納米材料科技論文
納米材料科技論文
納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10～100個原子緊密排列在一起的尺度。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理的納米材料科技論文，希望你能從中得到感悟!
納米材料科技論文篇一
納米材料綜述
【摘要】 本文綜述了納米材料的發(fā)展、種類、結(jié)構(gòu)特性、目前應(yīng)用狀況和相關(guān)的應(yīng)用前景，并對我國和國際目前的研究水平和投入做了對比分析。
【關(guān)鍵詞】 納米、納米技術(shù)、納米材料、納米結(jié)構(gòu)
1 引言
著名科學(xué)家費(fèi)曼于1959年所作的《在底部還有很大空間》的演講中，以“由下而上的方法”出發(fā)，提出從單個分子甚至原子開始進(jìn)行組裝，以達(dá)到設(shè)計要求。他說道，“至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個原子一個原子地制造物品的可能性。”并預(yù)言，“當(dāng)我們對細(xì)微尺寸的物體加以控制的話，將極大得擴(kuò)充我們獲得物性的范圍。”[1]
1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工。1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具――掃描隧道顯微鏡，使人類首次在大氣和常溫下看見原子，為我們揭示一個可見的原子、分子世界，對納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用。1990年7月，第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會議在美國巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。[2]
2 納米技術(shù)
納米技術(shù)是在單個原子、分子層次上對物質(zhì)的種類、數(shù)量和結(jié)構(gòu)形態(tài)進(jìn)行精確的觀測、識別和控制的技術(shù)，是在納米尺度范圍內(nèi)研究物質(zhì)的特性和相互作用，并利用這些特性制造具有特定功能產(chǎn)品的多學(xué)科交叉的高新技術(shù)。其最終目標(biāo)是人類按照自己的意志直接操縱單個原子、分子，制造出具有特定功能的產(chǎn)品。
3 納米材料
3.1納米材料的概念
納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10～100個原子緊密排列在一起的尺度。從尺寸大小來說，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下，即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。
納米材料具有一定的獨(dú)特性，當(dāng)物質(zhì)尺度小到一定程度時，則必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時則將有10的9次方倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。
3.2納米材料的分類
納米材料大致可分為納米粉末、納米纖維、納米膜、納米塊體等四類。其中納米粉末開發(fā)時間最長、技術(shù)最為成熟，是生產(chǎn)其他三類產(chǎn)品的基礎(chǔ)。
(1)納米粉末
納米粉末又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料?？捎糜冢焊呙芏却庞涗洸牧?吸波隱身材料;磁流體材料;防輻射材料;單晶硅和精密光學(xué)器件拋光材料;微芯片導(dǎo)熱基片與布線材料;微電子封裝材料;光電子材料;先進(jìn)的電池電極材料;太陽能電池材料;高效催化劑;高效助燃劑;敏感元件;高韌性陶瓷材料(摔不裂的陶瓷，用于陶瓷發(fā)動機(jī)等);人體修復(fù)材料;抗癌制劑等。
(2)納米纖維
納米纖維指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料?？捎糜冢何?dǎo)線、微光纖(未來量子計算機(jī)與光子計算機(jī)的重要元件)材料;新型激光或發(fā)光二極管材料等。靜電紡絲法是目前制備無機(jī)物納米纖維的一種簡單易行的方法。
(3)納米膜
納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜?？捎糜冢簹怏w催化(如汽車尾氣處理)材料;過濾器材料;高密度磁記錄材料;光敏材料;平面顯示器材料;超導(dǎo)材料等。
(4)納米塊體
納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。主要用途為：超高強(qiáng)度材料;智能金屬材料等。
4 納米材料的應(yīng)用
由于納米材料是由相當(dāng)于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小單元組成，也正因?yàn)檫@樣，納米材料具有了一些區(qū)別于相同化學(xué)元素形成的其他物質(zhì)材料特殊的物理或是化學(xué)特性例如：其力學(xué)特性、電學(xué)特性、磁學(xué)特性[8]、熱學(xué)特性等，這些特性在當(dāng)前飛速發(fā)展的各個科技領(lǐng)域內(nèi)得到了應(yīng)用。
5 納米材料的前景
納米科學(xué)是一門將基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用科學(xué)集于一體的新興科學(xué)，主要包括納米電子學(xué)、納米材料學(xué)和納米生物學(xué)等。納米材料的應(yīng)用涉及到各個領(lǐng)域，21世紀(jì)將是納米技術(shù)的時代。納米科學(xué)技術(shù)的誕生，將對人類社會產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，并有可能從根本上解決人類面臨的許多問題，特別是能源、人類健康和環(huán)境保護(hù)等重大問題。
21世紀(jì)初的主要任務(wù)是依據(jù)納米材料各種新穎的物理和化學(xué)特性，設(shè)計出各種新型的材料和器件。通過納米材料科學(xué)技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)品的改性，增加其高科技含量以及發(fā)展納米結(jié)構(gòu)的新型產(chǎn)品，目前已出現(xiàn)可喜的苗頭，具備了形成21世紀(jì)經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)的基礎(chǔ)。納米材料將成為材料科學(xué)領(lǐng)域一個大放異彩的明星展現(xiàn)在新材料、能源、信息等各個領(lǐng)域，發(fā)揮舉足輕重的作用。隨著其制備和改性技術(shù)的不斷發(fā)展，納米材料在精細(xì)化工和醫(yī)藥生產(chǎn)等諸多領(lǐng)域會得到日益廣泛的應(yīng)用。
6 結(jié)束語
納米材料在21世紀(jì)高科技發(fā)展中占有重要地位。納米材料由于其無可挑剔的優(yōu)越性，已成為世界各國研究的熱點(diǎn)。其應(yīng)用已滲透到人類生活和生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，促使許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)得到改進(jìn)。世界發(fā)達(dá)國家的政府都在部署未來10～15年有關(guān)納米科技研究規(guī)劃。我國對納米材料的研究也取得了令世界矚目的、具有前沿性的科技成果。納米技術(shù)的開發(fā)，納米材料的應(yīng)用，推動了整個人類社會的發(fā)展，也給市場帶來了巨大的商業(yè)機(jī)遇。
參考文獻(xiàn)
[1]孫紅慶.科技天地―計劃與市場探索[M]，2001/05
[2]肖建中.材料科學(xué)導(dǎo)論[M].北京：中國電力出版社，2001，43～50.
[3]吳潤，謝長生.粉狀納米材料的表面研究進(jìn)展與展望[J].材料導(dǎo)報.2000，14(10)：43～46.
納米材料科技論文篇二
納米材料與應(yīng)用
摘要 ：簡要介紹了納米材料的分類以及它的基本效應(yīng)，講解了納米材料的特殊性能。分析了新型能源納米材料中光電轉(zhuǎn)換、熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換、超級電容器及電池電極的納米材料;環(huán)境凈化納米材料中的光催化、吸附、尾氣處理等;較具體的講述了納米生物醫(yī)藥材料中納米陶瓷材料、納米碳材料、納米高分子材料、納米復(fù)合材料。
關(guān)鍵詞 ：納米材料 性能 應(yīng)用
納米是一個長度單位，1nm=10ˉ9m。納米材料是指在結(jié)構(gòu)上具有納米尺度調(diào)制特征的材料，納米尺度一般是指1～100nm。當(dāng)一種材料的結(jié)構(gòu)進(jìn)入納米尺度特征范圍時，其某個或某些性能會發(fā)生明顯的變化。納米尺度和性能的特異變化是納米材料必須同時具備的兩個基本特征。
按材質(zhì)，納米材料可分為納米金屬材料、納米非金屬材料、納米高分子材料和納米復(fù)合材料。其中納米非金屬材料又可細(xì)分為納米陶瓷材料、納米氧化物材料和其他非金屬納米材料。
懸浮于流體的納米顆粒可大幅度提高流體的熱導(dǎo)率及傳熱效果，例如在水中添加5%的銅納米顆粒，熱導(dǎo)率可以增大約1.5倍，這對提高冶金工業(yè)的熱效率有重要意義。納米顆?？杀憩F(xiàn)出同質(zhì)大塊物體不同的光學(xué)特性，例如寬頻帶、強(qiáng)吸收、藍(lán)移現(xiàn)象及新的發(fā)光現(xiàn)象，從而可用于發(fā)光反射材料、光通訊、光儲存、光開光、光過濾材料、光導(dǎo)體發(fā)光材料、光學(xué)非線性元件、吸波隱身材料和紅外線傳感器等領(lǐng)域。
納米顆粒在電學(xué)性能方面也出現(xiàn)了許多獨(dú)特性。例如納米金屬顆粒在低溫下呈現(xiàn)絕緣性，納米鈦酸鉛、鈦酸鋇等顆粒由典型得鐵電體變成了順電體?？梢岳眉{米顆粒制作導(dǎo)電漿料、絕緣漿料、電極、超導(dǎo)體、量子器件、靜電屏蔽材料壓敏和非線性電阻及熱電和介電材料等。納米粒子的粒徑小，表面原子所占比例很大，表面原子擁有剩余的化學(xué)鍵合力，表現(xiàn)出很強(qiáng)的吸附能力和很高的表面化學(xué)反應(yīng)活性。新制備的金屬粒子接觸空氣，能進(jìn)行劇烈氧化反應(yīng)或發(fā)光燃燒(貴金屬除外)。
納米材料還廣泛應(yīng)用于環(huán)境保護(hù)中，它具有能耗低、操作簡便、反應(yīng)條件溫和、可減少二次污染等突出特點(diǎn)。納米材料在生物學(xué)性能也有廣泛應(yīng)用，用納米顆粒很容易將血樣中極少的胎兒細(xì)胞分離出來，方法簡便，成本低廉，并能準(zhǔn)確判斷胎兒細(xì)胞是否有遺傳缺陷。人工納米材料由于其所具有的獨(dú)特性質(zhì)能滿足人類發(fā)展中的多樣化需求，近年來獲得迅速的發(fā)展。目前，越來越多的人工納米材料已被投放市場，給人們的生活帶來巨大的變化和進(jìn)步。
來自美國加州大學(xué)洛杉磯分校和中國天津大學(xué)的研究人員們合作，將導(dǎo)電性能良好的碳納米管和高容量的氧化釩編織成多孔的纖維復(fù)合材料，并將該復(fù)合材料應(yīng)用到超級電容器的電極上，獲得了新型的具有高能量密度和高循環(huán)穩(wěn)定性的超級電容器。這種超級電容器是非對稱的，包含復(fù)合材料的陽極和傳統(tǒng)的陰極，以及有機(jī)的電解質(zhì)。其中電極薄膜的厚度要比之前的報道高很多，可以達(dá)到100微米上，從而使其可以獲得更高的能量密度。由于其制備過程與傳統(tǒng)的鋰離子電池和電容器的生產(chǎn)過程近似，研究人員們認(rèn)為這種新型電容器的可以比較容易地投入大規(guī)模生產(chǎn)。同時，他們也相信該項研究成果向同行們展示了納米復(fù)合材料在高能量、高功率電子設(shè)備中的應(yīng)用前景。
通過先進(jìn)碳材料的應(yīng)用，綜合了人造石墨和天然石墨做為鋰離子電池負(fù)極材料活性物質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，克服了它們各自存在的缺點(diǎn)，是滿足先進(jìn)鋰離子電池性能要求的新一代碳貯鋰材料。具有下列優(yōu)點(diǎn)：微觀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，適合大電流充放電;表觀性狀相容性好，適合形成穩(wěn)定的SEI膜;粒子形貌、粒徑分布適應(yīng)性強(qiáng)，適合不同的加工工藝要求。適用于先進(jìn)鋰離子電池(液態(tài)、聚合物)對下列性能的要求：更高的比能量(體積比、重量比);更高的比功率;更長的循環(huán)壽命;更低的使用成本。
應(yīng)用納米TiO2泡沫鎳金屬濾網(wǎng)及甲醛、氨、TVOC吸附改性活性炭等新材料，以及采用慣流風(fēng)扇取代傳統(tǒng)的離心風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，提高空氣凈化器的性能。光催化泡沫鎳金屬濾網(wǎng)的特性;鎳金屬網(wǎng)是用特殊的工藝方式將金屬鎳制作成具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的金屬濾網(wǎng)。它具有：空隙加大，一般大于96%;通透性好，流體通過阻力小;其實(shí)際面積比表觀面積大很多倍的特性。鎳金屬網(wǎng)是將納米級的TiO2以特殊工藝鑲嵌在泡沫狀鎳金屬網(wǎng)上，從而將光催化材料的殺菌、除臭、分解有機(jī)物的功能和鎳的超穩(wěn)定性很好的結(jié)合在一起。它有效的解決了其他光催化材料在使用中存在的有效受光面積小、流體和光催化材料接觸面積小、氣阻大以及因光催化材料在光催化作用下的強(qiáng)氧化性致使其附著基材易老化和光催化易脫落而使其壽命短的缺陷?；钚蕴扛男怨に嚰霸鰪?qiáng)性能;活性炭是一種多孔性的含碳物質(zhì)，它具有高度發(fā)達(dá)的空隙構(gòu)造，是一種優(yōu)良的空氣中異味吸附劑。
納米TiO2具有巨大的比表面積，與廢水中有機(jī)物更充分地接觸，可將有機(jī)物最大限度地吸附在它的表面具有更強(qiáng)的紫外光吸收能力，因而具有更強(qiáng)的光催化降解能力可快速降息夫在其表面的有機(jī)物分解。此外，在汽車尾氣催化的性能方面以及在空氣凈化中廣泛應(yīng)用。
常規(guī)陶瓷由于氣孔、缺陷的影響，存在著低溫脆性的缺點(diǎn)，它的彈性模量遠(yuǎn)高于人骨，力學(xué)相容性欠佳，容易發(fā)生斷裂破壞，強(qiáng)度和韌性都還不能滿足臨床上的高要求，使它的應(yīng)用受到一定的限制。而納米陶瓷由于晶粒很小，使材料中的內(nèi)在氣孔或缺陷尺寸大大減少，材料不易造成穿晶斷裂，有利于提高材料的斷裂韌性;而晶粒的細(xì)化又同時使晶界數(shù)量大大增加，有助于晶粒間的滑移，使納米陶瓷表現(xiàn)出獨(dú)特的超塑性。許多納米陶瓷在室溫下或較低溫度下就可以發(fā)生塑性變形。納米陶瓷的超塑性是其最引入注目的成果。傳統(tǒng)的氧化物陶瓷是一類重要的生物醫(yī)學(xué)材料，在臨床上已有多方面應(yīng)用，主要用于制造人工骨、人工足關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、骨螺釘、人工齒，以及牙種植體、耳聽骨修復(fù)體等等。
由碳元素組成的碳納米材料統(tǒng)稱為納米碳材料。在納米碳材料中主要包括納米碳纖維、碳納米管、類金剛石碳等;納米碳纖維除了具有微米級碳纖維的低密度、高比模量、比強(qiáng)度、高導(dǎo)電性之外，還具有缺陷數(shù)量極少、比表面積大、結(jié)構(gòu)致密等特點(diǎn)，這些超常特性和良好的生物相容性，使它在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中有廣泛的應(yīng)用前景，包括使人工器官、人工骨、人工齒、人工肌腱在強(qiáng)度、硬度、韌性等多方面的性能顯著提高;此外，利用納米碳材料的高效吸附特性，還可以將它用于血液的凈化系統(tǒng)，清除某些特定的病毒或成份。
目前，納米高分子材料的應(yīng)用已涉及免疫分析、藥物控制釋放載體、及介入性診療等許多方面。免疫分析作為一種常規(guī)的分析方法，在蛋白質(zhì)、抗原、抗體乃至整個細(xì)胞的定量分析上發(fā)揮著巨大的作用。在特定的載體上，以共價結(jié)合的方式固定對應(yīng)于分析對象的免疫親和分子標(biāo)識物，將含有分析對象的溶液與載體溫育，通過顯微技術(shù)檢測自由載體量，就可以精確地對分析對象進(jìn)行定量分析。在免疫分析中，載體材料的選擇十分關(guān)鍵。納米聚合物粒子，尤其是某些具有親水性表面的粒子，對非特異性蛋白的吸附量很小，因此已被廣泛地作為新型的標(biāo)記物載體來使用。
近年來，組織工程成為一個嶄新的研究領(lǐng)域，吸引了眾多學(xué)科研究者的關(guān)注。在工程化的方法培養(yǎng)組織、器官的過程中，用于細(xì)胞種植、生長的支架材料是一個關(guān)鍵的因素，能否使種植的細(xì)胞保持活性和增殖能力，是支架材料應(yīng)用的重要條件。據(jù)報道，將甲殼素按一定的比例加入到膠原蛋白中可以制成一種納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，與以往的膠原蛋白支架相比，其力學(xué)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，孔徑尺寸增大，表明這種具有納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料作為細(xì)胞生長的三維支架，在力學(xué)、生物學(xué)方面有很大的優(yōu)越性和應(yīng)用潛力。在硬組織修復(fù)與替換的研究中，納米復(fù)合材料也開始逐步顯示出其優(yōu)異的性能。用肽分子和兩親化合物的自組裝可以得到一種類似細(xì)胞外基質(zhì)的纖維狀支架，這種納米纖維可以引導(dǎo)羥基磷灰石的礦化，形成納米結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，研究發(fā)現(xiàn)，這種納米復(fù)合材料內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)與自然骨中膠原蛋白/羥基磷灰石晶粒的排列結(jié)構(gòu)一致。
參考文獻(xiàn)：
[1] 陳飛. 淺談納米材料的應(yīng)用[J]. 中小企業(yè)管理與科技(下旬刊). 2009(03)
[2] 張桂芳. 納米材料應(yīng)用與發(fā)展前景概述[J]. 黑龍江科技信息. 2009(16)
作者簡介：高水靜(1980― )，女，碩士，講師，河北聯(lián)合大學(xué)輕工學(xué)院學(xué)生工作秘書，多年從事學(xué)生管理工作.
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