能将代替现有的半导体材料，在电气行业中发挥重要的作用。
2纳米材料在化工领域中的应用
2.1在催化方面的应用
纳米材料能够用作催化剂，催化剂是用来加速某些化学反应的，纳米材料以其较高的比表面积而展现良好的表面活性，这种特性是纳米材料能够成为催化剂非常重要的一个必要条件，在催化剂行业，纳米颗粒催化剂必将成为重要角色。光催化剂是纳米材料在催化剂中的一个例子，光催化剂是利用纳米TiO2所具有的量子尺寸效应，这种效应使这种催化剂具有更强的氧化还原能力，在作为催化剂时表现出很好的作用。
2.2在涂料方面的应用
纳米材料表面的结构特殊性决定了其能够作为添加进涂料中，这种添加了纳米材料的纳米涂料具有一般涂料不具备的优良性能，这就使传统的涂料性能得到很好的改善，将一般涂层变为纳米复合体涂层，常用于涂料中的纳米材料有纳米SiO2、纳米TiO2、纳米钛粉、纳米Fe2O3、纳米ZnO等。本文主要对SiO2和纳米钛粉进行介绍。
2.2.1纳米SiO2
纳米SiO2能够吸收紫外线、红外线，这对于提高涂料的抗老化性有非常重要的帮助，同时可以对SiO2表面进行处理已达到各种预期的效果。在建筑工程中对建筑物墙体进行粉刷时，在涂料中加入SiO2能够明显改善涂料性能，防止分层、触变，同时耐脏，耐擦洗。在船舶、车辆等对涂料要求较高的地方，添加SiO2还能增加涂料的强度、光洁度、耐老化性等等。
2.2.2纳米钛粉
纳米钛粉加入涂料主要是为了提高涂料的耐磨、耐腐蚀等性能，实践证明，纳米钛粉的加入大大提升了涂料的这些性能，效果显著。纳米钛粉和树脂化合能够制作出多种类型的涂料，这些合成的新型涂料较普通涂料有明显的优势，最大的优势是它的耐腐蚀性，在许多恶劣的环境中能够抵抗环境的腐蚀性作用多年而不被损坏，这在船舶等行业中能够发挥出很大的价值。
2.3在医药方面的应用
随着人们对健康的.重视程度越来越高，人们对日常生活中的医药方面的关注也越来越多，进入纳米时代后，纳米材料在许多方面发挥着重要的作用，在医药方面也不例外，如何控制药物更好的发挥作用是医学界一直在研究的问题，纳米材料的出现很好的解决了这个问题已，用纳米材料将药物包裹制成智能药物，这种药物能够主动寻找需要药物治疗的组织或细胞。
2.4在其它精细化工方面的应用
纳米材料在其他精细化工方面也发挥着重要的作用，例如化妆品中添加纳米材料就能够起到很好的作用，化妆品中添加纳米TiO2、纳米ZnO等具有较强吸收紫外线能力的纳米材料就能够为防止紫外线提供很好的帮助。
3结语
纳米科学是一门新兴学科，纳米材料作为一种新型的材料，在21世纪科學技术高速发展的背景下，被应用于各个领域，纳米技术的诞生对于人类而言受益匪浅，未来经过人类的不懈努力，可以将纳米材料发挥出更大的作用，从而解决当今一些仍然束手无策的问题，纳米材料在精细化工中的应用对促进社会的发展有重要的作用。
参考文献：
[1]张晓蕾.纳米材料在化学化工领域中的应用研究[J].山东工业技术，20xx（16）：21.
[2]席玉生.浅谈纳米材料在化工领域中的应用[J].科技创新导报，20xx（02）：91-92.
纳米材料论文9
焦化厂焦炉上升管荒煤气显热的余热回收利用作为一项全新的科研课题，各大焦炉设计院和各大焦化厂都先后投入了巨大的人力物力，也先后研发出了多种类型的上升管换热器型式和技术，国家发改委也投入了巨大的资金用于开发此项技术，主要集中在导热油夹套管、热管、锅炉和半导体温差发电等技术，来回收荒煤气带出热。到目前为止，大部分的研发都未能取得令人满意的进展。
我公司经过多年的研发，先后开发出五种类型的上升管换热器，并用于焦炉实际工况下的试验，在经过多次失败之后，终于取得了突破性进展。成功开发出可以用于焦炉生产运行的上升管换热器产品，并且进入了工业化生产。
1 焦炉上升管荒煤气余热回收技术的实现
1.1 荒煤气高导热、耐蚀、长寿命的上升管内衬材料开发研究
上升管内衬材料是提高荒煤气余热回收利用效率的关键技术之一。原工艺装备上升管采用普通碳钢材料，内壁衬耐火砖，更换用余热回收装置后，内壁不能再衬耐火砖，否则热传导效率极低。这样导致装置内壁直接与高温(650℃～900℃)荒煤气接触，而荒煤气中含有氧气、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢、氧化氮、氢气、甲烷、水汽及芳香烃类化合物等，普通碳钢在此温度及环境下，高温烧蚀严重，不能满足工况要求。若提高内筒材质，则只有采用耐高温腐蚀的特殊合金钢，如哈氏120级别以上钢材，但其价格就急剧上升。
常规要求控制荒煤气温度不低于500℃，以避免上升管内壁过快长石墨，本项目可控制在400℃以上，石墨生长速度低于原常规生产模式。
1.2 稳定、可靠、高效的导热材料研究及选择
荒煤气热量通过钢质内筒内壁导出到外壁后，需要良好的导热介质将外壁上的热量快速导出，提供给水进行汽化。由于上升管可有效利用的高度仅2～3m左右，荒煤气在内筒以较快速度通过，因此，整个热传导过程必须快速，才能最大限度回收荒煤气余热。由于钢铁的导热系数为80W/m·K，因此导热介质的导热系数必须大于80W/m·K，而且越大越好。同时，导热材料在900℃高温环境必须稳定，不能有物理、化学的质变，同时对钢铁不能有渗透性腐蚀破坏。高温下在水、氧气环境下稳定，即满足以下要求：(1)高导热率，导热系数大于100W/m·K;(2)高温下的稳定、安全;(3)高温下对钢铁无腐蚀。
1.3 低热应力的换热系统结构研究
导热材料快速吸收荒煤气热量后，需要尽快将热量通过换热装置，传递给水进行汽化吸热，由于换热装置也是钢铁材质，其导热系数与内筒一样，就必须增加其换热面积，只有其换热面积大于内筒外壁导热面积，热量才能快速有效地传导。要在直径400～500mm的圆形环腔内布置下较大的换热面积的换热装置，其结构必须十分密排、紧凑。又由于装置内外温差大，温度区间从常温到900余℃，产生蒸汽压力将达1MPa，并存在汽液相之间的热量交换，热膨胀及热应力必将对换热系统及整个余热利用系统造成严重的影响。因此，换热系统的结构设计，必须具备消除热应力的能力，否则换热装置结构将被破坏，不能长期有效使用。
2 纳米导热节能防腐涂料的'开发应用
纳米导热节能防腐涂料是一种用于高温设备的高效导热节能环保产品，可直接喷涂在各种高温导热体的表面，提高导热体的导热能力，如涂刷蒸汽锅炉水冷壁管的表面，形成一层坚硬的陶瓷釉面硬壳，起到保护炉体、延长炉龄、增强水冷壁导热，从而起到节约燃料的作用。它显著提高炉膛内的热传递效果，减少黑油排放，节约燃料消耗5%～30%，适合多种工作温度在1800℃以下的工况使用。
纳米导热节能防腐涂料含有多种红外辐射材料，在远红外、中红外、近红外各波段均有很高的红外辐射光谱发射率和优良的技术特性，涂覆于导热体表面可获得显著节能效果，具有提高辐射传热能力，减少散热损失。
2.1 纳米导热节能防腐涂料的组成
纳米导热节能防腐涂料由耐火粉料、过渡族元素氧化物和氧化锆、硅酸盐耐火材料，高温掺杂形成固溶体和悬浮剂等组成的黏稠悬浮流体，喷刷在导热体表面，形成0.3～0.5mm的涂层，是一种新型节能材料。在高温导热管上应用该涂料，可节约燃料，保护导热管表面，延长导热管使用寿命，提高导热管热效率，缩短加热时间，提高被加热件的加热速度，提高工作效率。同时，稀土元素氧化物(如Y2O3)的掺入能提高反应物的活性，是掺杂和稳定涂层结构的优选材料。
2.2 纳米导热节能防腐涂料的性能特点
涂层结构致密，保护基体，有很好的耐磨、耐腐蚀性。与基体结合力强，涂层能渗透基体形成过渡层和涂层的结构，耐机械冲击和热冲击。高强度耐磨、耐腐蚀、耐高温。提高涂料的黑度，使其在波长2.5～15μm的光谱区间，发射率都在0.93以上，并对增黑剂进行了稳定化处理，提高了抗老化性能，大大延长了涂层使用寿命。
3 耐高温导热涂料的研究热点
当前耐高温导热涂料不外乎无机和有机涂料两种，有机耐高温导热涂料作为高温设备导热涂层和保护涂层得到的应用越来越广，但是作为适应焦化行业的荒煤气的导热材料，其温度变化区间大，从200多℃到1100多℃之间，而且荒煤气成分复杂，腐蚀性气体的存在，制约了导热材料的选择。因此，大部分涂料性能还是不能满足多样化设备的要求和温度变化的要求。目前对于改性有机硅涂料等，国内在室温固化、高耐热防腐以及重防腐有机硅涂料方面研究比较活跃。但是，在水性可喷涂高固体分、紫外固化以及高性能加热固化的有机硅涂料方面研究中，国外缺少可实用化的研究成果。
我公司与合作的导热材料生产商，经过多次配方改良和试验，最终研发出一种新型的纳米导热节能防腐涂料，纳米导热节能防腐涂料的研发基点就是建立在恶劣的工况下，组合了多种材料耐火粉料、过渡族元素氧化物和氧化锆、硅酸盐耐火材料，高温掺杂形成固溶体、和悬浮剂以及单晶硅粉，经过高温后形成一层坚硬的陶瓷釉面硬壳保护了基体免受荒煤气腐蚀气体的冲蚀。
新型纳米导热节能防腐涂料的研发应用，最大程度地保证了焦炉上升管换热器的可靠性，为此，我们将此材料应用到福建三钢焦化厂上升管换热器上，运行1年多以来经受住了考验，运行状况良好。同时，我们也在唐山达丰焦化的5.5m焦炉上升管上和沙钢6m焦炉上升管上进行了应用，运行状况良好。目前已经全面使用在邯郸钢铁集团6m焦炉上升管改造之中。
4 结语
新型的纳米导热节能防腐涂料的研发应用在焦化厂上升管余热回收利用成为可能和保证，将焦化厂上升管余热回收利用技术向前推进了一大步。
纳米材料论文10
摘要：纳米材料和纳米技术是八十年代以来兴起的一个崭新的领域,随着研究的深入和技术的发展,纳米材料开始与许多学科相互交叉、渗透,显示出巨大的潜在应用价值,并且已经在一些领域获得了初步的应用。本文论述了纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、微乳液以及纳米复合材料等在生物医学领域中的研究进展和应用。
关键字：纳米材料；生物医学；进展；应用
1.前言
纳米材料是结构单元尺寸小于100nm的晶体或非晶体。所有的纳米材料都具有三个共同的结构特点:(1)纳米尺度的结构单元或特征维度尺寸在纳米数量级(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各纳米单元之间存在着或强或弱的相互作用。由于这种结构上的特殊性,使纳米材料具有一些独特的效应,包括小尺寸效应和表面或界面效应等,因而在性能上与具有相同组成的传统概念上的微米材料有非常显著的差异,表现出许多优异的性能和全新的功能,已在许多领域展示出广阔的应用前景,引起了世界各国科技界和产业界的广泛关注。
“纳米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性气体蒸发原位加热法制备成功具有清洁表面的纳米块材料并对其各种物性进行了系统研究。1987年美国和西德同时报道,成功制备了具有清洁界面的陶瓷二氧化钛。从那时以来,用各种方法所制备的人工纳米材料已多达数百种。人们正广泛地探索新型纳米材料,系统研究纳米材料的性能、微观结构、谱学特征及应用前景,取得了大量具有理论意义和重要应用价值的结果。纳米材料已成为材料科学和凝聚态物理领域中的热点,是当前国际上的前沿研究课题之一[1]。
2.纳米陶瓷材料
纳米陶瓷是八十年代中期发展起来的先进材料,是由纳米级水平显微结构组成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于100nm量级的水平[2]。纳米微粒所具有的小尺寸效应、表面与界面效应使纳米陶瓷呈现出与传统陶瓷显著不同的独特性能。纳米陶瓷已成为当前材料科学、凝聚态物理研究的前沿热点领域,是纳米科学技术的重要组成部分[3]。陶瓷是一种多晶材料,它是由晶粒和晶界所组成的烧结体。由于工艺上的原因,很难避免材料中存在气孔和微小裂纹。决定陶瓷性能的主要因素是组成和显微结构,即晶粒、晶界、气孔或裂纹的组合性状,其中最主要的是晶粒尺寸问题,晶粒尺寸的减小将对材料的力学性能产生很大影响,使材料的强度、韧性和超塑性大大提高。
常规陶瓷由于气孔、缺陷的影响,存在着低温脆性的缺点,它的弹性模量远高于人骨,力学相容性欠佳,容易发生断裂破坏,强度和韧性都还不能满足临床上的高要求,使它的应用受到一定的限制。例如普通陶瓷只有在1000℃以上,应变速率小于10-4/s时,才会发生塑性变形。而纳米陶瓷由于晶粒很小,使材料中的内在气孔或缺陷尺寸大大减少,材料不易造成穿晶断裂,有利于提高材料的断裂韧性;而晶粒的细化又同时使晶界数量大大增加,有助于晶粒间的滑移,使纳米陶瓷表现出独特的超塑性。许多纳米陶瓷在室温下或较低温度下就可以发生塑性变形。例如:纳米TiO2(8nm)陶瓷和CaF2陶瓷在180℃下,在外力作用下呈正弦形塑性弯曲。即使是带裂纹的TiO2纳米陶瓷也能经受一定程度的弯曲而裂纹不扩散。但在同样条件下,粗晶材料则呈现脆性断裂。纳米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。
传统的氧化物陶瓷是一类重要的生物医学材料,在临床上已有多方面应用,主要用于制造人工骨、人工足关节、肘关节、肩关节、骨螺钉、人工齿,以及牙种植体、耳听骨修复体等等。此外还用作负重的骨杆、锥体人工骨、修补移植海绵骨的充填材料、不受负重影响的人工海绵骨及兼有移植骨作用的髓内固定材料等。纳米陶瓷的问世,将使陶瓷材料在强度、硬度、韧性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、临床应用等方面纳米陶瓷材料将比传统陶瓷有更广泛的应用并具有极大的发展前景[1]。
目前,对于具有良好力学性能和生物相容性、生物活性的种植体的需求越来越大,由于生物陶瓷材料存在强韧性的局限性,大规模临床应用还面临挑战。随着纳米技术和纳米材料研究的深入,纳米生物陶瓷材料的优势将逐步显现,其强度、韧性、硬度以及生物相容性都有显著提高,随着生物医用材料研究的不断完善,纳米生物陶瓷材料终将为人类再塑健康人体[4]。
经过近几年的发展，纳米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成绩，但从整体来分析，此领域尚处于起步阶段，许多基础理论和实践应用还有待于进一步研究。如纳米生物陶瓷材料制备技术的研究——如何降低成本使其成为一种平民化的医用材料；新型纳米生物陶瓷材料的开发和利用；如何尽快使功能性纳米生物陶瓷材料从展望变为现实，从实验室走向临床；大力推进分子纳米技术的发展，早日实现在分子水平上构建器械和装置，用于维护人体健康等，这些工作还有待于材料工作者和医学工作者的竭诚合作和共同努力才能够实现[5]。
3.纳米碳材料
纳米碳材料由碳元素组成的碳纳米材料统称为纳米碳材料。在纳米碳材料群中主要包括纳米碳管、气相生长碳纤维、类金刚石碳等;纳米碳管、纳米碳纤维通常是以过渡金属Fe、Co、Ni及其合金为催化剂，以低碳烃化合物为碳源，以氢气为载气，在873～1473K的温度下生成的，其中的超微型气相生长碳纤
维又称为碳晶须,具有超常的物化特性，被认为是超强纤维。由它作为增强剂所制成的碳纤维增强复合材料，可以显著改善材料的力学、热学及光、电等性能,在催化剂载体、储能材料、电极材料、高效吸附剂、分离剂、结构增强材料等许多领域有着广阔的应用前景[6]。
纳米碳纤维除了具有微米级碳纤维的低密度、高比模量、比强度、高导电性之外,还具有缺陷数量极少、比表面积大、结构致密等特点,这些超常特性和良好的生物相容性,使它在医学领域中有广泛的应用前景,包括使人工器官、人工骨、人工齿、人工肌腱在强度、硬度、韧性等多方面的性能显著提高;此外,利用纳米碳材料的高效吸附特性,还可以将它用于血液的净化系统,清除某些特定的病毒或成份。
纳米碳材料是目前碳领域中崭新的.高功能、高性能材料,也是一个新的研究生长点。对它的应用开发正处于起步阶段，在生物医学领域中，纳米碳材料有重要的应用潜能。
4.纳米高分子材料
纳米高分子材料也可以称为高分子纳米微粒或高分子超微粒，主要通过微乳液聚合的方法得到。这种超微粒子具有巨大的比表面积，出现了一些普通微米级材料所不具有的新性质和新功能,已引起了广泛的注意。
聚合物微粒尺寸减小到纳米量级后,高分子的特性发生了很大的变化,主要表现在表面效应和体积效应两方面。表面效应是指超细微粒的表面原子数与总原子数之比随着粒径变小而急剧增大,表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同,因缺少相邻原子而呈现不饱和状态,具有很大的活性,它的表面能大大增加,易与其它原子相结合而稳定下来。体积效应是由于超微粒包含的原子数减少而使带电能级间歇加大,物质的一些物理性质因为能级间歇的不连续而发生异常。这两种效应具体反映在纳米高分子材料上,表现为比表面积激增,粒子上的官能团密度和选择性吸附能力变大,达到吸附平衡的时间大大缩短,粒子的胶体稳定性显著提高。这些特性为它们在生物医学领域中的应用创造了有利条件。目前，纳米高分子材料的应用已涉及免疫分析、药物控制释放载体、及介入性
诊疗等许多方面[7]。
纳米级骨修复材料具有传统材料无可比拟的生物学性能，已在组织工程和生物材料研究中显示出广阔的应用前景，将不同生物材料复合加工，研制出类似人骨的材料，将是今后骨修复材料的研究重点。当前用于骨科临床的纳米产品不多，其性能、微观结构和生物学效应尚有待系统研究。我们相信随着纳米技术、组织工程技术和生物技术的发展与综合，必将研制出新一代性能优异的纳米骨材料，为治愈骨缺损和骨折提供最佳的选择[8]。
5.纳米复合材料
纳米复合材料包括三种形式，即由两种以上纳米尺寸的粒子进行复合或两种
以上厚薄的薄膜交替叠迭或纳米粒子和薄膜复合的复合材料。前者由于纳米尺寸的粒子具有很大的表面能，同时粒子之间的界面区已经大到超常的程度，所以使一些通常不易固溶、混溶的组份有可能在纳米尺度上复合，从而形成新型的复合材料，研究和开发无机/无机、有机/无机、有机/有机以及生物活性/非生物活性的纳米结构复合材料是获得性能优异的新一代功能复合材料的崭新途径。
目前应用较广的医用材料多由一些有机高分子制成,受高分子的固有性质所限,材料的机械性能不够理想。碳纳米管具有比重低、长径比高、并且可以重复弯曲、扭折而不破坏结构,因此是制备强度高、重量轻、性能好的复合材料的最佳承荷增强材料。很多研究表明,向高分子材料中加入碳纳米管可以显著改善原有聚合物的传导性、强度、弹性、韧性和耐久性等性质。已经涉及的高分子材料包括聚氨酯、环氧树脂、聚苯乙烯等。对聚氨酯/多壁碳纳米管复合膜[9]和聚苯乙烯/多壁碳纳米管复合膜[10]的机械拉伸实验均显示,当碳纳米管与基体间存在良好的界面结合时,聚合物中的碳纳米管可以增强聚合物抗张强度。研究还发现,对碳纳米管进行石墨化温度处理和进行功能化有助于增强碳纳米管与聚合物基体间的相互作用[10],对于碳纳米管相关的复合膜和复合纤维的机械性能都有改善作用。Webster等[9]发现,MWNT和聚氨酯形成的复合材料较之传统的医用聚氨酯具有更好的电导性和机械强度,适合制造应用于临床的在体设备,如可能作为检查神经组织功能恢复情况的探针和骨科应用的假体等。
6.微乳液
微乳液是由油、水、表面活性剂和表面活性剂助剂构成的透明液体，是一类各向同性、粒径为纳米级的、热力学、动力学稳定的胶体分散体系。微乳液是热力学稳定体系，可以自发形成。微乳液小球的粒径小于100nm，微乳液呈透明或微蓝色。微乳液结构的特殊性使它具有重要的应用前景。近年来，随着乳液聚合理论和技术研究的不断深入，新型材料制备及分离技术的不断发展，人们对微乳液的应用研究十分关注，不断开发它在各领域中的应用，其中一些研究成果已转入实用化。
7.总结
纳米材料是80年代中期发展起来的新型材料,它所具有的独特结构使它显示出独特而优异的性能。尽管已对纳米材料的制备、结构与性能进行了大量的研究,但在基础理论及应用开发等方面还有大量的工作尚待进行[11]。
8.展望
纳米材料所展示出的优异性能预示着它在生物医学工程领域,尤其在组织工程支架、人工器官材料、介入性诊疗器械、控制释放药物载体、血液净化、生物大分子分离等众多方面具有广泛的和诱人的应用前景。随着纳米技术在医学领域中的应用,临床医疗将变得节奏更快、效率更高,诊断、检查更准确,治疗更有效[12]。
参考文献
[1]许海燕,孔桦.纳米材料的研究进展及其在生物医学中的应用[J].基础医学与临床,20xx,22(2):97-103.
[2]郭景坤,徐跃萍.纳米陶瓷及其进展[Ｊ].硅酸盐学报,1992,20(3):286-291.
[3]严东生.纳米材料的合成与制备[Ｊ].无机材料学报,1995,10(1):1-6.
[4]王竹菊,韩文波,陶树青.纳米生物陶瓷材料面对骨科应用中强度和韧性的挑战[J].中国组织工程研究与临床康复,20xx,1(11):160-163.
[5]蔡玉荣,周廉.用作生物材料的纳米陶瓷.[Ｊ].稀有金属快报,20xx,2:1-3.
[6]张锡玮.纳米碳纤维[Ｊ].高等学校化学学报,1997,18(11):1899-1901.
[7]严希康,朱留沙,董建春.聚合物粒子在生物化学与生物医学中的应用[J].功能高分子学报,1997,10(3):128-132.
[8]李坚.高分子纳米材料的研制及用于骨组织工程的初步研究[L].博士学位论文,20xx
[9]WebsterTJ,WaidMC,McKenzieJL,etal.Nano-biotechnology:carbonnanofibresasimprovedneuralandorthopaedicimplants.NanoTech,20xx;15∶48
[10]AndrewsR,JacquesD,QianDL,etal.Multiwallcarbonnanotubes:synthesisandapplication.AccChemRes,20xx;35(12)∶1008
[11]许海燕,孔桦,杨子彬.纳米材料及其在生物医学工程中的应用[J].国外医学生物医学工程分册,1998,21(5):262-266.
[12]王娟娟,马晓燕,梁国正.纳米材料在生物医学中的应用[Ｊ].化工新型材料，20xx,31(6):1-4.
纳米材料论文11
为继续保持我国在纳米科技国际竞争中的优势，并推动相关研究成果的转化应用，20xx 年国家科技部会同有关部门编制了“纳米科技”重点专项实施方案，并指出该重点专项的总体目标是获得重大原始创新和重要应用成果，提高自主创新能力及研究成果的国际影响力，力争在若干优势领域率先取得重大突破。申报指南指明重点专项包括“新型纳米制备与加工技术、纳米表征与标准、纳米生物医药、纳米信息材料与器件、能源纳米材料与技术、环境纳米材料与技术及纳米科技重大问题”7 个方面的研究方向。通过形式审查、函评、视频答辩等申报环节，最终有43 个相关项目获得资助。“能源纳米材料与技术”方向中的“5.2 纳米能量存储材料及器件”明确要求在“下一代锂、铝等储能电池的纳米电极材料结构的设计和充放电过程中的电子结构、晶体结构、界面反应的演化规律”方面开展研究工作，并指出相应的考核指标为新型纳米电极材料的锂电池储能密度大于400 W·h/kg，循环稳定性大于500 次。
针对指南“5.2”要求，厦门大学作为项目牵头单位，联合武汉理工大学、华南理工大学和中山大学，组织申报了以“高效纳米储能材料与器件的基础研究”为题目的项目，并最终获得了支持，项目批准号为20xxYFA0202600。下文介绍该项目的主要研究思路。
1 项目目的和意义
当前，煤、石油等化石燃料不断消耗导致的能源危机和环境污染成为了人类可持续发展面临的严峻挑战。开发可再生能源以及发展高效、廉价和环境友好的绿色储能系统迫在眉睫。近年来，随着科技的进步和需求的增长，锂离子电池从电子终端设备进一步扩展到电动汽车、智能电网、航空航天、军事储能等新能源高能耗领域，成为了今后的重点发展方向之一。然而，现有体系已难以满足高能量、高功率、长寿命和低成本的要求。因此，研发高能量密度、长循环寿命以及安全性能良好的新一代高性能锂离子电池对推进新能源产业的快速发展具有重要的科学意义和现实的紧迫性。
高性能锂离子电池的开发和应用是一项极其复杂的系统工程，国家重点研发计划“纳米科技”重点专项“高效纳米储能材料与器件的基础研究”项目正是聚焦在该领域中亟待系统和深入研究的关键科学问题，将在理论计算、材料制备、原位表征及器件组装等方向进行协同创新。通过完成本项目，研制出高性能锂离子电池纳米电极材料和新型固体电解质体系，深刻揭示纳米材料储能机制和容量衰减的本征因素，获得具有自主知识产权和国际核心竞争力的高比能新型高效纳米储能材料与器件的相关技术资料，推动纳米科技产业发展，显著提升我国在电化学储能领域的研发水平和技术创新能力。
2 项目总体目标
结合理论计算和实验结果验证，力争在下一代锂、铝等储能电池的关键材料及器件设计方面取得突破;发展电极微纳结构与表界面的原位表征技术;获得稳定且紧密结合的“纳米电极材料-电解质”界面关键核心技术;明确提升电池能量密度的优化策略及其实现途径;在电池能量密度、安全性、使用寿命以及生产成本等方面获得一系列原创性成果，解决其中一些重大基础和应用问题;最终实现锂离子样品电池能量密度大于400 W·h/kg，循环稳定性大于500 次的目标。
3 项目拟解决的关键科学与技术问题
围绕项目的总体目标，本项目凝炼出三个关键的科学问题：① 探寻高性能锂、铝等电池纳米电极材料和新型固体电解质体系，提出微纳复合结构电极材料的优化设计理论，实现纳米电极材料的可控制备，开发电极/电解质一体化界面构筑技术;② 发展电极微纳结构与表界面的原位表征方法，探索电极添加剂对材料性能的影响以及材料晶体结构、电子结构和界面反应的原位演化规律，揭示材料储能机制和容量衰减的本征因素;③ 开发高性能、低成本纳米储能材料的大面积可控制备技术，实现新型高效储能器件的设计与研制。
4 项目主要研究内容和主要技术指标
针对以上关键科学与技术问题，本项目拟开展以下几个方面的研究。
(1)高性能电池关键材料的理论预测与设计 通过第一性原理的电子结构计算以及分子动力学模拟方法，结合先进的结构预测方法，实现对电池关键材料电子性质的'计算和晶体结构的预测，为研制新型高能量密度的锂、铝等电池提供理论指导。
(2)纳米电极材料及电解质的研制与结构调控在前期理论计算与预测的基础上，探索高性能锂、铝等电池纳米电极材料新体系，提出微纳复合结构电极材料的性能优化策略;研制高离子导电率的电解质材料，并开发稳定且紧密结合的“纳米电极材料-电解质”界面新技术。
(3)电极微纳结构与表界面的原位表征及演化规律发展电极微纳结构与表界面的原位表征方法，探索锂、铝等电池的纳米电极材料在电化学反应过程中的电输运、电子结构、晶体结构、表观形貌和界面反应的演化规律，从而揭示电极材料的储能机制、容量衰减因素、SEI 膜和负极金属枝晶的形成过程及添加剂对电极材料电化学性能的本征影响，为进一步优化纳米电极材料的电化学性能提供理论指导。
(4)高效储能器件的设计与性能优化 基于理论计算预测和电池材料的实验验证，确定具有优异性能且匹配性良好的正负极材料，结合本项目研制的高离子导电率的电解质、隔膜及电池添加剂材料，通过均衡设计方法，设计和开发高比能的新型高效储能器件。
本项目的主要技术指标包括：获得2～3 个比容量不低于350 mA·h/g(正极材料)和1500 mA·h/g(硅基负极)的锂电池新材料体系;获得1～2 2 S/cm)电解质;发展1-2 S/cm)及无机硫化物(10-3～10-个具有高离子导电率的聚合物(10 种以上电极微结构与表界面的新型原位表征技术;锂离子样品电池能量密度大于400 W·h/kg、循环稳定性大于500 次。
5 项目团队及研究基础介绍
项目团队集成厦门大学、武汉理工大学、华南理工大学和中山大学在纳米储能领域的优势力量，依托厦门大学固体表面物理化学国家重点实验室、武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室和国家能源材料化学协同创新中心(厦门大学)，研究团队的组成具有良好的互补性。在前期研究中项目团队已获得了比容量达300 mA·h/g 的正极材料，构建了单根纳米线全固态电化学器件，实现了电化学反应过程中锂离子电池电极材料的形貌、结构及晶相变化和电荷载流子电输运性能的原位检测;钒系锂离子动力电池完成装车检测，显示出优异的安全性和低温性能。这些前期研究工作为本项目新型高效纳米储能器件的设计、组装与研制奠定了扎实基础，同时为将纳米能量存储材料的研究由“材料制备”层次提升到“器件研制”层次提供了可靠的技术保障。
6 技术挑战与风险
研制新一代高性能锂离子电池的关键是如何在多种技术路线中选择合理的研究方向，明确其中涉及的关键核心技术并提供确实可行的解决方案。为了降低技术风险，推进项目研究工作顺利进行，本项目将在理论计算和实验验证相结合的基础上制定合理的技术路线。此外，项目研究人员长期在纳米储能领域开展研究工作，具有较好的研究基础和经验，并与国内外锂电池研究团队及相关企业保持着密切的合作关系，由其前期自主研发的纳米线钒系锂离子动力电池的装车检测和结果为本项目开展高性能锂离子电池的基础研究与应用开发奠定了较好的基础。项目启动后，将定期开展项目课题间的研讨会并及时向项目专家组汇报最新研究进展、问题与成果，调整并逐步完善研究方案和实验路线，及时优化技术路线，尽量将完成本项目的总体目标的技术风险控制在最低范围内。
7 项目预期效益
电化学储能材料与器件是解决清洁能源转换、存储和利用的关键。发展高能量密度锂电池技术将为电动汽车、大规模储能、航空航天等提供亟需的、强有力的技术支撑，具有重要的科学意义和广阔的市场前景。本项目通过对高效纳米储能材料与器件的关键科学问题开展研究，预期在理论创新、材料制备、器件组装方面取得突破，即获得下一代锂离子电池关键材料的性能优化策略，实现性能优异的不同维度纳米电极材料及其复合材料的可控构筑和功能化，揭示电极微观结构对电荷载流子传输与扩散迁移等本征电化学行为的影响机制，设计并研制出高效纳米储能器件，完成锂离子样品电池能量密度大于400 W·h/kg，循环稳定性大于500 次的项目目标。项目实施将产生一批原创性学术成果和发明专利，推动高能量密度锂电池产业快速发展，提升我国在新一代电池技术的核心竞争力。
纳米材料论文12
1引言
40多年以前，科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应，诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等，只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上，如果多晶体中晶体区的特征尺度（晶粒或晶畴直径或薄膜厚度）达到某种特征长度时（如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等），材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用，也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此，HGleitCr认为，如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体，即主要由非共格界面构成的材料[例如，由 50％（in vol．）的非共植晶界和 50％（in vol．）的晶体构成］，其结构将与普通多晶体（晶粒大于lmm）或玻璃（有序度小于2nm）明显不同，称之为纳米晶体材料（nanocrystalline materials）。后来，人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围（小于 100nn）的材料广义定义为纳米材料或纳米结构材料（nanostructured materials）。由于其独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前，广义的纳米材料的主要? 括?BR> l）清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子讲结构；功半结晶聚合物和聚合物混和物；4）纳米晶体和纳米玻璃材料；5）金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。
经过最近十多年的研究与探索，现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展，研究成果日新月异，研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度，介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。
2纳米材料的制备与合成
材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为两步过程和一步过程。两步过程是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等，其中，PVD法以惰性气体冷凝法最具代表性。一步过程则是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前，关于制备科学的研究主要集中于两个方面：l）纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量；2）纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。
3纳米材料的奇异性能
1）原子的扩散行为
原子扩散行为影响材料的许多性能，诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14～16个量级，比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明：Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散，这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的复相纳米合金（由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成）中的扩散要比在非晶合金中快10～14倍，这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。
2）力学性能
目前，关于纳米材料的力学性能研究，包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有（或很少）孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷，早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展，使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。
许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2～7倍。随着晶粒的减小，硬度增加的.现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为，纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如，纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70％。然而，最近的研究发现，这完全是样品中的缺陷造成的，纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同，屈服强度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低，总延伸率仅1％～4％，晶粒尺寸为 110nm的 Cu延伸率大于 8％。从粗晶到 15urn，Cu的硬度测量值满足 HallPetch关系；小于15nm后，硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓，虽然硬度值很高，但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过，纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度纳米晶 Cu牙D Pd的压缩屈服强度可达到 1GPa量级。
尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推，纳米材料应该既具有高强度，又有较高韧性。但迄今为止，得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时，其断裂应变仅为＜5％，远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu，其拉伸应变量可高达30％，说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。
纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明，随着晶粒的减小，在初始阶段（类似于纯金属盼情况）发生硬化，进一步减小晶粒，硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的，但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化，如晶界、致密性、相变、应力等，都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。
研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能，但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品，进行了微型盘弯曲试验，观察到含碳量低的材料略表现出韧性，而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用双向盘弯曲试验研究了纳米晶NiAl，发现晶粒小于10nm时，屈服强度高干粗晶NiAl，且在室温下有韧性，对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真应变大于1．4），且屈服强度高（是粗晶的1O倍）。测量TiAl（平均晶粒尺寸约10nm）的压缩蠕变（高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化）表明，在起始的快速蠕变之后，第二阶段蠕变非常缓慢，这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时（低于扩散蠕变开始温度），纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降，原因之一是压头载荷使样品进一步致密化，而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道，在750～950°C，10-5～10-3s-1的应? 渌俾史段В纳米晶Ti-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形变应力指数约为6，说明其形变机制为攀移位错控制。
值得注意的是，最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明，高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶（3～5nm）Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示，其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转，不发生开裂和位错发散，这与粗晶材料是截然不同的。
3）纳米晶金属的磁性
早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材
a-Fe约低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性（或弱铁磁性）的界面区域构成，界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒，而且可以扩展越过界面，使数百个晶粒磁化排列。
Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸（50mm～7nm）无关，但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小，矫顽力显著增加。Schaefer等报道，纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（块状Ni为0．6mB／原子），界面组份的居里温度（545K）比块状晶体Ni的（630K）低。最近的研究还发现，制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大，纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。
Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，软磁性能良好，可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美，且饱和磁化强度很高（Bs约为1．3T）。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为Finemet。性能最佳的结构为a-Fe（Si）相（12～20nm）镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸缩系数ls下降到 2′10-6。继 Finemet之后， 90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金 Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（称为Nanoperm）。退火后，这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10～20nm，饱和磁化强度可达1．5～1．7T，磁导率达到48000（lkHz）。铁芯损耗低，例如，Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1（在 1T， 50Hz条件下），比目前做变压器铁芯的 Fe78Si9B13非晶合金和 bccFe-3．5％Si合金小45％和 95％，实用前景非常诱人。
4）催化及贮氢性能
在催化剂材料中，反应的活性位置可以是表面上的团簇原子，或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很适宜作催化材料。事实上，早在术语纳米材料出现前几十年，已经出现许多纳米结构的催化材料，典型的如 Rh／Al2O3、 Pt／C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。
Sakas等报道了纳米晶5％（in mass）Li-MgO（平均直径5．2nm，比表面面积750m2·g-1）的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好，催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C，尽管略有烧结发生，纳米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。
Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体，作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如，选择性还原SO2为S的反应，可在500°C实现100％转换，而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末，活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外，CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后，且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行，这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成，毋须添加资金属元素。
FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢，必须进行活化处理， 即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学 当量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸为 20～30nm，吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶 Mg2Ni 的吸氢只能在高温下进行（如果氢压力小于20Pa，温度必须高于250°C），低温吸氢则需要长时间和高的氢压力，例如 200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。纳米晶 Mg2Ni在 200°C以下， 即可吸氢，毋须活化处理。 300°C第一次氢化循环后，含氢可达～3.4％（in mass）。在以后的循环过程中，吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是：在真空中加热到400～450℃，随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高（35～65Pa）的氢中，激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域（约占材料的20％～30％）构成。
4纳米材料应用示例
目前纳米材料主要用于下列方面：
l）高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料
纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中，力学性能提高约一个量级，还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤：起始溶液的制备与混和；喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末；再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂，可以抑制烧结过程中的晶粒长大。
2)纳米结构软磁材料
Finemet族合金已经由日本的Hitachi Special Metals，德国的Vacuumschmelze GmbH和法国的 Imply等公司推向市场，已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的 Alps Electric Co．一直在开发Nanoperm族合金，该公司与用户合作，不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。
3)电沉积纳米晶Ni
电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构，但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份，电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大，添加溶质并使其偏析在晶界上，以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应，可实现结构的稳定。例如，添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布，表现为Hall－Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点，使管材的内涂覆，尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为 EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中，微合金化的涂层晶粒尺寸约为 100nm，材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍，延伸率为15％。晶间开裂抗力大为改善。
4）Al基纳米复合材料
Al基纳米复合材料以其超高强度（可达到1.6GPa）为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如 Y、 Ce）和过渡族金属（如 Fe、Ni）。通常必须用快速凝固技术（直接淬火或由初始非晶态通火）获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似，即室温下超常的高屈服应力和加工软化（导致拉神状态下的塑性不稳定性）。这类纳米材料（或非晶）可以固结成块材。例如，在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体，晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100～200nm，镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8～1GPa，拉伸韧性得到改善。另外，这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化，注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材，并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为：在1s-1的高应变速率下，延伸率大于500％。
5结语
在过去十多年里，尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展，但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如，如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料，以真实地反映纳米材料的本征结构与性能？如何开发新的制备技术与
工艺，实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化？纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构（晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等）的？反之，如何利用微观结构的设计与控制，发展具有新颖性能的纳米材料，以拓宽纳米材料的应用领域？某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力？如何实现纳米材料的功能与结构一体化？如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性？等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键，也是纳米材料研究被称为高风险与高回报并存的原因。
我国系统开展纳米材料的科学研究始于80年代末，经过近十年的努力，已经做出了一批高水平、有国际影响的工作。整体水平和实力紧步美、日、德等主要西方国家之后，受到国际学术界的高度重视。然而，在激烈的国际竞争形势下，急需以现有工作为基础，以若干学科为突破目标，集中人力、物力、财力的投入，使我国在这一领域的研究水平上一个新台阶。
致谢：作者在从事纳米材料的研究中得到国家自然科学基金委（国家自然科学基金资助课题：59001447，59321001，59431021，59771019，59471014，59431022）、国家科委（攀登计划：纳米材料科学）、中国科学院的资助，谨在此对上述机构表示衷心感谢。
纳米材料论文13
纳米钯/ 聚合物复合材料是将纳米钯粒子均匀地分散到聚合物中，具备纳米钯和聚合物的许多特性，如独特的热性能、导电性能和催化性能。目前关于纳米钯/复合材料的合成方法已有很多，如紫外光辐射法、超声辐射法等，但此类技术多少都存在些许缺陷。微波辐射法具有操作简单、快速、节能、省时、无污染等优良特性，可在较短时间内制备出分布较窄、粒径小、纯度高的纳米复合材料，与传统方法相比展现出了明显的优势。
1 实验部分
1.1 主要原料
2 – 丙烯酰胺基–2– 甲基丙磺酸(AMPS)：山东寿光联盟精细化工有限公司; 丙烯酰胺(AM)：天津市福晨化学试剂厂;盐酸：上海化学试剂有限公司;氢氧化钠：天津市津北精细化工有限公司;无水乙醇：天津博迪化工股份有限公司;氯化钯：陕西开达化学有限公司;DMF(C3H7NO)：无锡市亚盛化工有限公司。除AMPS 为工业品外，其他试剂均为分析纯。
1.2 主要仪器
WBFY– 201 微电脑微波化学反应器：巩义市予华仪器有限责任公司;PHS – 3C PHC 酸度计：上海天达仪器有限公司;JEOL – 20xx 透射电子显微镜(TEM)：日本电子株式会社;S – 3000N 扫描电子显微镜(SEM)：日本日立公司;AR–G2 流变仪：美国TA 公司。
1.3 纳米金属钯/P(AM–AMPS)复合材料的合成
取一定量的氯化钯溶于适量的1.0 mol/L 的盐酸溶液中，搅拌至完全溶解，加入适量的AMPS和AM(n(AM)∶n(AMPS)分别为1∶1、2∶ 1、7∶3、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)，用0.5 mol/L的NaOH 溶液调节pH 值(1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0)，然后置于微波反应器中反应45 min，反应结束后将粗产品依次经过无水乙醇洗涤3 次、DMF 萃取并在100 ℃ 真空干燥箱中干燥12 h 后即可得到黑色成品。
1.4 纳米钯复合材料的表征
对经研磨后的上述成品(即黑色固体粉末)进行SEM 表征。取少量成品用丙酮溶解稀释，然后对其进行TEM 测试。
2 结果与讨论
2.1 扫描电镜照片
共聚物呈空间网状结构，有明显的孔洞，比表面积大，纳米粒子可以更多地进入聚合物内部;因而当钯粒子被还原的同时两单体发生共聚反应，达到稳定分散纳米钯粒子的效果。
2.2 透射电镜照片
微波制备的钯粒径分布在10 ~ 30 nm，平均粒径20 nm左右，均匀地分散在共聚物P(AM–AMPS)中。分析人员从图右上角电子衍射照片分析出纳米钯为面心立方多晶结构。根据电子衍射基本公式d =K/R(其中K 为电镜常数2.008 mm/nm，R 是衍射环的半径)计算相应晶面间距d，与标准物PDF 卡片(87–0638)相吻合。
2.3 溶液pH 对聚合度的影响
对于同种聚合物，聚合度越大其黏度(η)越大。因此可通过测定聚合物的η 间接说明聚合程度的大小。pH = 7.0 左右时体系的`黏度最高，亦即两单体此时的共聚合程度最大。2.4 单体配比对聚合反应的影响随着反应中AM 量的增加且比值不大于2 时所得到的共聚产物极易被水迅速溶解;随着n(AM)∶n(AMPS)的比例增大，聚合物的η 也随之变大;当单体n(AM)∶n(AMPS)=4∶1时，聚合物η 最大。因此，在确保其他条件不变，n(AM)∶n(AMPS)= 4∶1 时，聚合反应程度最大。
2.5 微波辐照时间对聚合体系的影响
随着微波辐照时间的延长，聚合物的黏度越来越大， 当微波辐照时间为45min 时达到最大值，45 min 之后黏度基本保持不变。因此最佳的微波辐照时间为45 min 左右。
3 结论
采用微波辐辐法，在不加任何还原剂和引发剂的条件下合成纳米钯/P(AM–AMPS)复合材料。微波制备的纳米钯粒子的粒径约为20 nm，均匀地分散在基体共聚物P(AM–AMPS)中。在pH约为7.0、n(AM)∶n(AMPS)=4、微波反应时间45 min 时，两单体的共聚合程度最大，且呈网状结构，对纳米粒子具有很好的包覆性。
纳米材料论文14
摘要:纳米技术作为一门新兴的技术，在多个领域具有非常重要的应用，尤其是极大地推动了新型建材的发展，介绍了纳米技术在新型建筑涂料、复合水泥、自洁玻璃、陶瓷、防护材料等方面的应用，通过论述可知，纳米材料在新型建材领域具有很好的发展应用前景。
关键词:纳米技术;新型建材;应用;前景
1 纳米涂料的应用
通常传统的涂料都存在悬浮稳定性差，耐老化、耐洗刷性差，光洁度不够等缺陷。而纳米涂料则能较好的解决这一问题，纳米涂料具有下述优越的性能:
(1)具有很好的伸缩性，能够弥盖墙体细小裂缝，具有对微裂缝的自修复作用。
(2)具有很好的防水性，抗异物粘附、沾污性能，抗碱、耐冲刷性。
(3)具有除臭、杀菌、防尘以及隔热保温性能。
(4)纳米涂料的色泽鲜艳柔和，手感柔和，漆膜平整，改善建筑的外观等。
虽然国内外对纳米涂料的研究还处在初步阶段，但是已在工程上得到了较广泛的应用，如北京纳美公司生产的纳米系列涂料已大量应用于北京建欣苑、建东苑等住宅区的外墙粉刷，效果良好。在首体改造工程中，使用纳米涂料1700吨，涂刷6万平方米。复旦大学教育部先进涂料工程研究中心的专家已研发出了“透明隔热玻璃涂料”。
2 纳米水泥的应用
普通水泥混凝土因其刚性较大而柔性较小，同时其自身也存在一些固有的缺陷，使其在使用过程中不可避免地产生开裂并破坏。为了解决这一问题就必须加速对具有特殊性能混凝土的研发，而纳米混凝土就能有效的解决这样问题，纳米混凝土，与普通混凝土相比，纳米混凝土的强度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有显著提高，同时还具有防水、吸声、吸收电磁波等性能，因而可用于一些特殊的建筑设施中(如国防设施)。通常在普通混凝土中加入纳米矿粉(纳米级SiO2、纳米级CaCO3)或者纳米金属粉末已达到纳米混凝土的性能，而且通过改变纳米材料的'掺量还能配置出防水砂浆等。目前开发研制的纳米水泥材料包括纳米防水复合水泥，纳米敏感水泥、纳米环保复合水泥以及纳米隐身复合水泥。
纳米防水水泥是通过在水泥中添加XPM水泥外加剂的纳米材料而制成的，该纳米外加剂掺入水泥后，可以加快水泥诱导期和加速期的水化反应，改善水泥凝固的三维结构，同时提高水泥石的密实度，增强了防水性能。
纳米敏感水泥是在水泥中加入对周围环境变化十分敏感的纳米材料，从而达到改善水泥制品温敏、湿敏、气敏、力敏等性能。根据添加的敏感材料的不同可将纳米敏感水泥用于化工厂的建设、高速路面的铺设等。
纳米环保复合水泥是利用纳米材料的光催化功能，从而使水泥制品具有杀菌、除臭以及表面自清洁等功能。通常是选用TiO2作为纳米添加剂。
纳米隐身复合材料是通过使用具有吸收电磁波功能的纳米材料(纳米金属粉居多)，在电磁波照射时，纳米材料的表面效应使得原子与电子运动加剧，促使电子能转化为热能，加强对电磁波的吸收，从何使材料能够在很宽的频带范围内避开雷达、红外光的侦查，这一材料常用于军事国防建筑等。
3 纳米玻璃的应用
普通玻璃在使用过程中会吸附空气中的有机物，形成难以清洗的有机污垢，同时，水在玻璃上易形成水雾，影响可见度和反光度。而通过在平板玻璃的两面镀制一层TiO2纳米薄膜形成的纳米玻璃，则能有效的解决上述缺陷，同时TiO2光催化剂在阳光作用下，可以分解甲醛、氨气等有害气体。此外纳米玻璃具有非常好的透光性以及机构强度。将这种玻璃用作屏幕玻璃、大厦玻璃、住宅玻璃等可免去麻烦的人工清洗过程。
4 纳米技术在陶瓷材料中的应用
陶瓷因其具有较好的耐高温以及抗腐蚀性以及良好的外观性能而在工程界得到了广泛的应用(如铺贴墙面的瓷砖)，但是陶瓷易发生脆性破坏，因而在使用过程中也受到了一定的限制。使用纳米材料开发研制的纳米陶瓷则具有良好的塑性性能，能够吸收一定量的外来能量。在陶瓷基中加入纳米级的金属碳化物纤维可以大大提高陶瓷的强度，同时具有良好的抗烧蚀性，火箭喷气口的耐高温材料就选用纳米金属陶瓷作为耐高温材料。用纳米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韧性、高强度、耐磨性、低温超塑性、抗冷热疲劳等性能优点。纳米陶瓷将作为防腐、耐热、耐磨的新材料在更大的范围内改变材料的力学性质，具有非常广阔的应用前景。
5 纳米技术在防护材料中的应用
通常是在胶料中加入炭黑等以提高材料的防水性能，但这种材料的耐腐蚀性以及耐侯性较差，易老化，研制具有高强、耐腐蚀、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在积极研究的问题，纳米防水材料能够很好满足上述要求，北京建筑科学研究院就成功的研制了具有较好耐老化性能的纳米防水卷材，该类防水卷材具有很好的强度、韧性、抗老化性以及光稳定性、热稳定性等。纳米防水卷材具有叫广泛的应用前景，如建筑顶面、地下室、卫生间、水利堤坝以及防潜工程等。
6 纳米保温材料
随着我国推行节能减排的方针，工程界也越来越注重建筑的保温节能性能，我国目前使用的比较多的仍是聚氨酯、石棉等传统隔热保温材料，这些材料在使用过程中容易产生一些对人体有害的物质，如石棉与纤维制品含有致癌物质，聚氨酯泡沫燃烧后释放有毒气体，而通过使用纳米材料开发研制的保温材料则能避免这些弊端，如以无机硅酸盐为基料，经高温高压纳米功能材料改性而成的保温材料不仅具有很好的保温效果，同时对人体也无损害，是一种绿色环保保温材料。
7 纳米技术在其粘合剂以及密封材料和润滑剂方面的应用
对于一些在深海中作业的结构以及其他特殊环境下工作的构件，它们对结构的密封性的要求非常高，已超过了普通粘合剂和密封剂所能满足的范围。国外通过在普通粘合剂和密封胶中添加纳米SiO2等添加剂，使粘合剂的粘结效果和密封胶的密封性能都大大提高。其工作机理是在纳米SiO2的表面包覆一层有机材料，使之具有永久性，将它添加到密封胶中很快形成一种硅石结构，即纳米SiO2形成网络结构的胶体流动，提高粘接效果，由于颗粒尺寸小，更增加了胶的密封性。大型建材机械等主机工作时的噪声达到上百分贝，用纳米材料制成的润滑剂，既能在物体表面形成半永久性的固态膜，产生根好的润滑作用，大大降低噪声，又能延长装备使用寿命，具有非常好的应用前景。
8 结语
纳米技术作为一门新兴的学科，被誉为二十一世纪最具有发展前景的技术，是对未来经济和社会发展产生重大影响的一种关键性前沿技术。纳米技术在建筑材料方面的应用前景非常广阔，纳米技术不仅会推动建材新产品的开发，还将为改善人们的生活环境，提高生活质量做出不可估量的贡献。纳米功能材料已成为国内外研究的热点，目前研究开发工作正处于刚刚起步阶段，还有很多问题还未很好的解决，需要将进一步加速对纳米材料的研究以及推广应用。纳米材料将成为21世纪新型建筑材料的发展新方向，相信在不久的将来，我们将跨入一个全新的材料时代—纳米材料时代。
参考文献
[1]@张立德.纳米材料[M].北京:化工出版社，20xx.
[2]@宋小杰.纳米材料和纳米技术在新型建筑材料中的应用[J].安徽化工，20xx，(8):14-17.
[3]@杨毅，姜炜，刘宏英，李凤生.纳米复合技术在新型建材中的应用[J].中国粉体技术，20xx，(1):43-48.
[4]@魏志强，王政军，乔红霞等.纳米技术在建筑材料中的发展与应用[J].中国粉体技术，20xx，(1):45-48.
[5]@唐辉宇，陈丽娟.纳米技术与环保建材[J].四川建材，20xx，(1):6-8.
纳米材料论文15
长期、可靠地保护敏感电路及元器件， 在当今众多灵敏的电子产品应用中变得越来越重要。 电子器件功率的不断增加以及小型化、高密度封装的趋势，导致芯片功率密度迅速增大， 其内部的热流密度也随之增加， 从而使芯片散热面临严峻的考验， 对于热管理的需要也不断增加。 低热阻、高热导率的散热材料能有效地将芯片产生的热量快速导出并耗散掉。热管理材料主要包括散热片用材料、热界面材料和聚合物基外围封装散热材料 3类， 其中散热片用材料主要是铜铝等高导热金属材料， 用于制备封装外围的被动散热片； 热界面材料则用于连接芯片、热沉和散热片等以形成主要的导热通路， 将热量从芯片散逸至外围散热设施； 外围封装散热材料则主要是含有高导热粒子的聚合物基复合材料， 在封装结构中起辅助散热作用。
1 碳纳米管作为导热添加剂
碳纳米管极高的热导率推动了改善聚合物基复合材料导热性能的研究。 已经有大量的研究证明， 将碳纳米管作为填料对改善聚合物基复合材料的热传导有显著的效果。 含有 1%（质量分数）单壁碳纳米管的环氧树脂复合材料室温下的热导率相对于未添加样品提高了 125%， 当单壁碳纳米管含量为 3%（质量分数）时其热导率提高了 300%， 但是这与单根碳纳米管的热导率相比是微乎其微的。 基于目前添加碳纳米管改性聚合物基复合材料导热性能的研究，主要有 5 个因素阻碍了此类复合材料导热性能的进一步提升： （1） 碳纳米管在基体中的分散较差；（2） 碳纳米管复合材料的界面； （3） 碳纳米管在复合材料中的取向； （4） 碳纳米管的长径比；（5） 碳纳米管在复合材料中的含量。 但是， 不论是改善碳纳米管在树脂基体中的分散、界面、取向程度、提高含量等， 所获得的复合材料的热导率基本都低于 1 W/（m K）， 这主要是由于仅靠碳纳米管一种填料作为复合材料中的导热网络的单一组分复合体系，其能发挥的效果有限。 因此， 可将碳纳米管和其他导热填料共同用于复合材料， 构成三维的导热网络结构， 通过它们之间的协同效应， 使复合材料表现出比单独一种材料更加优异的性能。
2 碳纳米薄膜制备及其不同方向的导热性能
2。1 碳纳米管薄膜的制备
碳纳米管薄膜又称巴基纸， 是由相互缠绕的碳纳米管通过管间的范德华力构成的像纸一样的、具有自支撑结构的碳纳米管薄膜。 碳纳米管薄膜的制备方法可以分为真空抽滤法、碳纳米管垂直阵列抽丝法、直接生长法、流延法、旋涂法、滚压法等。 真空抽滤法是一种极为简单的方法，在制备高性能薄膜方面具有广泛的.应用前景。 该方法是将碳纳米管粉体混入溶剂中， 在表面活性剂的辅助作用下， 经超声分散、高速剪切等方法形成碳纳米管的悬浮分散液， 然后使用滤膜（聚四氟乙烯滤膜、纤维素滤膜等）通过真空抽滤令碳纳米管在其表面成膜的一种方法。 该方法制备的碳纳米管薄膜厚度可以通过配置不同浓度和体积的悬浮分散液得到精确的控制， 此外， 该方法还具有操作简单、成膜均匀、制备效率高等优点， 是较为普遍应用的制备方法。
阵列拉膜法制备的碳纳米薄膜， 可以实现碳纳米管在其中良好的取向结构， 但是这类可拉膜的碳纳米管垂直阵列制备工艺较为复杂、生产成本较高、产量低、难以获得大面积的碳纳米管薄膜。 而立式浮动催化法或卧式浮动催化法直接从化学气相沉积（CVD）系统高温管式炉中连续拉出碳纳米管薄膜技术的快速发展， 为制备大面积碳纳米管薄膜实现了技术上的突破， 在碳纳米管的批量化制备中具有重要意义。
2。2 碳纳米管网络结构对其导热性能的影响
通过各种方法均能得到碳纳米管的自支撑薄膜，但薄膜内部结构差异化， 使最终得的宏观材料表现出不同的传热特性。
通过控制碳纳米管的长度、管径等因素， 可制备出具有理想三维网络结构的柔性碳纳米管薄膜，其热导率可高达 4。02 W/（m K）， 其传热阻抗仅有 0。27cm2K/W， 低于导热硅脂和商用散热石墨片， 并且具有固态自支撑特性， 在作为导热界面材料时， 能够在不污染器件表面的条件下实现高效传热。 研究了碳纳米管直径和长度对碳纳米管薄膜三维网络结构的影响。 碳纳米管的直径对碳纳米管纸中形成的网络结构与热传导特性有重要影响。 研究选用了 3种不同结构的碳纳米管作为原料进行了对比试验， 分别用直径 1 nm 的单壁碳纳米管、直径为 10 和 50 nm 的多壁碳纳米管抽滤法制备了厚度均为 80 μm 的碳纳米管纸， 从 3 种碳纳米管纸微观结构分析发现， 单壁碳纳米管更趋于形成致密的且碳管呈水平分布的结构， 且在三者中具有最高的传热阻抗（2。89 cm2K/W）。直径较小（10 nm）的多壁碳纳米管制备的碳纳米管纸形成相对松散的网络结构， 且还有一部分的碳纳米管伸出巴基纸的表面， 因而传热阻抗降低到 1。58 cm2K/W。 直径 50 nm 大管径的多壁碳纳米管巴基纸显示出非常多的孔结构， 而且更多的碳纳米管沿着厚度方向排布， 具有三者中最低的传热阻抗 0。53 cm2K/W。因此可以推断出， 长径比更小的大直径多壁碳纳米管在抽滤制备碳纳米管纸的过程中， 更趋向于形成三维网络结构， 从而有利于沿厚度方向的热传导。
3 碳纳米管阵列技术及其在热界面材料中的应用
优异的热界面材料需要具备以下几种特性： （1）可压缩性及柔软性； （2） 高热传导性； （3） 低热阻； （4）表面浸润性； （5） 适当的黏性； （6） 对扣合压力的敏感性要高； （7） 容易使用及处理； （8） 可重复使用性； （9）冷热循环时稳定性好等。 虽然上文所述的各种方法实现对碳纳米管薄膜结构的调控， 使得碳纳米管薄膜不论在 X 方向还是 Z 方向的热传导性都有显著的提高， 但是这几种材料体系通常都有较高的界面热阻， 若要开发碳纳米管在热界面材料领域的应用， 除了实现碳纳米管薄膜高的热传导性， 另一个关键需求就是低的界面热阻， 因而需要进一步提高碳纳米管在 Z 方向的取向， 实现与上下两个界面的良好接触，并且可压缩、耐一定的温度。
3。2 碳纳米管阵列复合及表面修饰
由于碳纳米管阵列本身自支撑强度低， 较易受到外力破坏， 在实际的应用中将其保护起来也是较重要的步骤， 而材料复合技术则是最常用的保护方法。 目前， 主要的复合基体材料为金属铜和聚合物。
Ngo 等人使用传统的电沉积工艺将碳纳米管阵列与电镀铜复合， 测出的复合材料热阻比纯阵列降低 60％左右。 Chai 等人也尝试了将阵列与铜电镀复合， 测出的热阻在铜体积分数达到 40%时能够达到 10 mm2K/W 以下， 且复合材料热阻低于纯阵列热阻。 这种复合材料提高阵列导热性的可能机理与其表面碳管的露出有关， 在施加压力时露出的碳管被压弯从而造成上接触面接触到复合材料中的铜，铜参与到导热过程， 进而降低了体系热阻。
将阵列与聚合物复合是目前碳纳米管复合材料的研究热点之一。 目前研究表明， 用激光热导法测量得到的碳纳米管阵列中沿着碳纳米管取向方向的热导率通常都低于 60 W/（m K）。 Huang 等人使用“原位注射成型法”使完整的碳纳米管阵列与硅树脂复合，并测试了复合结构的热导率。 测试结果表明， 加入阵列的硅树脂热导率比纯硅树脂提升1~3倍， 但他们没有将复合材料热导率与纯阵列作比较， 而只是将阵列作为硅树脂的一种特别的增强相研究。
3。3 碳纳米管阵列两端表面改性
在阵列表面镀金属膜的方法能在一定程上度改善阵列表面与散热基底的接触热阻。 Wu 等人用电子束蒸发的方式在阵列表面镀上一层 1 μm 厚度的铝膜， 试图降低碳纳米管阵列与上表面的接触热阻， 但是效果不佳， 随着阵列厚度的上升， 接触热阻降低的程度逐渐下降。 推测可能的原因如下： 随着阵列高度的增加， 其中能长到顶端面的碳管数目越来越少， 从而铝片能黏结到的碳管也在减少， 铝片的作用逐渐下降变得不明显； 另外， 实验所用的阵列是阵列与聚二甲基硅氧烷制备的复合材料， 虽然用原位注射成型法保护了上表面碳管的露出， 但也抑制了碳管的整体变形程度使其适应表面粗糙度的能力下降。 Panzer 等人同样也使用表面镀金属膜的方法增强碳纳米管阵列与接触面的传热， 他们在阵列表面镀上一层 20 nm 的 Pd 膜和一层 160 nm 的 Al 膜， 而后用激光热反射法测得阵列的热导率为 8 W/（m K），热阻 3。5 mm2K/W。 他们认为由于界面热阻较大， 导致了较低的热导率， 并提出在一个阵列中只有部分最高的碳管能够和金属膜结成一体， 而没有与金属膜结合的碳管则必须依靠相邻碳管的传热， 碳纳米管阵列中管间热阻非常大， 表面镀金属膜反而可能会抑制阵列本身经过压力适应表面粗糙度的能力。
4 结语
碳纳米管在热管理材料领域的研究目前已取得了很大的进步和显著的成果， 但单根碳纳米管优异的导热性能却始终没能在其宏观组装结构中得到良好体现， 并且其可靠性研究目前还尚属空白。 因此，如何将碳纳米管微观的优良性能在宏观组装体中充分展示出来， 是未来技术改进的一大挑战。 相对于传统的散热材料而言， 碳纳米管具有高导热、低密度、稳定等突出优点， 是目前能够适应不断提高的电子器件功率的最佳的散热材料。 虽然目前纳米碳复合材料应用与电子器件的散热还存在着性能、材料设计、成本、封装工艺等一系列问题， 但无可否认的是，碳纳米管在散热材料领域有巨大潜力。 在未来以微型电子器件为主流的发展趋势下， 发展大的堆积密度碳纳米管薄膜及大管径的碳纳米管阵列复合材料，可能是未来碳纳米管应用于热管理材料领域的主要方向。
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