納米材料論文

　　無論在學(xué)習(xí)或是工作中，大家都寫過論文吧，論文的類型很多，包括學(xué)年論文、畢業(yè)論文、學(xué)位論文、科技論文、成果論文等。還是對論文一籌莫展嗎？下面是小編幫大家整理的納米材料論文，僅供參考，希望能夠幫助到大家。

納米材料論文1

　　1納米材料的概述

　　納米材料是指由尺寸介于原子、分子和宏觀體系之間的納米粒子組成的新一代材料。而納米技術(shù)是研究物質(zhì)組成體系的運(yùn)動規(guī)律和相互作用以及在應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)特有功能和智能作用的一種科學(xué)技術(shù)。納米涂料是利用納米粒子抗紫外線的性能對涂料進(jìn)行改性，提高涂料的某些性能。納米涂料也是納米復(fù)合涂料，是在涂料生產(chǎn)過程中加入納米粒子，從而產(chǎn)生許多優(yōu)異性能，使納米涂料具有優(yōu)異的力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)及電磁學(xué)性能，這些都是傳統(tǒng)涂料不能比擬的，而且添加不同的納米粒子便生產(chǎn)出不同功能的納米涂料，從而擴(kuò)大了涂料的應(yīng)用范圍。

　　納米涂料的發(fā)展：首先，納米材料在我國的發(fā)展已經(jīng)很廣泛，在市場上也取得較好的反應(yīng)，納米建筑涂料是納米涂料用量最大的品種之一，也是提升傳統(tǒng)涂料的重點(diǎn)領(lǐng)域。近幾年來，納米材料的發(fā)展更為迅速，在建筑行業(yè)中，主要被用于改善建筑內(nèi)墻涂料的抗菌性和建筑外墻涂料的耐候性，已經(jīng)逐漸形成一種產(chǎn)業(yè)。但是還是落后于發(fā)達(dá)國家，國外的納米材料的應(yīng)用，對于納米涂料的應(yīng)用，國外對其的開發(fā)起步較早并形成產(chǎn)業(yè)化，美國對于納米材料的應(yīng)用主要用于絕緣涂料、豪華轎車面漆以及軍事方面，還開展了在包裝上使用阻隔性涂層、透明并耐磨性涂料、光致變色涂料等納米涂料的應(yīng)用研究。而日本主要在由光催化進(jìn)行自動清潔涂料、靜電屏蔽涂料的研究方面取得成效并將其發(fā)展為產(chǎn)業(yè)化。

　　2納米材料的物理性能

　　納米材料中能級分裂和電子布局的變化；納米材料電子的強(qiáng)關(guān)聯(lián)或相關(guān)性；納米材料具備的激子過程和激發(fā)態(tài)；納米材料的表面態(tài)與表面結(jié)構(gòu)：納米材料占比例較大的是的其表面，當(dāng)納米材料減少到10nm時(shí)，體內(nèi)原子和表面原子的數(shù)目比將達(dá)到50%。表面原子與體內(nèi)原子所處的化學(xué)環(huán)境截然不同，因此會有表面相形成。但是，由于普通材料中，表面相受到比例小的影響，局限性較大。對于納米材料來說，由于自身表象與體相比例相差不大，因此，在許多物理變化以及化學(xué)變化中的作用顯著，而且更加利于人們對其進(jìn)行研究；納米材料的量子隧穿與納米尺度的耦合：目前改性涂料所使用納米材料一般為半導(dǎo)體納米材料，如納米SiO2、TiO2、ZnO等，半導(dǎo)體納米材料比較特殊；具有光學(xué)性；納米半導(dǎo)體粒子，1-100nm。由于量子尺寸效應(yīng)差異較大，因此目前最活躍的研究領(lǐng)域之一就是納米半導(dǎo)體粒子的光化學(xué)性質(zhì)和光物理性質(zhì)，對于納米半導(dǎo)體粒子所具有的室溫光致發(fā)光及超快速的光學(xué)非線性響應(yīng)等特性更加受到關(guān)注。一般情況下，當(dāng)導(dǎo)體激子玻爾半徑與導(dǎo)體粒子尺寸半徑極其相近時(shí)，隨著導(dǎo)體粒子尺寸的變化，其導(dǎo)體的有效帶隙也隨之發(fā)生變化。導(dǎo)體尺寸越小，其導(dǎo)體的有效帶隙越多，其相應(yīng)的熒光光譜和吸收光譜會發(fā)生藍(lán)移，最終形成能級在能帶中。

　　3納米材料的其他性能

　　3.1光學(xué)性能：當(dāng)納米微粒的粒徑與電子的德布羅意波長、超導(dǎo)相干波長以及玻爾半徑相當(dāng)時(shí)，其具有較為顯著的尺寸效應(yīng)。同時(shí)，納米材料的比表面使處于小顆粒內(nèi)部的電子、原子以及處于表面態(tài)的電子、原子與的行為有很大的差別，影響納米微粒的光學(xué)特性與納米材料的這種量子尺寸效應(yīng)和表面效應(yīng)有很大的關(guān)系。這是同樣材質(zhì)納米材料的宏觀大塊物體不具備的。例如SiO2、TiO2、ZnO等，能夠很好的吸收紫外光，而其中一些氧化物幾乎不吸收紫外光，例如亞微米的.TiO2。由于這些納米材料具有良好的半導(dǎo)體特性，因此容易吸收紫外光，其主要原因是由于電子被激發(fā)發(fā)生躍遷，從而吸收紫外光線。納米材料與具有相同材質(zhì)的大塊材料相比，納米材料在吸收紫外光線過程中，會出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象，出現(xiàn)藍(lán)移現(xiàn)象的原因有，量子尺寸發(fā)生變化，能隙變寬，光吸收靠近短波。另一種是表面效應(yīng)。大的表面張力使晶格畸變，晶格常數(shù)變小。

　　3.2吸附性能：當(dāng)不同相相接觸并且互相結(jié)合時(shí)，就是吸附現(xiàn)象。納米微粒與材質(zhì)相同的一些材料相比吸附性較強(qiáng)，主要是由于其比表面積較大，并且其表面得原子不能足夠配位。影響納米材料吸附性能的因素較多，其中，溶液性質(zhì)、被吸附物質(zhì)的性質(zhì)、溶劑性質(zhì)都可能對其產(chǎn)生影響。比如，水溶液的PH值不同，納米材料微粒的電性也不相同，有可能帶正電、也有可能帶負(fù)電、還有可能呈中性。這些粒子所形成的吸附鍵不同，其吸附作用也具有差異。一些納米材料能夠利用氣體，形成吸附層，如納米氧化物可以與空氣中的一些氣體結(jié)合形成吸附表層。氣體不同，形成的吸附層也不相同。

　　4納米材料在涂料中的應(yīng)用

　　4.1力學(xué)性能的改善

　　涂料力學(xué)性能主要表現(xiàn)在強(qiáng)度、硬度、耐磨性等方面，涂料力學(xué)性能的好壞直接關(guān)系到涂料的使用壽命。在涂料實(shí)際應(yīng)用過程中，受多種因素的影響，會出現(xiàn)力學(xué)性能的變化，從而難以發(fā)揮涂料應(yīng)有的作用。而納米材料的應(yīng)用能夠有效地改善涂料的力學(xué)性能。納米材料中的納米粒子比表面積要大，能夠與有機(jī)樹脂基質(zhì)之間存在良好的界面結(jié)合力，大顆粒與成膜物之間的空隙非常小，能夠有效地減少毛細(xì)作用，從而提高涂層的強(qiáng)度、硬度以及耐磨性。

　　4.2光學(xué)性能的改善

　　涂料主要是涂在物體表面，而在物體表面，涂料很容易腐化、脫落，而出現(xiàn)這種問題的根源就在于涂料的光學(xué)性能比較差，涂料在太陽的照射下快速地發(fā)生反應(yīng)。而納米材料具備大顆粒所不具備的光學(xué)性能。當(dāng)納米級微粒摻和進(jìn)母體材料時(shí)，可以提高母體材料的透明性，從而直接散射紫外光，同時(shí)，能夠?qū)⒆贤夤饫w帶出散射區(qū)域，從而大大的增強(qiáng)涂料的曝光、保色及抗老化性能。

　　4.3提高光催化效率

　　就納米材料而言，納米粒子尺寸小，比表面積要大，表面原子配位不全，從而使得表面活性點(diǎn)增多，由于表面活性點(diǎn)比較多，反應(yīng)接觸面就比較大，催化效率就要高。對于涂料這種產(chǎn)品而言，納米材料的可以作為涂料的光催化劑，因納米粒子的粒徑小，粒子吸收光能后，激發(fā)出的極子所到達(dá)表面的數(shù)量就會增多，從而加速催化，提高涂料的光催化性能。如二氧化鈦的光催化性能，這種光催化劑集廣泛應(yīng)用于廢水處理、有害氣體凈化、日用品等領(lǐng)域，同時(shí)還可以環(huán)境保護(hù)涂料自己殺菌涂料。

　　5納米材料在涂料中應(yīng)用的關(guān)鍵問題

　　納米材料作為科技產(chǎn)物，它的作用毋庸置疑，但是就納米材料在涂料中的應(yīng)用來看，還處于初級階段，在實(shí)際應(yīng)用過程中出現(xiàn)了一些問題，納米材料在涂料中的應(yīng)用還有待于深入研究。納米微粒比表面積以及表面張力大，納米微粒容易吸附而發(fā)生團(tuán)聚，而這種易團(tuán)聚的粒子很難分散開來，如果這些團(tuán)聚的粒子沒有良好的分散，就難以發(fā)揮納米材料在涂料中應(yīng)有的作用。因此，針對納米粒子團(tuán)聚問題，就必須深入研究納米粒子團(tuán)聚后的分散，要加大研究，以科學(xué)、先進(jìn)的方法來講這些團(tuán)聚的粒子來分散。納米材料屬于該科技產(chǎn)品，納米材料在涂料中的應(yīng)用與其他材料在涂料中的應(yīng)用情況有著一定的區(qū)別，納米材料在應(yīng)用過程需要根據(jù)涂料的特性來進(jìn)行，但是就目前來看，納米材料對涂料的作用研究還不夠深入，以至于納米涂料技術(shù)水平不夠高，涂料性能與國外相比存在著一定的差距。因此，加大科技的研究是納米材料普及應(yīng)用的保障。一方面，要繼續(xù)深入研究納米材料科技，不斷提高納米材料技術(shù)含量，另一方面，要加強(qiáng)國際合作，學(xué)習(xí)國外先進(jìn)的技術(shù)理念，從而更好地發(fā)揮納米材料在涂料中的作用，不斷能提高涂料的性能。

　　6納米材料及其技術(shù)在涂料中的應(yīng)用

　　6.1TiO2在涂料中的應(yīng)用

　　納米TiO2具有光學(xué)效應(yīng)，其粒徑發(fā)生改變，光學(xué)效應(yīng)也發(fā)生變化。納米TiO2中的金紅石型材料能夠變色，角度不同，顏色隨之發(fā)生改變。多應(yīng)用于汽車噴漆中，能夠產(chǎn)生一些很神奇的變化。利用納米TiO2中的紫外吸收特性，對汽車面漆的耐候性能有較大的提升。除此之外，納米TiO2還具有光催化特性，利用其這一特性，能夠?qū)�空氣產(chǎn)生凈化作用，并且對于空氣中的其他污染物進(jìn)行降解，保護(hù)環(huán)境。

　　TiO2的光催化效應(yīng)及應(yīng)用：納米二氧化鈦具有高的光催化活性，是一種光催化半導(dǎo)體抗菌劑，在波長小于400nm的光照下，能吸收能量高于其禁帶寬度的短波光輻射，產(chǎn)生電子躍遷，價(jià)帶電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成空穴-電子對，并將能量傳遞到周圍介質(zhì)，誘發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，具有光催化能力。一般抗菌劑有殺菌作用，但不能分解毒素，而二氧化鈦利用生成的活性氧殺菌，并且能使細(xì)菌死后產(chǎn)生的內(nèi)毒素分解。納米TiO2廣泛應(yīng)用于自潔陶瓷、玻璃以及廚房和醫(yī)院設(shè)施中，一些高速公路兩側(cè)的護(hù)墻上也涂有納米TiO2以消除汽車尾氣的影響。

　　TiO2的紫外屏蔽應(yīng)用：納米TiO2的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)和誘導(dǎo)效應(yīng)可使光吸收帶藍(lán)移，產(chǎn)生強(qiáng)的紫外吸收。納米TiO2具有很好的紫外線屏蔽作用，也是一種防老化材料，可將其均勻分散到涂料中制成紫外線屏蔽涂層和抗老化涂層。納米TiO2作為一種良好的永久性紫外線吸收材料還可用于配制耐久型外用透明面漆，一般用于木器、家具、文物保護(hù)等領(lǐng)域。

　　6.2SiO2在涂料中的應(yīng)用

　　納米SiO2是無定型白色粉末，是一種無毒，無味，無污染的無機(jī)非金屬材料，表面存在不飽和的殘鍵和不同鍵和狀態(tài)的羥基，其分子結(jié)構(gòu)呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

　　納米顆粒的比表面積和表面張力都很大，容易相互吸附而發(fā)生團(tuán)聚。而納米粒子如果不能真正的以納米級分散在涂料中，就失去了其應(yīng)有的作用。添加納米SiO2的涂料具有防流掛，施工性能良好，尤其是抗沾污性大大提高，具有優(yōu)良的自清潔性能和附著力。納米二氧化硅具有極強(qiáng)的紫外吸收、紅外反射特性，它添加在涂料中，能對涂料形成屏蔽作用，達(dá)到抗紫外老化和熱老化的目的，同時(shí)增加涂料的隔熱性。

　　6.3納米CaCO3在涂料中的應(yīng)用

　　納米碳酸鈣的主要作用是改善涂料的性能，使涂料的觸變性更好，在施工的過程中防止流掛并增加涂料的貯存穩(wěn)定性。納米碳酸鈣改善涂料觸變性的主要原因是由于納米碳酸鈣粒子表面相互聚集的氫鍵作用力不強(qiáng)，很容易被剪切力切開，在使用的時(shí)候這些氫鍵在外部剪切力的作用下又可以迅速的恢復(fù)，能夠迅速的重整結(jié)構(gòu)。納米碳酸鈣對涂膜有一定的補(bǔ)強(qiáng)作用，同時(shí)還具備其他納米材料的普遍共性“藍(lán)移”現(xiàn)象。從納米碳酸鈣的結(jié)構(gòu)來看，部分納米粒子聚集并形成一次鏈狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以將涂料的結(jié)構(gòu)化水平提高，在與聚合物混合時(shí)形成的物理纏結(jié)能力增強(qiáng)，從而增加涂膜補(bǔ)強(qiáng)效果。

　　7結(jié)束語

　　綜上所述，加強(qiáng)對納米材料及其技術(shù)在涂料產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的研究分析，對于其良好實(shí)踐效果的取得有著十分重要的意義，因此在今后的納米材料及其技術(shù)應(yīng)用過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對其關(guān)鍵環(huán)節(jié)與重點(diǎn)要素的重視程度，并注重其具體實(shí)施措施與方法的科學(xué)性。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 左美祥等，納米Siox在涂料中的分散及改性作用[J].現(xiàn)代涂料與涂裝.20xx（10）：60-62.

　　[2] 苑金生.納米涂料的性能與特點(diǎn)[J].建材產(chǎn)品與應(yīng)用.20xx（01）：115-116.

納米材料論文2

　　作為一種補(bǔ)強(qiáng)填料，炭黑廣泛應(yīng)用于橡膠工業(yè)中。炭黑的加入能夠大幅度地提高橡膠基體的拉伸強(qiáng)度、抗撕裂性、耐磨性，并能賦予橡膠優(yōu)良的加工性能。但是炭黑的原生粒徑小，比表面積大，極易團(tuán)聚，這導(dǎo)致其難以在聚合物基體中均勻分散，削弱了它的補(bǔ)強(qiáng)效果。近些年來，通過膠乳混合法代替?zhèn)鹘y(tǒng)干法混煉以實(shí)現(xiàn)填料在橡膠基體中的良好分散的技術(shù)逐漸受到人們關(guān)注，一些親水性的無機(jī)填充劑諸如皂土、陶土、白炭黑、硅酸鹽等對于膠乳補(bǔ)強(qiáng)的研究均取得一定的進(jìn)展，但是炭黑高度疏水的表面性質(zhì)限制了其在該領(lǐng)域的應(yīng)用。因此制備親水性炭黑是當(dāng)前實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)干法混煉替代，提高硫化膠力學(xué)性能的重要途徑。目前炭黑的親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極性表面變成局部極性，增加含氧基團(tuán)的數(shù)量，改善炭黑的潤濕性，但是該方法增加的含氧基團(tuán)量很少，因此制備的氧化炭黑在水中的分散穩(wěn)定性并不理想。聚合物接枝與包覆也能在一定程度上改善炭黑的親水性，但他們往往涉及到諸如高溫、高壓和無氧環(huán)境等復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)條件，并且相應(yīng)的接枝率或者包覆率增加有限。因此，尋找一種低成本、環(huán)境友好、技術(shù)上簡單可行的方法來改性炭黑是目前制備親水性炭黑，實(shí)現(xiàn)炭黑對膠乳的有效補(bǔ)強(qiáng)的迫切需要。

　　本文提出了一種新的炭黑改性方法，即在球磨力化學(xué)提供的機(jī)械力場作用下加入聚苯乙烯磺酸鈉(PSS)，使炭黑附聚體甚至團(tuán)聚體破碎的同時(shí)，PSS分子通過其苯環(huán)與炭黑表面的稠環(huán)芳烴間的π-π共軛效應(yīng)吸附在活化的炭黑表面，成功制備了在水中穩(wěn)定分散的炭黑分散液。接著采用該炭黑分散液，通過膠乳混合法制備了親水性炭黑-天然橡膠納米復(fù)合材料，并探討了該工藝對于天然橡膠(NR)的力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明炭黑的表面改性和濕法混煉工藝能夠明顯改善炭黑在天然橡膠中的分散性，增強(qiáng)填料與基體的相互作用，所制備的復(fù)合材料的力學(xué)性能特別是撕裂強(qiáng)度大幅度提高，填料網(wǎng)絡(luò)化程度明顯下降。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 原料

　　炭黑(CB)：牌號N234，原生粒徑20～25nm，美國CABOT化工有限公司;PSS水溶液：固含量20%，喜潤化學(xué)(上海)有限公司;天然膠乳：固含量61%，泰國Tech Bee Hang公司;促進(jìn)劑M(2-巰醇基苯并噻唑)：東北助劑化工有限公司。

　　1.2 原位球磨法制備親水性炭黑

　　將炭黑、去離子水和PSS溶液放入球磨罐中，置于行星式球磨機(jī)上(南京大學(xué)儀器廠)，球磨分散12h即得親水性炭黑水分散液(MCB)。

　　1.3 親水性炭黑-天然橡膠納米復(fù)合材料(MCB-NR)的制備

　　在機(jī)械攪拌下，將MCB水分散液逐滴加入到經(jīng)稀釋的天然膠乳中，攪拌分散一定時(shí)間后加入氯化鈣水溶液破乳，在低速攪拌下凝固，產(chǎn)物經(jīng)脫水后置于真空烘箱中，30°C下烘干。上述產(chǎn)物和其他添加劑的混煉(天然橡膠100g，硬脂酸2g，氧化鋅4g，促進(jìn)劑M 2g，硫磺1.2g)是在雙輥開煉機(jī)(無錫晨光橡塑機(jī)械廠)上進(jìn)行的，前后輥轉(zhuǎn)速比設(shè)為6∶5，混煉溫度50～70°C�；鞜捘z的硫化是在140°C下根據(jù)硫化儀(無錫市蠡園電子化工設(shè)備廠)測定的正硫化時(shí)間在電熱平板硫化機(jī)(高鐵檢測儀器有限公司)上進(jìn)行的。傳統(tǒng)干法硫化膠(DCB-NR)的制備：將天然橡膠在雙輥開煉機(jī)上塑煉包輥后依次加入炭黑和其他添加劑，混煉均勻，薄通數(shù)次后出片，在140°C下硫化。

　　1.4 表征

　　1.4.1 粒徑分析 采用納米激光粒度儀(ZEN3600，Malvern)分析PSS表面修飾前后炭黑在水中的粒徑及其分布，樣品質(zhì)量濃度為5mg/L。

　　1.4.2 分散穩(wěn)定性分析 取10mL相同濃度的CB和MCB的水分散液，置于離心機(jī)中，在4 000r/min下離心一定時(shí)間后，取1mL上層液體分散于50mL去離子水中，然后在紫外可見光分光光度計(jì)(上海菁華科學(xué)儀器有限公司，測試波長430nm)上測定透光率，根據(jù)式(1)計(jì)算分散穩(wěn)定性指數(shù)(D)。D =T0-TsT0×100% (1)式中，T0和Ts分別是去離子水與測試樣品的透光率。

　　1.4.3 力學(xué)性能測試 硫化膠的拉伸強(qiáng)度和撕裂強(qiáng)度分別根據(jù)GB/T 528-1998和GB/T 529-1999在萬能試驗(yàn)機(jī)(美國，Instron，Acton，MA)上進(jìn)行測試。

　　1.4.4 結(jié)合膠含量測定 準(zhǔn)確稱取0.5g左右未經(jīng)硫化的混煉膠，用濾紙包好，室溫下放入含有80mL甲苯的廣口瓶中浸泡，每2d換一次甲苯溶劑，8d后將甲苯換成丙酮繼續(xù)浸泡2d，最后干燥至恒定質(zhì)量，由式(2)求得結(jié)合膠含量(R)。R =m2-m1w2m1w1(2)其中，R 是結(jié)合橡膠含量(g/g)，m1和m2分別為浸泡前后混煉膠的質(zhì)量，w1和w2分別為混煉膠中橡膠和填料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

　　1.4.5 斷面形貌觀察 將樣品在液氮中脆斷，經(jīng)噴金處理后，用掃描電鏡(SEM)(S-3400N，Hitachi)對斷面進(jìn)行觀察。

　　1.4.6 硫化膠的填料網(wǎng)絡(luò)化 用動態(tài)機(jī)械分析儀(UBM，Rheogel E4000型)在較小應(yīng)變范圍內(nèi)進(jìn)行應(yīng)變掃描，溫度20°C，頻率11Hz。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 PSS表面修飾炭黑的粒徑分布與分散穩(wěn)定性

　　CB的平均粒徑是214nm，而MCB的平均粒徑降至144nm。這是因?yàn)樘亢谠谇蚰ス拗羞M(jìn)行球磨時(shí)，下落的研磨體(磨球)的沖擊作用以及研磨體與球磨內(nèi)壁的'研磨作用破碎了一部分的炭黑附聚體甚至團(tuán)聚體，而與此同時(shí)，PSS分子上的疏水主鏈向炭黑新裸露的表面靠近，通過炭黑表面上的稠環(huán)芳烴結(jié)構(gòu)與PSS分子鏈上苯環(huán)間的π-π共軛效應(yīng)以及范德華力，使得PSS分子被吸附在炭黑表面上，通過靜電和位阻斥力阻止了炭黑的再次團(tuán)聚。而原炭黑在很短的時(shí)間內(nèi)，由于其極大的表面能，又重新團(tuán)聚在了一起。

　　MCB在離心45min后，其分散穩(wěn)定性指數(shù)與CB未進(jìn)行離心時(shí)的分散穩(wěn)定性指數(shù)相當(dāng)。在離心90min后，CB幾乎全部沉到底部，其分散穩(wěn)定指數(shù)低于10%，而MCB依然保持較高的分散穩(wěn)定性。這些結(jié)果表明，在外力作用下，MCB水分散液依然表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。究其原因，MCB表面吸附的PSS分子阻礙了炭黑顆粒間的團(tuán)聚，并且其分子鏈上帶有大量的親水性基團(tuán)——磺酸鈉基，靜電斥力和位阻斥力的雙重穩(wěn)定作用使MCB穩(wěn)定分散在水中。另外，炭黑在水中的分散穩(wěn)定性也可以用Zeta電位來評價(jià)，一般情況下，Zeta電位的絕對值越大，分散體的靜電斥力越大，其分散穩(wěn)定性也相對越好。經(jīng)過對未靜置樣品的測試，CB的Zeta電位為2.37mV，而MCB的Zeta電位則是-29.7mV。這也說明后者在水中具有較好的分散穩(wěn)定性。

　　2.2 MCB-NR的力學(xué)性能

　　圖3是采用不同工藝制備的硫化膠的拉伸強(qiáng)度與炭黑填充量之間的關(guān)系圖。從圖中可見，與傳統(tǒng)干法混煉制備的硫化膠相比，MCB-NR具有更加優(yōu)異的拉伸性能，當(dāng)m(NR)∶m(CB)=100∶40時(shí)，MCB-NR的拉伸強(qiáng)度(21.7MPa)比DCB-NR(17.9MPa)提高了21%。 圖4是兩種硫化膠的撕裂強(qiáng)度與炭黑填充量之間的關(guān)系圖。在相同填充量下，MCB-NR的撕裂強(qiáng)度均高于DCB-NR，并且炭黑填充量越大，兩者之間的差距也愈加明顯，當(dāng)m(NR)∶m(CB)增加到100∶40時(shí)，MCB-NR的撕裂強(qiáng)度(85.9kN/m)比DCB-NR(29.9kN/m)提高了187%。MCB-NR優(yōu)異的力學(xué)性能與填料在基體中的分散有很大關(guān)系。在MCB-NR中，MCB和膠乳的混合是在液相中進(jìn)行的，由于MCB經(jīng)過PSS表面修飾，能夠很好地分散于膠乳中，在機(jī)械攪拌下，兩者能夠達(dá)到納米級的分散狀態(tài)。此后經(jīng)過破乳干燥，MCB的分散狀態(tài)并未有較大改變。因此MCB-NR中應(yīng)力集中點(diǎn)較少，抵抗破壞的能力更強(qiáng)。 圖5是DCB-NR和MCB-NR兩種硫化膠的掃描電鏡圖。可以看到，炭黑在DCB-NR內(nèi)的分散性較差，顆粒的團(tuán)聚現(xiàn)象較為嚴(yán)重，粒子尺寸也較大，這是由于未經(jīng)改性的炭黑粒子比表面積大，極易團(tuán)聚所造成的。反之，采用膠乳混合法制備的硫化膠中并未出現(xiàn)大規(guī)模的炭黑團(tuán)聚現(xiàn)象，并且分散相的尺寸也相對小很多，這是因?yàn)樵谀z乳共混階段，MCB已經(jīng)在基體中達(dá)到良好分散，并且在后期混煉過程中，部分破乳時(shí)未脫附的PSS分子在高溫和剪切力的作用下發(fā)生脫附，同時(shí)橡膠分子迅速占據(jù)新裸露的MCB表面，阻止了其相互間的團(tuán)聚。 除了分散性，結(jié)合膠含量也是影響炭黑補(bǔ)強(qiáng)效果的一個(gè)重要因素。雖然DCB-NR經(jīng)歷了更長時(shí)間的混煉過程，在高溫和剪切力的作用下，橡膠分子斷鏈的同時(shí)更加容易與炭黑表面發(fā)生相互作用，可見MCB-NR混煉膠含有更多的結(jié)合膠。這是因?yàn)椋琈CB-NR中，MCB在基體中的團(tuán)聚作用弱，比表面積大，橡膠分子與炭黑表面發(fā)生相互作用的機(jī)會更多，并且吸附在炭黑表面的PSS分子在高溫和剪切力的作用下容易發(fā)生脫附，此時(shí)橡膠分子迅速占據(jù)新裸露的表面，兩者形成緊密的結(jié)合膠。由于被吸附在炭黑表面的橡膠分子鏈具有一定的活動能力，當(dāng)硫化膠承受應(yīng)力時(shí)，被吸附的橡膠分子鏈在炭黑表面發(fā)生滑移，促使應(yīng)力重新分布，一定程度上阻止了由于應(yīng)力集中而引起的分子鏈斷裂，從而提高了橡膠的力學(xué)性能特別是撕裂強(qiáng)度。

　　2.3 MCB-NR納米復(fù)合材料的填料網(wǎng)絡(luò)化研究

　　可以看到隨著應(yīng)變的逐漸增大，兩種硫化膠的儲能模量(G′)均出現(xiàn)不同程度的下降，至應(yīng)變?yōu)?0%時(shí)，儲能模量逐漸趨于恒定，這是因?yàn)榇髴?yīng)變下，炭黑之間形成的填料網(wǎng)絡(luò)幾乎完全被破壞，填料-填料的相互作用對材料儲能模量的貢獻(xiàn)被消除。 Payne把極小應(yīng)變下的模量G′0和與大應(yīng)變下的模量G′∞之間的差值定義為ΔG′，認(rèn)為其可以用來表示填料網(wǎng)絡(luò)化的程度，ΔG′越小說明填料網(wǎng)絡(luò)化程度越小，那么填料在基體內(nèi)也就具有較好的分散性。從圖7中可見，MCB-NR的ΔG′明顯小于DCB-NR的，這是因?yàn)�，干法混煉并不能使炭黑在基體中達(dá)到良好分散，炭黑粒子間形成了較強(qiáng)的填料-填料間相互作用;而在濕法混煉中，炭黑的分散過程已經(jīng)在膠乳共混階段完成，經(jīng)過PSS表面修飾的MCB粒徑處于納米級，其在基體中的分散性明顯好于干法混煉。因此濕法混煉制得的硫化膠其填料網(wǎng)絡(luò)化程度明顯低于干法混煉制得的硫化膠，這與SEM 結(jié)果相一致。

　　在小應(yīng)變振幅下，兩種硫化膠的損耗模量均出現(xiàn)一個(gè)平臺，這是因?yàn)樾��?yīng)變下填料網(wǎng)絡(luò)并未被打破，此時(shí)DCB-NR硫化膠的損耗模量明顯大于MCB-NR的，而當(dāng)應(yīng)變振幅繼續(xù)增大，損耗模量在達(dá)到一個(gè)最大值后逐漸減小直至達(dá)到最小值，此時(shí)兩者相差不大，這是因?yàn)樵谳^大的應(yīng)變振幅下，填料網(wǎng)絡(luò)被完全破壞，DCB-NR中之前被炭黑團(tuán)聚體所包裹的橡膠基體(吸留橡膠)被釋放出來，填料的有效份數(shù)降低到與MCBNR相接近的水平，因此兩者的損耗模量在大應(yīng)變下幾乎一致。此外，濕法混煉制備的硫化膠的特征應(yīng)變(損耗模量最大值時(shí)的應(yīng)變)均大于干法硫化膠。 Kraus認(rèn)為，特征應(yīng)變(εc)與填料網(wǎng)絡(luò)的打破和重建相關(guān)，計(jì)算公式如下，εc = (km/kb)m2(3)其中，km和kb分別是填料網(wǎng)絡(luò)的打破和重建的速率常數(shù)。在MCB-NR中，濕法工藝明顯改善了炭黑在基體內(nèi)的分散狀態(tài)，填料-填料間相互作用明顯減弱，因此填料網(wǎng)絡(luò)抵抗變形的能力較DCB-NR也明顯弱化，因此在應(yīng)變的作用下，填料網(wǎng)絡(luò)打破速率常數(shù)比DCBNR更大，而重建的速率更慢，最終導(dǎo)致由km和kb決定的特征應(yīng)變增大。

　　3 結(jié) 論

　　(1)利用原位球磨法制備了聚苯乙烯磺酸鈉表面修飾炭黑，基于PSS產(chǎn)生強(qiáng)大的靜電和位阻斥力，該炭黑能夠穩(wěn)定地分散在水中。

　　(2)通過膠乳混合法制備了改性炭黑-天然橡膠納米復(fù)合材料。炭黑的表面修飾和濕法混煉工藝能夠明顯改善其在基體中的分散，增強(qiáng)填料與基體的相互作用，提高材料的力學(xué)性能。

　　(3)膠乳混合法制備的硫化膠其填料網(wǎng)絡(luò)化程度更低。

納米材料論文3

　　1 納米金剛石的制備和特性

　　從空間尺度分類，納米金剛石分為納米金剛石膜、一維金剛石納米棒和二維金剛石納米片，三維納米金剛石聚晶顆粒以及零維納米金剛石單晶顆粒。納米金剛石薄膜是利用CVD 方法生長出的納米級晶粒組成的金剛石膜，其制備參數(shù)與傳統(tǒng)微米尺度金剛石薄膜不同，是通過金剛石的二次成核，獲得致密的、晶粒尺寸為納米級的金剛石薄膜。晶粒尺寸小于10nm的金剛石膜又稱為超納米金剛石膜，這種薄膜光滑、致密、無孔，是制備生物傳感器以及生物醫(yī)學(xué)儀器的關(guān)鍵材料。一維金剛石納米棒或金剛石納米纖維可以通過氫等離子體長時(shí)間處理碳納米管來獲得。二維金剛石納米片可在Au–Ge合金和納米金剛石膜基底上通過微波等離子體CVD法制備，其厚度約10nm。

　　金剛石納米顆粒的合成方法主要有靜壓合成、金剛石單晶粉磨、爆轟法三種，都已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。爆轟法合成納米金剛石生產(chǎn)效率相對較高，其原理是通過爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓將爆炸體系的碳元素轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸�。用該方法制備得到熱力學(xué)穩(wěn)定的含納米金剛石的黑粉。黑粉經(jīng)特殊工藝處理后得灰色的納米金剛石粉，其回收率約為所用炸藥質(zhì)量的8%～10%，金剛石顆粒粒徑為5～10nm，經(jīng)過化學(xué)提純可得到純度約95%～97%的DND。

　　對于平均粒度尺寸5nm 的納米金剛石顆粒，表面碳原子數(shù)(N 表面)與顆粒的總碳原子數(shù)(N 總)之比約為15%，導(dǎo)致金剛石表面碳原子空間對稱性的破壞以及晶格間距的變化。納米金剛石的性質(zhì)與大尺寸金剛石單晶不同。根據(jù)高分辨透射電子顯微鏡觀察，納米金剛石顆粒內(nèi)部核由金剛石結(jié)構(gòu)碳原子規(guī)則排列，而在顆粒外殼區(qū)域?yàn)轭惤饎偸�或類石墨的無序結(jié)構(gòu)。

　　爆轟法合成的納米金剛石除碳元素以外，還包含其他元素。雜質(zhì)元素的含量與合成、提純以及處理的條件有關(guān)。如某些納米金剛石除含有80%～88%的碳之外，還含有氧(>10%)、氫(0.5% ～1.5%)、氮(2% ～3%)，以及一些不燃的剩余物(0.5%～8%)。這些化合物的固態(tài)雜質(zhì)很難除去。部分氧、氮、氫以氣體分子形式吸附在金剛石表面，甚至形成吸附層。

　　2 納米金剛石的應(yīng)用

　　納米金剛石在強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性、納米效應(yīng)、重金屬雜質(zhì)、生物相容性等方面具有的獨(dú)特性能，使其在精密拋光和潤滑、化工催化、復(fù)合鍍層、高性能金屬基復(fù)合材料、化學(xué)分析及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

　　2.1 超精密拋光和潤滑

　　納米金剛石拋光膏和懸浮液用于電子、無線電、醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造、寶石等行業(yè)，對材料進(jìn)行精密拋光。其優(yōu)點(diǎn)是可在任何固體上獲得鏡面效果，表面粗糙度值Ra可達(dá)2～8nm。爆轟法合成的納米金剛石粒徑分布很窄(2～20nm)，用分布很窄的納米粒子作磨料進(jìn)行拋光或研磨，可得到表面粗糙度值Ra為0.1～1.0nm的.超光滑表面。潤滑油中加入納米金剛石可提高發(fā)動機(jī)和傳動裝置工作壽命，節(jié)約燃油機(jī)油，降低表面磨損等。納米金剛石具有強(qiáng)共價(jià)鍵和強(qiáng)烈的親油疏水特性，可以在各類潤滑油中形成穩(wěn)定分散的膠體體系，從而將納米金剛石粒子引入摩擦副之間，起到顯著的減摩耐磨作用。同時(shí)，由于納米金剛石良好的抗壓性能和修復(fù)功能，可以充分發(fā)揮其協(xié)同增效作用和潤滑油添加劑之間的相互作用，研制出耐磨性能優(yōu)異的復(fù)合潤滑油和添加劑。

　　油中加入納米金剛石后，滑動摩擦變成滾動摩擦，摩擦副表面逐漸改性，形成又硬又滑的金屬碳化物，其減摩抗磨效果是用有機(jī)化工方法無法比擬的。臺架實(shí)驗(yàn)表明：在EQ6100–1型汽油機(jī)上使用納米金剛石發(fā)動機(jī)油后，輸出功率平均提高4.2%，最高可達(dá)6.4%;燃油消耗率平均降低4.7%，最高可達(dá)10.3%;氣缸壓力提高28.9%;怠速轉(zhuǎn)速提高10.2%;發(fā)動機(jī)怠速碳?xì)浠�物排放降�?0%;氮氧化物排放降低20.5%�？傊�，發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性均有較大改善;氣缸密封性提高，且具有較好的減摩效果;對發(fā)動機(jī)具有免拆卸清洗功能;冬季更易點(diǎn)火，發(fā)動機(jī)油的使用周期成倍延長。納米金剛石磨合油可使發(fā)動機(jī)的磨合時(shí)間縮短30%～50%，汽缸壓力提高7%～10%，缸套硬度增加10%～20%，粗糙度明顯改善，磨合油使用周期大大延長。目前，納米金剛石在該領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，除了上述在發(fā)動機(jī)油中可明顯減少尾氣排放外，還可有效地過濾重金屬和放射性物質(zhì)。在溶液中，1g納米金剛石可吸附50g Ni。潤滑油使用周期延長不僅提高了用戶的經(jīng)濟(jì)效益，其本身就是對環(huán)保的巨大貢獻(xiàn)。

　　2.2 工業(yè)催化

　　爆轟法合成的納米金剛石比表面積大，具有大量的結(jié)構(gòu)缺陷，化學(xué)活性高，適于用作催化劑載體，提高催化效率。石曉琴等研究了銅/納米金剛石復(fù)合粒子對高氯酸銨熱分解的催化作用，結(jié)果表明：銅/納米金剛石復(fù)合粒子較單一的納米銅催化效果更好。

　　2.3 增強(qiáng)橡膠和樹脂

　　納米金剛石兼具納米粒子和超硬材料的雙重特性，利用這一特性可將其用來制造增強(qiáng)橡膠、增強(qiáng)樹脂，該應(yīng)用在提高材料熱導(dǎo)率，聚合物降解溫度、強(qiáng)度和耐磨性等方面作用明顯，使納米金剛石在新型復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣闊的開發(fā)前景。目前，橡膠所用的增強(qiáng)劑多為炭黑，如果用爆轟法合成的納米金剛石作為增強(qiáng)劑，能使其強(qiáng)度提高1～4倍，明顯改善其耐磨性和密封性。納米金剛石增強(qiáng)聚酰亞胺可以使其降解溫度提高30℃以上，同時(shí)提高其熱導(dǎo)率和抗老化能力。

　　2.4 納米金剛石在分析化學(xué)及生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　2.4.1 生物大分子的吸附基質(zhì)

　　納米尺寸的金剛石依托大的比表面積、表面多官能團(tuán)等性質(zhì)，通過親水/疏水作用、靜電力等實(shí)現(xiàn)對小分子以及大的生物分子的吸附。Huang等曾認(rèn)為納米金剛石表面缺少極性基團(tuán)，從而缺少通過氫鍵等方式對蛋白質(zhì)及其他生物分子的吸附。他們將納米金剛石通過強(qiáng)酸(體積比H2SO4∶HNO3=9∶1)進(jìn)行表面的氧化，并將多聚賴氨酸通過靜電力與其作用，從而得到納米金剛石多聚賴氨酸功能化修飾，并通過該方式實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的固定化以及熒光標(biāo)記基團(tuán)，有望實(shí)現(xiàn)生物體內(nèi)標(biāo)記實(shí)驗(yàn)。同時(shí)，Kong等根據(jù)氧化/酸化后的100nm納米金剛石對低濃度蛋白具有很好的富集能力，將其應(yīng)用于血清短肽的富集分析，但由于使用的納米金剛石粒徑過大，在直接MALDI質(zhì)譜分析上不能很好的與基質(zhì)形成結(jié)晶，從而在富集效率上僅提高2個(gè)數(shù)量級。隨后，Krueger等通過硅烷偶聯(lián)試劑對納米金剛石表面進(jìn)行功能化修飾，使其可以通過酰胺鍵實(shí)現(xiàn)生物素的共價(jià)鍵固定化，為納米金剛石表面共價(jià)鍵功能化修飾拓展了方向。根據(jù)上述功能化修飾，Yeap等使用烷基硅側(cè)鏈為連接體，成功地將氨基苯硼酸進(jìn)行了DND表面的功能化修飾，并用于標(biāo)準(zhǔn)糖蛋白的富集，富集容量達(dá)350mg/g。但由于烷基硅側(cè)鏈具有較強(qiáng)的疏水鍵，使得氨基苯硼酸功能化修飾的DND水溶液分散性下降，溶液發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而影響富集效率與回收率。

　　2.4.2 納米金剛石作為載體和探針的應(yīng)用

　　隨著納米技術(shù)的飛速發(fā)展，納米半導(dǎo)體材料在生物分子載體與探針領(lǐng)域的應(yīng)用也取得了一定的進(jìn)展。納米金剛石因在毒性實(shí)驗(yàn)過程中表現(xiàn)出良好的生物兼容性、無毒性而引起廣泛的關(guān)注。

　　復(fù)旦大學(xué)魏黎明等利用爆炸法制備納米金剛石表面多官能團(tuán)的性能對低濃度多肽溶液進(jìn)行了富集分析，表征了富集前后納米金剛石的表面官能團(tuán)改變，證明了納米金剛石對多肽或蛋白的充分富集能力。LIU K K等通過評價(jià)5nm、100nm DND以及碳納米管對人肺A549分泌薄壁細(xì)胞和HFL–1成纖維細(xì)胞的生物兼容性研究表明：相對于DND，碳納米管對上述細(xì)胞表現(xiàn)出細(xì)胞毒性;5nm DND被細(xì)胞吞入能力比100nm DND強(qiáng)，同時(shí)其熒光強(qiáng)度也比后者高。LIU K K 等使用激光共聚焦顯微鏡觀察5nmDND(100μm/mL)處理A549細(xì)胞4h后的胞內(nèi)情況，可以證明DND對細(xì)胞沒有細(xì)胞毒性。隨后作者又將α–金環(huán)蛇毒素(Alpha-bungarotoxin)擔(dān)載于5nm DND表面，并通過其處理A549細(xì)胞4h，完成進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)過程后，金環(huán)蛇毒素仍可保持很好的活性，進(jìn)行α7–乙酞膽堿受體的特異性抑制，進(jìn)一步證實(shí)了DND在生物醫(yī)學(xué)中具有一定的應(yīng)用前景。

　　熒光納米金剛石(FND)是通過高能電子束(2MeV)轟擊含碳系物質(zhì)，而后再高溫(800℃)進(jìn)行淬火轟擊，從而得到的(N–V)缺失空腔的納米金剛石。相對于其他量子點(diǎn)而言，F(xiàn)ND具有很好的光穩(wěn)定性，從而可以在細(xì)胞中觀察和跟蹤數(shù)小時(shí)。MOHAN N等將FND膠體溶液通過喂養(yǎng)或注入生殖腺進(jìn)行蠕蟲的活體生物實(shí)驗(yàn)。通過喂養(yǎng)進(jìn)入的FND保持在腸道細(xì)胞內(nèi)，而通過注射入生殖腺的FND會傳遞給下一代蠕蟲，由于FND具有較好的光穩(wěn)定性，可以連續(xù)幾天觀察整個(gè)代謝過程

　　3 結(jié)語

　　由于合成工藝的差別，不同來源的金剛石納米顆粒的結(jié)構(gòu)性能和表面性能差異明顯，其中，一般靜壓單晶納米顆粒結(jié)構(gòu)致密，而爆轟單晶團(tuán)簇脆性相對較大，爆轟金剛石納米顆粒表面具有相對更為豐富的活性基團(tuán)等。因此，不同納米金剛石顆粒的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該有所不同，具體分析和結(jié)合應(yīng)用環(huán)境、技術(shù)需求及金剛石的性能特點(diǎn)，采用不同的金剛石納米顆粒及其加工改性產(chǎn)物，應(yīng)當(dāng)更有利于金剛石應(yīng)用。

　　目前，納米金剛石功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)沒有得到根本解決，例如在生物制藥、環(huán)境保護(hù)等方面應(yīng)用技術(shù)還處于探索階段，這就限制了納米金剛石生產(chǎn)領(lǐng)域的產(chǎn)能提升。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，性能優(yōu)良的納米金剛石在功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用將會快速推廣，這將會推動超硬材料行業(yè)的轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)效益的提高。

納米材料論文4

　　1 引言

　　Geim 和Novoselov在20xx 年發(fā)現(xiàn)了石墨烯，石墨烯是一種由sp2 雜化的碳原子連接的單原子層的新型二維原子晶體。石墨烯具有比表面積大、良好的電導(dǎo)性和熱傳導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)，已報(bào)道了石墨烯氧化物和石墨烯在物理、化學(xué)、生物和材料科學(xué)等不同領(lǐng)域的應(yīng)用。石墨烯的功能化包括共價(jià)鍵功能化和非共價(jià)鍵功能化，其中石墨烯的共價(jià)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，石墨烯的非共價(jià)功能化包含有π-π 堆垛相互作用，疏水作用，靜電作用等非共價(jià)鍵作用，使修飾分子對石墨烯進(jìn)行表面功能化，形成穩(wěn)定的分散體系。研究表明石墨烯是一種有前景的材料，有潛力應(yīng)用于藥物傳遞、骨組織工程支架、移植、生物傳感器等。本文探討了石墨烯基材料在藥物釋放和基因傳遞領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　2 藥物釋放

　　利用石墨烯的高比表面積、π-π 堆積、靜電作用以及疏水作用來實(shí)現(xiàn)難溶性藥物的高負(fù)載量，Liu 等[2]是最早在這領(lǐng)域進(jìn)行研究的研究者之一，他們合成負(fù)載了喜樹堿( CPT) 衍生物SN38 的聚乙二醇( PEG) -功能化的納米石墨烯氧化物( NGO) ，NGO-PEG-SN38 復(fù)合物既保持了SN38 優(yōu)良性能也表現(xiàn)出了良好的水溶性。在HCT-116 細(xì)胞中，該復(fù)合物也具有較高的細(xì)胞毒性，比CPT 強(qiáng)1000 倍，這導(dǎo)致了許多研究組對石墨烯基復(fù)合材料在藥物傳遞中的應(yīng)用展開了一系列的研究。在另一項(xiàng)研究中，他們也探索了含有共軛結(jié)構(gòu)PEG-NGO 的rituxan( 抗體CD20 + ) 的靶向給藥，也對體外非共價(jià)π-π 堆積負(fù)載阿霉素( DOX) 的PEG-NGO共軛型和pH 值依賴型的藥物釋放進(jìn)行了研究。一般情況下，納米載體是與細(xì)胞膜相互作用以及通過內(nèi)吞作用進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)的。石墨烯功能化已成功地用于開發(fā)釋放藥物在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的刺激響應(yīng)性納米載體。例如Kim 等利用谷胱甘肽( GSH) 的近紅外( NIR) 、酸性pH 值和高細(xì)胞內(nèi)水平來進(jìn)行DOX 中的包質(zhì)交付。經(jīng)PEG 和支鏈聚乙烯亞胺( BPEI) 功能化的還原氧化石墨烯( PEG-BPEI-rGO) 納米載體處理后的細(xì)胞暴露于近紅外中輻射，以便誘導(dǎo)內(nèi)涵體破裂以及DOX 釋放。在經(jīng)近紅外輻射后的PEG-BPEI-rGO/DOX 復(fù)合物處理過的細(xì)胞中，谷胱甘肽胞質(zhì)存在所導(dǎo)致的癌細(xì)胞死亡率要比在沒經(jīng)過輻射的細(xì)胞中的高。在另一項(xiàng)研究中，開發(fā)了DOX 負(fù)載的PEG-GO 納米復(fù)合材料，并且利用無標(biāo)記熒光技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測活細(xì)胞體內(nèi)以及體外DOX 釋放所引起的微量變化。

　　Wu 等通過采用物理混合的方法在石墨烯氧化物表面負(fù)載DOX 方式在DOX-耐藥MCF-7 /ADR 細(xì)胞中注射了抗耐癌藥。在體外觀測到高藥物負(fù)載量與DOX 釋放時(shí)的pH 值有關(guān)。GO 增加了MCF-7 /ADR細(xì)胞中DOX 的累積量，從而導(dǎo)致了MCF-7 /ADR 細(xì)胞的細(xì)胞毒性比游離DOX 的.要高。眾所周知的是，腫瘤微環(huán)境中的pH 值，細(xì)胞內(nèi)的溶酶體與內(nèi)涵體都是酸性的。許多研究者已利用這一現(xiàn)象通過石墨烯改性的方法來實(shí)現(xiàn)腫瘤組織或細(xì)胞中活性藥物的釋放[6-7]。Depan 等[8]已對DOX 釋放實(shí)驗(yàn)中DOX-GO-殼聚糖-葉酸( DOX-GO-CHI-FA) 納米雜化合物形態(tài)的改變進(jìn)行了研究。在DOX 釋放之前，載體表面幾乎沒有孔隙，而DOX 藥物釋放之后，孔隙度和表面富集現(xiàn)象明顯增加。DOX-GO 和DOX-GO-CHI-FA 復(fù)合物在pH 值=5. 3 時(shí)DOX 的釋放速度要比pH 值= 7. 4 時(shí)的釋放速度快得多。另一方面，聚( N-異丙基丙烯酰胺) 官能化的石墨烯復(fù)合材料( PNIPAM-GS) 中的藥物釋放與溫度有著密切的關(guān)系[9]，Pan 等采用PNIPAM-GS 負(fù)載了不溶于于水的抗癌藥物CPT，并對37 ℃下PNIPAMGS-CPT 復(fù)合物在水和磷酸鹽緩沖液( PBS) 中CPT 的釋放進(jìn)行了究。在33 ℃下，PNIPAM 與石墨烯之間的相互作用將親水相轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷�相，其低臨界溶解溫度( LCST) 要比PNIPAM 均聚物的低臨界溶解溫度( 37. 8℃) 低。由于π-π 鍵堆積、石墨烯的疏水作用，所獲得的優(yōu)良的負(fù)載型CPT 的抗癌活性要比CPT 的高。所報(bào)道的研究已經(jīng)改善了水溶性、藥物負(fù)載量以及石墨烯基藥物偶聯(lián)物的團(tuán)聚現(xiàn)象。但是，聚合物功能化的石墨烯可以作為藥物釋放的擴(kuò)散阻擋層。Wen 等采用二硫鍵合成了聚乙二醇納米石墨烯氧化物( NGOSS-mPEG) ，該氧化物含有氧化還原的PEG 外殼，這種復(fù)合物能夠快速地釋放包裹在腫瘤細(xì)胞中的谷胱甘肽( GSH) ，由于二硫鍵的存在，PEG 外殼能選擇性地分離細(xì)胞內(nèi)谷胱甘肽刺激信號，并且DOX 的釋放速度要比沒有GSH 存在時(shí)的釋放速度快1. 55 倍。Yang 等也通過金剛烷基卟啉，采用葉酸修飾的β-環(huán)糊精鍵連GO 載體，合成了納米超分子組裝復(fù)合物。小鼠體內(nèi)生物分布研究表明，聚乙二醇納米石墨烯氧化物積累在網(wǎng)狀內(nèi)皮系統(tǒng)中，包括靜脈注射后的肝臟和脾。在劑量為20 mg /kg 的情況下，采用聚乙二醇納米石墨烯氧化物進(jìn)行了為期3 個(gè)月的檢查，血液生化指標(biāo)、血液分析以及組織學(xué)檢查表明沒有明顯的毒性。

　　許多研究使用石墨烯基材料和許多天然生物聚合物如硅膠、殼聚糖共軛形成石墨烯基偶聯(lián)物，可以作為藥物傳遞中的官能化試劑。天然生物聚合物具有生物相容性、生物降解性、低免疫原性，可以大大減少石墨烯的毒性作用。明膠可以用來還原和官能化負(fù)載有DOX 的納米石墨烯( gelatin-GS。由于比表面積大和π-π 鍵的相互作用，gelatin-GS 具有較高的藥物負(fù)載能力。gelatin-GS-DOX 復(fù)合物通過內(nèi)吞作用在MCF-7細(xì)胞中表現(xiàn)出了較高的毒性。殼聚糖是甲殼素的脫乙酰產(chǎn)物，是自然界唯一的天然陽離子多糖，已被用于石墨烯負(fù)載各種藥物的領(lǐng)域中，如布洛芬、5-氟脲嘧啶和喜樹堿，Rana 等將殼聚糖官能化的GO 用于布洛芬( IBU) 和5-氟脲嘧啶( 5-FU) 傳遞中，由于其親水性特征，弱π-π 鍵相互作用以及二酰胺基團(tuán)的存在，5-FU具有較低的藥物負(fù)載能力。Bao 等合成了殼聚糖-GO-CPT 復(fù)合物，與CPT 相比，該復(fù)合物在HepG2 和HeLa 細(xì)胞中具有較高的細(xì)胞毒性。

　　氧化鐵納米顆粒共軛的石墨烯納米材料具有超順磁性，也可以用于藥物傳遞的應(yīng)用中。Yang 等采用濕化學(xué)法制備了氧化鐵( Fe3O4) 納米粒子共軛的GO復(fù)合材料，并負(fù)載了DOX。負(fù)載DOX 之前或之后，均勻分散在水溶液中的磁性混合物在酸性介質(zhì)中會團(tuán)聚，而在堿性介質(zhì)中仍是分散的。GO-Fe3O4復(fù)合材料的pH 值觸發(fā)性磁性行為可以用來控制藥物傳遞。也報(bào)道了類似的pH 值依賴性藥物釋，即5-FU-負(fù)載納米雜化系統(tǒng)，該雜化系統(tǒng)包括石墨烯片( GN) 、碳納米管( CNT) 、Fe3O4，甚至是在高濃度80 μg /mL 的情況下，GN-CNT-Fe3O4復(fù)合材料也能夠內(nèi)吞HepG2 細(xì)胞，仍沒有顯示毒性，而5-FU-負(fù)載的復(fù)合物對HepG2 細(xì)胞有著顯著的細(xì)胞毒性。Li 等制備了負(fù)載羅丹明B 的Fe3O4 /石墨烯復(fù)合材料，除了能夠高效的負(fù)載羅丹明B 以外，這種材料也具有良好的電化學(xué)性能，那是由于石墨烯的導(dǎo)電性能增加以及Fe3O4包裹的石墨烯片比表面積增加。在酸性pH 值下，pH 值依賴型羅丹明B 的釋放是最快的。

　　研究者也對石墨烯基材料用于多種藥物共傳遞的化療應(yīng)用中進(jìn)行了研究。Zang 等采用磺酸基共價(jià)鍵連葉酸分子來修飾GO，并將其用于靶向給藥系統(tǒng)中。在相同的靶向給藥系統(tǒng)中控制DOX 和CPT 的負(fù)載量，與僅負(fù)載了DOX 或CPT 的GO 相比，該復(fù)合材料在MCF-7 細(xì)胞中表現(xiàn)出了更高的毒性。

　　3 基因傳遞

　　成功的基因療法需要高效的和安全的載體，以保護(hù)DNA 被核酸酶降解，也更有利于DNA 的提取。有文獻(xiàn)報(bào)道石墨烯已被應(yīng)用于基因傳遞、基因藥物共同傳遞和蛋白質(zhì)傳遞。石墨烯應(yīng)用于基因傳遞的方法包括陽離子聚合物如聚乙烯亞胺( PEI ) 官能化GO。PEI 已被廣泛地研究作為非病毒基因載體，由于它與RNA 和DNA 的帶負(fù)電荷的磷酸鹽有強(qiáng)靜電相互作用，它還提供了方便的化學(xué)修飾，以達(dá)到增加轉(zhuǎn)染效率和減少細(xì)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醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。Feng和Chen 等用不同分子質(zhì)量的PEI 研究PEI 官能化GO在基因傳遞的應(yīng)用，這兩項(xiàng)研究表明相對于單獨(dú)的PEI，PEI-GO 復(fù)合物具有顯著的低毒性，并且將石墨烯成功地用于轉(zhuǎn)染效率高的新型納米基因傳遞載體。應(yīng)用PEI 官能團(tuán)GO 進(jìn)行Bcl-2-靶向-siRNA 和抗癌物質(zhì)阿霉素的連續(xù)傳遞表現(xiàn)相互協(xié)同作用，從而導(dǎo)致更高的轉(zhuǎn)染效率和較低細(xì)胞毒性的PEI 并且增強(qiáng)抗癌功效。

　　殼聚糖-GO 復(fù)合物也已開發(fā)用于藥物和基因傳遞，殼聚糖-GO 與質(zhì)粒DNA 凝聚成穩(wěn)定的納米復(fù)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質(zhì)的有效載荷，由于其與PEG-GO 表面非共價(jià)相互作用，兩種不同的蛋白質(zhì)即核糖核酸酶和蛋白激酶，被運(yùn)送到細(xì)胞質(zhì)中且在細(xì)胞內(nèi)不會發(fā)生酶水解和生物活性損失。在另一項(xiàng)研究中，帶- 2 價(jià)的蛋白質(zhì)( BMP-2) 負(fù)載到鈦載體上，涂覆有正( GO-NH3 + )和負(fù)( GO-COO - ) 交替電荷的GO 納米片且具有較高的負(fù)載率并保持的生物活性，在活體小鼠中的研究顯示，植入TI-GO-BMP2 與Ti 或Ti-GO 或Ti-BMP2 基因相比，可形成更強(qiáng)大的新骨，形成了一個(gè)新型復(fù)合非常有效輸送治療藥物的載體。這些研究大部分都強(qiáng)調(diào)石墨烯基材料作為藥物和基因傳遞載體的體外潛力; 然而，有必要證明在體內(nèi)尤其側(cè)重于安全性，生物分布和功效的潛力。

　　4 結(jié)語

　　近10 年來，石墨烯基納米材料已被廣泛地用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。石墨烯和GO 表面各種功能基團(tuán)和自由電子為不同化學(xué)小分子和蛋白質(zhì)類物質(zhì)間的共價(jià)鍵聯(lián)提供了無盡的可能性。在外部刺激( pH 值、磁場、近紅外輻射) 下，使用官能化石墨烯是新興起的一種藥物/基因傳遞平臺。但是從目前看來，石墨烯基納米材料在生物醫(yī)藥中的應(yīng)用研究仍然存在較多問題有待解決:

　　( 1) 全身/局部用藥后，這些石墨烯載體的體外去向沒有得到足夠的重視。

　　( 2) 不同石墨烯族材料具有不同的理化性質(zhì)和表面官能團(tuán)，這些特性可能對這些材料的安全性、毒性以及清除率有著顯著的影響。研究不同石墨烯族材料體內(nèi)行為將會為發(fā)展其在藥物和基因傳遞方面的應(yīng)用提供保障。

　　( 3) 大部分的應(yīng)用仍局限于癌癥的治療，還需擴(kuò)展到其它方面的治療。

納米材料論文5

　　1 引言

　　碳化鎢（WC）的核外電子排布因與鉑類似而具有類鉑催化性能，1 可用作電化學(xué)領(lǐng)域的催化劑，2，3 且由于具有優(yōu)越的抗H2S和CO中毒能力等特點(diǎn)4而成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)， 但是其電催化活性遠(yuǎn)不如鉑等貴金屬催化劑。5，6 因此， 提高活性是WC替代或部分替代鉑等貴金屬催化劑的關(guān)鍵和面臨的技術(shù)難題。研究表明， 結(jié)構(gòu)和形貌調(diào)控，7，8 碳包覆9—15及與其它載體復(fù)合16是提高WC活性的有效技術(shù)手段。 本課題組在這方面也開展一些有針對性的研究工作，如制備WC/CNT、17 WC/TiO218和WC/天然沸石納米復(fù)合材料，19 以及WC/Fe3W3C 核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合材料20等。 以上方法雖然在一定程度提高了WC的催化活性， 但均未能制備出具有類鉑催化活性的碳化鎢基催化劑。

　　選擇蒙脫石（MMT）為碳化鎢的載體， 制備碳化鎢與蒙脫石復(fù)合催化材料， 并研究其性能， 是因?yàn)镸MT具有2：1 型層狀結(jié)構(gòu)， 是一種天然的硅酸鹽層狀結(jié)構(gòu)材料， 具有表面電負(fù)性強(qiáng)、比表面積大、吸附性強(qiáng)及陽離子交換性能好等特點(diǎn)；21 研究還表明， 將Pt2+引入到MMT的層間， 再利用NaBH4還原可得到Pt—MMT催化劑， 它對對硝基苯酚具有很好的催化活性與穩(wěn)定性；22 將Ru、23 Au、24 CdTe25和Fe26等多種納米微粒負(fù)載在MMT上， 不僅體現(xiàn)出良好的分散性， 還具有很好的催化性能。 這是由于MMT的納米片層表面帶有永久性負(fù)電荷， 電荷的相斥作用導(dǎo)致復(fù)合催化劑具有很好的分散性； Aihara 等27進(jìn)一步認(rèn)為， 為了降低表面能， 納米顆粒吸附于MMT的片層上， 致使MMT片層對納米顆粒具有很好的分散作用； Kawabata 等28 也認(rèn)為MMT作為催化劑的載體， 對納米微粒具有很好的分散與穩(wěn)定作用， 并可保持復(fù)合催化劑的穩(wěn)定性。 因此， 將具有類鉑催化活性的碳化鎢負(fù)載于MMT納米片層之上必可得到性能良好的催化劑。

　　基于上述因素， 本文以蒙脫石為載體， 采用離子交換法將W6+引入到MMT表面及層間， 再利用原位還原碳化技術(shù)獲得了碳化鎢與蒙脫石納米復(fù)合材料， 研究了其對甲醇的電催化性能， 報(bào)道了具有類鉑電催化活性的碳化鎢基催化材料， 揭示了復(fù)合材料的電催化性能與其物相組成和微結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系， 為制備具有類鉑催化活性的碳化鎢基電催化材料探索了一條新的途徑。

　　2 實(shí)驗(yàn)部分

　　2。1 前驅(qū)體制備

　　三氧化鎢（WO3） 與蒙脫石復(fù)合前驅(qū)體（WO3/MMT）的制備分為兩步完成：（1） MMT 剝離； （2）WO3/MMT制備。

　�。�1） MMT剝離： 將一定量的MMT加入到濃度為8 molL—1的LiCl 溶液中， 攪拌和超聲分散10 min后轉(zhuǎn)入水熱反應(yīng)釜中， 在140 °C下水熱反應(yīng)24 h， 過濾后再用50%的乙醇溶水液洗滌濾餅， 經(jīng)離心和干燥后獲得剝離MMT （E—MMT）。

　�。�2） WO3/MMT 制備： 分別稱取1。836 g WCl6 和1。000 g E—MMT， 先將WCl6溶于50 mL無水乙醇中，再將E—MMT加入上述溶液中， 超聲分散10 min， 將體系置于30 °C的水浴中恒溫?cái)嚢?4 h， 然后靜置、過濾、洗滌、干燥和研磨后獲得WO3/MMT前驅(qū)體。

　　2.2 樣品制備

　　將適量的WO3/MMT前驅(qū)體裝于石英舟內(nèi)并置于管式電爐中， 通氮?dú)猓∟2） 30 min 后， 改通CH4和H2混合氣體（CH4：H2的體積比為1：4）， 同時(shí)將管式爐的溫度升高至400 °C保持30 min， 再升高至800 °C保溫一段時(shí)間， 然后在N2保護(hù)下冷卻至室溫， 即獲得碳化鎢與MMT納米復(fù)合材料。

　　2.3 樣品表征

　　采用荷蘭的PANalytical 公司生產(chǎn)的X'PertPRO型X射線衍射（XRD）儀對樣品的結(jié)構(gòu)及物相組成進(jìn)行表征。 實(shí)驗(yàn)采用Cu Kα靶， λ=0.54056 nm， 管電流40 mA， 管電壓45 kV， 步長0.04°， 2θ的掃描速率為2.4 （°）min—1， 掃描范圍為5°—80°； 采用配備有X射線能量散射譜（EDS）儀的HitachiS—4700Ⅱ型場發(fā)射掃描電鏡來觀察樣品的表面形貌； 采用荷蘭Philips—FEI 公司的300 kV 高分辨透射電子顯微鏡（TecnaiG2 F30 S—Twin）對樣品的形貌特征和顯微結(jié)構(gòu)進(jìn)行表征。

　　2.4 電催化性能測試

　　樣品的'電催化性能測試采用CHI620B 型電化學(xué)工作站（上海辰華儀器公司）， 測試在298 K下采用循環(huán)伏安法和三電極體系進(jìn)行。 其中， 工作電極為粉末微電極， 輔助電極為1 cm×1 cm 的99.99% Pt片， 參比電極為飽和甘汞電極（SCE）， 工作電極與輔助電極之間用多孔陶瓷隔膜隔開。

　　樣品電催化性能對比用碳載鉑（Pt/C）電催化材料從浙江省冶金研究院有限公司購買， 其鉑含量為5% （w）， 標(biāo)記為Pt/C（5%）。

　　3 結(jié)果與討論

　　3.1 XRD分析

　　EMMT與WO3/MMT 在2θ小于10°的范圍內(nèi)均具有較強(qiáng)的衍射峰， 可歸屬于MMT（001）晶面的特征峰（PDF： 13—0259）。 與E—MMT相比， WO3/MMT中（001）晶面的2θ值向左偏移，這說明負(fù)載WO3 后MMT 的（001）晶面間距擴(kuò)大了。 這可能與WO3/MMT制備過程中少量鎢離子插入蒙脫石層間有關(guān)。 WO3/MMT經(jīng)還原碳化后， 樣品的物相組成主要是WC （PDF： 51— 0939）、W2C（PDF： 35— 0776） 和MM。 比較上述四個(gè)樣品的XRD 衍射結(jié)果可發(fā)現(xiàn)， 隨著還原碳化時(shí)間的增加，MMT（001）晶面的衍射峰逐漸減弱， 當(dāng)還原碳化時(shí)間超過5 h， MMT（001） 晶面的衍射峰基本消失，MMT的其他衍射峰也逐漸減弱。 這說明隨著還原碳化時(shí)間的增加， MMT片層結(jié)構(gòu)的有序度降低， 甚至被破壞或向非晶態(tài)轉(zhuǎn)變。 當(dāng)還原碳化時(shí)間為3 和4 h 時(shí)， WC的各主要晶面（001）、（100）和（101）， 以及W2C的（101）晶面的衍射峰較弱。 這說明此時(shí)WC及W2C的結(jié)晶度不高； 當(dāng)還原碳化時(shí)間增加到5 h 后，樣品的物相主要是WC， 且其衍射峰明顯增強(qiáng)； 當(dāng)還原碳化時(shí)間增加到6 h 時(shí)， WC 的衍射峰變?nèi)酰?而W2C的衍射峰增強(qiáng)。 上述結(jié)果表明， WC的結(jié)晶程度隨著還原碳化時(shí)間的增加由弱到強(qiáng)， 再由強(qiáng)到弱，而W2C 的結(jié)晶程度由強(qiáng)到弱， 再由弱到強(qiáng)， 即兩者的結(jié)晶程度呈互補(bǔ)關(guān)系。 這反映還原碳化過程中WC與W2C 是一種動態(tài)平衡關(guān)系， 即W2C→WCW2C。為進(jìn)一步驗(yàn)證上述關(guān)系， 基于XRD 分析結(jié)果，應(yīng)用X'PertPRO 型X射線衍射儀自帶的專業(yè)軟件對樣品中WC和W2C 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及其晶粒度進(jìn)行了計(jì)算。 表中WC和W2C的晶粒度分別對應(yīng)各自最強(qiáng)衍射峰的晶面， 即分別為（100）和（101）晶面。當(dāng)還原碳化時(shí)間為3 h時(shí)， 樣品中WC和W2C的含量分別為39%和61%， 兩者的比值為0.641， 即W2C的含量約為WC的1.5 倍；當(dāng)還原碳化時(shí)間為4 h 時(shí)， WC和W2C的含量分別為34%和66%， 兩者的比值為0.515， 即W2C 的含量約為WC的2.0 倍。 這說明還原碳化3 和4 h 時(shí)，樣品的物相以W2C為主。 當(dāng)還原碳化時(shí)間為3 h 時(shí)， 兩者的晶粒度有一定的差異； 當(dāng)還原碳化時(shí)間為4 h 時(shí)， 兩者的晶粒度基本一致。 當(dāng)還原碳化時(shí)間為5 h 時(shí)， 樣品中WC與W2C的含量分別為82%和18%， 兩者的比值明顯變大， 由0.515（4 h）增大至4.556（5 h）， 晶粒度變化不明顯。 此時(shí)樣品的物相以WC為主， 粒徑?jīng)]有明顯變化。 當(dāng)還原碳化時(shí)間為6 h 時(shí)， 樣品中WC與W2C的含量分別為48%和52%， 兩者的比值又變小， 由4。556（5 h）變小至0.923（6 h）， 此時(shí)樣品的物相以W2C 為主， 粒徑略有增加。 這說明還原碳化時(shí)間由5 到6 h， 樣品的物相由以WC為主， 轉(zhuǎn)變?yōu)閃C與W2C 的含量基本相當(dāng)， 且W2C 的含量略高。 比較不同還原碳化時(shí)間樣品的XRD分析結(jié)果可發(fā)現(xiàn)， 隨著還原碳化時(shí)間的增加， WC與W2C之間可發(fā)生轉(zhuǎn)變，先是部分W2C 轉(zhuǎn)變成WC， 然后是部分WC轉(zhuǎn)化為W2C， 且還原碳化5 和6 h 樣品中WC和W2C的結(jié)晶度明顯優(yōu)于還原碳化3 和4 h 時(shí)樣品中的WC 和W2C。

　　3.2 SEM分析

　　剝離前MMT片層狀結(jié)構(gòu)不明顯， 剝離后片層狀結(jié)構(gòu)明顯， 其長度達(dá)到了幾微米， 厚度僅為十幾納米， 片層邊緣呈現(xiàn)卷曲狀。 這說明經(jīng)剝離后， MMT形成了分散性良好的片層狀結(jié)構(gòu)， 其表面積明顯增大。 這為后續(xù)氧化鎢的吸附與分散， 即前驅(qū)體的制備奠定了良好的基礎(chǔ)。

　　3.3 TEM及STEM

　　為了解E—MMT與碳化鎢的晶粒大小， 選擇還原碳化時(shí)間為5 h 的樣品進(jìn)行了高分辨透射電子顯微鏡（TEM）和掃描透射電鏡（STEM）分析。

　　樣品片層狀結(jié)構(gòu)明顯， 片層厚度較薄， 結(jié)合SEM 結(jié)果， 片層狀顆粒為E—MMT，黑色顆粒均勻地分散于E—MMT的表面。樣品局部放大及晶格像。 黑色細(xì)小顆粒經(jīng)放大后用Digital Micrograph 軟件精確測量其晶面間距約為0.2455 nm。 這與WC（100） 的晶面間距0.2517 nm（PDF： 51—0939）接近。黑色顆粒經(jīng)放大后，其晶面間距約為0.2489 與0.2506 nm， 均與WC（100）的晶面間距接近。 這說明照片中的黑色顆粒為WC。晶面間距實(shí)測值與標(biāo)準(zhǔn)卡片值的差異可能是由于晶面拍攝角度以及系統(tǒng)誤差所致�；液谏�顆粒表面分布灰白色亮點(diǎn)。 由于碳化鎢比蒙脫石具有更強(qiáng)的電子衍射，灰白色亮點(diǎn)是碳化鎢顆粒， 灰黑色區(qū)域?yàn)镋—MMT片層， 并采用X射線能譜儀對上述結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。 WC顆粒均勻分布于E—MMT片層的表面， 分散性較好， 團(tuán)聚現(xiàn)象不明顯， 顆粒大小大約在10 nm 左右。 這與XRD的計(jì)算結(jié)果吻合。

　　3.4 EDX分析

　　C、O、Mg、Al、W、Si 元素的譜峰。 其中， O、Mg、Al、Si 和Ca 為MMT中的元素所致， W 和C 譜峰的存在說明樣品中存在碳化鎢物相。 這與XRD 的分析結(jié)果相符。 這在一定程度上說明所制備的樣品為WC/MMT復(fù)合材料。

　　3.5 電催化性能

　　樣品在酸性甲醇溶液（0.1 mol /L—1CH3OH+0.5 mol/L—1 H2SO4）中的循環(huán)伏安曲線。 樣品3 在0.5 molL—1 H2SO4溶液中出現(xiàn)了一組對稱的氧化還原峰， 其氧化和還原峰峰電位分別為0.531 和0.426 V； 在正掃過程中， 四個(gè)樣品均在0.7 V左右出現(xiàn)第一個(gè)氧化峰； 在負(fù)掃過程中，四個(gè)樣品均在0.508—0.535 V范圍內(nèi)出現(xiàn)第二個(gè)氧化峰。 樣品3 在硫酸溶液中并未出現(xiàn)雙氧化峰， 而是一個(gè)氧化峰和一個(gè)還原峰。 這說明上述雙氧化峰是樣品對甲醇的電催化氧化， 也充分說明WC/MMT系列樣品對甲醇的電催化氧化性能與貴金屬催化劑鉑的特征相似。為便于對比。 在正掃描過程中， 樣品1、2、3 和4 的峰電位分別為0.702、0.707、0.707 和0.696 V， 峰電流密度分別為8。05、6.09、16。40 和6.64μAcm—2。 即4 個(gè)樣品的峰電位非常接近， 峰電流有明顯的差異， 以樣品3 的峰電流密度最大； 負(fù)掃描過程中， 樣品1、2、3 和4 的峰電位分別為0.532、0.535、0.508 和0.515 V， 峰電流密度分別為5.42、4.24、10.20和3.95 μAcm—2。 即4 個(gè)樣品的峰電位比較接近， 以樣品3 的峰電位最負(fù)， 峰電流也有明顯的差異， 以樣品3 的峰電流密度最大。 由于氧化峰的峰電位越負(fù)，其電催化氧化活性越高。 因此可認(rèn)為樣品3 的電催化活性相對較好， 即還原碳化時(shí)間為5 h 所制備樣品的電催化活性最好。 4 個(gè)樣品的正掃峰電位與負(fù)掃描峰電位的比值存在一定的差異， 且樣品4 的比值明顯大于其它三個(gè)樣品的比值。

　　正掃描時(shí)， 樣品3 在硫酸溶液中的循環(huán)伏安曲線在電勢為0。1 V左右均出現(xiàn)一個(gè)寬泛的氧化峰。 這應(yīng)該是氫的脫附峰。3 氫脫附峰的形成是因?yàn)樗嵝匀芤褐泻�有大量的H+離子， 樣品中MMT表面具有永久性負(fù)電荷， 這必然導(dǎo)致H+離子大量吸附于MMT表面， 隨電位正移， H+離子從MMT表面脫附， 在循環(huán)伏安曲線上顯示陽極電流和相應(yīng)的電流峰。

　　甲醇在樣品的電催化過程中能夠出現(xiàn)雙氧化峰是因?yàn)榧状嫉碾姶呋�氧化總反�?yīng)方程式：

　　2CH3OH+3O2=2CO2+4H2O （1）

　　在酸性條件下， 其正極反應(yīng)：

　　3O2+12e—+12H+→6H2O （2）

　　負(fù)極反應(yīng)：

　　2CH3OH—12e—+2H2O→12H++2CO2 （3）

　　而在實(shí)際反應(yīng)過程中， 甲醇的電催化氧化是分步進(jìn)行的。30 即在電位正向掃描過程中， 甲醇發(fā)生電催化氧化， 但隨著電流的正移， 催化劑表面產(chǎn)生的氧化物或溶液中硫酸根離子吸附抑制了甲醇的進(jìn)一步吸附和氧化， 所以會產(chǎn)生第一個(gè)氧化峰； 當(dāng)電位負(fù)向掃描時(shí)， 在正向掃描產(chǎn)生的氧化物被還原，且吸附的硫酸根離子也發(fā)生脫附， 此兩個(gè)過程使得催化劑表面恢復(fù)活性， 所以甲醇可以進(jìn)一步發(fā)生氧化， 從而形成第二個(gè)氧化峰。 這就是形成雙氧化峰的根本原因。

　　不同鎢與蒙脫石比的前驅(qū)體經(jīng)5 h 還原碳化所制備的樣品在酸性溶液（0.1 molL—1 CH3OH+0.5 molL—1 H2SO4）中循環(huán)伏安曲線。 從圖7 中可看出， 所有樣品在酸性甲醇溶液中均出現(xiàn)了雙氧化峰， 一個(gè)是在正掃過程中， 且峰電位均在0。7 V左右，另一個(gè)在負(fù)掃過程中， 峰電位為0.5 V。 上述結(jié)果說明， 四個(gè)樣品均對甲醇具有良好的電催化活性， 且其循環(huán)伏安曲線的雙氧化峰特征與貴金屬Pt 的電催化特征相類似。29 這充分說明碳化鎢與蒙脫石納米復(fù)合材料具有類Pt 的催化活性。 為了更好地對比樣品的電催化活性。

　　正掃描過程中， 4 個(gè)樣品的峰電位高低順序?yàn)椋?樣品8>樣品7>樣品6>樣品5。 由于氧化電位越低， 其電催化氧化活性越好， 越容易發(fā)生電催化氧化反應(yīng)。 因此， 正掃描過程中， 樣品5 的電催化活性最高。 正掃描過程中， 4 個(gè)樣品的峰電流密度大小順序?yàn)椋?樣品8>樣品6>樣品5>樣品7。 其中， 樣品8 的電流密度值明顯大于其它樣品的電流密度值； 樣品7 的電流密度值明顯小于其它樣品的電流密度值。 負(fù)掃描過程中， 4 個(gè)樣品的峰電位高低順序?yàn)椋?樣品7>樣品6>樣品5>樣品8， 樣品8 的電催化活性最高。 4 個(gè)樣品的峰電流密度大小順序和特征與正掃一致。 從表3 中還可看出， 4 個(gè)樣品的正掃峰電位與負(fù)掃峰電位的比值隨著負(fù)載量的增大而減小， 即兩個(gè)氧化峰的電位比值大小與負(fù)載量之間存在一定的相關(guān)性。

　　樣品3 與碳載鉑[Pt/C（5%）]在酸性甲醇溶液中的循環(huán)伏安曲線對比圖。樣品3 與Pt/C（5%）在酸性溶液中對甲醇的電催化均出現(xiàn)了雙氧化峰。 為便于對比， 在相同的測試條件下， 與Pt/C（5%）的第一個(gè)和第二個(gè)氧化峰電位相比， 樣品3 的第一個(gè)和第二個(gè)氧化峰電位明顯負(fù)移。 由于氧化峰的峰電位越負(fù)， 其電催化氧化活性越高。 這說明碳化鎢與蒙脫石構(gòu)成復(fù)合材料后， 在高電流密度下其電催化活性高于Pt/C（5%）， 即其電催化活性得到了明顯的提升。

　　從表4 中還可看出， 與文獻(xiàn)報(bào)道的WC與W2C復(fù)合材料31 和碳載鉑（Pt/Vulcan XC—72R）電催化材料32的第一個(gè)和第二個(gè)氧化峰電位相比， 樣品3 的第一個(gè)和第二個(gè)氧化峰電位明顯負(fù)移； 與文獻(xiàn)報(bào)道的碳載鉑（Pt/Vulcan XC—72R）電催化材料32相比， 正掃時(shí)， 樣品3 對甲醇電催化氧化第一個(gè)峰的峰電位明顯正移， 第二個(gè)峰的峰電位相同。 這也從側(cè)面說明將碳化鎢復(fù)合于蒙脫石上之后， 其對甲醇的電催化活性得到顯著的提高。

　　綜合分析， 不同鎢與蒙脫石比值的前驅(qū)體經(jīng)5 h還原碳化所制備的樣品中， 樣品3， 即當(dāng)前驅(qū)體的鎢與蒙脫石比值為4 時(shí)， 樣品在酸性溶液中對甲醇電催化氧化活性最好。 結(jié)合樣品的XRD表征結(jié)果， 樣品3 中的碳化鎢物相組成為WC與W2C， 且WC與W2C 的比值達(dá)4.649， 即樣品中以WC為主導(dǎo)， 而其它3 個(gè)樣品的物相雖然也由WC與W2C組成， 但WC與W2C的比值均小于1， 即樣品中碳化鎢的物相以W2C為主。 這充分說明WC與W2C對甲醇的電催化氧化均具有一定的活性，31 但構(gòu)成復(fù)合材料后兩者的比例對樣品的性能有較大影響， 即以WC為主的樣品對甲醇的電催化性能好于以W2C 為主的樣品的性能。 從TEM照片中可看出， 樣品3 中碳化鎢顆粒均勻地分布于MMT外表面， 并形成了較為完整的負(fù)載層； 雖然樣品2 中碳化鎢也較均勻地分布于MMT外表面， 但沒有形成完整的負(fù)載層； 樣品1 和4則是碳化鎢顆粒均勻地分布于MMT 外表面， 在MMT外表面的碳化鎢沒有形成連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)。這充分說明樣品的微結(jié)構(gòu)特征對其電催化活性具有較大影響。 基于上述結(jié)果和分析可得出結(jié)論： 碳化鎢與蒙脫石納米復(fù)合材料對甲醇的電催化活性不僅與其物相組成和相對含量有關(guān)， 還與其微結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。

　　4 結(jié)論

　　以六氯化鎢為鎢源， 以剝離后的蒙脫石片層為載體， 將化學(xué)浸漬法與原位還原碳化技術(shù)結(jié)合可制備出碳化鎢與蒙脫石納米復(fù)合材料； 復(fù)合材料中碳化鎢由WC與W2C組成， 調(diào)節(jié)還原碳化時(shí)間可獲得具有不同物相組成的復(fù)合材料， 即可控制WC 與W2C 的比值； 調(diào)節(jié)前驅(qū)體中的鎢與蒙脫石比例， 可獲得具有不同結(jié)構(gòu)特征的碳化鎢與蒙脫石的納米復(fù)合材料； 當(dāng)前驅(qū)體中鎢與蒙脫石的比例適中時(shí)，碳化鎢均勻地負(fù)載于蒙脫石片層的外表面， 形成良好的負(fù)載層； 當(dāng)前驅(qū)體中鎢與蒙脫石的比值過低或過高時(shí)， 碳化鎢以微粒形式復(fù)合于蒙脫石片層的外表面。 其中， 當(dāng)比值低時(shí)， 碳化鎢納米顆粒均勻地分散于蒙脫石的外表面， 晶粒的尺寸在10 nm左右， 當(dāng)比值過高時(shí)， 碳化鎢納米顆粒在蒙脫石的表面分布不均勻， 顆粒明顯增大（60—100 nm）， 團(tuán)聚明顯。

　　碳化鎢與蒙脫石納米復(fù)合材料在酸性體系中對甲醇具有良好的電催化活性， 并具有類鉑催化性能， 其電催化活性不僅與復(fù)合材料的物相組成有關(guān)， 還與復(fù)合材料的微結(jié)構(gòu)特征有關(guān)。 當(dāng)復(fù)合材料中碳化鎢的物相由WC和W2C構(gòu)成， 并以WC占絕對多數(shù)， 且兩者在蒙脫石片層外表面形成均勻的負(fù)載層時(shí)， 復(fù)合材料對甲醇的電催化活性最好， 且類鉑電催化性能最強(qiáng)。

　　上述充分說明， 蒙脫石片層是碳化鎢良好的載體， 不僅可很好地分散碳化鎢納米顆粒， 也可構(gòu)成負(fù)載層狀結(jié)構(gòu)， 兩者復(fù)合后還可獲得具有類鉑催化性能的碳化鎢基電催化材料。 這為制備具有類鉑電催化性能的碳化鎢基催化材料奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，為碳化鎢基催化材料的制備與應(yīng)用研究， 尤其是碳化鎢替代鉑等貴金屬催化劑指明了方向。

納米材料論文6

　　1 納米材料的研究現(xiàn)狀

　　近年來，科學(xué)技術(shù)發(fā)生了飛速發(fā)展，各種新興產(chǎn)業(yè)和新興科學(xué)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，為了滿足各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，納米材料受到越來越多的關(guān)注和重視，各國科學(xué)家都在研究納米技術(shù)的基礎(chǔ)理論知識，同時(shí)相關(guān)納米技術(shù)在許多行業(yè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用和實(shí)施，比如：電子電子行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)等等，并向產(chǎn)業(yè)化的方向逐漸邁進(jìn)。在美國、日本等國家納米材料已經(jīng)得到批量的生產(chǎn)，但是納米材料的未來發(fā)展還需要科學(xué)家們不懈的努力和研究，研發(fā)和發(fā)展的道路任重而道遠(yuǎn)，尤其是納米醫(yī)療診斷材料和納米生物材料還需要不斷的創(chuàng)新和發(fā)展。相關(guān)機(jī)構(gòu)曾這樣預(yù)測過：不到十年的時(shí)間，全世界納米新材料市場便會達(dá)到87 億美元的規(guī)模，整個(gè)行業(yè)便會有24.6%的年增長率。

　　社會對納米材料的需求不斷增加的同時(shí)，世界各國紛紛投入到納米材料的研發(fā)中， 政府和企業(yè)大量人力和物力的投入，使納米材料的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)新的高度，納米材料的市場規(guī)模不斷的擴(kuò)大。

　　在美國，納米材料被廣泛應(yīng)用在軍事、國防、航空航天等多個(gè)領(lǐng)域，因而美國將納米材料的研究和發(fā)展作為一種國家戰(zhàn)略層面的科研項(xiàng)目。事實(shí)證明，納米材料具有優(yōu)良的性能，已經(jīng)被社會各界認(rèn)可，隨著納米材料的不斷研發(fā)，農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、生物等領(lǐng)域正在逐漸實(shí)施納米技術(shù)，創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

　　在世界各國中，我國對于納米技術(shù)的研究并不算晚，當(dāng)前，我國共有一百多個(gè)研發(fā)機(jī)構(gòu)在進(jìn)行納米材料基礎(chǔ)和應(yīng)用的相關(guān)研究。這些研發(fā)機(jī)構(gòu)主要是我國的一些高校和研究所，其中高校中開展較早的主要有：清華大學(xué)、東北大學(xué)、吉林大學(xué)等經(jīng)典大學(xué)，研究所中開展較早的有：長春感光化學(xué)研究所、應(yīng)用化學(xué)研究所等。通過各界不謝的努力和研究，近幾年來，我國納米材料的發(fā)展有了新的突破和發(fā)展， 并取得了豐碩的研究成果。研發(fā)過程中，應(yīng)用的方法主要有物理法、化學(xué)法及多種方法相結(jié)合的復(fù)合法，從而研發(fā)出一系列金屬和合金的氮化物和氧化物的納米顆粒; 同時(shí)我國向納米材料研發(fā)先進(jìn)的國家學(xué)習(xí)，不僅學(xué)習(xí)其完善的納米技術(shù)，而且引進(jìn)我國不能自主生產(chǎn)但對于納米材料的生產(chǎn)和發(fā)展不可或缺的設(shè)備，對納米材料的顆粒大小進(jìn)行微細(xì)的調(diào)控， 將這些研發(fā)成果廣泛應(yīng)用到生產(chǎn)當(dāng)中，從而生產(chǎn)出相應(yīng)的高科技納米產(chǎn)品，比如：納米塊材、納米薄膜等等;對納米材料進(jìn)行廣泛生產(chǎn)的同時(shí)，又積極發(fā)掘原有納米材料的新特性，在各個(gè)角度對納米材料進(jìn)行創(chuàng)新和發(fā)展，收到了成效，比如：我國已經(jīng)成功研發(fā)出納米陶瓷，這種納米陶瓷具有優(yōu)良的性能，密度高且結(jié)構(gòu)復(fù)雜;同時(shí)，對于超塑性形變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，我國在世界上屬于先鋒，超塑性形變現(xiàn)象即在拉伸疲勞應(yīng)力集區(qū)所表現(xiàn)出的納米氧化鋁晶粒特性;另外，我國在其他納米材料的相關(guān)研究中也取得了不錯(cuò)的成績，比如：我國深入研究功能納米材料，并看到了相應(yīng)的成效。

　　隨著社會對納米材料需求的不斷增加，我國在"八五"研究工作的基礎(chǔ)之上，又建立了許多研發(fā)基地，其中最重要的主要有：中科院金屬所、南京大學(xué)、中科院物理所、清華大學(xué)及國防科技大學(xué)等。這些納米材料基地的建立為我國納米技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)條件。通過近幾年來不懈的努力和研發(fā)，我國在納米材料的研發(fā)領(lǐng)域取得了一定的成果，在眾多的發(fā)達(dá)國家中，我國已經(jīng)具有一席之地。新的時(shí)期，我國的科研院校和研究所對納米材料的研發(fā)做出了重要貢獻(xiàn)，不僅提供生產(chǎn)納米材料的技術(shù)，同時(shí)提供高質(zhì)量的科研學(xué)者， 使納米材料更加廣泛的應(yīng)用于生產(chǎn)中，促進(jìn)了科研成果向工作和生產(chǎn)中的轉(zhuǎn)化。在未來的發(fā)展中，這些科研院校和研究所是我國納米材料發(fā)展的動力。

　　2 納米材料發(fā)展的未來趨勢

　　2.1 納米技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)的融合

　　進(jìn)入二十一世紀(jì)后，信息產(chǎn)業(yè)在社會的發(fā)展中具有不可替代的作用。到20xx 年，信息產(chǎn)業(yè)在我國GDP 中所占的利潤已經(jīng)達(dá)到10%。將納米技術(shù)融入到信息產(chǎn)業(yè)主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：近年來網(wǎng)絡(luò)通訊、高清晰度數(shù)字顯示技術(shù)及芯片技術(shù)飛速發(fā)展，便相應(yīng)的推動了納米技術(shù)的發(fā)展。而且在未來幾年中，世界對于網(wǎng)絡(luò)通訊和顯示集成等方面的設(shè)備性能要求會不斷的增加，許多國家已經(jīng)開始研發(fā)納米材料，并有了不錯(cuò)的成效。再者， 我國在網(wǎng)絡(luò)通訊方面跟其他發(fā)達(dá)國家還存在一定的差距，應(yīng)該對網(wǎng)絡(luò)通訊的`關(guān)鍵零件進(jìn)行研發(fā)，比如：微電容、諧振器及微電極等，在進(jìn)行納米材料的研發(fā)過程中應(yīng)提高這些零件的性能，我國在網(wǎng)絡(luò)通訊方面上的不足為納米技術(shù)和信息產(chǎn)業(yè)的融合提供了合理的空間。

　　2.2 納米技術(shù)與環(huán)境產(chǎn)業(yè)的融合

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，環(huán)境污染問題已經(jīng)成為世界各國關(guān)注的話題，納米技術(shù)可以有效應(yīng)用在污染物的降解及空氣的凈化上， 因而納米技術(shù)在環(huán)境的保護(hù)方面有著重大的意義。近幾年來，隨著我國污染程度的加大，已經(jīng)研發(fā)出了可以成功降解氮氧化物、甲醛等污染物的相應(yīng)納米設(shè)備，空氣的污染程度大為降低，將空氣中的有害成分從10ppm 降到了0.1ppm。同時(shí)納米技術(shù)也應(yīng)用到了水污染的治理當(dāng)中，很多企業(yè)應(yīng)用納米技術(shù)的光催化性質(zhì)使污染的水質(zhì)得到凈化， 在未來的發(fā)展中，納米技術(shù)在環(huán)境污染上的應(yīng)用將會更加普遍。

　　2.3 納米技術(shù)與生物醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)的融合

　　進(jìn)入世貿(mào)組織對我國許多行業(yè)造成了不同程度的影響，尤其是醫(yī)藥行業(yè)，在納米技術(shù)的研發(fā)背景下，我國決定不斷發(fā)展，奮起直追。納米生物技術(shù)在醫(yī)藥上的研發(fā)主要是：在動植物中提取有益于人類健康的材料，再經(jīng)過納米技術(shù)，使這種材料的作用充分發(fā)揮出來。同時(shí)在醫(yī)藥行業(yè)應(yīng)用納米技術(shù)，可以使納米技術(shù)的適用層次得到提高。

　　2.4 納米技術(shù)與能源環(huán)保產(chǎn)業(yè)的融合

　　隨著世界人口的不斷增加， 各種能源逐漸出現(xiàn)耗竭的狀態(tài)。因而， 目前我國最重要的工作便是合理有效的使用和開發(fā)資源，同時(shí)研發(fā)出能夠取而代之的新能源。在傳統(tǒng)能源方面，應(yīng)該運(yùn)用納米技術(shù)使其充分利用，同時(shí)減少相應(yīng)廢棄物的排放。在新能源的研發(fā)方面，在借鑒發(fā)達(dá)國家先進(jìn)納米技術(shù)的同時(shí)，也要不斷的創(chuàng)新，開發(fā)出一系列可燃?xì)怏w等較清潔的能源，較少傳統(tǒng)資源的過度使用和浪費(fèi)，使新資源廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活當(dāng)中。

　　2.5 運(yùn)用納米技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造

　　運(yùn)用納米技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造并完美結(jié)合，是當(dāng)前傳統(tǒng)行業(yè)再度復(fù)興的希望。比如，我國傳統(tǒng)的紡織行業(yè)，國際上激烈的競爭已經(jīng)嚴(yán)重打壓了我國的紡織業(yè)，因而納米技術(shù)應(yīng)該應(yīng)用在紡織材料領(lǐng)域， 這樣才能使衣服的品質(zhì)和質(zhì)量得到提高，使我國的紡織行業(yè)在國際上占有一席之地。

納米材料論文7

　　新材料的研發(fā)是我國重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域之一，而納米材料又是其中的佼佼者。據(jù)權(quán)威機(jī)構(gòu)推測，20xx年全世界納米材料市場規(guī)模已超過20xx億美元。隨著國際科技進(jìn)步及工業(yè)向高精尖發(fā)展，納米技術(shù)已成各國競相發(fā)展的重要領(lǐng)域之一。其中，碳納米材料由于其獨(dú)特的理化性質(zhì)，近年來在納米科學(xué)及納米技術(shù)的發(fā)展中得到了廣泛的關(guān)注。其應(yīng)用范圍從起初的涂料、潤滑油、聚合物添加劑、電子器件、傳感器和電化學(xué)領(lǐng)域擴(kuò)展到了生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。目前已有的研究表明，納米金剛石可用于生物標(biāo)簽、生物成像、藥物傳輸、基因治療、癌癥診斷與治療等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。納米金剛石指的是粒徑在1～100nm的金剛石晶粒存在形態(tài)，其兼有金剛石、納米材料的特性，例如高硬度、高耐腐蝕性、高熱導(dǎo)率、低摩擦系數(shù)、低表面粗糙度、大的比表面積、高的表面活性等。根據(jù)其存在形式，納米金剛石可以分為單分散的納米金剛石粒子和納米金剛石多晶兩類。納米金剛石粒子可以看作由塊材金剛石切割出的納米尺寸的金剛石團(tuán)簇;納米金剛石聚晶有聚晶顆粒和膜兩種存在形式。納米金剛石粉的比表面積為300～400m2/g，還有大量的結(jié)構(gòu)缺陷和表面官能團(tuán)等，這些性能使得其在開發(fā)具有特殊性能的新材料方面有較大的潛力。

　　以上優(yōu)異性能使得納米金剛石除作為傳統(tǒng)機(jī)械加工的精密拋光及潤滑用材料以外，在化工催化及生物醫(yī)學(xué)上展現(xiàn)出了良好的應(yīng)用前景。但納米金剛石的團(tuán)聚及除雜問題是制約納米金剛石使用的兩大難題。

　　1 納米金剛石的制備和特性

　　從空間尺度分類，納米金剛石分為納米金剛石膜、一維金剛石納米棒和二維金剛石納米片，三維納米金剛石聚晶顆粒以及零維納米金剛石單晶顆粒。納米金剛石薄膜是利用CVD 方法生長出的納米級晶粒組成的金剛石膜，其制備參數(shù)與傳統(tǒng)微米尺度金剛石薄膜不同，是通過金剛石的二次成核，獲得致密的、晶粒尺寸為納米級的金剛石薄膜。晶粒尺寸小于10nm的金剛石膜又稱為超納米金剛石膜，這種薄膜光滑、致密、無孔，是制備生物傳感器以及生物醫(yī)學(xué)儀器的關(guān)鍵材料。一維金剛石納米棒或金剛石納米纖維可以通過氫等離子體長時(shí)間處理碳納米管來獲得。二維金剛石納米片可在Au–Ge合金和納米金剛石膜基底上通過微波等離子體CVD 法制備，其厚度約10nm。金剛石納米顆粒的合成方法主要有靜壓合成、金剛石單晶粉磨、爆轟法三種，都已應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)。爆轟法合成納米金剛石生產(chǎn)效率相對較高，其原理是通過爆炸時(shí)產(chǎn)生的高溫高壓將爆炸體系的碳元素轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸�。用該方法制備得到熱力學(xué)穩(wěn)定的含納米金剛石的黑粉。黑粉經(jīng)特殊工藝處理后得灰色的納米金剛石粉，其回收率約為所用炸藥質(zhì)量的8%～10%，金剛石顆粒粒徑為5～10nm，經(jīng)過化學(xué)提純可得到純度約95%～97%的DND。

　　對于平均粒度尺寸5nm 的納米金剛石顆粒，表面碳原子數(shù)(N 表面)與顆粒的總碳原子數(shù)(N 總)之比約為15%，導(dǎo)致金剛石表面碳原子空間對稱性的破壞以及晶格間距的變化。納米金剛石的性質(zhì)與大尺寸金剛石單晶不同。根據(jù)高分辨透射電子顯微鏡觀察，納米金剛石顆粒內(nèi)部核由金剛石結(jié)構(gòu)碳原子規(guī)則排列，而在顆粒外殼區(qū)域?yàn)轭惤饎偸�或類石墨的無序結(jié)構(gòu)。

　　2 納米金剛石的應(yīng)用

　　納米金剛石在強(qiáng)度、硬度、導(dǎo)熱性、納米效應(yīng)、重金屬雜質(zhì)、生物相容性等方面具有的獨(dú)特性能，使其在精密拋光和潤滑、化工催化、復(fù)合鍍層、高性能金屬基復(fù)合材料、化學(xué)分析及生物醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的'應(yīng)用，并展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。

　　2.1 超精密拋光和潤滑

　　納米金剛石拋光膏和懸浮液用于電子、無線電、醫(yī)學(xué)、機(jī)械制造、寶石等行業(yè)，對材料進(jìn)行精密拋光。其優(yōu)點(diǎn)是可在任何固體上獲得鏡面效果，表面粗糙度值Ra可達(dá)2～8nm。爆轟法合成的納米金剛石粒徑分布很窄(2～20nm)，用分布很窄的納米粒子作磨料進(jìn)行拋光或研磨，可得到表面粗糙度值Ra為0.1～1.0nm的超光滑表面。潤滑油中加入納米金剛石可提高發(fā)動機(jī)和傳動裝置工作壽命，節(jié)約燃油機(jī)油，降低表面磨損等。納米金剛石具有強(qiáng)共價(jià)鍵和強(qiáng)烈的親油疏水特性，可以在各類潤滑油中形成穩(wěn)定分散的膠體體系，從而將納米金剛石粒子引入摩擦副之間，起到顯著的減摩耐磨作用。同時(shí)，由于納米金剛石良好的抗壓性能和修復(fù)功能，可以充分發(fā)揮其協(xié)同增效作用和潤滑油添加劑之間的相互作用，研制出耐磨性能優(yōu)異的復(fù)合潤滑油和添加劑。油中加入納米金剛石后，滑動摩擦變成滾動摩擦，摩擦副表面逐漸改性，形成又硬又滑的金屬碳化物，其減摩抗磨效果是用有機(jī)化工方法無法比擬的。臺架實(shí)驗(yàn)表明：在EQ6100–1型汽油機(jī)上使用納米金剛石發(fā)動機(jī)油后，輸出功率平均提高4.2%，最高可達(dá)6.4%;燃油消耗率平均降低4.7%，最高可達(dá)10.3%;氣缸壓力提高28.9%;怠速轉(zhuǎn)速提高10.2%;發(fā)動機(jī)怠速碳?xì)浠�物排放降�?0%;氮氧化物排放降低20.5%�？傊�，發(fā)動機(jī)動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性均有較大改善;氣缸密封性提高，且具有較好的減摩效果;對發(fā)動機(jī)具有免拆卸清洗功能;冬季更易點(diǎn)火，發(fā)動機(jī)油的使用周期成倍延長。納米金剛石磨合油可使發(fā)動機(jī)的磨合時(shí)間縮短30%～50%，汽缸壓力提高7%～10%，缸套硬度增加10%～20%，粗糙度明顯改善，磨合油使用周期大大延長。目前，納米金剛石在該領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，除了上述在發(fā)動機(jī)油中可明顯減少尾氣排放外，還可有效地過濾重金屬和放射性物質(zhì)。在溶液中，1g納米金剛石可吸附50g Ni。潤滑油使用周期延長不僅提高了用戶的經(jīng)濟(jì)效益，其本身就是對環(huán)保的巨大貢獻(xiàn)。

　　2.2 工業(yè)催化

　　爆轟法合成的納米金剛石比表面積大，具有大量的結(jié)構(gòu)缺陷，化學(xué)活性高，適于用作催化劑載體，提高催化效率。石曉琴等研究了銅/納米金剛石復(fù)合粒子對高氯酸銨熱分解的催化作用，結(jié)果表明：銅/納米金剛石復(fù)合粒子較單一的納米銅催化效果更好。

　　2.3 增強(qiáng)橡膠和樹脂

　　納米金剛石兼具納米粒子和超硬材料的雙重特性，利用這一特性可將其用來制造增強(qiáng)橡膠、增強(qiáng)樹脂，該應(yīng)用在提高材料熱導(dǎo)率，聚合物降解溫度、強(qiáng)度和耐磨性等方面作用明顯，使納米金剛石在新型復(fù)合材料領(lǐng)域具有廣闊的開發(fā)前景。目前，橡膠所用的增強(qiáng)劑多為炭黑，如果用爆轟法合成的納米金剛石作為增強(qiáng)劑，能使其強(qiáng)度提高1～4倍，明顯改善其耐磨性和密封性。納米金剛石增強(qiáng)聚酰亞胺可以使其降解溫度提高30℃以上，同時(shí)提高其熱導(dǎo)率和抗老化能力。

　　2.4 納米金剛石增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料

　　目前，研究較多的增強(qiáng)型金屬材料是納米金剛石復(fù)合鍍層和彌散強(qiáng)化型金屬材料。納米復(fù)合鍍技術(shù)是在電解質(zhì)溶液中加入不溶性納米顆粒，使金屬離子被還原的同時(shí)，將納米顆粒彌散分布于金屬鍍層的方法。復(fù)合鍍層能有效提高鍍層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度，納米金剛石復(fù)合鍍層具有超硬、高耐磨、耐熱防腐的性能，可用于金屬表面和橡膠、塑料、玻璃等表面的涂覆。納米復(fù)合鍍基體主要有鎳、銅、鈷等，含納米金剛石的復(fù)合鍍鎳層用作磁盤或磁頭耐磨保護(hù)層與普通鍍層相比，其硬度增加了50%，耐磨性能增加的更顯著。王立平等利用直流電沉積技術(shù)制備了納米金剛石增強(qiáng)鎳基復(fù)合鍍層，研究發(fā)現(xiàn)：微米鎳基質(zhì)中引入納米金剛石后，復(fù)合鍍層的硬度提高了一倍以上。許向陽等利用納米金剛石作為增強(qiáng)相制備的金屬基復(fù)合材料耐磨性明顯提高，研究發(fā)現(xiàn)：采用粉末冶金法，經(jīng)冷壓、燒結(jié)制備的ND/Al復(fù)合材料，當(dāng)載荷為0.005N時(shí)，摩擦系數(shù)僅為0.005，這一數(shù)值低于純金剛石和石墨的最小摩擦系數(shù)。相英偉等用化學(xué)沉淀–熱壓成型方法制備了納米金剛石增強(qiáng)Cu10Sn基復(fù)合材料，材料的摩擦系數(shù)降低50%以上。加有納米金剛石的塑料膜極易附著在金屬上而不需要加黏結(jié)劑。加入納米金剛石的硅膠強(qiáng)度可提高1～3倍。在Cr鍍液中加入納米金剛石，可使沖模壽命提高10倍以上。原鍍金鍍層厚4μm，加入納米金剛石后，可使鍍層減薄至2μm且保持鍍層完整，其耐磨性還大幅提高，鍍后表面色澤與不加納米金剛石的一樣。原鍍1m2需80g金，加納米金剛石后僅需40g金，可節(jié)省1萬多元，納米金剛石的消耗量僅需0.4g

　　3 結(jié)語

　　由于合成工藝的差別，不同來源的金剛石納米顆粒的結(jié)構(gòu)性能和表面性能差異明顯，其中，一般靜壓單晶納米顆粒結(jié)構(gòu)致密，而爆轟單晶團(tuán)簇脆性相對較大，爆轟金剛石納米顆粒表面具有相對更為豐富的活性基團(tuán)等。因此，不同納米金剛石顆粒的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)該有所不同，具體分析和結(jié)合應(yīng)用環(huán)境、技術(shù)需求及金剛石的性能特點(diǎn)，采用不同的金剛石納米顆粒及其加工改性產(chǎn)物，應(yīng)當(dāng)更有利于金剛石應(yīng)用。

　　目前，納米金剛石功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)沒有得到根本解決，例如在生物制藥、環(huán)境保護(hù)等方面應(yīng)用技術(shù)還處于探索階段，這就限制了納米金剛石生產(chǎn)領(lǐng)域的產(chǎn)能提升。隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，性能優(yōu)良的納米金剛石在功能材料領(lǐng)域的應(yīng)用將會快速推廣，這將會推動超硬材料行業(yè)的轉(zhuǎn)型和經(jīng)濟(jì)效益的提高

納米材料論文8

　　摘要：納米材料是近年來材料學(xué)中的一種新型材料，納米材料以其優(yōu)良的性能越來越受到各個(gè)行業(yè)的關(guān)注，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，例如在催化、涂料、醫(yī)藥、污水處理、空氣凈化等行業(yè)，當(dāng)今世界各國對于納米材料的研究投入都相當(dāng)大，本文針對納米材料的性質(zhì)、應(yīng)用等方面展開進(jìn)一步的研究。

　　關(guān)鍵詞：納米材料；高分子材料；污水處理；化工；應(yīng)用

　　納米材料是指的大小處于納米級（1-100mm）的材料，這種材料由納米粒子組成，納米粒子的大小介于原子和分子之間，因此它具有一般材料不具有的特殊性質(zhì)，在許多領(lǐng)域中，尤其是化工、催化劑、涂料、醫(yī)藥等化工行業(yè)中，這些特殊的性質(zhì)展現(xiàn)出了良好的性能，被廣泛的利用，在其他精細(xì)化工方面的應(yīng)用也較多，本文對納米材料在化工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

　　1納米材料的特殊性質(zhì)

　　1.1力學(xué)性質(zhì)

　　由于納米材料由納米粒子組成，而粒子處于納米級時(shí)，材料的強(qiáng)度、硬度等力學(xué)性質(zhì)會隨著粒子的粒徑減小而增大。正是由于納米材料的這種性質(zhì)，它可以被用于某些需要強(qiáng)度和硬度的包裝上，解決大多包裝容易破壞的問題，例如在塑料中加入納米二氧化鈦、納米碳酸鈣等材料，可以改進(jìn)塑料在許多方面的缺陷，提高塑料力學(xué)方面的性能。塑料本身耐熱性差、脆性大、強(qiáng)度低、透明度低等缺點(diǎn)通過在塑料中加入無機(jī)納米材料后都取得了很好的效果，納米材料對于塑料行業(yè)無疑是一次重要的技術(shù)性突破。

　　1.2磁學(xué)性質(zhì)

　　納米材料中納米粒子由于粒徑處于納米級別，各個(gè)納米晶粒之間的此理作用反映到納米材料中，影響材料磁學(xué)性質(zhì)。納米晶粒的磁各向異性和晶粒間的磁相互作用對納米顆粒的磁化作用起到了決定性作用，而納米晶粒的磁各向異性與晶粒的形狀、結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)有很大的關(guān)系，這就體現(xiàn)了納米顆粒的小尺寸對于納米材料磁學(xué)性質(zhì)的作用。

　　1.3電學(xué)性質(zhì)

　　納米結(jié)構(gòu)的電阻較其他晶結(jié)材料高是由于納米結(jié)構(gòu)的晶結(jié)面上的原子體積分?jǐn)?shù)增大，在電器元件中能夠發(fā)揮較好的作用，其良好的電學(xué)性能，例如高速、高容量、體積微小，都比現(xiàn)如今的半導(dǎo)體材料更好，因此在不久的將來，由納米材料制造的電器元件有可能將代替現(xiàn)有的半導(dǎo)體材料，在電氣行業(yè)中發(fā)揮重要的作用。

　　2納米材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用

　　2.1在催化方面的應(yīng)用

　　納米材料能夠用作催化劑，催化劑是用來加速某些化學(xué)反應(yīng)的，納米材料以其較高的比表面積而展現(xiàn)良好的表面活性，這種特性是納米材料能夠成為催化劑非常重要的一個(gè)必要條件，在催化劑行業(yè)，納米顆粒催化劑必將成為重要角色。光催化劑是納米材料在催化劑中的一個(gè)例子，光催化劑是利用納米TiO2所具有的量子尺寸效應(yīng)，這種效應(yīng)使這種催化劑具有更強(qiáng)的氧化還原能力，在作為催化劑時(shí)表現(xiàn)出很好的作用。

　　2.2在涂料方面的應(yīng)用

　　納米材料表面的結(jié)構(gòu)特殊性決定了其能夠作為添加進(jìn)涂料中，這種添加了納米材料的納米涂料具有一般涂料不具備的優(yōu)良性能，這就使傳統(tǒng)的涂料性能得到很好的改善，將一般涂層變?yōu)榧{米復(fù)合體涂層，常用于涂料中的納米材料有納米SiO2、納米TiO2、納米鈦粉、納米Fe2O3、納米ZnO等。本文主要對SiO2和納米鈦粉進(jìn)行介紹。

　　2.2.1納米SiO2

　　納米SiO2能夠吸收紫外線、紅外線，這對于提高涂料的抗老化性有非常重要的幫助，同時(shí)可以對SiO2表面進(jìn)行處理已達(dá)到各種預(yù)期的效果。在建筑工程中對建筑物墻體進(jìn)行粉刷時(shí)，在涂料中加入SiO2能夠明顯改善涂料性能，防止分層、觸變，同時(shí)耐臟，耐擦洗。在船舶、車輛等對涂料要求較高的地方，添加SiO2還能增加涂料的強(qiáng)度、光潔度、耐老化性等等。

　　2.2.2納米鈦粉

　　納米鈦粉加入涂料主要是為了提高涂料的耐磨、耐腐蝕等性能，實(shí)踐證明，納米鈦粉的加入大大提升了涂料的這些性能，效果顯著。納米鈦粉和樹脂化合能夠制作出多種類型的涂料，這些合成的新型涂料較普通涂料有明顯的優(yōu)勢，最大的優(yōu)勢是它的耐腐蝕性，在許多惡劣的環(huán)境中能夠抵抗環(huán)境的腐蝕性作用多年而不被損壞，這在船舶等行業(yè)中能夠發(fā)揮出很大的價(jià)值。

　　2.3在醫(yī)藥方面的應(yīng)用

　　隨著人們對健康的.重視程度越來越高，人們對日常生活中的醫(yī)藥方面的關(guān)注也越來越多，進(jìn)入納米時(shí)代后，納米材料在許多方面發(fā)揮著重要的作用，在醫(yī)藥方面也不例外，如何控制藥物更好的發(fā)揮作用是醫(yī)學(xué)界一直在研究的問題，納米材料的出現(xiàn)很好的解決了這個(gè)問題已，用納米材料將藥物包裹制成智能藥物，這種藥物能夠主動尋找需要藥物治療的組織或細(xì)胞。

　　2.4在其它精細(xì)化工方面的應(yīng)用

　　納米材料在其他精細(xì)化工方面也發(fā)揮著重要的作用，例如化妝品中添加納米材料就能夠起到很好的作用，化妝品中添加納米TiO2、納米ZnO等具有較強(qiáng)吸收紫外線能力的納米材料就能夠?yàn)榉乐棺贤饩�提供很好的幫助。

　　3結(jié)語

　　納米科學(xué)是一門新興學(xué)科，納米材料作為一種新型的材料，在21世紀(jì)科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的背景下，被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，納米技術(shù)的誕生對于人類而言受益匪淺，未來經(jīng)過人類的不懈努力，可以將納米材料發(fā)揮出更大的作用，從而解決當(dāng)今一些仍然束手無策的問題，納米材料在精細(xì)化工中的應(yīng)用對促進(jìn)社會的發(fā)展有重要的作用。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]張曉蕾.納米材料在化學(xué)化工領(lǐng)域中的應(yīng)用研究[J].山東工業(yè)技術(shù)，20xx（16）：21.

　　[2]席玉生.淺談納米材料在化工領(lǐng)域中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，20xx（02）：91-92.

納米材料論文9

　　焦化廠焦?fàn)t上升管荒煤氣顯熱的余熱回收利用作為一項(xiàng)全新的科研課題，各大焦?fàn)t設(shè)計(jì)院和各大焦化廠都先后投入了巨大的人力物力，也先后研發(fā)出了多種類型的上升管換熱器型式和技術(shù)，國家發(fā)改委也投入了巨大的資金用于開發(fā)此項(xiàng)技術(shù)，主要集中在導(dǎo)熱油夾套管、熱管、鍋爐和半導(dǎo)體溫差發(fā)電等技術(shù)，來回收荒煤氣帶出熱。到目前為止，大部分的研發(fā)都未能取得令人滿意的進(jìn)展。

　　我公司經(jīng)過多年的研發(fā)，先后開發(fā)出五種類型的上升管換熱器，并用于焦?fàn)t實(shí)際工況下的試驗(yàn)，在經(jīng)過多次失敗之后，終于取得了突破性進(jìn)展。成功開發(fā)出可以用于焦?fàn)t生產(chǎn)運(yùn)行的上升管換熱器產(chǎn)品，并且進(jìn)入了工業(yè)化生產(chǎn)。

　　1　焦?fàn)t上升管荒煤氣余熱回收技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

　　1.1　荒煤氣高導(dǎo)熱、耐蝕、長壽命的上升管內(nèi)襯材料開發(fā)研究

　　上升管內(nèi)襯材料是提高荒煤氣余熱回收利用效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。原工藝裝備上升管采用普通碳鋼材料，內(nèi)壁襯耐火磚，更換用余熱回收裝置后，內(nèi)壁不能再襯耐火磚，否則熱傳導(dǎo)效率極低。這樣導(dǎo)致裝置內(nèi)壁直接與高溫(650℃～900℃)荒煤氣接觸，而荒煤氣中含有氧氣、一氧化碳、二氧化碳、硫化氫、氧化氮、氫氣、甲烷、水汽及芳香烴類化合物等，普通碳鋼在此溫度及環(huán)境下，高溫?zé)�蝕嚴(yán)重，不能滿足工況要求。若提高內(nèi)筒材質(zhì)，則只有采用耐高溫腐蝕的特殊合金鋼，如哈氏120級別以上鋼材，但其價(jià)格就急劇上升。

　　常規(guī)要求控制荒煤氣溫度不低于500℃，以避免上升管內(nèi)壁過快長石墨，本項(xiàng)目可控制在400℃以上，石墨生長速度低于原常規(guī)生產(chǎn)模式。

　　1.2　穩(wěn)定、可靠、高效的導(dǎo)熱材料研究及選擇

　　荒煤氣熱量通過鋼質(zhì)內(nèi)筒內(nèi)壁導(dǎo)出到外壁后，需要良好的導(dǎo)熱介質(zhì)將外壁上的熱量快速導(dǎo)出，提供給水進(jìn)行汽化。由于上升管可有效利用的高度僅2～3m左右，荒煤氣在內(nèi)筒以較快速度通過，因此，整個(gè)熱傳導(dǎo)過程必須快速，才能最大限度回收荒煤氣余熱。由于鋼鐵的導(dǎo)熱系數(shù)為80W/m·K，因此導(dǎo)熱介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)必須大于80W/m·K，而且越大越好。同時(shí)，導(dǎo)熱材料在900℃高溫環(huán)境必須穩(wěn)定，不能有物理、化學(xué)的質(zhì)變，同時(shí)對鋼鐵不能有滲透性腐蝕破壞。高溫下在水、氧氣環(huán)境下穩(wěn)定，即滿足以下要求：(1)高導(dǎo)熱率，導(dǎo)熱系數(shù)大于100W/m·K;(2)高溫下的穩(wěn)定、安全;(3)高溫下對鋼鐵無腐蝕。

　　1.3　低熱應(yīng)力的換熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)研究

　　導(dǎo)熱材料快速吸收荒煤氣熱量后，需要盡快將熱量通過換熱裝置，傳遞給水進(jìn)行汽化吸熱，由于換熱裝置也是鋼鐵材質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)與內(nèi)筒一樣，就必須增加其換熱面積，只有其換熱面積大于內(nèi)筒外壁導(dǎo)熱面積，熱量才能快速有效地傳導(dǎo)。要在直徑400～500mm的圓形環(huán)腔內(nèi)布置下較大的換熱面積的換熱裝置，其結(jié)構(gòu)必須十分密排、緊湊。又由于裝置內(nèi)外溫差大，溫度區(qū)間從常溫到900余℃，產(chǎn)生蒸汽壓力將達(dá)1MPa，并存在汽液相之間的熱量交換，熱膨脹及熱應(yīng)力必將對換熱系統(tǒng)及整個(gè)余熱利用系統(tǒng)造成嚴(yán)重的影響。因此，換熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，必須具備消除熱應(yīng)力的能力，否則換熱裝置結(jié)構(gòu)將被破壞，不能長期有效使用。

　　2　納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料的'開發(fā)應(yīng)用

　　納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料是一種用于高溫設(shè)備的高效導(dǎo)熱節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品，可直接噴涂在各種高溫導(dǎo)熱體的表面，提高導(dǎo)熱體的導(dǎo)熱能力，如涂刷蒸汽鍋爐水冷壁管的表面，形成一層堅(jiān)硬的陶瓷釉面硬殼，起到保護(hù)爐體、延長爐齡、增強(qiáng)水冷壁導(dǎo)熱，從而起到節(jié)約燃料的作用。它顯著提高爐膛內(nèi)的熱傳遞效果，減少黑油排放，節(jié)約燃料消耗5%～30%，適合多種工作溫度在1800℃以下的工況使用。

　　納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料含有多種紅外輻射材料，在遠(yuǎn)紅外、中紅外、近紅外各波段均有很高的紅外輻射光譜發(fā)射率和優(yōu)良的技術(shù)特性，涂覆于導(dǎo)熱體表面可獲得顯著節(jié)能效果，具有提高輻射傳熱能力，減少散熱損失。

　　2.1　納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料的組成

　　納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料由耐火粉料、過渡族元素氧化物和氧化鋯、硅酸鹽耐火材料，高溫?fù)诫s形成固溶體和懸浮劑等組成的黏稠懸浮流體，噴刷在導(dǎo)熱體表面，形成0.3～0.5mm的涂層，是一種新型節(jié)能材料。在高溫導(dǎo)熱管上應(yīng)用該涂料，可節(jié)約燃料，保護(hù)導(dǎo)熱管表面，延長導(dǎo)熱管使用壽命，提高導(dǎo)熱管熱效率，縮短加熱時(shí)間，提高被加熱件的加熱速度，提高工作效率。同時(shí)，稀土元素氧化物(如Y2O3)的摻入能提高反應(yīng)物的活性，是摻雜和穩(wěn)定涂層結(jié)構(gòu)的優(yōu)選材料。

　　2.2　納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料的性能特點(diǎn)

　　涂層結(jié)構(gòu)致密，保護(hù)基體，有很好的耐磨、耐腐蝕性。與基體結(jié)合力強(qiáng)，涂層能滲透基體形成過渡層和涂層的結(jié)構(gòu)，耐機(jī)械沖擊和熱沖擊。高強(qiáng)度耐磨、耐腐蝕、耐高溫。提高涂料的黑度，使其在波長2.5～15μm的光譜區(qū)間，發(fā)射率都在0.93以上，并對增黑劑進(jìn)行了穩(wěn)定化處理，提高了抗老化性能，大大延長了涂層使用壽命。

　　3　耐高溫導(dǎo)熱涂料的研究熱點(diǎn)

　　當(dāng)前耐高溫導(dǎo)熱涂料不外乎無機(jī)和有機(jī)涂料兩種，有機(jī)耐高溫導(dǎo)熱涂料作為高溫設(shè)備導(dǎo)熱涂層和保護(hù)涂層得到的應(yīng)用越來越廣，但是作為適應(yīng)焦化行業(yè)的荒煤氣的導(dǎo)熱材料，其溫度變化區(qū)間大，從200多℃到1100多℃之間，而且荒煤氣成分復(fù)雜，腐蝕性氣體的存在，制約了導(dǎo)熱材料的選擇。因此，大部分涂料性能還是不能滿足多樣化設(shè)備的要求和溫度變化的要求。目前對于改性有機(jī)硅涂料等，國內(nèi)在室溫固化、高耐熱防腐以及重防腐有機(jī)硅涂料方面研究比較活躍。但是，在水性可噴涂高固體分、紫外固化以及高性能加熱固化的有機(jī)硅涂料方面研究中，國外缺少可實(shí)用化的研究成果。

　　我公司與合作的導(dǎo)熱材料生產(chǎn)商，經(jīng)過多次配方改良和試驗(yàn)，最終研發(fā)出一種新型的納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料，納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料的研發(fā)基點(diǎn)就是建立在惡劣的工況下，組合了多種材料耐火粉料、過渡族元素氧化物和氧化鋯、硅酸鹽耐火材料，高溫?fù)诫s形成固溶體、和懸浮劑以及單晶硅粉，經(jīng)過高溫后形成一層堅(jiān)硬的陶瓷釉面硬殼保護(hù)了基體免受荒煤氣腐蝕氣體的沖蝕。

　　新型納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料的研發(fā)應(yīng)用，最大程度地保證了焦?fàn)t上升管換熱器的可靠性，為此，我們將此材料應(yīng)用到福建三鋼焦化廠上升管換熱器上，運(yùn)行1年多以來經(jīng)受住了考驗(yàn)，運(yùn)行狀況良好。同時(shí)，我們也在唐山達(dá)豐焦化的5.5m焦?fàn)t上升管上和沙鋼6m焦?fàn)t上升管上進(jìn)行了應(yīng)用，運(yùn)行狀況良好。目前已經(jīng)全面使用在邯鄲鋼鐵集團(tuán)6m焦?fàn)t上升管改造之中。

　　4　結(jié)語

　　新型的納米導(dǎo)熱節(jié)能防腐涂料的研發(fā)應(yīng)用在焦化廠上升管余熱回收利用成為可能和保證，將焦化廠上升管余熱回收利用技術(shù)向前推進(jìn)了一大步。

納米材料論文10

　　摘要：納米材料和納米技術(shù)是八十年代以來興起的一個(gè)嶄新的領(lǐng)域,隨著研究的深入和技術(shù)的發(fā)展,納米材料開始與許多學(xué)科相互交叉、滲透,顯示出巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值,并且已經(jīng)在一些領(lǐng)域獲得了初步的應(yīng)用。本文論述了納米陶瓷材料、納米碳材料、納米高分子材料、微乳液以及納米復(fù)合材料等在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的研究進(jìn)展和應(yīng)用。

　　關(guān)鍵字：納米材料；生物醫(yī)學(xué)；進(jìn)展；應(yīng)用

　　1.前言

　　納米材料是結(jié)構(gòu)單元尺寸小于100nm的晶體或非晶體。所有的納米材料都具有三個(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):(1)納米尺度的結(jié)構(gòu)單元或特征維度尺寸在納米數(shù)量級(1~100nm),(2)有大量的界面或自由表面,(3)各納米單元之間存在著或強(qiáng)或弱的相互作用。由于這種結(jié)構(gòu)上的特殊性,使納米材料具有一些獨(dú)特的效應(yīng),包括小尺寸效應(yīng)和表面或界面效應(yīng)等,因而在性能上與具有相同組成的傳統(tǒng)概念上的微米材料有非常顯著的差異,表現(xiàn)出許多優(yōu)異的性能和全新的功能,已在許多領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景,引起了世界各國科技界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

　　“納米材料”的概念是80年代初形成的。1984年Gleiter首次用惰性氣體蒸發(fā)原位加熱法制備成功具有清潔表面的納米塊材料并對其各種物性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。1987年美國和西德同時(shí)報(bào)道,成功制備了具有清潔界面的陶瓷二氧化鈦。從那時(shí)以來,用各種方法所制備的人工納米材料已多達(dá)數(shù)百種。人們正廣泛地探索新型納米材料,系統(tǒng)研究納米材料的性能、微觀結(jié)構(gòu)、譜學(xué)特征及應(yīng)用前景,取得了大量具有理論意義和重要應(yīng)用價(jià)值的結(jié)果。納米材料已成為材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理領(lǐng)域中的熱點(diǎn),是當(dāng)前國際上的前沿研究課題之一[1]。

　　2.納米陶瓷材料

　　納米陶瓷是八十年代中期發(fā)展起來的先進(jìn)材料,是由納米級水平顯微結(jié)構(gòu)組成的新型陶瓷材料,它的晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸等都只限于100nm量級的水平[2]。納米微粒所具有的小尺寸效應(yīng)、表面與界面效應(yīng)使納米陶瓷呈現(xiàn)出與傳統(tǒng)陶瓷顯著不同的獨(dú)特性能。納米陶瓷已成為當(dāng)前材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)領(lǐng)域,是納米科學(xué)技術(shù)的重要組成部分[3]。陶瓷是一種多晶材料,它是由晶粒和晶界所組成的燒結(jié)體。由于工藝上的原因,很難避免材料中存在氣孔和微小裂紋。決定陶瓷性能的主要因素是組成和顯微結(jié)構(gòu),即晶粒、晶界、氣孔或裂紋的組合性狀,其中最主要的是晶粒尺寸問題,晶粒尺寸的減小將對材料的力學(xué)性能產(chǎn)生很大影響,使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大大提高。

　　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。例如普通陶瓷只有在1000℃以上,應(yīng)變速率小于10-4/s時(shí),才會發(fā)生塑性變形。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(shí)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。例如:納米TiO2(8nm)陶瓷和CaF2陶瓷在180℃下,在外力作用下呈正弦形塑性彎曲。即使是帶裂紋的TiO2納米陶瓷也能經(jīng)受一定程度的彎曲而裂紋不擴(kuò)散。但在同樣條件下,粗晶材料則呈現(xiàn)脆性斷裂。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。此外還用作負(fù)重的骨桿、錐體人工骨、修補(bǔ)移植海綿骨的充填材料、不受負(fù)重影響的人工海綿骨及兼有移植骨作用的髓內(nèi)固定材料等。納米陶瓷的問世,將使陶瓷材料在強(qiáng)度、硬度、韌性和超塑性上都得到提高,因此,在人工器官制造、臨床應(yīng)用等方面納米陶瓷材料將比傳統(tǒng)陶瓷有更廣泛的應(yīng)用并具有極大的發(fā)展前景[1]。

　　目前,對于具有良好力學(xué)性能和生物相容性、生物活性的種植體的需求越來越大,由于生物陶瓷材料存在強(qiáng)韌性的局限性,大規(guī)模臨床應(yīng)用還面臨挑戰(zhàn)。隨著納米技術(shù)和納米材料研究的深入,納米生物陶瓷材料的優(yōu)勢將逐步顯現(xiàn),其強(qiáng)度、韌性、硬度以及生物相容性都有顯著提高,隨著生物醫(yī)用材料研究的不斷完善,納米生物陶瓷材料終將為人類再塑健康人體[4]。

　　經(jīng)過近幾年的發(fā)展，納米生物陶瓷材料研究已取得了可喜的成績，但從整體來分析，此領(lǐng)域尚處于起步階段，許多基礎(chǔ)理論和實(shí)踐應(yīng)用還有待于進(jìn)一步研究。如納米生物陶瓷材料制備技術(shù)的研究——如何降低成本使其成為一種平民化的醫(yī)用材料；新型納米生物陶瓷材料的開發(fā)和利用；如何盡快使功能性納米生物陶瓷材料從展望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，從實(shí)驗(yàn)室走向臨床；大力推進(jìn)分子納米技術(shù)的發(fā)展，早日實(shí)現(xiàn)在分子水平上構(gòu)建器械和裝置，用于維護(hù)人體健康等，這些工作還有待于材料工作者和醫(yī)學(xué)工作者的竭誠合作和共同努力才能夠?qū)崿F(xiàn)[5]。

　　3.納米碳材料

　　納米碳材料由碳元素組成的碳納米材料統(tǒng)稱為納米碳材料。在納米碳材料群中主要包括納米碳管、氣相生長碳纖維、類金剛石碳等;納米碳管、納米碳纖維通常是以過渡金屬Fe、Co、Ni及其合金為催化劑，以低碳烴化合物為碳源，以氫氣為載氣，在873～1473K的溫度下生成的，其中的超微型氣相生長碳纖

　　維又稱為碳晶須,具有超常的物化特性，被認(rèn)為是超強(qiáng)纖維。由它作為增強(qiáng)劑所制成的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，可以顯著改善材料的力學(xué)、熱學(xué)及光、電等性能,在催化劑載體、儲能材料、電極材料、高效吸附劑、分離劑、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)材料等許多領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[6]。

　　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。

　　納米碳材料是目前碳領(lǐng)域中嶄新的.高功能、高性能材料,也是一個(gè)新的研究生長點(diǎn)。對它的應(yīng)用開發(fā)正處于起步階段，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中，納米碳材料有重要的應(yīng)用潛能。

　　4.納米高分子材料

　　納米高分子材料也可以稱為高分子納米微�；蚋叻肿映�微粒，主要通過微乳液聚合的方法得到。這種超微粒子具有巨大的比表面積，出現(xiàn)了一些普通微米級材料所不具有的新性質(zhì)和新功能,已引起了廣泛的注意。

　　聚合物微粒尺寸減小到納米量級后,高分子的特性發(fā)生了很大的變化,主要表現(xiàn)在表面效應(yīng)和體積效應(yīng)兩方面。表面效應(yīng)是指超細(xì)微粒的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒徑變小而急劇增大,表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同,因缺少相鄰原子而呈現(xiàn)不飽和狀態(tài),具有很大的活性,它的表面能大大增加,易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來。體積效應(yīng)是由于超微粒包含的原子數(shù)減少而使帶電能級間歇加大,物質(zhì)的一些物理性質(zhì)因?yàn)槟芗夐g歇的不連續(xù)而發(fā)生異常。這兩種效應(yīng)具體反映在納米高分子材料上,表現(xiàn)為比表面積激增,粒子上的官能團(tuán)密度和選擇性吸附能力變大,達(dá)到吸附平衡的時(shí)間大大縮短,粒子的膠體穩(wěn)定性顯著提高。這些特性為它們在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用創(chuàng)造了有利條件。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[7]。

　　納米級骨修復(fù)材料具有傳統(tǒng)材料無可比擬的生物學(xué)性能，已在組織工程和生物材料研究中顯示出廣闊的應(yīng)用前景，將不同生物材料復(fù)合加工，研制出類似人骨的材料，將是今后骨修復(fù)材料的研究重點(diǎn)。當(dāng)前用于骨科臨床的納米產(chǎn)品不多，其性能、微觀結(jié)構(gòu)和生物學(xué)效應(yīng)尚有待系統(tǒng)研究。我們相信隨著納米技術(shù)、組織工程技術(shù)和生物技術(shù)的發(fā)展與綜合，必將研制出新一代性能優(yōu)異的納米骨材料，為治愈骨缺損和骨折提供最佳的選擇[8]。

　　5.納米復(fù)合材料

　　納米復(fù)合材料包括三種形式，即由兩種以上納米尺寸的粒子進(jìn)行復(fù)合或兩種

　　以上厚薄的薄膜交替疊迭或納米粒子和薄膜復(fù)合的復(fù)合材料。前者由于納米尺寸的粒子具有很大的表面能，同時(shí)粒子之間的界面區(qū)已經(jīng)大到超常的程度，所以使一些通常不易固溶、混溶的組份有可能在納米尺度上復(fù)合，從而形成新型的復(fù)合材料，研究和開發(fā)無機(jī)/無機(jī)、有機(jī)/無機(jī)、有機(jī)/有機(jī)以及生物活性/非生物活性的納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料是獲得性能優(yōu)異的新一代功能復(fù)合材料的嶄新途徑。

　　目前應(yīng)用較廣的醫(yī)用材料多由一些有機(jī)高分子制成,受高分子的固有性質(zhì)所限,材料的機(jī)械性能不夠理想。碳納米管具有比重低、長徑比高、并且可以重復(fù)彎曲、扭折而不破壞結(jié)構(gòu),因此是制備強(qiáng)度高、重量輕、性能好的復(fù)合材料的最佳承荷增強(qiáng)材料。很多研究表明,向高分子材料中加入碳納米管可以顯著改善原有聚合物的傳導(dǎo)性、強(qiáng)度、彈性、韌性和耐久性等性質(zhì)。已經(jīng)涉及的高分子材料包括聚氨酯、環(huán)氧樹脂、聚苯乙烯等。對聚氨酯/多壁碳納米管復(fù)合膜[9]和聚苯乙烯/多壁碳納米管復(fù)合膜[10]的機(jī)械拉伸實(shí)驗(yàn)均顯示,當(dāng)碳納米管與基體間存在良好的界面結(jié)合時(shí),聚合物中的碳納米管可以增強(qiáng)聚合物抗張強(qiáng)度。研究還發(fā)現(xiàn),對碳納米管進(jìn)行石墨化溫度處理和進(jìn)行功能化有助于增強(qiáng)碳納米管與聚合物基體間的相互作用[10],對于碳納米管相關(guān)的復(fù)合膜和復(fù)合纖維的機(jī)械性能都有改善作用。Webster等[9]發(fā)現(xiàn),MWNT和聚氨酯形成的復(fù)合材料較之傳統(tǒng)的醫(yī)用聚氨酯具有更好的電導(dǎo)性和機(jī)械強(qiáng)度,適合制造應(yīng)用于臨床的在體設(shè)備,如可能作為檢查神經(jīng)組織功能恢復(fù)情況的探針和骨科應(yīng)用的假體等。

　　6.微乳液

　　微乳液是由油、水、表面活性劑和表面活性劑助劑構(gòu)成的透明液體，是一類各向同性、粒徑為納米級的、熱力學(xué)、動力學(xué)穩(wěn)定的膠體分散體系。微乳液是熱力學(xué)穩(wěn)定體系，可以自發(fā)形成。微乳液小球的粒徑小于100nm，微乳液呈透明或微藍(lán)色。微乳液結(jié)構(gòu)的特殊性使它具有重要的應(yīng)用前景。近年來，隨著乳液聚合理論和技術(shù)研究的不斷深入，新型材料制備及分離技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對微乳液的應(yīng)用研究十分關(guān)注，不斷開發(fā)它在各領(lǐng)域中的應(yīng)用，其中一些研究成果已轉(zhuǎn)入實(shí)用化。

　　7.總結(jié)

　　納米材料是80年代中期發(fā)展起來的新型材料,它所具有的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使它顯示出獨(dú)特而優(yōu)異的性能。盡管已對納米材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能進(jìn)行了大量的研究,但在基礎(chǔ)理論及應(yīng)用開發(fā)等方面還有大量的工作尚待進(jìn)行[11]。

　　8.展望

　　納米材料所展示出的優(yōu)異性能預(yù)示著它在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域,尤其在組織工程支架、人工器官材料、介入性診療器械、控制釋放藥物載體、血液凈化、生物大分子分離等眾多方面具有廣泛的和誘人的應(yīng)用前景。隨著納米技術(shù)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用,臨床醫(yī)療將變得節(jié)奏更快、效率更高,診斷、檢查更準(zhǔn)確,治療更有效[12]。

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納米材料論文11

　　為繼續(xù)保持我國在納米科技國際競爭中的優(yōu)勢，并推動相關(guān)研究成果的轉(zhuǎn)化應(yīng)用，20xx 年國家科技部會同有關(guān)部門編制了“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)實(shí)施方案，并指出該重點(diǎn)專項(xiàng)的總體目標(biāo)是獲得重大原始創(chuàng)新和重要應(yīng)用成果，提高自主創(chuàng)新能力及研究成果的國際影響力，力爭在若干優(yōu)勢領(lǐng)域率先取得重大突破。申報(bào)指南指明重點(diǎn)專項(xiàng)包括“新型納米制備與加工技術(shù)、納米表征與標(biāo)準(zhǔn)、納米生物醫(yī)藥、納米信息材料與器件、能源納米材料與技術(shù)、環(huán)境納米材料與技術(shù)及納米科技重大問題”7 個(gè)方面的研究方向。通過形式審查、函評、視頻答辯等申報(bào)環(huán)節(jié)，最終有43 個(gè)相關(guān)項(xiàng)目獲得資助。“能源納米材料與技術(shù)”方向中的“5.2 納米能量存儲材料及器件”明確要求在“下一代鋰、鋁等儲能電池的納米電極材料結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和充放電過程中的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、界面反應(yīng)的演化規(guī)律”方面開展研究工作，并指出相應(yīng)的考核指標(biāo)為新型納米電極材料的鋰電池儲能密度大于400 W·h/kg，循環(huán)穩(wěn)定性大于500 次。

　　針對指南“5.2”要求，廈門大學(xué)作為項(xiàng)目牽頭單位，聯(lián)合武漢理工大學(xué)、華南理工大學(xué)和中山大學(xué)，組織申報(bào)了以“高效納米儲能材料與器件的基礎(chǔ)研究”為題目的項(xiàng)目，并最終獲得了支持，項(xiàng)目批準(zhǔn)號為20xxYFA0202600。下文介紹該項(xiàng)目的主要研究思路。

　　1 項(xiàng)目目的和意義

　　當(dāng)前，煤、石油等化石燃料不斷消耗導(dǎo)致的能源危機(jī)和環(huán)境污染成為了人類可持續(xù)發(fā)展面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。開發(fā)可再生能源以及發(fā)展高效、廉價(jià)和環(huán)境友好的綠色儲能系統(tǒng)迫在眉睫。近年來，隨著科技的進(jìn)步和需求的增長，鋰離子電池從電子終端設(shè)備進(jìn)一步擴(kuò)展到電動汽車、智能電網(wǎng)、航空航天、軍事儲能等新能源高能耗領(lǐng)域，成為了今后的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。然而，現(xiàn)有體系已難以滿足高能量、高功率、長壽命和低成本的要求。因此，研發(fā)高能量密度、長循環(huán)壽命以及安全性能良好的新一代高性能鋰離子電池對推進(jìn)新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)的緊迫性。

　　高性能鋰離子電池的開發(fā)和應(yīng)用是一項(xiàng)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“納米科技”重點(diǎn)專項(xiàng)“高效納米儲能材料與器件的基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目正是聚焦在該領(lǐng)域中亟待系統(tǒng)和深入研究的關(guān)鍵科學(xué)問題，將在理論計(jì)算、材料制備、原位表征及器件組裝等方向進(jìn)行協(xié)同創(chuàng)新。通過完成本項(xiàng)目，研制出高性能鋰離子電池納米電極材料和新型固體電解質(zhì)體系，深刻揭示納米材料儲能機(jī)制和容量衰減的本征因素，獲得具有自主知識產(chǎn)權(quán)和國際核心競爭力的高比能新型高效納米儲能材料與器件的相關(guān)技術(shù)資料，推動納米科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展，顯著提升我國在電化學(xué)儲能領(lǐng)域的研發(fā)水平和技術(shù)創(chuàng)新能力。

　　2 項(xiàng)目總體目標(biāo)

　　結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，力爭在下一代鋰、鋁等儲能電池的關(guān)鍵材料及器件設(shè)計(jì)方面取得突破;發(fā)展電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征技術(shù);獲得穩(wěn)定且緊密結(jié)合的“納米電極材料-電解質(zhì)”界面關(guān)鍵核心技術(shù);明確提升電池能量密度的優(yōu)化策略及其實(shí)現(xiàn)途徑;在電池能量密度、安全性、使用壽命以及生產(chǎn)成本等方面獲得一系列原創(chuàng)性成果，解決其中一些重大基礎(chǔ)和應(yīng)用問題;最終實(shí)現(xiàn)鋰離子樣品電池能量密度大于400 W·h/kg，循環(huán)穩(wěn)定性大于500 次的目標(biāo)。

　　3 項(xiàng)目擬解決的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題

　　圍繞項(xiàng)目的總體目標(biāo)，本項(xiàng)目凝煉出三個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題：① 探尋高性能鋰、鋁等電池納米電極材料和新型固體電解質(zhì)體系，提出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，實(shí)現(xiàn)納米電極材料的可控制備，開發(fā)電極/電解質(zhì)一體化界面構(gòu)筑技術(shù);② 發(fā)展電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征方法，探索電極添加劑對材料性能的影響以及材料晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和界面反應(yīng)的原位演化規(guī)律，揭示材料儲能機(jī)制和容量衰減的本征因素;③ 開發(fā)高性能、低成本納米儲能材料的大面積可控制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新型高效儲能器件的設(shè)計(jì)與研制。

　　4 項(xiàng)目主要研究內(nèi)容和主要技術(shù)指標(biāo)

　　針對以上關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，本項(xiàng)目擬開展以下幾個(gè)方面的研究。

　　(1)高性能電池關(guān)鍵材料的理論預(yù)測與設(shè)計(jì) 通過第一性原理的電子結(jié)構(gòu)計(jì)算以及分子動力學(xué)模擬方法，結(jié)合先進(jìn)的結(jié)構(gòu)預(yù)測方法，實(shí)現(xiàn)對電池關(guān)鍵材料電子性質(zhì)的'計(jì)算和晶體結(jié)構(gòu)的預(yù)測，為研制新型高能量密度的鋰、鋁等電池提供理論指導(dǎo)。

　　(2)納米電極材料及電解質(zhì)的研制與結(jié)構(gòu)調(diào)控在前期理論計(jì)算與預(yù)測的基礎(chǔ)上，探索高性能鋰、鋁等電池納米電極材料新體系，提出微納復(fù)合結(jié)構(gòu)電極材料的性能優(yōu)化策略;研制高離子導(dǎo)電率的電解質(zhì)材料，并開發(fā)穩(wěn)定且緊密結(jié)合的“納米電極材料-電解質(zhì)”界面新技術(shù)。

　　(3)電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征及演化規(guī)律發(fā)展電極微納結(jié)構(gòu)與表界面的原位表征方法，探索鋰、鋁等電池的納米電極材料在電化學(xué)反應(yīng)過程中的電輸運(yùn)、電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、表觀形貌和界面反應(yīng)的演化規(guī)律，從而揭示電極材料的儲能機(jī)制、容量衰減因素、SEI 膜和負(fù)極金屬枝晶的形成過程及添加劑對電極材料電化學(xué)性能的本征影響，為進(jìn)一步優(yōu)化納米電極材料的電化學(xué)性能提供理論指導(dǎo)。

　　(4)高效儲能器件的設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化 基于理論計(jì)算預(yù)測和電池材料的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，確定具有優(yōu)異性能且匹配性良好的正負(fù)極材料，結(jié)合本項(xiàng)目研制的高離子導(dǎo)電率的電解質(zhì)、隔膜及電池添加劑材料，通過均衡設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)和開發(fā)高比能的新型高效儲能器件。

　　本項(xiàng)目的主要技術(shù)指標(biāo)包括：獲得2～3 個(gè)比容量不低于350 mA·h/g(正極材料)和1500 mA·h/g(硅基負(fù)極)的鋰電池新材料體系;獲得1～2 2 S/cm)電解質(zhì);發(fā)展1-2 S/cm)及無機(jī)硫化物(10-3～10-個(gè)具有高離子導(dǎo)電率的聚合物(10 種以上電極微結(jié)構(gòu)與表界面的新型原位表征技術(shù);鋰離子樣品電池能量密度大于400 W·h/kg、循環(huán)穩(wěn)定性大于500 次。

　　5 項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)及研究基礎(chǔ)介紹

　　項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)集成廈門大學(xué)、武漢理工大學(xué)、華南理工大學(xué)和中山大學(xué)在納米儲能領(lǐng)域的優(yōu)勢力量，依托廈門大學(xué)固體表面物理化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心(廈門大學(xué))，研究團(tuán)隊(duì)的組成具有良好的互補(bǔ)性。在前期研究中項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)已獲得了比容量達(dá)300 mA·h/g 的正極材料，構(gòu)建了單根納米線全固態(tài)電化學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)了電化學(xué)反應(yīng)過程中鋰離子電池電極材料的形貌、結(jié)構(gòu)及晶相變化和電荷載流子電輸運(yùn)性能的原位檢測;釩系鋰離子動力電池完成裝車檢測，顯示出優(yōu)異的安全性和低溫性能。這些前期研究工作為本項(xiàng)目新型高效納米儲能器件的設(shè)計(jì)、組裝與研制奠定了扎實(shí)基礎(chǔ)，同時(shí)為將納米能量存儲材料的研究由“材料制備”層次提升到“器件研制”層次提供了可靠的技術(shù)保障。

　　6 技術(shù)挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)

　　研制新一代高性能鋰離子電池的關(guān)鍵是如何在多種技術(shù)路線中選擇合理的研究方向，明確其中涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)并提供確實(shí)可行的解決方案。為了降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，推進(jìn)項(xiàng)目研究工作順利進(jìn)行，本項(xiàng)目將在理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的基礎(chǔ)上制定合理的技術(shù)路線。此外，項(xiàng)目研究人員長期在納米儲能領(lǐng)域開展研究工作，具有較好的研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，并與國內(nèi)外鋰電池研究團(tuán)隊(duì)及相關(guān)企業(yè)保持著密切的合作關(guān)系，由其前期自主研發(fā)的納米線釩系鋰離子動力電池的裝車檢測和結(jié)果為本項(xiàng)目開展高性能鋰離子電池的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用開發(fā)奠定了較好的基礎(chǔ)。項(xiàng)目啟動后，將定期開展項(xiàng)目課題間的研討會并及時(shí)向項(xiàng)目專家組匯報(bào)最新研究進(jìn)展、問題與成果，調(diào)整并逐步完善研究方案和實(shí)驗(yàn)路線，及時(shí)優(yōu)化技術(shù)路線，盡量將完成本項(xiàng)目的總體目標(biāo)的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)控制在最低范圍內(nèi)。

　　7 項(xiàng)目預(yù)期效益

　　電化學(xué)儲能材料與器件是解決清潔能源轉(zhuǎn)換、存儲和利用的關(guān)鍵。發(fā)展高能量密度鋰電池技術(shù)將為電動汽車、大規(guī)模儲能、航空航天等提供亟需的、強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，具有重要的科學(xué)意義和廣闊的市場前景。本項(xiàng)目通過對高效納米儲能材料與器件的關(guān)鍵科學(xué)問題開展研究，預(yù)期在理論創(chuàng)新、材料制備、器件組裝方面取得突破，即獲得下一代鋰離子電池關(guān)鍵材料的性能優(yōu)化策略，實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)異的不同維度納米電極材料及其復(fù)合材料的可控構(gòu)筑和功能化，揭示電極微觀結(jié)構(gòu)對電荷載流子傳輸與擴(kuò)散遷移等本征電化學(xué)行為的影響機(jī)制，設(shè)計(jì)并研制出高效納米儲能器件，完成鋰離子樣品電池能量密度大于400 W·h/kg，循環(huán)穩(wěn)定性大于500 次的項(xiàng)目目標(biāo)。項(xiàng)目實(shí)施將產(chǎn)生一批原創(chuàng)性學(xué)術(shù)成果和發(fā)明專利，推動高能量密度鋰電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，提升我國在新一代電池技術(shù)的核心競爭力。

納米材料論文12

　　1引言

　　40多年以前，科學(xué)家們就認(rèn)識到實(shí)際材料中的無序結(jié)構(gòu)是不容忽視的。許多新發(fā)現(xiàn)的物理效應(yīng)，諸如某些相轉(zhuǎn)變、量子尺寸效應(yīng)和有關(guān)的傳輸現(xiàn)象等，只出現(xiàn)在含有缺陷的有序固體中。事實(shí)上，如果多晶體中晶體區(qū)的特征尺度（晶�；蚓М犞睆交虮∧ず穸龋┻_(dá)到某種特征長度時(shí)（如電子波長、平均自由程、共格長度、相關(guān)長度等），材料的性能將不僅依賴于晶格原子的交互作用，也受其維數(shù)、尺度的減小和高密度缺陷控制。有鑒于此，HGleitCr認(rèn)為，如果能夠合成出晶粒尺寸在納米量級的多晶體，即主要由非共格界面構(gòu)成的材料[例如，由 50％（in vol．）的非共植晶界和 50％（in vol．）的晶體構(gòu)成］，其結(jié)構(gòu)將與普通多晶體（晶粒大于lmm）或玻璃（有序度小于2nm）明顯不同，稱之為納米晶體材料（nanocrystalline materials）。后來，人們又將晶體區(qū)域或其它特征長度在納米量級范圍（小于 100nn）的材料廣義定義為納米材料或納米結(jié)構(gòu)材料（nanostructured materials）。由于其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和奇異性能，納米材料引起了科學(xué)界的極大關(guān)注，成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，其領(lǐng)域涉及物理、化學(xué)、生物、微電子等諸多學(xué)科。目前，廣義的納米材料的主要? 括?BR> l）清潔或涂層表面的金屬、半導(dǎo)體或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子講結(jié)構(gòu)；功半結(jié)晶聚合物和聚合物混和物；4）納米晶體和納米玻璃材料；5）金屬鍵、共價(jià)鍵或分子組元構(gòu)成的納米復(fù)合材料。

　　經(jīng)過最近十多年的研究與探索，現(xiàn)已在納米材料制備方法、結(jié)構(gòu)表征、物理和化學(xué)性能、實(shí)用化等方面取得顯著進(jìn)展，研究成果日新月異，研究范圍不斷拓寬。本文主要從材料科學(xué)與工程的角度，介紹與評述納米金屬材料的某些研究進(jìn)展。

　　2納米材料的制備與合成

　　材料的納米結(jié)構(gòu)化可以通過多種制備途徑來實(shí)現(xiàn)。這些方法可大致歸類為兩步過程和一步過程。兩步過程是將預(yù)先制備的孤立納米顆粒因結(jié)成塊體材料。制備納米顆粒的方法包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、微波等離子體、低壓火焰燃燒、電化學(xué)沉積、溶膠一凝膠過程、溶液的熱分解和沉淀等，其中，PVD法以惰性氣體冷凝法最具代表性。一步過程則是將外部能量引入或作用于母體材料，使其產(chǎn)生相或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，直接制備出塊體納米材料。諸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能機(jī)械球磨、嚴(yán)重塑性形變、滑動磨損、高能粒子輻照和火花蝕刻等。目前，關(guān)于制備科學(xué)的研究主要集中于兩個(gè)方面：l）納米粉末制備技術(shù)、理論機(jī)制和模型。目的是改進(jìn)納米材料的品質(zhì)和產(chǎn)量；2）納米粉末的固結(jié)技術(shù)。以獲得密度和微結(jié)構(gòu)可控的塊體材料或表面覆層。

　　3納米材料的奇異性能

　　1）原子的擴(kuò)散行為

　　原子擴(kuò)散行為影響材料的許多性能，諸如蠕變、超塑性、電性能和燒結(jié)性等。納米晶Co的自擴(kuò)散系數(shù)比Cu的體擴(kuò)散系數(shù)大14～16個(gè)量級，比Cu的晶界自擴(kuò)散系數(shù)大3個(gè)量級。Wurshum等最近的工作表明：Fe在納米晶N中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于早期報(bào)道的結(jié)果。納米晶Pd的界面擴(kuò)散數(shù)據(jù)類似于普通的晶界擴(kuò)散，這很可能是由于納米粒子固結(jié)成的塊狀試樣中的殘留疏松的影響。他們還報(bào)道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的復(fù)相納米合金（由Fe3Si納米金屬間化合物和晶間的非晶相構(gòu)成）中的擴(kuò)散要比在非晶合金中快10～14倍，這是由于存在過剩的熱平衡空位。Fe在Fe-Si納米晶中的擴(kuò)散由空位調(diào)節(jié)控制。

　　2）力學(xué)性能

　　目前，關(guān)于納米材料的力學(xué)性能研究，包括硬度、斷裂韌性、壓縮和拉伸的應(yīng)力一應(yīng)變行為、應(yīng)變速率敏感性、疲勞和蠕變等已經(jīng)相當(dāng)廣泛。所研究的材料涉及不同方法制備的純金屬、合金、金屬間化合物、復(fù)合材料和陶瓷。研究納米材料本征力學(xué)性能的關(guān)鍵是獲得內(nèi)部沒有（或很少）孔隙、雜質(zhì)或裂紋的塊狀試樣。由于試樣內(nèi)有各種缺陷，早期的許多研究結(jié)果已被最近取得的結(jié)果所否定。樣品制備技術(shù)的日臻成熟與發(fā)展，使人們對納米材料本征力學(xué)性能的認(rèn)識不斷深入。

　　許多納米純金屬的室溫硬度比相應(yīng)的粗晶高2～7倍。隨著晶粒的減小，硬度增加的.現(xiàn)象幾乎是不同方法制備的樣品的一致表現(xiàn)。早期的研究認(rèn)為，納米金屬的彈性模量明顯低于相應(yīng)的粗晶材料。例如，納米晶Pd的楊氏和剪切模量大約是相應(yīng)全密度粗晶的70％。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)，這完全是樣品中的缺陷造成的，納米晶Pd和Cu的彈性常數(shù)與相應(yīng)粗晶大致相同，屈服強(qiáng)度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韌性很低，總延伸率僅1％～4％，晶粒尺寸為 110nm的 Cu延伸率大于 8％。從粗晶到 15urn，Cu的硬度測量值滿足 HallPetch關(guān)系；小于15nm后，硬度隨晶粒尺寸的變化趨于平緩，雖然硬度值很高，但仍比由粗晶數(shù)據(jù)技HallPetch關(guān)系外推或由硬度值轉(zhuǎn)換的估計(jì)值低很多。不過，納米晶Cu的壓縮屈服強(qiáng)度與由粗晶數(shù)據(jù)的HallPetCh關(guān)系外推值和測量硬度的值（Hv／3）非常吻合，高密度納米晶 Cu牙D Pd的壓縮屈服強(qiáng)度可達(dá)到 1GPa量級。

　　盡管按照常規(guī)力學(xué)性能與晶粒尺寸關(guān)系外推，納米材料應(yīng)該既具有高強(qiáng)度，又有較高韌性。但迄今為止，得到的納米金屬材料的韌性都很低。晶粒小于25nm時(shí)，其斷裂應(yīng)變僅為＜5％，遠(yuǎn)低于相應(yīng)粗晶材料。主要原因是納米晶體材料中存在各類缺陷、微觀應(yīng)力及界面狀態(tài)等。用適當(dāng)工藝制備的無缺陷、無微觀應(yīng)力的納米晶體Cu，其拉伸應(yīng)變量可高達(dá)30％，說明納米金屬材料的韌性可以大幅度提高。納米材料的塑性變形機(jī)理研究有待深入。

　　納米晶金屬間化合物的硬度測試值表明，隨著晶粒的減小，在初始階段（類似于純金屬盼情況）發(fā)生硬化，進(jìn)一步減小晶粒，硬化的斜率減緩或者發(fā)生軟化。由硬化轉(zhuǎn)變?yōu)檐浕�的行為是相�?dāng)復(fù)雜的，但這些現(xiàn)象與樣品的制備方法無關(guān)。材料的熱處理和晶粒尺寸的變化可能導(dǎo)致微觀結(jié)構(gòu)和成份的變化，如晶界、致密性、相變、應(yīng)力等，都可能影響晶粒尺寸與硬度的關(guān)系。

　　研究納米晶金屬間化合物的主要動機(jī)是探索改進(jìn)金屬間化合物的室溫韌性的可能性。Bohn等首先提出納米晶金屬化合物幾種潛在的優(yōu)越性。其中包括提高強(qiáng)度和韌性。Haubold及合作者研究了IGC法制備的NiAl的力學(xué)性能，但僅限于單一樣品在不同溫度退火后的硬度測量。Smith通過球磨NiAl得到晶粒尺寸從微米級至納米級的樣品，進(jìn)行了微型盤彎曲試驗(yàn)，觀察到含碳量低的材料略表現(xiàn)出韌性，而含碳多的材料沒有韌性。最近Choudry等用雙向盤彎曲試驗(yàn)研究了納米晶NiAl，發(fā)現(xiàn)晶粒小于10nm時(shí)，屈服強(qiáng)度高干粗晶NiAl，且在室溫下有韌性，對形變的貢獻(xiàn)主要源于由擴(kuò)散控制的晶界滑移。室溫壓縮實(shí)驗(yàn)顯示由球磨粉末固結(jié)成的納米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性（真應(yīng)變大于1．4），且屈服強(qiáng)度高（是粗晶的1O倍）。測量TiAl（平均晶粒尺寸約10nm）的壓縮蠕變（高溫下測量硬度隨著恒載荷加載時(shí)間的變化）表明，在起始的快速蠕變之后，第二階段蠕變非常緩慢，這意味著發(fā)生了擴(kuò)散控制的形變過程。低溫時(shí)（低于擴(kuò)散蠕變開始溫度），納米晶的硬度變化很小。觀察到的硬度隨著溫度升高而下降，原因之一是壓頭載荷使樣品進(jìn)一步致密化，而主要是因?yàn)椴牧狭髯兗涌�。Mishra等報(bào)道，在750～950°C，10-5～10-3s-1的應(yīng)? 淥俾史段В納米晶Ti-47．5Al-3Cr（g-TiAl）合金的形變應(yīng)力指數(shù)約為6，說明其形變機(jī)制為攀移位錯(cuò)控制。

　　值得注意的是，最近報(bào)道了用分子動力學(xué)計(jì)算機(jī)模擬研究納米材料的致密化過程和形變。納米Cu絲的模擬結(jié)果表明，高密度晶界對力學(xué)行為和塑性變形過程中的晶界遷移有顯著影響。納米晶（3～5nm）Ni在低溫高載荷塑性變形的模擬結(jié)果顯示，其塑性變形機(jī)制主是界面的粘滯流動、晶界運(yùn)動和晶界旋轉(zhuǎn)，不發(fā)生開裂和位錯(cuò)發(fā)散，這與粗晶材料是截然不同的。

　　3）納米晶金屬的磁性

　　早期的研究發(fā)現(xiàn)。納米晶Fe的飽和磁化強(qiáng)度試比普通塊材

　　a-Fe約低40％。Wagner等用小角中子散射（SANS）實(shí)驗(yàn)證實(shí)納米晶Fe由鐵磁性的晶粒和非鐵磁性（或弱鐵磁性）的界面區(qū)域構(gòu)成，界面區(qū)域體積約占一半。納米晶Fe的磁交互作用不僅限于單個(gè)晶粒，而且可以擴(kuò)展越過界面，使數(shù)百個(gè)晶粒磁化排列。

　　Daroezi等證實(shí)球磨形成的納米晶Fe和Ni的飽和磁化強(qiáng)度與晶粒尺寸（50mm～7nm）無關(guān)，但納米晶的飽和磁化曲線形狀不同于微米晶材料。隨著晶粒減小，矯頑力顯著增加。Schaefer等報(bào)道，納米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB／原子（塊狀Ni為0．6mB／原子），界面組份的居里溫度（545K）比塊狀晶體Ni的（630K）低。最近的研究還發(fā)現(xiàn)，制備時(shí)殘留在納米晶Ni中的內(nèi)應(yīng)力對磁性的影響很大，納米晶Ni的飽和磁化強(qiáng)度與粗晶Ni基本相同。

　　Yoshizawa等報(bào)道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后，軟磁性能良好，可與被莫合金和最好的Co基調(diào)合金相媲美，且飽和磁化強(qiáng)度很高（Bs約為1．3T）。其典型成份為Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9稱為Finemet。性能最佳的結(jié)構(gòu)為a-Fe（Si）相（12～20nm）鑲嵌在剩余的非晶格基體上。軟磁性能好的原因之一被認(rèn)為是鐵磁交互作用。單個(gè)晶粒的局部磁晶體各向異性被有效地降低。其二是晶化處理后，形成富Si的a-Fe相，他和磁致伸縮系數(shù)ls下降到 2′10-6。繼 Finemet之后， 90年代初又發(fā)展了新一族納米晶軟磁合金 Fe-Zr-（Cu）-B-(Si)系列（稱為Nanoperm）。退火后，這類合金形成的bcc相晶粒尺寸為10～20nm，飽和磁化強(qiáng)度可達(dá)1．5～1．7T，磁導(dǎo)率達(dá)到48000（lkHz）。鐵芯損耗低，例如，F(xiàn)e86Zr7B6Cu1合金的鐵芯損耗為66mW·g-1（在 1T， 50Hz條件下），比目前做變壓器鐵芯的 Fe78Si9B13非晶合金和 bccFe-3．5％Si合金小45％和 95％，實(shí)用前景非常誘人。

　　4）催化及貯氫性能

　　在催化劑材料中，反應(yīng)的活性位置可以是表面上的團(tuán)簇原子，或是表面上吸附的另一種物質(zhì)。這些位置與表面結(jié)構(gòu)、晶格缺陷和晶體的邊角密切相關(guān)。由于納米晶材料可以提供大量催化活性位置，因此很適宜作催化材料。事實(shí)上，早在術(shù)語納米材料出現(xiàn)前幾十年，已經(jīng)出現(xiàn)許多納米結(jié)構(gòu)的催化材料，典型的如 Rh／Al2O3、 Pt／C之類金屬納米顆粒彌散在情性物質(zhì)上的催化劑。已在石油化工、精細(xì)化工合成、汽車排氣許多場合應(yīng)用。

　　Sakas等報(bào)道了納米晶5％（in mass）Li-MgO（平均直徑5．2nm，比表面面積750m2·g-1）的催化活性。它對甲烷向高級烴轉(zhuǎn)化的催化效果很好，催化激活溫度比普通Li浸滲的MgO至少低200°C，盡管略有燒結(jié)發(fā)生，納米材料的平均活性也比普通材料高3．3倍。

　　Ying及合作者利用惰性氣氛冷凝法制成高度非化學(xué)當(dāng)量的CeO2-x納米晶體，作為CO還原SO2、CO氧化和CH4氧化的反應(yīng)催化劑表現(xiàn)出很高的活性�；罨瘻囟鹊陀诔�細(xì)的化學(xué)當(dāng)量CeO2基材料。例如，選擇性還原SO2為S的反應(yīng)，可在500°C實(shí)現(xiàn)100％轉(zhuǎn)換，而由化學(xué)沉淀得到的超細(xì)CeO2粉末，活化溫度高達(dá)600°C。摻雜Cu的Cu-CeO2-x納米復(fù)合材料可以使SO2的反應(yīng)溫度降低到420°C。另外，CeO2-x納米晶在SO2還原反應(yīng)中沒有活性滯后，且具有超常的抗CO2毒化能力。還能使CO完全轉(zhuǎn)化為CO2的氧化反應(yīng)在低于100°C時(shí)進(jìn)行，這對冷起動的汽車排氣控制非常有利。值得注意的是這樣的催化劑僅由較便宜的金屬構(gòu)成，毋須添加資金屬元素。

　　FeTi和Mg2Ni是貯氫材料的重要候選合金。其缺點(diǎn)是吸氫很慢，必須進(jìn)行活化處理， 即多次地進(jìn)行吸氫----脫氫過程。Zaluski等最近報(bào)道，用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化學(xué) 當(dāng)量的Mg2Ni，晶粒平均尺寸為 20～30nm，吸氫性能比普通多晶材料好得多。普通多晶 Mg2Ni 的吸氫只能在高溫下進(jìn)行（如果氫壓力小于20Pa，溫度必須高于250°C），低溫吸氫則需要長時(shí)間和高的氫壓力，例如 200°C、120bar(lbar＝0．1Mpa)，2天。納米晶 Mg2Ni在 200°C以下， 即可吸氫，毋須活化處理。 300°C第一次氫化循環(huán)后，含氫可達(dá)～3.4％（in mass）。在以后的循環(huán)過程中，吸氫比普通多晶材料快4倍。納米晶FeTi的吸氫活化性能明顯優(yōu)于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化過程是：在真空中加熱到400～450℃，隨后在約7Pa的H2中退火、冷卻至室溫再暴露于壓力較高（35～65Pa）的氫中，激活過程需重復(fù)幾次。而球磨形成的納米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h，便足以完成全部的氫吸收循環(huán)。納米晶FeTi合金由納米晶粒和高度無序的晶界區(qū)域（約占材料的20％～30％）構(gòu)成。

　　4納米材料應(yīng)用示例

　　目前納米材料主要用于下列方面：

　　l）高硬度、耐磨WC-Co納米復(fù)合材料

　　納米結(jié)構(gòu)的WC-Co已經(jīng)用作保護(hù)涂層和切削工具。這是因?yàn)榧{米結(jié)構(gòu)的WC-Co在硬度、耐磨性和韌性等方面明顯優(yōu)于普通的粗晶材料。其中，力學(xué)性能提高約一個(gè)量級，還可能進(jìn)一步提高。高能球磨或者化學(xué)合成WC-Co納米合金已經(jīng)工業(yè)化�；瘜W(xué)合成包括三個(gè)主要步驟：起始溶液的制備與混和；噴霧干燥形成化學(xué)性均勻的原粉末；再經(jīng)流床熱化學(xué)轉(zhuǎn)化成為納米晶WC-Co粉末。噴霧干燥和流床轉(zhuǎn)化已經(jīng)用來批量生產(chǎn)金屬碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氫氣氛下液相燒結(jié)成塊體材料。VC或Cr3C2等碳化物相的摻雜，可以抑制燒結(jié)過程中的晶粒長大。

　　2)納米結(jié)構(gòu)軟磁材料

　　Finemet族合金已經(jīng)由日本的Hitachi Special Metals，德國的Vacuumschmelze GmbH和法國的 Imply等公司推向市場，已制造銷售許多用途特殊的小型鐵芯產(chǎn)品。日本的 Alps Electric Co．一直在開發(fā)Nanoperm族合金，該公司與用戶合作，不斷擴(kuò)展納米晶Fe-Zr-B合金的應(yīng)用領(lǐng)域。

　　3)電沉積納米晶Ni

　　電沉積薄膜具有典型的柱狀晶結(jié)構(gòu)，但可以用脈沖電流將其破碎。精心地控制溫度、pH值和鍍池的成份，電沉積的Ni晶粒尺寸可達(dá)10nm。但它在350K時(shí)就發(fā)生反常的晶粒長大，添加溶質(zhì)并使其偏析在晶界上，以使之產(chǎn)生溶質(zhì)拖拽和Zener粒子打軋效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。例如，添加千分之幾的磷、流或金屬元素足以使納米結(jié)構(gòu)穩(wěn)定至600K。電沉積涂層脈良好的控制晶粒尺寸分布，表現(xiàn)為Hall－Petch強(qiáng)化行為、純Ni的耐蝕性好。這些性能以及可直接涂履的工藝特點(diǎn)，使管材的內(nèi)涂覆，尤其是修復(fù)核蒸汽發(fā)電機(jī)非常方便。這種技術(shù)已經(jīng)作為 EectrosleeveTM工藝商業(yè)化。在這項(xiàng)應(yīng)用中，微合金化的涂層晶粒尺寸約為 100nm，材料的拉伸強(qiáng)度約為鍛造Ni的兩倍，延伸率為15％。晶間開裂抗力大為改善。

　　4）Al基納米復(fù)合材料

　　Al基納米復(fù)合材料以其超高強(qiáng)度（可達(dá)到1.6GPa）為人們所關(guān)注。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在非晶基體上彌散分布著納米尺度的a-Al粒子，合金元素包括稀土（如 Y、 Ce）和過渡族金屬（如 Fe、Ni）。通常必須用快速凝固技術(shù)（直接淬火或由初始非晶態(tài)通火）獲得納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。但這只能得到條帶或霧化粉末。納米復(fù)合材料的力學(xué)行為與晶化后的非晶合金相類似，即室溫下超常的高屈服應(yīng)力和加工軟化（導(dǎo)致拉神狀態(tài)下的塑性不穩(wěn)定性）。這類納米材料（或非晶）可以固結(jié)成塊材。例如，在略低于非晶合金的晶化溫度下溫?cái)D。加工過程中也可以完全轉(zhuǎn)變?yōu)榫�體，晶粒尺寸明顯大干部份非晶的納米復(fù)合材料。典型的Al基體的晶粒尺寸為100～200nm，鑲嵌在基體上的金屬間化合物粒子直徑約50nm。強(qiáng)度為0.8～1GPa，拉伸韌性得到改善。另外，這種材料具有很好的強(qiáng)度與模量的結(jié)合以及疲勞強(qiáng)度。溫?cái)DAl基納米復(fù)合材料已經(jīng)商業(yè)化，注冊為GigasTM。霧化的粉末可以固結(jié)成棒材，并加工成小尺寸高強(qiáng)度部件。類似的固結(jié)材料在高溫下表現(xiàn)出很好的超塑性行為：在1s-1的高應(yīng)變速率下，延伸率大于500％。

　　5結(jié)語

　　在過去十多年里，盡管納米材料的研究已經(jīng)取得了顯著進(jìn)展，但許多重要問題仍有待探索和解決。諸如，如何獲得清潔、無孔隙、大尺寸的塊體納米材料，以真實(shí)地反映納米材料的本征結(jié)構(gòu)與性能？如何開發(fā)新的制備技術(shù)與

　　工藝，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)、低成本、多品種的納米材料產(chǎn)業(yè)化？納米材料的奇異性能是如何依賴于微觀結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸與形貌、晶界等缺陷的性質(zhì)、合金化等）的？反之，如何利用微觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與控制，發(fā)展具有新穎性能的納米材料，以拓寬納米材料的應(yīng)用領(lǐng)域？某些傳統(tǒng)材料的局域納米化能否為其注入新的生命力？如何實(shí)現(xiàn)納米材料的功能與結(jié)構(gòu)一體化？如何使納米材料在必要的后續(xù)處理或使用過程中保持結(jié)構(gòu)與性能的穩(wěn)定性？等等。這些基本問題是進(jìn)一步深入研究納米材料及其實(shí)用化的關(guān)鍵，也是納米材料研究被稱為高風(fēng)險(xiǎn)與高回報(bào)并存的原因。

　　我國系統(tǒng)開展納米材料的科學(xué)研究始于80年代末，經(jīng)過近十年的努力，已經(jīng)做出了一批高水平、有國際影響的工作。整體水平和實(shí)力緊步美、日、德等主要西方國家之后，受到國際學(xué)術(shù)界的高度重視。然而，在激烈的國際競爭形勢下，急需以現(xiàn)有工作為基礎(chǔ)，以若干學(xué)科為突破目標(biāo)，集中人力、物力、財(cái)力的投入，使我國在這一領(lǐng)域的研究水平上一個(gè)新臺階。

　　致謝：作者在從事納米材料的研究中得到國家自然科學(xué)基金委（國家自然科學(xué)基金資助課題：59001447，59321001，59431021，59771019，59471014，59431022）、國家科委（攀登計(jì)劃：納米材料科學(xué)）、中國科學(xué)院的資助，謹(jǐn)在此對上述機(jī)構(gòu)表示衷心感謝。

納米材料論文13

　　納米鈀/ 聚合物復(fù)合材料是將納米鈀粒子均勻地分散到聚合物中，具備納米鈀和聚合物的許多特性，如獨(dú)特的熱性能、導(dǎo)電性能和催化性能。目前關(guān)于納米鈀/復(fù)合材料的合成方法已有很多，如紫外光輻射法、超聲輻射法等，但此類技術(shù)多少都存在些許缺陷。微波輻射法具有操作簡單、快速、節(jié)能、省時(shí)、無污染等優(yōu)良特性，可在較短時(shí)間內(nèi)制備出分布較窄、粒徑小、純度高的納米復(fù)合材料，與傳統(tǒng)方法相比展現(xiàn)出了明顯的優(yōu)勢。

　　1 實(shí)驗(yàn)部分

　　1.1 主要原料

　　2 – 丙烯酰胺基–2– 甲基丙磺酸(AMPS)：山東壽光聯(lián)盟精細(xì)化工有限公司; 丙烯酰胺(AM)：天津市福晨化學(xué)試劑廠;鹽酸：上海化學(xué)試劑有限公司;氫氧化鈉：天津市津北精細(xì)化工有限公司;無水乙醇：天津博迪化工股份有限公司;氯化鈀：陜西開達(dá)化學(xué)有限公司;DMF(C3H7NO)：無錫市亞盛化工有限公司。除AMPS 為工業(yè)品外，其他試劑均為分析純。

　　1.2 主要儀器

　　WBFY– 201 微電腦微波化學(xué)反應(yīng)器：鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司;PHS – 3C PHC 酸度計(jì)：上海天達(dá)儀器有限公司;JEOL – 20xx 透射電子顯微鏡(TEM)：日本電子株式會社;S – 3000N 掃描電子顯微鏡(SEM)：日本日立公司;AR–G2 流變儀：美國TA 公司。

　　1.3 納米金屬鈀/P(AM–AMPS)復(fù)合材料的合成

　　取一定量的氯化鈀溶于適量的1.0 mol/L 的鹽酸溶液中，攪拌至完全溶解，加入適量的AMPS和AM(n(AM)∶n(AMPS)分別為1∶1、2∶ 1、7∶3、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)，用0.5 mol/L的NaOH 溶液調(diào)節(jié)pH 值(1.0、3.0、5.0、7.0、9.0、11.0)，然后置于微波反應(yīng)器中反應(yīng)45 min，反應(yīng)結(jié)束后將粗產(chǎn)品依次經(jīng)過無水乙醇洗滌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 納米鈀復(fù)合材料的表征

　　對經(jīng)研磨后的上述成品(即黑色固體粉末)進(jìn)行SEM 表征。取少量成品用丙酮溶解稀釋，然后對其進(jìn)行TEM 測試。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 掃描電鏡照片

　　共聚物呈空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，有明顯的孔洞，比表面積大，納米粒子可以更多地進(jìn)入聚合物內(nèi)部;因而當(dāng)鈀粒子被還原的同時(shí)兩單體發(fā)生共聚反應(yīng)，達(dá)到穩(wěn)定分散納米鈀粒子的效果。

　　2.2 透射電鏡照片

　　微波制備的鈀粒徑分布在10 ~ 30 nm，平均粒徑20 nm左右，均勻地分散在共聚物P(AM–AMPS)中。分析人員從圖右上角電子衍射照片分析出納米鈀為面心立方多晶結(jié)構(gòu)。根據(jù)電子衍射基本公式d =K/R(其中K 為電鏡常數(shù)2.008 mm/nm，R 是衍射環(huán)的半徑)計(jì)算相應(yīng)晶面間距d，與標(biāo)準(zhǔn)物PDF 卡片(87–0638)相吻合。

　　2.3 溶液pH 對聚合度的影響

　　對于同種聚合物，聚合度越大其黏度(η)越大。因此可通過測定聚合物的η 間接說明聚合程度的大小。pH = 7.0 左右時(shí)體系的`黏度最高，亦即兩單體此時(shí)的共聚合程度最大。2.4 單體配比對聚合反應(yīng)的影響隨著反應(yīng)中AM 量的增加且比值不大于2 時(shí)所得到的共聚產(chǎn)物極易被水迅速溶解;隨著n(AM)∶n(AMPS)的比例增大，聚合物的η 也隨之變大;當(dāng)單體n(AM)∶n(AMPS)=4∶1時(shí)，聚合物η 最大。因此，在確保其他條件不變，n(AM)∶n(AMPS)= 4∶1 時(shí)，聚合反應(yīng)程度最大。

　　2.5 微波輻照時(shí)間對聚合體系的影響

　　隨著微波輻照時(shí)間的延長，聚合物的黏度越來越大， 當(dāng)微波輻照時(shí)間為45min 時(shí)達(dá)到最大值，45 min 之后黏度基本保持不變。因此最佳的微波輻照時(shí)間為45 min 左右。

　　3 結(jié)論

　　采用微波輻輻法，在不加任何還原劑和引發(fā)劑的條件下合成納米鈀/P(AM–AMPS)復(fù)合材料。微波制備的納米鈀粒子的粒徑約為20 nm，均勻地分散在基體共聚物P(AM–AMPS)中。在pH約為7.0、n(AM)∶n(AMPS)=4、微波反應(yīng)時(shí)間45 min 時(shí)，兩單體的共聚合程度最大，且呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，對納米粒子具有很好的包覆性。

納米材料論文14

　　摘要:納米技術(shù)作為一門新興的技術(shù)，在多個(gè)領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用，尤其是極大地推動了新型建材的發(fā)展，介紹了納米技術(shù)在新型建筑涂料、復(fù)合水泥、自潔玻璃、陶瓷、防護(hù)材料等方面的應(yīng)用，通過論述可知，納米材料在新型建材領(lǐng)域具有很好的發(fā)展應(yīng)用前景。

　　關(guān)鍵詞:納米技術(shù);新型建材;應(yīng)用;前景

　　1 納米涂料的應(yīng)用

　　通常傳統(tǒng)的涂料都存在懸浮穩(wěn)定性差，耐老化、耐洗刷性差，光潔度不夠等缺陷。而納米涂料則能較好的解決這一問題，納米涂料具有下述優(yōu)越的性能:

　　(1)具有很好的伸縮性，能夠彌蓋墻體細(xì)小裂縫，具有對微裂縫的自修復(fù)作用。

　　(2)具有很好的防水性，抗異物粘附、沾污性能，抗堿、耐沖刷性。

　　(3)具有除臭、殺菌、防塵以及隔熱保溫性能。

　　(4)納米涂料的色澤鮮艷柔和，手感柔和，漆膜平整，改善建筑的外觀等。

　　雖然國內(nèi)外對納米涂料的研究還處在初步階段，但是已在工程上得到了較廣泛的應(yīng)用，如北京納美公司生產(chǎn)的納米系列涂料已大量應(yīng)用于北京建欣苑、建東苑等住宅區(qū)的外墻粉刷，效果良好。在首體改造工程中，使用納米涂料1700噸，涂刷6萬平方米。復(fù)旦大學(xué)教育部先進(jìn)涂料工程研究中心的專家已研發(fā)出了“透明隔熱玻璃涂料”。

　　2 納米水泥的應(yīng)用

　　普通水泥混凝土因其剛性較大而柔性較小，同時(shí)其自身也存在一些固有的缺陷，使其在使用過程中不可避免地產(chǎn)生開裂并破壞。為了解決這一問題就必須加速對具有特殊性能混凝土的研發(fā)，而納米混凝土就能有效的解決這樣問題，納米混凝土，與普通混凝土相比，納米混凝土的強(qiáng)度、硬度、抗老化性、耐久性等性能均有顯著提高，同時(shí)還具有防水、吸聲、吸收電磁波等性能，因而可用于一些特殊的建筑設(shè)施中(如國防設(shè)施)。通常在普通混凝土中加入納米礦粉(納米級SiO2、納米級CaCO3)或者納米金屬粉末已達(dá)到納米混凝土的性能，而且通過改變納米材料的'摻量還能配置出防水砂漿等。目前開發(fā)研制的納米水泥材料包括納米防水復(fù)合水泥，納米敏感水泥、納米環(huán)保復(fù)合水泥以及納米隱身復(fù)合水泥。

　　納米防水水泥是通過在水泥中添加XPM水泥外加劑的納米材料而制成的，該納米外加劑摻入水泥后，可以加快水泥誘導(dǎo)期和加速期的水化反應(yīng)，改善水泥凝固的三維結(jié)構(gòu)，同時(shí)提高水泥石的密實(shí)度，增強(qiáng)了防水性能。

　　納米敏感水泥是在水泥中加入對周圍環(huán)境變化十分敏感的納米材料，從而達(dá)到改善水泥制品溫敏、濕敏、氣敏、力敏等性能。根據(jù)添加的敏感材料的不同可將納米敏感水泥用于化工廠的建設(shè)、高速路面的鋪設(shè)等。

　　納米環(huán)保復(fù)合水泥是利用納米材料的光催化功能，從而使水泥制品具有殺菌、除臭以及表面自清潔等功能。通常是選用TiO2作為納米添加劑。

　　納米隱身復(fù)合材料是通過使用具有吸收電磁波功能的納米材料(納米金屬粉居多)，在電磁波照射時(shí)，納米材料的表面效應(yīng)使得原子與電子運(yùn)動加劇，促使電子能轉(zhuǎn)化為熱能，加強(qiáng)對電磁波的吸收，從何使材料能夠在很寬的頻帶范圍內(nèi)避開雷達(dá)、紅外光的偵查，這一材料常用于軍事國防建筑等。

　　3 納米玻璃的應(yīng)用

　　普通玻璃在使用過程中會吸附空氣中的有機(jī)物，形成難以清洗的有機(jī)污垢，同時(shí)，水在玻璃上易形成水霧，影響可見度和反光度。而通過在平板玻璃的兩面鍍制一層TiO2納米薄膜形成的納米玻璃，則能有效的解決上述缺陷，同時(shí)TiO2光催化劑在陽光作用下，可以分解甲醛、氨氣等有害氣體。此外納米玻璃具有非常好的透光性以及機(jī)構(gòu)強(qiáng)度。將這種玻璃用作屏幕玻璃、大廈玻璃、住宅玻璃等可免去麻煩的人工清洗過程。

　　4 納米技術(shù)在陶瓷材料中的應(yīng)用

　　陶瓷因其具有較好的耐高溫以及抗腐蝕性以及良好的外觀性能而在工程界得到了廣泛的應(yīng)用(如鋪貼墻面的瓷磚)，但是陶瓷易發(fā)生脆性破壞，因而在使用過程中也受到了一定的限制。使用納米材料開發(fā)研制的納米陶瓷則具有良好的塑性性能，能夠吸收一定量的外來能量。在陶瓷基中加入納米級的金屬碳化物纖維可以大大提高陶瓷的強(qiáng)度，同時(shí)具有良好的抗燒蝕性，火箭噴氣口的耐高溫材料就選用納米金屬陶瓷作為耐高溫材料。用納米SiC、Si3N、ZnO、SiO2、TiO2、A12O3等制成的陶瓷材料具有高硬度、高韌性、高強(qiáng)度、耐磨性、低溫超塑性、抗冷熱疲勞等性能優(yōu)點(diǎn)。納米陶瓷將作為防腐、耐熱、耐磨的新材料在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

　　5 納米技術(shù)在防護(hù)材料中的應(yīng)用

　　通常是在膠料中加入炭黑等以提高材料的防水性能，但這種材料的耐腐蝕性以及耐侯性較差，易老化，研制具有高強(qiáng)、耐腐蝕、抗老化性能的防水材料也是工程界一直在積極研究的問題，納米防水材料能夠很好滿足上述要求，北京建筑科學(xué)研究院就成功的研制了具有較好耐老化性能的納米防水卷材，該類防水卷材具有很好的強(qiáng)度、韌性、抗老化性以及光穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性等。納米防水卷材具有叫廣泛的應(yīng)用前景，如建筑頂面、地下室、衛(wèi)生間、水利堤壩以及防潛工程等。

　　6 納米保溫材料

　　隨著我國推行節(jié)能減排的方針，工程界也越來越注重建筑的保溫節(jié)能性能，我國目前使用的比較多的仍是聚氨酯、石棉等傳統(tǒng)隔熱保溫材料，這些材料在使用過程中容易產(chǎn)生一些對人體有害的物質(zhì)，如石棉與纖維制品含有致癌物質(zhì)，聚氨酯泡沫燃燒后釋放有毒氣體，而通過使用納米材料開發(fā)研制的保溫材料則能避免這些弊端，如以無機(jī)硅酸鹽為基料，經(jīng)高溫高壓納米功能材料改性而成的保溫材料不僅具有很好的保溫效果，同時(shí)對人體也無損害，是一種綠色環(huán)保保溫材料。

　　7 納米技術(shù)在其粘合劑以及密封材料和潤滑劑方面的應(yīng)用

　　對于一些在深海中作業(yè)的結(jié)構(gòu)以及其他特殊環(huán)境下工作的構(gòu)件，它們對結(jié)構(gòu)的密封性的要求非常高，已超過了普通粘合劑和密封劑所能滿足的范圍。國外通過在普通粘合劑和密封膠中添加納米SiO2等添加劑，使粘合劑的粘結(jié)效果和密封膠的密封性能都大大提高。其工作機(jī)理是在納米SiO2的表面包覆一層有機(jī)材料，使之具有永久性，將它添加到密封膠中很快形成一種硅石結(jié)構(gòu)，即納米SiO2形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的膠體流動，提高粘接效果，由于顆粒尺寸小，更增加了膠的密封性。大型建材機(jī)械等主機(jī)工作時(shí)的噪聲達(dá)到上百分貝，用納米材料制成的潤滑劑，既能在物體表面形成半永久性的固態(tài)膜，產(chǎn)生根好的潤滑作用，大大降低噪聲，又能延長裝備使用壽命，具有非常好的應(yīng)用前景。

　　8 結(jié)語

　　納米技術(shù)作為一門新興的學(xué)科，被譽(yù)為二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的技術(shù)，是對未來經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一種關(guān)鍵性前沿技術(shù)。納米技術(shù)在建筑材料方面的應(yīng)用前景非常廣闊，納米技術(shù)不僅會推動建材新產(chǎn)品的開發(fā)，還將為改善人們的生活環(huán)境，提高生活質(zhì)量做出不可估量的貢獻(xiàn)。納米功能材料已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，目前研究開發(fā)工作正處于剛剛起步階段，還有很多問題還未很好的解決，需要將進(jìn)一步加速對納米材料的研究以及推廣應(yīng)用。納米材料將成為21世紀(jì)新型建筑材料的發(fā)展新方向，相信在不久的將來，我們將跨入一個(gè)全新的材料時(shí)代—納米材料時(shí)代。

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納米材料論文15

　　長期、可靠地保護(hù)敏感電路及元器件， 在當(dāng)今眾多靈敏的電子產(chǎn)品應(yīng)用中變得越來越重要。 電子器件功率的不斷增加以及小型化、高密度封裝的趨勢，導(dǎo)致芯片功率密度迅速增大， 其內(nèi)部的熱流密度也隨之增加， 從而使芯片散熱面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)， 對于熱管理的需要也不斷增加。 低熱阻、高熱導(dǎo)率的散熱材料能有效地將芯片產(chǎn)生的熱量快速導(dǎo)出并耗散掉。熱管理材料主要包括散熱片用材料、熱界面材料和聚合物基外圍封裝散熱材料 3類， 其中散熱片用材料主要是銅鋁等高導(dǎo)熱金屬材料， 用于制備封裝外圍的被動散熱片； 熱界面材料則用于連接芯片、熱沉和散熱片等以形成主要的導(dǎo)熱通路， 將熱量從芯片散逸至外圍散熱設(shè)施； 外圍封裝散熱材料則主要是含有高導(dǎo)熱粒子的聚合物基復(fù)合材料， 在封裝結(jié)構(gòu)中起輔助散熱作用。

　　1 碳納米管作為導(dǎo)熱添加劑

　　碳納米管極高的熱導(dǎo)率推動了改善聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究。 已經(jīng)有大量的研究證明， 將碳納米管作為填料對改善聚合物基復(fù)合材料的熱傳導(dǎo)有顯著的效果。 含有 1%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）單壁碳納米管的環(huán)氧樹脂復(fù)合材料室溫下的熱導(dǎo)率相對于未添加樣品提高了 125%， 當(dāng)單壁碳納米管含量為 3%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）時(shí)其熱導(dǎo)率提高了 300%， 但是這與單根碳納米管的熱導(dǎo)率相比是微乎其微的。 基于目前添加碳納米管改性聚合物基復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的研究，主要有 5 個(gè)因素阻礙了此類復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的進(jìn)一步提升： （1） 碳納米管在基體中的分散較差；（2） 碳納米管復(fù)合材料的界面； （3） 碳納米管在復(fù)合材料中的取向； （4） 碳納米管的長徑比；（5） 碳納米管在復(fù)合材料中的含量。 但是， 不論是改善碳納米管在樹脂基體中的分散、界面、取向程度、提高含量等， 所獲得的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率基本都低于 1 W/（m K）， 這主要是由于僅靠碳納米管一種填料作為復(fù)合材料中的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)的單一組分復(fù)合體系，其能發(fā)揮的效果有限。 因此， 可將碳納米管和其他導(dǎo)熱填料共同用于復(fù)合材料， 構(gòu)成三維的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 通過它們之間的協(xié)同效應(yīng)， 使復(fù)合材料表現(xiàn)出比單獨(dú)一種材料更加優(yōu)異的性能。

　　2 碳納米薄膜制備及其不同方向的導(dǎo)熱性能

　　2。1 碳納米管薄膜的制備

　　碳納米管薄膜又稱巴基紙， 是由相互纏繞的碳納米管通過管間的范德華力構(gòu)成的像紙一樣的、具有自支撐結(jié)構(gòu)的碳納米管薄膜。 碳納米管薄膜的制備方法可以分為真空抽濾法、碳納米管垂直陣列抽絲法、直接生長法、流延法、旋涂法、滾壓法等。 真空抽濾法是一種極為簡單的方法，在制備高性能薄膜方面具有廣泛的.應(yīng)用前景。 該方法是將碳納米管粉體混入溶劑中， 在表面活性劑的輔助作用下， 經(jīng)超聲分散、高速剪切等方法形成碳納米管的懸浮分散液， 然后使用濾膜（聚四氟乙烯濾膜、纖維素濾膜等）通過真空抽濾令碳納米管在其表面成膜的一種方法。 該方法制備的碳納米管薄膜厚度可以通過配置不同濃度和體積的懸浮分散液得到精確的控制， 此外， 該方法還具有操作簡單、成膜均勻、制備效率高等優(yōu)點(diǎn)， 是較為普遍應(yīng)用的制備方法。

　　陣列拉膜法制備的碳納米薄膜， 可以實(shí)現(xiàn)碳納米管在其中良好的取向結(jié)構(gòu)， 但是這類可拉膜的碳納米管垂直陣列制備工藝較為復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、產(chǎn)量低、難以獲得大面積的碳納米管薄膜。 而立式浮動催化法或臥式浮動催化法直接從化學(xué)氣相沉積（CVD）系統(tǒng)高溫管式爐中連續(xù)拉出碳納米管薄膜技術(shù)的快速發(fā)展， 為制備大面積碳納米管薄膜實(shí)現(xiàn)了技術(shù)上的突破， 在碳納米管的批量化制備中具有重要意義。

　　2。2 碳納米管網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對其導(dǎo)熱性能的影響

　　通過各種方法均能得到碳納米管的自支撐薄膜，但薄膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)差異化， 使最終得的宏觀材料表現(xiàn)出不同的傳熱特性。

　　通過控制碳納米管的長度、管徑等因素， 可制備出具有理想三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的柔性碳納米管薄膜，其熱導(dǎo)率可高達(dá) 4。02 W/（m K）， 其傳熱阻抗僅有 0。27cm2K/W， 低于導(dǎo)熱硅脂和商用散熱石墨片， 并且具有固態(tài)自支撐特性， 在作為導(dǎo)熱界面材料時(shí)， 能夠在不污染器件表面的條件下實(shí)現(xiàn)高效傳熱。 研究了碳納米管直徑和長度對碳納米管薄膜三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響。 碳納米管的直徑對碳納米管紙中形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與熱傳導(dǎo)特性有重要影響。 研究選用了 3種不同結(jié)構(gòu)的碳納米管作為原料進(jìn)行了對比試驗(yàn)， 分別用直徑 1 nm 的單壁碳納米管、直徑為 10 和 50 nm 的多壁碳納米管抽濾法制備了厚度均為 80 μm 的碳納米管紙， 從 3 種碳納米管紙微觀結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)， 單壁碳納米管更趨于形成致密的且碳管呈水平分布的結(jié)構(gòu)， 且在三者中具有最高的傳熱阻抗（2。89 cm2K/W）。直徑較小（10 nm）的多壁碳納米管制備的碳納米管紙形成相對松散的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 且還有一部分的碳納米管伸出巴基紙的表面， 因而傳熱阻抗降低到 1。58 cm2K/W。 直徑 50 nm 大管徑的多壁碳納米管巴基紙顯示出非常多的孔結(jié)構(gòu)， 而且更多的碳納米管沿著厚度方向排布， 具有三者中最低的傳熱阻抗 0。53 cm2K/W。因此可以推斷出， 長徑比更小的大直徑多壁碳納米管在抽濾制備碳納米管紙的過程中， 更趨向于形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 從而有利于沿厚度方向的熱傳導(dǎo)。

　　3 碳納米管陣列技術(shù)及其在熱界面材料中的應(yīng)用

　　優(yōu)異的熱界面材料需要具備以下幾種特性： （1）可壓縮性及柔軟性； （2） 高熱傳導(dǎo)性； （3） 低熱阻； （4）表面浸潤性； （5） 適當(dāng)?shù)酿ば裕?（6） 對扣合壓力的敏感性要高； （7） 容易使用及處理； （8） 可重復(fù)使用性； （9）冷熱循環(huán)時(shí)穩(wěn)定性好等。 雖然上文所述的各種方法實(shí)現(xiàn)對碳納米管薄膜結(jié)構(gòu)的調(diào)控， 使得碳納米管薄膜不論在 X 方向還是 Z 方向的熱傳導(dǎo)性都有顯著的提高， 但是這幾種材料體系通常都有較高的界面熱阻， 若要開發(fā)碳納米管在熱界面材料領(lǐng)域的應(yīng)用， 除了實(shí)現(xiàn)碳納米管薄膜高的熱傳導(dǎo)性， 另一個(gè)關(guān)鍵需求就是低的界面熱阻， 因而需要進(jìn)一步提高碳納米管在 Z 方向的取向， 實(shí)現(xiàn)與上下兩個(gè)界面的良好接觸，并且可壓縮、耐一定的溫度。

　　3。2 碳納米管陣列復(fù)合及表面修飾

　　由于碳納米管陣列本身自支撐強(qiáng)度低， 較易受到外力破壞， 在實(shí)際的應(yīng)用中將其保護(hù)起來也是較重要的步驟， 而材料復(fù)合技術(shù)則是最常用的保護(hù)方法。 目前， 主要的復(fù)合基體材料為金屬銅和聚合物。

　　Ngo 等人使用傳統(tǒng)的電沉積工藝將碳納米管陣列與電鍍銅復(fù)合， 測出的復(fù)合材料熱阻比純陣列降低 60％左右。 Chai 等人也嘗試了將陣列與銅電鍍復(fù)合， 測出的熱阻在銅體積分?jǐn)?shù)達(dá)到 40%時(shí)能夠達(dá)到 10 mm2K/W 以下， 且復(fù)合材料熱阻低于純陣列熱阻。 這種復(fù)合材料提高陣列導(dǎo)熱性的可能機(jī)理與其表面碳管的露出有關(guān)， 在施加壓力時(shí)露出的碳管被壓彎從而造成上接觸面接觸到復(fù)合材料中的銅，銅參與到導(dǎo)熱過程， 進(jìn)而降低了體系熱阻。

　　將陣列與聚合物復(fù)合是目前碳納米管復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)之一。 目前研究表明， 用激光熱導(dǎo)法測量得到的碳納米管陣列中沿著碳納米管取向方向的熱導(dǎo)率通常都低于 60 W/（m K）。 Huang 等人使用“原位注射成型法”使完整的碳納米管陣列與硅樹脂復(fù)合，并測試了復(fù)合結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)率。 測試結(jié)果表明， 加入陣列的硅樹脂熱導(dǎo)率比純硅樹脂提升1~3倍， 但他們沒有將復(fù)合材料熱導(dǎo)率與純陣列作比較， 而只是將陣列作為硅樹脂的一種特別的增強(qiáng)相研究。

　　3。3 碳納米管陣列兩端表面改性

　　在陣列表面鍍金屬膜的方法能在一定程上度改善陣列表面與散熱基底的接觸熱阻。 Wu 等人用電子束蒸發(fā)的方式在陣列表面鍍上一層 1 μm 厚度的鋁膜， 試圖降低碳納米管陣列與上表面的接觸熱阻， 但是效果不佳， 隨著陣列厚度的上升， 接觸熱阻降低的程度逐漸下降。 推測可能的原因如下： 隨著陣列高度的增加， 其中能長到頂端面的碳管數(shù)目越來越少， 從而鋁片能黏結(jié)到的碳管也在減少， 鋁片的作用逐漸下降變得不明顯； 另外， 實(shí)驗(yàn)所用的陣列是陣列與聚二甲基硅氧烷制備的復(fù)合材料， 雖然用原位注射成型法保護(hù)了上表面碳管的露出， 但也抑制了碳管的整體變形程度使其適應(yīng)表面粗糙度的能力下降。 Panzer 等人同樣也使用表面鍍金屬膜的方法增強(qiáng)碳納米管陣列與接觸面的傳熱， 他們在陣列表面鍍上一層 20 nm 的 Pd 膜和一層 160 nm 的 Al 膜， 而后用激光熱反射法測得陣列的熱導(dǎo)率為 8 W/（m K），熱阻 3。5 mm2K/W。 他們認(rèn)為由于界面熱阻較大， 導(dǎo)致了較低的熱導(dǎo)率， 并提出在一個(gè)陣列中只有部分最高的碳管能夠和金屬膜結(jié)成一體， 而沒有與金屬膜結(jié)合的碳管則必須依靠相鄰碳管的傳熱， 碳納米管陣列中管間熱阻非常大， 表面鍍金屬膜反而可能會抑制陣列本身經(jīng)過壓力適應(yīng)表面粗糙度的能力。

　　4 結(jié)語

　　碳納米管在熱管理材料領(lǐng)域的研究目前已取得了很大的進(jìn)步和顯著的成果， 但單根碳納米管優(yōu)異的導(dǎo)熱性能卻始終沒能在其宏觀組裝結(jié)構(gòu)中得到良好體現(xiàn)， 并且其可靠性研究目前還尚屬空白。 因此，如何將碳納米管微觀的優(yōu)良性能在宏觀組裝體中充分展示出來， 是未來技術(shù)改進(jìn)的一大挑戰(zhàn)。 相對于傳統(tǒng)的散熱材料而言， 碳納米管具有高導(dǎo)熱、低密度、穩(wěn)定等突出優(yōu)點(diǎn)， 是目前能夠適應(yīng)不斷提高的電子器件功率的最佳的散熱材料。 雖然目前納米碳復(fù)合材料應(yīng)用與電子器件的散熱還存在著性能、材料設(shè)計(jì)、成本、封裝工藝等一系列問題， 但無可否認(rèn)的是，碳納米管在散熱材料領(lǐng)域有巨大潛力。 在未來以微型電子器件為主流的發(fā)展趨勢下， 發(fā)展大的堆積密度碳納米管薄膜及大管徑的碳納米管陣列復(fù)合材料，可能是未來碳納米管應(yīng)用于熱管理材料領(lǐng)域的主要方向。

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