半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究实验报告

半导体纳米粉体的制备及

气敏性能研究报告

半导体纳米粉体的制备及气敏性能研究

一、文献综述

（一）半导体纳米粉体

（1）半导体定义

电阻率介于金属和绝缘体[1]之间并有负的电阻温度系数的物质。半导体室温时电阻率约在10E-5～10E7欧姆?米之间，温度升高时电阻率指数则减小。半导体材料很多，按化学成分可分为元素半导体和化合物半导体两大类。锗和硅是最常用的元素半导体；化合物半导体包括Ⅲ-Ⅴ族化合物（砷化镓、磷化镓等）、Ⅱ-Ⅵ族化合物( 硫化镉、硫化锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的氧化物),以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体（镓铝砷、镓砷磷等）。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。

本征半导体：不含杂质且无晶格缺陷的半导体称为本征半导体。在极低温度下，半导体的价带是满带(见能带理论)，受到热激发后，价带中的部分电子会越过禁带进入能量较高的空带，空带中存在电子后成为导带，价带中缺少一个电子后形成一个带正电的空位，称为空穴。导带中的电子和价带中的空穴合称电子- 空穴对，均能自由移动，即载流子，它们在外电场作用下产生定向运动而形成宏观电流，分别称为电子导电和空穴导电。这种由于电子-空穴对的产生而形成的混合型导电称为本征导电。导带中的电子会落入空穴，电子-空穴对消失，称为复合。复合时释放出的能量变成电磁辐射（发光）或晶格的热振动能量（发热）。在一定温度下，电子 - 空穴对的产生和复合同时存在并达到动态平衡，此时半导体具有一定的载流子密度，从而具有一定的电阻率。温度升高时，将产生更多的电子 - 空穴对，载流子密度增加，电阻率减小。无晶格缺陷的纯净半导体的电阻率较大，实际应用不多。

导体纳米材料的概念

纳米级结构材料简称为纳米材料(nano material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性

质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

半导体纳米线和半导体氧化物纳米带可用于研制纳米器件。氧化物的多样性又使其覆盖了几乎所有的金属学和固体物理的研究领域，包括超导、铁电性、磁性质等。

二维的半导体氧化物，如ZnO、SnO2、In2O3和CdO,更是具有独特的性质，现在被广泛应用于传感材料和气体探测感应装置。例如，搀杂有氟的SnO2薄膜被广泛应用于建筑物门窗的玻璃上，因为它对于红外线有较低的发射率。而SnO2的纳米颗粒被认为是气体探测感应器的最重要的传感材料，因为它对很稀薄的气体也具有较高的敏感度，被用于检测如H,S,CO等一些可燃的还原性气体的泄漏。

（2）半导体的特性

半导体五大特性∶电阻率特性，导电特性，光电特性，负的电阻率温度特性，整流特性。在形成晶体结构的半导体中，人为地掺入特定的杂质元素，导电性能具有可控性。在光照和热辐射条件下，其导电性有明显的变化。晶格：晶体中的原子在空间形成排列整齐的点阵，称为晶格。共价键结构：相邻的两个原子的一对最外层电子（即价电子）不但各自围绕自身所属的原子核运动，而且出现在相邻原子所属的轨道上，成为共用电子，构成共价键。自由电子的形成：在常温下，少数的价电子由于热运动获得足够的能量，挣脱共价键的束缚变成为自由电子。空穴：价电子挣脱共价键的束缚变成为自由电子而留下一个空位置称空穴。电子电流：在外加电场的作用下，自由电子产生定向移动，形成电子电流。空穴电流：价电子按一定的方向依次填补空穴（即空穴也产生定向移动），形成空穴电流。本征半导体的电流：电子电流+空穴电流。自由电子和空穴所带电荷极性不同，它们运动方向相反。载流子：运载电荷的粒子称为载流子。导体电的特点：导体导电只有一种载流子，即自由电子导电。本征半导体电的特点：本征半导体有两种载流子，即自由电子和空穴均参与导电。本征激发：半导体在热激发下产生自由电子和空穴的现象称为本征激发。复合：自由电子在运动的过程中如果与空穴相遇就会填补空穴，使两者同时消失，这种现象称为复合。动态平衡：在一定的温度下，本征激发所产生的自由电子与空穴对，与复合的自由电子与空穴对数目相等，达到动态平衡。载流子的浓度与温度的关系：温度一定，本征半导体中载流子的浓度是一定的，并且自由电子与空穴的浓度相等。当温度升高时，热运动加剧，挣脱共价键束缚的自由电子增多，空穴也随之增多（即载流子的浓度升高），导电性能增强；当温度降低，则载流子的浓度降低，导电性能变差。

结论：本征半导体的导电性能与温度有关。半导体材料性能对温度的敏感性，可制作热敏和光敏器件，又造成半导体器件温度稳定性差的原因。杂质半导体：通过扩散工艺，在本征半导体中掺入少量合适的杂质元素，可得到杂质半导体。

N型半导体：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体。

多数载流子：N型半导体中，自由电子的浓度大于空穴的浓度，称为多数载流子，简称多子。

少数载流子：N型半导体中，空穴为少数载流子，简称少子。

施子原子：杂质原子可以提供电子，称施子原子。

N型半导体的导电特性：它是靠自由电子导电，掺入的杂质越多，多子（自由电子）的浓度就越高，导电性能也就越强。

P型半导体：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。

多子：P型半导体中，多子为空穴。

少子：P型半导体中，少子为电子。

受主原子：杂质原子中的空位吸收电子，称受主原子。

P型半导体的导电特性：掺入的杂质越多，多子（空穴）的浓度就越高，导电性能也就越强。结论：多子的浓度决定于杂质浓度。少子的浓度决定于温度。PN结的形成：将P型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在它们的交界面就形成PN结。PN结的特点：具有单向导电性。扩散运动：物质总是从浓度高的地方向浓度低的地方运动，这种由于浓度差而产生的运动称为扩散运动。空间电荷区：扩散到P区的自由电子与空穴复合，而扩散到N区的空穴与自由电子复合，所以在交界面附近多子的浓度下降，P区出现负离子区，N区出现正离子区，它们是不能移动，称为空间电荷区。电场形成：空间电荷区形成内电场。空间电荷加宽，内电场增强，其方向由N区指向P区，阻止扩散运动的进行。漂移运动：在电场力作用下，载流子的运动称漂移运动。PN结的形成过程：如图所示，将P 型半导体与N型半导体制作在同一块硅片上，在无外电场和其它激发作用下，参与扩散运动的多子数目等于参与漂移运动的少子数目，从而达到动态平衡，形成PN结。电位差：空间电荷区具有一定的宽度，形成电位差Uho，电流为零。耗尽层：绝大部分空间电荷区内自由电子和空穴的数目都非常少，在分析PN结时常忽略载流子的作用，而只考虑离子区的电荷，称耗尽层。

PN结的单向导电性

P端接电源的正极，N端接电源的负极称之为PN结正偏。此时PN结如同一个开关合上，呈现很小的电阻，称之为导通状态。P端接电源的负极，N端接电源的正极称之为PN结反偏，此时PN结处于截止状态，如同开关打开。结电阻很大，当反向电压加大到一定程度，PN结会发生击穿而损坏。

相对于金属材料而育，半导体中的电子动能较低，有较长的德布罗意波长，因而对空间的限制比较敏感．当空间某一方向的尺度限制与电子的德布罗意波长可比拟时，电子的运劫就会受限，而被量子化地限制在离散的本征态，从而失去一个空间自由度或者说减少了一维．因此，通常在体材料中适

用的电子的粒子行为在此材料中不再适用，这种新型的材料称为半导体低维结构，也称为半导体纳米材料．1986年，Fuouler等人。首次令人们信服地证实了在si／sio：界面处存在二维电子气，从此拉开了半导体低维结构研究的序幕．sj—MOsFET 可以认为是对载流子实现一个维度方向限崩最早的固体结构．在这个系统中，由于Sj和sjO 界面导带的不连续，形成一个三角势阱，将电子限制在其中，使其既不能穿过氧化层，也不能进人si的体内，电子舶运动被限制在二维界面内．随着微加工技术的发展和分子柬外延技术．(MBE)、金属有机物化学气相沉积技术(MOCVD)、液相外延(I PE)、气相外延(VPE)等技术的应用，人们可以制造出更多的二维电子气系统．它是由两种具有不同带隙的半导体材料构成，一般要求这两种材料结构相同，并且晶格常量接近，以获得原子级光滑的界面．

MBE和MOCVD 的一个重要特征是可以制备量子尺寸的多层结构，其控制精度可迭单原子层量级0 ．这些结构可分为量子阱(QW )和超晶格(SL)．1970年，

Esaki和Tsu“在寻找具有负微分电阻的新器件时，提出了全新的“半导体超晶格”概念．如果势垒层厚度足够宽，使得相邻阱内电子波函数投有相互作用，郎被称为量子阱．反之，如果相邻阱内电子波函数有较强的相互作用，即相当于在晶格周期场上叠加一个多层结构的超晶格周期场，则被称为超晶格从此，对半导体量子阱和超晶格等半导体微结构的材料和器件的研究成为近20多年来半导体物理学中最重要、最活跃的研究领域之一．1978年Dingle“等人对异质结中二维电子气沿平行于界面的输运进行了研究，发现了电子迁移率增强现象．以后，德国的K．V．Kl—itzing 和崔琦等人相继发现了整数量子霍耳教应和分散量子霍耳效应，使半导体物理的研究取得了重大进展，他们也因此分别获得了诺贝尔奖．近年来，除了超晶格、量子阱以外，对一维量子线和量子点体系韵研究也非常引人注意-早在8O年代初，人们发现禳嵌在硅玻璃中的半导体纳米晶体对于准粒子(电子、空穴、激于等)表现出三维受限性质．量子点的研究之所以会越来越引起人们的重视，是因为量子点的结构具有十分显著的量子化效应，它直接影响着量子点的各种物理性质，如电子结构、输运性质以及光学特性等．半导体纳米材料研究的进展无疑会为单电子物理学和低维材料学的研究开辟新的发展方向，同时也将对新一代量子功能器件的设计与制造产生革命性的影响．在考虐体材料中电子的行为时，一般是按牛顿定律将电子作为粒子进行处理的，同时还考虑了电子在运动过程中受杂质和声于散射影响的情况．由于量子点是小尺寸的量子系统，具有明显的电子的波动行为，由此会产生各种量子效应．此时半经典理论不再适合描述量子点中的电子性质，而需用量子力学理论加以讨论，大体上可分为以下四种量子效应．

半导体的导电性能比导体差而比绝缘体强。实际上，半导体与导体、绝缘体的区别在不仅在于导电能力的不同，更重要的是半导体具有独特的性能（特性）。

1．在纯净的半导体中适当地掺入一定种类的极微量的杂质，半导体的导电性能就会成百万倍的增加—-这是半导体最显著、最突出的特性。例如，晶体管就是利用这种特性制成的。

2．当环境温度升高一些时，半导体的导电能力就显著地增加；当环境温度下降一些时，半导体的导电能力就显著地下降。这种特性称为“热敏”，热敏电阻就是利用半导体的这种特性制成的。

3．当有光线照射在某些半导体时，这些半导体就像导体一样，导电能力很强；当没有光线照射时，这些半导体就像绝缘体一样不导电，这种特性称为“光敏”。例如，用作自动化控制用的“光电二极管”、“光电三极管”和光敏电阻等，就是利用半导体的光敏特性制成的。

由此可见，温度和光照对晶体管的影响很大。因此，晶体管不能放在高温和强烈的光照环境中。在晶体管表面涂上一层黑漆也是为了防止光照对它的影响。最后，明确一个基本概验：所谓半导体材料，是一种晶体结构的材料，故“半导体”又叫“晶体”。

4，性质

①热学特性

纳米微粒的熔点，烧结温度比常规粉体要低得多。这是由于表面与界面效应引起的。

比如：大块的pb的熔点600k，而20nm球形pb微粒熔点降低288k，纳米Ag微粒在低于373k时开始融化，常规Ag的熔点远高于1173k。还

有，纳米TiO2在773k加热出现明显致密化，而大晶粒样品要出现同样的致密化需要再升温873k才能达到，这和烧结温度有很大关系。

②光学特性

宽频带强吸收当尺寸减小到纳米颗粒时，几乎成黑色，对可见光反射率急剧下降。

有些纳米颗粒如同氮化硅，SiC及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。而ZnO、三氧化二铁和二氧化钛纳米颗粒对紫外线有一个宽频带强吸收谱。

蓝移和红移和大块材料相比，纳米微粒普遍吸收带存在蓝移，即吸收带移向短波长方向；而在某些条件下粒径减小至纳米级时吸收带向长波方向转移，即红移。

③化学性质

由于表面效应，可以做催化剂，提高反应活力。

（3）纳米粉体材料的基本性质：

①.小尺寸效应

随着颗粒的量变，当纳米颗粒的尺寸与光波、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸特征相当或更小时，周期边界性条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力等特性均会出现质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。

②.表面与界面效应

纳米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相当大的比例。由于纳米粒径的减小，最终会引起表面原子活性增大，从而不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。以上的这些性质被称为“表面与界面效应”。

③量子尺寸效应

当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级的现象成为量子尺寸效应。

半导体材料的用途

半导体独特的导电特性是导体和绝缘体所没有的，所以半导体在现代技术中有重要的应用。

1、利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻、传感器、晶体二极管、晶体三极管等电子元件。

利用半导体的热敏特性，可以用半导体材料制成体积很小的热敏电阻，它能将温度变化转化为电信号，测量这种电信号，就可以知道温度变化的情况。这种测量方法反应快，精度高。

利用半导体的光敏特性，可以用半导体材料制成体积很小的光敏电阻，它能将光信号转化为电信号。光敏电阻可以起到开关的作用，在需要对光照有灵敏反

应的自动控制设备中有广泛的应用。

利用半导体的掺杂特性，再加上特殊的制作工艺，人们制成了晶体二极管和晶体三极管。晶体二极管和晶体三极管在电子线路中也有着较为广泛的用途。

2、制成集成电路、超大规模集成电路，开辟了微电子技术的新时代。

将晶体管、电阻、电容等元件及相应的连线同时制作在一块面积很小的半导体晶片上，使这成为具有一定功能的电路，这就是集成电路。

在大规模集成电路中，在面积比小拇指的指甲还小的一块半导体晶片上可以集成上百万个电子元件

（4）半导体材料的用途

由于纳米粉体材料可以压制成纳米固体。所以纳米粉体是纳米固体的基础。半导体独特的导电特性是导体和绝缘体所没有的，所以半导体在现代技术中有重要的应用。

1、利用半导体材料可以制成热敏电阻、光敏电阻、传感器、晶体二极管、晶体三极管等电子元件。

利用半导体的光敏特性，可以用半导体材料制成体积很小的光敏电阻，它能将光信号转化为电信号。光敏电阻可以起到开关的作用，在需要对光照有灵敏反应的自动控制设备中有广泛的应用。

2，纳米粉体可以做纳米涂层。纳米涂层是运用表面技术，将部分或全部含有纳米粉的材料涂于基体，由于纳米粉体的独特表面性质，从而赋予材料新的各种性质。

①可以做成表面涂料从而改变物质表面的光学性质，如光学非线性、光吸收、光反射、光传输等。纳米颗粒在灯泡工业上有很好的应用。对于高压钠灯，碘弧灯有69%的电能转化为红外线，只有少量的光能是可见光，并且灯管发热也会减少灯管的寿命，纳米颗粒给其提供了新的解决方案，人们利用SiO2和TiO2的纳米颗粒制成了多层干涉薄膜总厚度为微米级衬在灯管的内部不仅透光率好而且又很强的红外线反射能力。可以节省电1 5%.

②纳米红外涂层，也受到很多人的研究，利用二氧化硅和三氧化二铁、三氧化二铝的纳米粉末复合后就可以很强的吸收红外线，可以做成军人的衣服，既可以保暖又可以躲避敌人热频段的探测，并且重量减少30%.

③纳米紫外涂层，是利用了纳米颗粒的蓝移现象，可作为半导体紫外线过滤器。还有可以涂在塑料表面可以减缓塑料的老化，甚至可以做成防晒霜保护皮肤。

④纳米隐身技术，随着各种探测手段越来越先进，雷达发射电磁波，利用红外探测器可以探测发热体等在以后的军事斗争中，纳米隐身技术就显得很重要了。一方面由于纳米颗粒尺寸远小于红外及其雷达波的波长，因此纳米颗粒的透射率就比常规的材料要大得多，从而减少了反射率，避

开了探测；另一方面，纳米微粒的表面能比常规材料要多得多，这就使纳米微粒对电磁波的吸收很强，使反射回去的电磁波轻度大大减小从而很难被发现。纳米级的硼化物，碳化物以及纳米碳管在这方面很有发展前途。

3，在环境保护方面的应用。矿物能源的短缺，环境污染困扰着人们，纳米材料在环境保护，环境治理和减少污染方面的应用，已经呈现出欣欣向荣的景象。纳米颗粒可以抗菌、防腐、除臭、净化空气、优化环境，便于降解等，此外还可以吸附重金属离子净化水质，吸附细菌，病毒，有毒离子等。

4、制成集成电路、超大规模集成电路，开辟了微电子技术的新时代。

将晶体管、电阻、电容等元件及相应的连线同时制作在一块面积很小的半导体晶片上，使这成为具有一定功能的电路，这就是集成电路。

在大规模集成电路中，在面积比小拇指的指甲还小的一块半导体晶片上可以集成上百万个电子元件。集成电路的制成，开辟了微电子技术的时代。

5、半导体的发展前景

人胶还用斗导体制成了半导体激光器、半导体太阳电池等，半导体在现代科学技术中发挥着重要作用。

（二）纳米氧化锡

（1）纳米SnO2的结构

纯SnO2属于四方晶系，金红石结构，空间群为D144n[P42/mm]。单位晶胞有6个原子，其中2个Sn原子，4个O原子，如图1.1所示。每个Sn原子位于6个O原子组成的近似八面体的中心，而每个 O原子也位于3个Sn原子组成的等边三角形的中心，形成6：3的配位结构。晶胞参数分别为a=473.7pm，c=318.5pm，c/a=0.673，O2-离子和Sn4+离子半么分别为140pm和72pm。

SnO2的电子构型为Sn的5S25P2形成导带，O的2S22P4形成价带，每个O的2P轨道接受Sn的两个电子形成稳定的八面体，由于Sn的5S为一宽带，从而形成的SnO2为宽带半导体。

纳米SnO2的应用

纳米SnO2是典型的n型半导体，其Eg=3.5eV（300K），具有比表面大、活性高、熔点低、导热性好等特点，在气敏材料、电学方面、催化剂、陶瓷及化妆品方面应用比较多。

SnO2是目前广泛应用的一种半导体气敏材料，普通SnO2粉为基体材料制成的烧结型电阻式气敏元件，对多种还原性气体具有很高的灵敏度，但器件的稳定性和一致性等方面还不令人满意。SnO2纳米粉体在陶瓷工业中可用作釉料和搪瓷乳浊剂。在电学方面，抗为静电剂显示出比其它抗静电材料较大的优越性，并且在光电显示器、透明电极、太阳能电池、液晶显示、催化等方面有很大优点。

此外，纳米二氧化锡复合材料也是目前开发的一个热点，在制备SnO2材料的过程中，通过添加少量的掺杂剂，来改善其选择性和降低电阻率，或者SnO2作为掺杂材料。利用纳米SnO2粉体的红外反射性能，结合纳米TiO2粉体吸收的紫外光的特点，掺杂有TiO2的纳米SnO2粉体，具有抗红外和抗紫外的特点，制出的化妆品更能起到保护皮肤的作用。

纳米SnO2的制备原料与方法

研究纳米SnO2 粉体的制备方法很多，例如: 真空蒸发凝聚法、低温等离子法、水解法、醇盐水解法、化学共沉淀法、溶胶—凝胶法，近期还出现了微乳液法, 水热合成法等。每种制粉方法各有特点，但是在目前技术装备水平和纳米粉体应用市场还未真正形成的条件下, 上述纳米粉体制备方法由于技术成熟度或制备成本等方面的原因, 大多都还未形成具有实际意义上的生产规模, 主要还处于提供研究样品阶段。

传统方法制备SnO2基烧结型、厚膜型气敏元件时，均要对SnO2粉体先行制备，然后通过制模或丝网印刷等技术进行成型。随着纳米技术的发展，纳米粉体己经取代微米级SnO2粉体；纳米粉体有巨大的比表面积、更多活性中心和气体吸附位置，其表面能级密度的降低会引起纳米颗粒在氧化还原气氛中电阻的显著变化。另外根据晶粒尺寸效应，只要颗粒粒径(d)符合d<2Ld时，材料就可以获得极高的灵敏度，这些优异性质提高了SnO2气敏元件的气敏性能、响应速度和可靠性，并在一定程度上降低了功耗，结合其他手段可以实现常温下敏感和工作的目的。

1、溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法工艺过程包括作为反应产物的氧化物或氢氧化物浓溶胶的制备,以及除去溶剂使其转化为凝胶的缩聚反应过程。该法分为非醇盐法和金属醇盐法,前者是以Sn的无机化合物(如SnCl2，SnCl4等)为前驱体进行水解,后者是先获得Sn的有机醇盐,如Sn(OC2H5)4等,再进行水解。以SnCl4为原料制备了粒子尺寸均匀、平均粒径为2~3 nm的四方锡石结构的SnO2粉料；用醇盐水解,以十八烷硬脂酸(STA)作为添加剂合成SnO2，该法不但可以减少团聚，而且制得了孔大小可控的多孔SnO2超细颗粒。此外，利用价态不同的Sn2+和Sn4+卤化物和醇盐混合制备出超细SnO2，从原料使用上提供了新的思路。

合成过程中加入适当的添加剂,有助于得到良好的产物。金属Sn颗粒溶解在硝酸中,加入柠檬酸作为稳定剂,合成了超细SnO2。研究表明,柠檬酸起到稳定前驱体溶液、减慢水解和浓缩过程的作用。用硅烷偶联剂KH-570表面修饰SnO2,改善了SnO2超细微晶在水中的疏水性和分散性。

热处理过程对最终产物的性能影响很大，尤其在高温焙烧时，出现颗粒长大，导致比表面减少。有人考察了该法制备的超细SnO2在不同热处理条件下晶粒的生长过程，发现温度较低时(<500℃)，晶粒生长活化能较低，晶粒生长缓慢；温度较高时(>500℃)，活化能大，晶粒生长迅速。分别以SnCl4和SnCl2为原料,利用超临界流体干燥技术合成了高比表面积的超细SnO2粉体,不过该干燥技术在操作上不易控制。比较不同电解质用量和不同干燥方式对水溶胶干燥的影响,

研究发现在不同的干燥过程中SnO2的晶化作用和缩聚作用是互相独立进行的。用溶胶-凝胶法制备了超细SnO2,对SnO2晶体颗粒长大过程进行了动力学研究,认为颗粒长大除了因为边界原子的扩散迁移,还因为界面原子Sn-O键长和O-Sn-O键角在热处理过程产生结构松弛引起的。

溶胶-凝胶法所需设备简单,操作易于控制,但处理时间较长,得到的凝胶不易洗涤;用醇盐水解时,原料为有机物,成本高,对环境污染也较大。不过作为一种可行的超细材料制备方法是具有极大的潜在前景的。

2、水热合成法

水热合成法是在一个密闭容器内,利用密闭体系中温度和蒸汽压力产生的高温高压将溶解度低的结晶溶解,再从该溶液中将溶解度低的结晶析出来的一种制备方法。以SnCl4·5H2O为原料合成超细SnO2,产物的形成经历了溶解-结晶过程,先是SnCl4的水解,形成无定形Sn(OH)4,接着Sn(OH)4发生脱水缩合和晶化作用,形成SnO2超细微晶。密闭体系中较高的温度和较大的水蒸气压力有利于破坏前驱体微粒之间的团聚和联结,促进SnCl4的水解和Sn(OH)4的脱水缩合,得到结晶良好、晶粒比较均匀的产物。研究表明,反应温度、介质酸度和反应物浓度等,对产物的形貌、组成和结构以及产物的产率有重要的影响。采用水热合成法,考察不同的反应条件及相关的后处理过程,实现对SnO2超细晶形态的调控,产品TEM表征显示,所制得的SnO2超细晶粒尺寸小且均匀,分散性好,无团聚现象。

用溶剂热技术分别在油酸体系和无水乙醇体系中用水热法合成了球形和菱形的SnO2超细微粒,根据表面活性剂球状胶束的形成模型解释了球形SnO2超细微粒的形成机理,同时分析了菱形SnO2超细微粒的形成过程。用金属Sn为原料,分别在不同的酸液中合成SnO2超细微粒。这种方法与用Sn的卤化物为原料的方法相比,优点在于避免了Cl-的污染,但Sn必须是高纯度金属。

水热合成反应在高温高压下进行,水热处理后可以有效抑制粉末在干燥焙烧等热处理中的热增长,制备的粒子粒度均匀,结晶度高,晶态完整,形貌比较规则,具有较高的烧结活性。

3、化学沉淀法

沉淀法是利用可溶性锡盐在沉淀剂作用下,生成Sn(OH)4沉淀,经过陈化、过滤、洗涤和热处理,得到粒径在几十个纳米的SnO2粒子,常以尿素、氨水和NaOH 溶液等作沉淀剂。将固体SnCl2·2H2O溶解在盐酸中用氨水沉淀,沉淀经红外灯加热干燥,再在氧气流中氧化成SnO2,XRD表征,得到的SnO2样品为金红石结构,分散性好,颗粒尺寸分布窄。将SnCl2·2H2O放在带有冷凝装置的水介质中先水解144 h,后用氨水中和,获得颗粒在20 nm以内的SnO2粉末。但直接用氨水沉淀,由于浓度改变速度较快,很难控制沉淀颗粒的形状和大小,用尿素在一定程度上可以解决这个问题。比较了氨水和尿素对沉淀的影响,发现在加热到85℃后尿素缓慢分解成NH+4和OH-,溶液有足够的时间分散OH-,使整个溶液的pH保持稳定,有利于沉淀缓慢均匀地形成,从而很好地控制了沉淀的颗粒形状和大小。

该法涉及沉淀的成核和晶核生长以及扩散等许多复杂过程。实验表明,通过控制成核及晶粒生长速度,可以达到对初始粒子的有效控制,沉淀物在母液中长时间高温老化有利于提高初始粒子的晶化程度和焙烧后的比表面,促进样品的纯化。研究发现,沉淀在低温(50℃)下长时间干燥后再焙烧可以得到粒径小的SnO2粉末(10~30 nm)。

沉淀法设备和工艺简单,成本低,易于工业化生产,但制备过程中存在的最大问题是SnO2超细粉末的团聚。由于超细粒子处于一种非稳定相态,随外界条件的

改变极易团聚、内部重结晶,转化为晶粒较大的粒子,因而,易引进杂质,不易保证颗粒的均匀性,粒径大小不好控制。

4、模板剂法

用Na2SnO3为起始原料,以阳离子表面活性剂为模板剂,合成的SnO2在450℃焙烧10 h可彻底除去表面活性剂,获得了比表面156. 8 m2/g、孔容0. 21 cm3/g 的产物。

该制备体系中存在前驱体与表面活性剂超分子组装体(模板),它们之间通过次价键作用,前驱体在模板周围堆砌,通过脱模处理得到相应的介孔结构材料。模板是表面活性剂在一定条件下自组装形成的超分子结构,不同条件下,超分子结构具有不同形态。这种超分子结构可以指导前驱体物种成核、生长、变形。不同前驱体和不同模板剂之间作用模式不同,有: S+I-, S-I+, S+X-I+和S0I0, S 是表面活性剂, I是前驱体物种, X是中间离子。用中性表面活性剂C12H25NH2(DDA)为模板剂,在弱碱条件下合成介孔SnO2超细材料。该材料在300℃焙烧可以除去模板而不引起孔的塌缩,比表面达359 m2/g; 350℃焙烧孔开始塌缩,比表面为325 m2/g;在400℃焙烧孔被严重破坏,比表面只有112 m2/g。Wang等[27, 28]首次在酸性条件下用阴离子表面活性剂CTAB作模板剂合成超细SnO2,指出S+和I-之间基于静电作用,通过S+X-I+方式实现,X-(为卤素离子或OH-)在两者之间通过弱氢键起到缓冲斥力的作用, CTA+和OH-之间的作用起到延迟无机离子的结合的作用。

模板剂合成的特殊的优点就是能够获得其它方法难以得到的高比表面,但在较高温度除去模板时往往伴随着孔结构的塌缩而使高比表面大大降低。如何提高材料在除去模板剂后的热稳定性,从而提高在催化剂和电化学等方面的应用,是需要进一步研究并解决的问题。

5、柠檬酸凝胶燃烧法

此法是将金属锡盐和一种有机燃料混合而形成的凝胶快速点燃的过程。用纯金属Sn为原料,柠檬酸为燃料,硝酸为氧化剂,将硝酸盐和柠檬酸盐的凝胶混合液燃烧获得SnO2产物,焙烧后的微粒大小在20~35 nm,比表面积达42 m2/g。研究发现,柠檬酸用量和燃烧的着火温度、燃烧后热处理温度等对产物最终性能有较大的影响。以SnCl2·2H2O饱和水溶液和柠檬酸混合得到的无定形金属柠檬酸玻璃状凝胶作为前驱体合成了球形且有良好热抗性能的SnO2颗粒,TEM图表明,在600℃焙烧后,产物颗粒分布均匀,尺寸在12~13 nm,在900℃焙烧后比表面积仍高达41. 4 m2/g。

6、微波合成法

微波能量量子化,比化学键低,不破坏分子中的化学键,且电场和磁场的强度不引起化学反应平衡的移动。因此利用微波合成不仅极大地加速合成与晶化的速度,而且改善目标产物的品质,使其表现出比常规方法合成的产物具有更优异的性能。采用2. 45 GHz、最大功率1 kW微波处理氯化锡溶液,以XRD, TEM, XPS 和FTIR等对产品结构特性进行表征,成功制备了具有良好性能的超细SnO2粉末。将0. 1 mol/L的SnCl4·5H2O和6 g/L尿素,总体积为50 mL的混合溶液放到微波回流系统中用10%的功率加热,反应10 min产物开始生成,继续15 min反应完成,产物经不同温度热处理后颗粒尺寸均在60 nm内。

7、微乳液法

微乳液是一种热力学稳定的分散体系,其分散相液滴的大小均匀,粒径在10~20 nm,且高分散,对获得均匀性好、颗粒度小的氧化锡是非常有利的,在制备

超细材料上已经得到广泛的应用。用表面活性剂K12和AES与正丁醇形成乳液合成平均晶粒只有6 nm、平均颗粒不大于20 nm的SnO2。用油包水微乳液合成了高比表面的SnO2,考察了焙烧温度对比表面的影响,发现微乳液法合成的产物随焙烧温度的升高变化不很明显,这可能与产物介孔结构有关。热处理前,表面活性剂存在于介孔中,随焙烧温度上升,虽然产物颗粒有所长大,但由于表面活性剂从介孔中除去带来新的比表面,使比表面反而轻微地增大。

8固相化学合成法

固相反应能否进行取决于固体反应的热力学函数即整个反应吉布斯函数改变值小于零和固体反应物的结构。该法根据不同起始原料和反应过程,可以一步反应合成[37],也可以分两步反应合成。采用SnCl4·5H2O按SnCl4·5H2O(s)+ 4KOH(s)== 4KCl(s) + SnO2·H2O(s) + 6H2O(g)一步反应合成无规则多面体超细SnO2。反应中副产物KCl形成隔层可以防止超细颗粒的长大,同时起着吸热介质、减慢反应速度的作用；反应过程伴随强烈的热效应促使中间产物Sn(OH)4分解成SnO2。由于反应多发生在试剂的表面,反应过程中颗粒周围的组分和密度不同,使超细颗粒向着不同方向增长,使产物呈无规则多面体形态。用SnCl2·2H2O和KOH在室温下混合研磨,按反应SnCl2·2H2O(s)+2KOH(s)==2KCl(s)+SnO(s)+3H2O(g)先合成SnO,再通过反应2SnO(s)+O2(g)==2SnO2(s)将SnO氧化成SnO2。研究发现,氧化后产物的颗粒比未氧化前小。由于该法反应过程放出大量的热,速度快,成核速度大于生长速度,对获得粒径较小的超细粉体有利。但反应剧烈,放热多,反应的热控制问题不能完全解决,超细SnO2颗粒只能自然生成而不能完全控制。

9、其它一些合成方法

采用真空气体凝聚法,得到粒径在6 nm以下的氧化锡微粒；采用液体热解法,获得6~34 nm的稳定SnO2颗粒。以SnCl2、无水Na2CO3为原料,NaCl作为稀释剂,用机械化学粉碎法合成25 ~40 nm SnO2。采用机械化学过程和旋涂方法制备了分散性良好的平均颗粒尺寸为24 nm的SnO2粉体。

Sn02纳米材料的表征

纳米材料的表征主要是通过透射电子显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、比表面积法等。用透射电镜可直接观察产物的平均直径和粒径的分布；扫描电镜可观察产物的形貌及尺寸；x射线衍射可测定产物的晶粒度

(1)扫描电子显微镜(SEM)：能够直接观察样品表面的结构、形貌、平均直径或粒径的分布，样品制备过程简单，不用切成薄片，样品可以在样品室中作三度空间的平移和旋转，因此，可以从各种角度对样品进行观察，图象的放大范围广，分辨率也比较高，最高可放大六十万倍，它基本上包括了从放大镜、光学显微镜直到透射电镜的放大范围；

(2)透射电子显微镜(TEM)：用透射电镜盯观察纳米粒子平均直径或粒径的分布，电镜测试是观察测定颗粒度的绝对方法，因而具有可靠性和直观性，以高能电子穿透样品，根据样品不同位置的电子透过强度不同或电子透过晶体样品的衍

射方向不同，经过后面电磁透镜的放大后，在荧光屏上显示出图像；分辨率可达

O．311IIl，其样品可放在直径2～3nm的铜网上进行测试；

(3)xRD：电镜观察法测量得到的是颗粒度而不足晶粒度，x射线衍射线宽法是测

定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度，颗粒为多晶

时，该法测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度，这种测量方法只适用

晶态的纳米粒子颗粒度的评估。该法可以鉴定物质晶相的尺寸和大小，并根据特

征峰的位置鉴定样品的物相，检测纯度及结构，再用谢乐公式计算晶粒尺寸。

采用靶材为CuKα(λ=1. 54178 )的ThermoARL XTRA型X射线衍射仪(XRD)

来分析产物结构,用SIRION场发射扫描电子显微镜(FESEM)观察样品的形貌结构,

并利用Perkin-Elmer公司的Lambda 900UV/Vis光谱仪测定样品的紫外/可见吸

收光谱,得到样品的光学吸收性能。

图1为样品的XRD图谱。图1中所有的衍射峰都与标准卡片(JCPDSNo.

77-0449)的峰值非常吻合,说明样品为均一的正方结构的SnO2。

图2是产物的场发射扫描电镜照片。从电镜照片中可以看出,样品颗粒的形

状相似,尺寸均匀,直径大约为60 nm,且分散性很好,这使其应用于气敏元件上具

有很大的优势

室温下,用PerkinElmer’s Lambda 900 UV/Vis测得其紫外可见吸收光谱,

见图3。本文利用该图谱,计算该SnO2纳米颗粒的禁带宽度。主要用到以下系数

系统与禁带宽度的公式:

(αhυ)∝B(hυ-Eg)n (1)

式中B为常数;α为光的吸收率;Eg为禁带宽度;n可依据电子跃迁的种类取

1/2或2,当电子跃迁种类分别为直接跃迁和间接跃迁时,n分别取值为1/2和2;h

υ为光子能量,单位为eV。SnO2为直接能带半导体,故其n=1/2。因此,式(1)可

化为:

(αhυ)2∝(hυ-Eg) (2)

由式(2)可得, (αhυ)2与(hυ-Eg)成正比,如果把式(2)建立一个以横坐标

hυ、纵坐标为(αhυ)2坐标体系中,那么,当(αhυ)2=0时, (hυ-Eg)=0,所以

曲线上直线部分在x轴上的截距就是该材料的禁带宽度,见图4。由图4可得该

SnO2纳米颗粒的禁带宽度约为3. 6eV。

（3）制备过程中制备条件的影响

水解温度的影响

在未到达最高SnO2收率水解温度前，水解温度越高，SnO2收率越高；当超过了最高SnO2收率水解温度后，水解温度越高，SnO2收率越低。

水解时间的影响

在未达到最高SnO2收率水解时间前，水解时间越长，SnO2收率越高；当超过最高SnO2收率水解时间后，水解时间越长，SnO2收率越低。

SnCl4加入量的影响

在未达到最高SnO2收率加入量前，SnCl4加入量越多，SnO2收率越高；当

超过最高SnO2收率SnCl4加入量后，SnCl4加入量越多，SnO2收率越低。

初始SnCl4反应物的浓度决定沉淀颗粒的直径。SnCl4浓度过大，沉淀易团

聚；SnCl4浓度过低，反应时间延长，颗粒也会长大。当初始SnCl4浓度较低时，SnO2收率缓慢变化；当达到某一浓度时，SnO2收率随着SnCl4浓度的增加而骤升；而到达最高SnO2收率后，SnO2收率则随着SnCl4浓度的增加而缓慢降低，然后稳定在某一比率上。

煅烧温度的影响

随着煅烧温度的升高，Sn(OH)4不断分解，Sn(OH)4分解率不断增加；当高于某一温度时，Sn(OH)4完全分解为SnO2，Sn(OH)4分解率达到100%。

煅烧时间的影响

随着煅烧时间的延长，Sn(OH)4不断分解，当达到某一时间后，Sn(OH)4完全分解为SnO2，Sn(OH)4分解率达到100%。

（三）氧化锡纳米粉体制备过程中制备条件对粉体粒径及形貌的影响。

温度低于500 时所得粉体的颗粒晶粒尺寸小于15nm 晶粒生长速率随温度变化不大但当温度高于500时晶粒尺寸随着温度升高而迅速增大这是因为晶粒生长速率随温度成指数规律增加所以温度较高时粒度随时间增长较大这一临界温度约为530J，纳米SnO2晶粒随着温度升高，粉体粒径不断增大，当温度高于纳米SnO2。的晶化温区(约600。C)时，晶粒将迅速长大，使SnO2比表面积减小。当滴加速度小的时候，由于溶液在高速搅拌，生成的沉淀量比较小，很快就分散到溶液中，所以形成的沉淀颗粒也比较小，制备出的SnO2：颗粒的尺寸就比较小。搅拌速度大的时候，沉淀在溶液中分散不均匀，由于生成的沉淀量大，很容易引起团聚，所以制备出的 snO2：：颗粒的尺寸就会比较大。溶液中加入有机试剂时，二氧化锡颗粒为圆球状或椭球状，尺寸在O．8～1．0¨m之间。这是因为加入有机试剂及表面活性剂后，构成类似微乳液的溶液。而由微乳液的特性可知：它是一种热力学稳定的分散体系，由大小均匀的小液滴组成，微乳液组成确定后液滴

的粒径保持定值，由于在液滴内可增溶各种不同的化合物，微乳液的小液滴特别适合做反应介质。利用微乳液增溶水舍锡离子的方法，加入硝酸后，硝酸在液滴内与锡酸钠反应。由于液滴的大小是固定的，所以生成氢氧化锡沉淀后，其被包裹在液滴中，沉淀颗粒的大小就受到液滴大小的控制，因此所得snO2：颗粒尺寸较小且粒度分布比较均匀。而没有加入有机试剂时，沉淀发生没有液滴的包裹，所以聚集的机会要大得多，SnO2：的形貌很不规则，颗粒的大小差异很大。二、实验要求及目的

实验要求：

1、查阅文献，尽可能全面的了解有关半导体的知识，诸如半导体的概念、特性及特性机理、用途、半导体特性的研究方法；

2、查阅文献，尽可能全面的了解有关超细粉体的知识，包括超细粉体的概念、特性、制备方法、表征方法等；

3、查阅文献，全面了解SnO2超细粉体的结构、特性、用途、国内外研究现状等；

4、采用液相沉淀法制备SnO2半导体超细粉末，探索制备条件（反应pH值、分散剂、热处理温度）对超细粉体粒径及粒径分布的影响；

5、掌握气敏元件固有阻值、灵敏度及选择性等的测试与计算；

6、探索工作温度、气体种类、气体浓度、颗粒粒径等的气敏元件灵敏度的影响；

7、写出SnO2超细粉体制备及气敏性能的详细的实验报告（包括相关知识总述、实验原理、实验过程、结果与讨论、结论）

实验要求利用液相沉淀法制备出半导体氧化锡纳米粉体，用所制备的纳米粉体制备出半导体气敏元件，利用气敏测试仪对该气敏元件的气敏特性进行测定。（1）焙烧温度对纳米粉体粒度的影响

（2）焙烧温度对气敏元件灵敏度的影响

（3）气体浓度对气敏元件灵敏度的影响

（4）气体类型对气敏元件灵敏度的影响

实验目的：制备SnO2半导体超细粉末，并进行其气敏性能的研究。

本实验包括超细粉体的制备和超细粉体气敏性能测试两大部分。气敏性能测试包括气敏元件的制备和气敏元件的敏感特性。本实验中要求制备出纳米氧化锡,将所制备纳米SnO2制备成旁热式气敏元件，并测试气敏元件的气敏性能。

半导体气敏元件的工作机理比较复杂，虽然已采用各种物理手段进行研究，但理论工作仍处在探索之中，很多问题尚不清楚。但是各种半导体气敏元件都是利用所吸附的气体分子与元件表面或体内的作用而使半导体的电导率发生变化这一机制是公认的。

对SnO 2来说，其晶格为氧离子缺位。当与空气接触时，它首先吸附空气中大量存在的氧，这些氧从半导体捕获电子而形成O 2-、O -、O 2-,这时半导体表面形成耗尽层，表面电导下降，这时通过气敏元件的工作电流很小。当处于这种状态的气敏元件遇到还原性气体时，吸附氧就把所捕获的电子重新给予半导体，耗尽层逐步消失而表面电导增加。根据工作电流增加的量，可以确定待测气体的浓度，从而达到检测的目的。

三、实验原理

（一）超细粉体制备原理

超细粉体制备采用液相沉淀法，以SnCl 4为原料，制备过程主要分为两个阶段—水解反应和热处理过程，其原理如下：

SnCl 4+3H 2O →Sn(OH)4↓+3HCl

Sn(OH)4→SnO 2+ 2H 2O

（二）旁热式半导体气敏元件的制备原理

负载气敏材料的物质为氧化铝陶瓷管。为了实现半导体材料的电阻测试，事先用金浆在瓷管的两侧烧上

金电极，再用金浆将测量用的

铂点焊在金电极上。半导体氧

化物用水或粘合物调成浆料，

涂到瓷管的电极间，经600℃

~800℃煅烧，可获得气敏元件

的敏感层。

由于半导体气敏元件需在一定温度下工作，以保证快速的响应和

恢复，并减少环境湿度对气敏性能的影

响。本实验采用Ni-Cr 电阻丝作为加热

图 1 元件管芯涂敷情况

源，通过调节电阻丝两端的电压值可控制元件的工作温度。

将图1的铂电极和电阻丝焊接到图2所示的管座上，封上网罩，即形成旁热式半导体气敏元件。

（三）旁热式半导体气敏元件的敏感特性原理

半导体气体传感器的

检测可采用动态测试法和

静态测试法两种。本实验

采用静态法，在WS-30A

气敏元件测试系统上进行

测试，该系统采用电压测

试法，基本测试原理如图3

所示。系统提供气敏元件

加热电源V h ，回路电源V c ，通过测试与气敏元件串联的负载电阻R L 上的电压V out 的变化可以计算气敏元件的输出电压，进而计算出气敏元件的电阻值。计算公式如下：

R a =(V c /V a -1)R L

R g =(V c /V g -1)R L

SnO 2为n 型半导体，定义元件的灵敏度S= R g / R a ，R g 、R a 分别为元件在被测气体（氧化性气体）和空气中的电阻值；反之，在还原性气氛中，灵敏度定义为S= R a / R g

A 气体对

B 气体的选择性系数可按下式计算：

R(A/B)=S(A)/S(B)= R g (B)/ R g (A)

通过控制电阻丝两侧的加热电压，可获得不同的工作温度，得到不同的固有电阻和气体灵敏度，以测定不同工作状态下的电阻-温度特性和灵敏度-温度特性。通过测试气敏元件分别在乙醇、汽油、CO 等气体的灵敏度，可判断气敏元件的选择性，确定其适合何种气体，用在哪些场合。

通过改变气体浓度可测试灵敏度-气体浓度特性，可确定传感器的检测范围，检测上限和下限。

仪器与药品

图3 测试原理示意图

4，（一）超细粉体制备仪器与药品仪器多孔水浴锅，离心机，酸度计，多用滴管，烧杯，离心

试管

药品 1.0mol.L -1SnCl 4溶液， 1.0mol.L -1盐酸， 1.0mol.L -1

NH 3.H 2O

溶液，1.0mol.L -1(NH 4)2SO 4溶液（二）旁热式半导体气敏元件制备仪器与药品

仪器马弗炉，气敏元件封装机，电烙铁，玛瑙研钵，干燥箱，气敏元件老化台

材料与

药品氧化锡纳米粉，PdCl ，La(NO 3)3,甲基纤维素松油醇粘合剂，带金电极的

瓷管，毛笔，镊子，电阻丝，气敏元件基座，气敏元件封网，罩酒精棉，

方瓷舟，焊锡，焊锡膏

四、实验过程

（一）SnO 2超细粉体的制备

1. 玻璃仪器的清洗

实验中所用一切玻璃器皿均需严格清洗。先用铬酸洗液洗，再用去离子水冲洗干净，然后烘干备用。工艺

2. 制备工艺（作为参考）

配制一定浓度的四氯化锡溶液,置于磁力搅拌器上,搅拌状态下加入聚乙二醇和稀氨水,全部沉淀后,过滤,依次用去离子水、无水乙醇洗至硝酸银检测不到Cl -离子，干燥、焙烧、研磨，得到氧化锡纳米粉体。制备工艺流程如图。

3．制备工艺条件对氧化锡气敏性能的影响（1）四氯化锡溶液浓度对氧化锡气体敏感性的影响（参考浓度：0.5mol/L, 1.0mol/L, 1.5mol/L, 2.0mol/L,）

（2）四氯化锡的固定浓度为1.0mol/L(参考),聚乙二醇加入量对氧化锡气体敏感性的影响,(参考量:0g,0.5g,1.0g,1.5g)

锡盐溶液

分散剂

稀氨水混合水解沉淀过滤洗涤干燥热处理研磨成粉

纳米粉体材料

纳米粉体材料简介纳米材料分为纳米粉体材料、纳米固体材料、纳米组装体系三类。纳米粉体材料是纳米材料中最基本的一类。纳米固体是由分体材料聚集，组合而成。而纳米组装体系则是纳米粉体材料的变形。纳米粉体也叫纳米颗粒，一般指尺寸在1-100nm之间的超细粒子，有人称它是超微粒子。它的尺度大于原子簇而又小于一般的微粒。按照它的尺寸计算，假设每个原子尺寸为1埃，那么它所含原子数在1000个-10亿个之间。它小于一般生物细胞，和病毒的尺寸相当。细微颗粒一般不具有量子效应，而纳米颗粒具有量子效应；一般原子团簇具有量子效应和幻数效应，而纳米颗粒不具有幻数效应。纳米颗粒的形态有球形、板状、棒状、角状、海绵状等，制成纳米颗粒的成分可以是金属，可以是氧化物，还可以是其他各种化合物。纳米粉体材料的基本性质它的性质与以下几个效应有很大的关系：（1）.小尺寸效应随着颗粒的量变，当纳米颗粒的尺寸与光波、传导电子德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸特征相当或更小时，周期边界性条件将被破坏，声、光、电、磁、热、力等特性均会出现质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化成为小尺寸效应。（2）.表面与界面效应纳米微粒尺寸小、表面大、位于表面的原子占相当大的比例。由于纳米粒径的减小，最终会引起表面原子活性增大，从而不但引起纳米粒子表面原子输送和构型的变化，同时也引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化。以上的这些性质被称为“表面与界面效应”。（3）量子尺寸效应当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变成离散能级的现象成为量子尺寸效应。具体从各方面说来有以下特性：（1）热学特性

传感器实验报告.doc

实验一金属箔式应变片性能—单臂电桥 1、实验目的了解金属箔式应变片，单臂单桥的工作原理和工作情况。 2、实验方法在CSY－998传感器实验仪上验证应变片单臂单桥的工作原理 3、实验仪器CSY－998传感器实验仪 4、实验操作方法所需单元及部件：直流稳压电源、电桥、差动放大器、双孔悬臂梁称重传感器、砝码、一片应变片、F/V表、主、副电源。旋钮初始位置：直流稳压电源打倒±2V档，F/V表打到2V档，差动放大增益最大。实验步骤：（1）了解所需单元、部件在实验仪上的所在位置，观察梁上的应变片，应变片为棕色衬底箔式结构小方薄片。上下二片梁的外表面各贴二片受力应变片。（2）将差动放大器调零：用连线将差动放大器的正（＋）、负（－）、地短接。将差动放大器的输出端与F／V表的输入插口Vi 相连；开启主、副电源；调节差动放大器的增益到最大位置，然后调整差动放大器的调零旋钮使F／V表显示为零，关闭主、副电源。 (3)根据图１接线R1、R2、R3为电桥单元的固定电阻。R4为应变片；将稳压电源的切换开关置±4V 档，F／V表置20V档。开启主、副电源，调节电桥平衡网络中的W1，使F／V表显示为零，等待数分钟后将F／V表置2V档，再调电桥W1（慢慢地调），使F／V表显示为零。 (4) 将测微头转动到10㎜刻度附近，安装到双平行梁的右端即自由端（与自由端磁钢吸合），调节测微头支柱的高度（梁的自由端跟随变化）使V/F表显示值最小，再旋动测微头，使V/F表显示为零（细调零），这时的测微头刻度为零位的相应刻度。 (5) 往下或往上旋动测微头，使梁的自由端产生位移记下V/F表显示的值，每旋动测微头一周即压值的相应变化。

纳米粉体制备方法

纳米粉体制备方法纳米技术是当今世界各国争先发展的热点技术，纳米技术和材料的生产及其应用在中国已起步，可以产业化的只有为数不多的几个品种，纳米二氧化钛（ＴｉＯ2）、纳米氧化锌（ＺｎＯ）、纳米碳酸钙（ＣａＣＯ3）便是其中较具代表性的几个品种。纳米粉体的制备方法很多，可分为物理方法和化学方法。以下是对各种方法的分别阐述并举例。 1. 物理方法 (1)真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。1。金属烟粒子结晶法是早期研究的一种实验室方法。将金属原料置于真空室电极处，真空室抽空（真空度1P a）导入102到103 P a压力的氩气或不活泼性气体，然后像通常的真空蒸发那样，用钨丝蓝蒸发金属。在气体中，通过蒸发、凝聚产生的金属蒸气形成金属烟粒子，像煤烟粒子一样沉积于真空室内壁上。在钨丝篮上方或下方位置可以预先放置格网收集金属烟粒子样品，以备各类测试所用。2。流动油面上的真空蒸发沉积法（VEROS），VEROS法是将物质在真空中连续的蒸发到流动着的油面上，然后把含有纳米粒子的油回收到贮存器内，再经过真空蒸馏、浓缩，从而实现在短时间制备大量纳米粉体。 (2)物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。例，有一种制备纳米粉体材料新方法，最适用于碳化物、氮化物及部分金属粉体的制备。其方法是先对反应器抽真空，然后充入保护气体或反应气体，在反应器中设置石墨电极，在石墨电极与反应器坩埚中的金属之间通电，使之产生高温碳电弧，由高温电弧产生金属蒸汽。采用保护气体可以生产出由石墨原子包覆的纳米镍粉、铜粉、铝粉等不易团聚的金属纳米粉末；采用反应气体可以生产碳化物、氮化物纳米粉末。与现有技术相比，生产的纳米粉末不易团聚，具有成本低，电弧功率大，可以实现规模化生产，具有广泛的实用性。用冲击波处理共沉淀法制备的氧化铁与氧化锌混合物合成了铁酸锌，用XRD、TEM 和电子衍射法对这种产品进行了鉴定．与传统的高温焙烧法相比，这种产品的特点是其颗粒尺寸为纳米级．主要原因可能在于冲击波的作用时间极短，因此生成的铁酸锌不会生长成为完整的晶粒．由此可以认为，冲击波处理可能是一种制备复合金属氧化物的纳米粉体的新方法． (3)机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。例，一种钛合金纳米粉体制备方法，原料包括钛合金粗粉、助磨键合剂、分散剂、表面活性剂；制备方法是，将所述原料按配比投入反应釜，反应釜转速２００－３００ｍｐｒ、温度５０℃－６０℃，反应釜旋转时间１５－３０分钟；反应釜转速升高至达１０００ｍｐｒ以上，维持该转速１．５－２．５小时，温度为１８０℃以上；反应釜转速降到３００ｍｒｐ以下，在０．５－１．０小时内降低温度至４０℃－５０℃，停机，即完成纳米粉体的制备。它稳定地对钛合金实现了纳米化加工；由此为利用纳米粉体的小尺寸效应、表面积效应而使它的耐蚀优点得到提升得以实现，使之可作为一种活性添加剂与各种优良树脂结合成一种新型复合材料。 2. 化学方法 (1)气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。例，TiCl4气相氧化法，其基本化学反应式为：TiCl4(g)+O2(g)=TiO2(s)+Cl2(g) 施利毅、李春忠等利用

传感器实验报告

33传感器原理及应用实验报告实验人：程昌 09327100 合作人：雷泽雨 09327104 理工学院光信息科学与技术实验时间：2011年5月20日，5月27日实验地点：1号台【实验目的】 1．了解传感器的工作原理。 2，掌握声音、电压等传感器的使用方法。 3．用基于传感器的计算机数据采集系统研究电热丝的加热效率。【实验仪器】 PASCO公司750传感器接口1台，温度传感器1只，电流传感器1只，电压传感器1只，声音传感器1只，功率放大器1台，电阻1只(1k)，电容1只（非电解电容，参数不限），二极管1只（非稳压二极管，参数不限），导线若干。【安全注意事项】 1、插拔传感器的时候需沿轴向平稳插拔，禁止上下或左右摇动插头，否则易损坏750接口。 2、严禁将电流传感器（Current sensor）两端口直接接到750接口或功率放大器的信号输出端，使用时必须串联300欧姆以上的电阻。由于电流传感器的内阻很小，直接接信号输出端则电流很大，极易损坏。 3、测量二极管特性时必须串联电阻，因为二极管的正向导通电压小于1V，不串联电阻则电流很大，容易烧毁，也易损坏电流传感器。【原理概述】传感器(sensor或transducer)有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器，是指那些对被测的某一物理量、化学量或生物量的信息具有感受与检出功能，并使之按照一定规律转换成与之对应的有用输出信号的元器件或装置。为了与现代电子技术结合在一起，通常都转换为电信号，特别是电压信号，从而将各种理化量的测量简化为统一的电压测量，易于进一步利用计算机实现各种理化量的自动测量、处理和自动控制。现在，传感技术已成为衡量一个国家科学技术发展水平的重要标志之一，与信息技术、计算机技术并称为支撑整个现代信息产业的三大支柱。有关传感器的研究也得到深入而广泛的关注，在中国期刊全文数据库中可检索到超过2万篇题目中包含“传感器”三字的论文。因此，了解并掌握一些有关传感器的基本结构、工作原理及特性的知识是非常重要的。

粉体纳米材料的表面活性

作者简介:刘剑,女,1972年生,硕士研究生。1996～2001年就职于中国兵器工业第二一三研究所,担任国家“九五”重点预研项目“激光引爆控制技术”主要完成人之一,及该项目“十五”预研立项人,并获得所级“科技进步三等奖”。此外还担任数个军品项目研制工作的课题负责人。2001年在理学院应用化学系功能材料专业深造,现在主要从事生物医学材料的表面改性研究。曹瑞军,博士,硕士导师。开发应用表面活性剂在纳米粉体制备中的应用刘　剑　曹瑞军　郗英欣 (西安交通大学理学院应用化学系,西安710049) 摘　要　本文论述了表面活性剂在Al 2O 3纳米粉体制备、改性等方面的应用,并简要介绍表面活性剂在纳米粉体修饰中的作用。关键词　表面活性剂,纳米微粒,Al 2O 3纳米粉体,表面修饰 Application of surfactants in preparation of nano 2particles Liou Jian Cao Ruijun Xi Y ingxin (School of Science ,Xi ’an Jiaotong University ,Xi ’an 710049) Abstract The functions of surfactants during the preparation ,modification and storage of nano 2particle Al 2O 3were discussed in this paper ,and application of surfactant in nano 2particles surface modification were brief described. K ey w ords surfactant ,nano 2particles ,nano -particles Al 2O 3,surface modification 纳米材料和技术是纳米科技领域富有活力、研究内涵十分丰富的分支学科。近年来,纳米级超微粉是材料制备的热点。纳米材料的合成方法虽然很多,但若想合成超细的纳米级粉料而很少团聚或没有团聚,则很不容易,这是由于纳米微粒特殊的表面性质所致。纳米粉体具有如下的表面特性:(1)庞大的比表面积;(2)纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能与内部原子有所不同,存在许多悬空键,并具有不饱和性质,键态严重失配,出现许多活性中心,因而极易与其他原子相结合而趋于稳定,所以,具有很高的化学活性;(3)表面台阶和粗糙度增加,表面出现非化学平衡、非整数配位的化学价。由于纳米粉体的巨大比表面,以致有巨大的表面G ibb 函数。而团聚将降低这种能量,这在热力学上是自发的。团聚可由各种键合形式聚集,一般而言,若是由物理上的键合(如范德华力等)引起的团聚,称为软团聚。若是由化学上的键合(如氢健、桥氧键等)引起的团聚,称为硬团聚。软团聚可以用机械方法使之打开,而打开硬团聚就比较困难。微小粒子的团聚可能发生在合成阶段、干燥过程及后处理中,因此重要的是在粒子制备和处理的每一步都使粒子稳定而不团聚。表面活性剂常被用于合成过程中,制备分散粒子或分散已合成的团聚的超细粒子。在液相介质中,利用分散剂分散超细粒子的方法已得到广泛研究。表面活性剂对于纳米微粒的制备、改性和保存都具有非常重要的作用。 1　表面活性剂分散微粒的机理超细微粒的团聚是由于范德华力的吸引而造成的,或由于使体系的总表面能趋于极小化的驱动力第31卷第7期化工新型材料 Vol 131No 172003年7月 N EW CHEMICAL MA TERIAL S J uly 2003

筛分析法测试粉体粒度及粒度分布汇总

筛分析法测试粉体粒度及粒度分布粒度分布通常是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒在整个粉体中占多大的比例。它可用简单的表格、绘图和函数形式表示颗粒群粒径的分布状态。颗粒的粒度、粒度分布及形状能显著影响粉末及其产品的性质和用途。例如，水泥的凝结时间、强度与其细度有关，陶瓷原料和坯釉料的粒度及粒度分布影响着许多工艺性能和理化性能，磨料的粒度及粒度分布决定其质量等级等。为了掌握生产线的工作情况和产品是否合格，在生产过程中必须按时取样并对产品进行粒度分布的检验，粉碎和分级也需要测量粒度。粒度测定方法有多种，常用的有筛析法、沉降法、激光法、小孔通过法、吸附法等。本实验用筛析法和沉降法，以及激光法测粉体粒度分布。一、实验目的筛析法是最简单的也是用得最早和应用最广泛的粒度测定方法，利用筛分方法不仅可以测定粒度分布，而且通过绘制累积粒度特性曲线，还可得到累积产率50％时的平均粒度。本实验用筛析法测粉体粒度，其实验的目的是： 1、了解筛析法测粉体粒度分布的原理和方法。 2、根据筛分析数据绘制粒度累积分布曲线和频率分布曲线。二、基本原理 1、测试方法概述筛析法是让粉体试样通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以质量分数表示的粒度分布。筛析法适用于约10mm至20μm之间的粒度分布测量。如采用电成形筛（微孔筛），其筛孔尺寸可小至5μm,甚至更小。过去，筛孔的大小用“目”表示，其含义是每英寸（25.4mm）长度上筛孔的数目，也有用1cm长度上的孔数或1cm2筛面上的孔数表示的，还有的直接用筛孔的尺寸来表示。筛析法常使用标准套筛，标准筛的筛制按国际标准化组织（ISO）推荐的筛孔为1mm的筛子作为基筛，以优先系数及20/3为主序列，其筛孔为

粉体材料的制备方法有几种

粉体材料的制备方法有几种？各有什么优缺点？（20分）答：粉末的制备方法: 气相合成、湿化学合成、机械粉碎. 1. 物理方法 (1)真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。 (2)物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 (3)机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。 2. 化学方法 (1)气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。 (2)沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。 (3)水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。 (4)溶胶凝胶法金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。 (5)微乳液法两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备 2. 为什么要对粉体材料的表面进行改性？什么是物理吸附？什么是化学吸附？试举例说明。（20分）答: 材料表面改性的目的力学性能：表面硬化、防氧化、耐磨等电学性能：表面导电、透明电极光学性能：表面波导、镀膜玻璃生物性能：生物活性、抗菌性化学性能：催化性装饰性能：塑料表面金属化材料表面改性的意义通过较为简单的方法使一个部件部件或产品产品具有更为综合的性能第一节材料表面结构的变化粉体表面改性是指用物理、化学、机械等方法对粉体材料表面进行处理，根据应用的需要有目的改变粉体材料表面的物理化学性质，如表面组成、结构和官能团、

粉体纳米材料制备方法及其应用前景

收稿日期:2000-03-14 作者介绍:李芳宇,1977—,南方冶金学院机械系98级研究生。纳米粉体制备方法及其应用前景李芳宇,刘维平 (南方冶金学院机械系,江西赣州341000) 摘　要:论述了纳米粉末材料的物理、化学及其他的一些特殊制备方法,并详述了纳米粉末材料在高强度、高韧性材料、电磁材料、光学材料、催化剂材料、传感器材料、医学和生物工程材料等领域的应用。关键词:纳米粉体;制备;应用中图分类号:TQ029+.1 文献标识码:A 文章编号:1008-5548(2000)05-0029-04 近年来,随着科学技术的发展,世界各地许多科学家都在积极开展新材料尤其是纳米材料的研究。纳米材料包括零维颗粒材料、一维纳米针、二维纳米膜材料以及三维纳米晶体材料。纳米颗粒一般在1～100nm 之间,处于微观粒子和宏观物体之间的过渡区域。它具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等特性。这些特性使其呈现出一系列奇异的物理、化学性质,目前在国防、电子、化工、轻工、核技术、航空航天、医学和生物工程等领域中具有重要的应用价值。在纳米粉体材料的研究中,它的制备、特性和应用是比较重要的方面,本文将着重介绍近期国内外的一些关于这些方面的研究现状。 1　纳米粉体材料的制备方法 1.1　物理法1.1.1　气体冷凝法气体冷凝法(IGC ),其主要过程是在低压的氩、氦等惰性气体中加热金属,使其蒸发,产生原子雾,经冷凝后形成纳米颗粒。纳米合金可通过同时蒸发数种金属物质得到;纳米氧化物可在蒸发过程中真空室内通以纯氧使之氧化得到。这种方法是制备清洁界面的纳米粉体的主要方法之一。1.1.2　测射法用两块金属板分别作阳极和阴极,阴极为蒸发用的材料,在两电极间充入氩气,在两电极之间施加适当电压,两电极间的辉光放电促使氩离子的形成,在电场作用下,氩离子冲击阴极材料,使靶材原子从其表面沉积下来。而且加大被溅射的阴阳表面可提高纳米微粒的获得量。该方法可有效制备多种高熔点和低熔点的纳米金属;能制备多组元的化合物纳米颗粒。 1.1.3　高能机械球磨法高能球磨法是近年来发展起来的一种制备纳米粉体材料的方法,该方法尤其是在制备合金粉末方面具有较好的工业应用前景。它是将欲合金化的元素粉末混合起来[1],在高能球磨机长时间运转,将回转机械能传递给金属粉末,依靠球磨过程中粉末的塑性变形产生复合,并发生扩散和固态反应而形成合金粉末。由于该过程引入大量的粉末颗粒应变、缺陷以及纳米量级的微结构,使合金过程的热力学和动力学不同于普通的固态反应过程,有可能制备出用常规液态或气相法难以合成的新型合金。此外,通过高能机械球磨中气氛的控制与外部磁场的引入,使这一技术得到了较大的发展。1.2　化学法 1.2.1　固相配位化学法固相配位化学法在物质合成方面特别是在利用固相配位化学反应合成金属簇合物和固相配合物等方面显示了极大的优势,是一种非常有前途的纳米粉体制备方法。用此法制备氧化物纳米粉体的主要过程[2],就是首先在室温或低温下制备可在较低温度分解的固相金属配合物,然后将固相产物在一定的温度下进行热分解,得到氧化物纳米粉体。与液相合成法相比,具有纯度高、工艺简单、可缩短制备时间等特点。在400℃热分解就可得到平均晶粒尺寸约为10nm 具有纤锌矿结构的ZnO 纳米粉体。1.2.2　溶胶-凝胶法(sol -gel ) 溶胶-凝胶法是指在高分子界面活性剂存在及第6卷第5期2000年10月中　国　粉　体　技　术 China Powder Science and T echnology Vol 16No 15 October 2000

粉体粒度及其分布测定

粉体粒度及其分布测定一．实验目的 1．掌握粉体粒度测试的原理及方法； 2．了解影响粉体粒度测试结果的主要因素，掌握测试样品制备的步骤和注意要点； 3．学会对粉体粒度测试结果数据处理及分析。二．实验原理图1：微纳激光粒度分析仪工作原理框图粉体粒度及其分布是粉体的重要性能之一，对材料的制备工艺、结构、性能均产生重要的影响，凡采用粉体原料来制备材料者，必须对粉体粒度及其分布进行测定。粉体粒度的测试方法有许多种：筛分法、显微镜法、沉降法和激光法等。激光粒度测试是利用颗粒对激光产生衍射和散射的现象来测量颗粒群的粒度分布的，其基本原理为：激光经过透镜组扩束成具有一定直径的平行光，照射到测量样品池中的颗粒悬浮液时，产生衍射，经傅氏（傅立叶）透镜的聚焦作用，在透镜的焦平面上形成一中心圆斑和围绕圆斑的一系列同心圆环，圆环的直径随衍射角的大小即随颗粒的直径而变化，粒径越小，衍射角越大，圆环直径亦大；在透镜的后焦平面位置设有一多元光电探测器，能将颗粒群衍射的光通量接收下来，光--电转换信号再经模数转换，送至计算机处理，根据夫朗和费衍射原理关于任意角度下衍射光强度与颗粒直径的公式，进行复杂的计算，并运用最小二乘法原理处理数据，最后得到颗粒群的粒度分布。激光粒度测试法具有适应广、速度快、操作方便、重复性好的优点，测量范围为：0.1—几百微米。但当粒径与所用光的波长相当时，夫朗和费衍射理论的运用有较大误差，需应用米氏理论来修正。三．仪器设备济南微纳颗粒技术有限公司Winner2000Z智能型激光粒度分析仪、微型计算机、打印机。四．实验步骤 4.1测试前的准备工作 1.开启激光粒度分析仪，预热10～15分钟。启动计算机，并运行相对应的软件。 2.清洗循环系统。首先，进入控制系统的人工模式，不选择自动进水点击排水，把与被测样品相匹配的分散介质加入样品桶，待管路及样品窗中都充满介质后，再点击排水，关闭排水。其次，按下冲洗，洗完后，自动排出。按以上步骤反

纳米粉体材料行业分析报告行业基本情况

报告概要行业评级：纳米粉体新材料行业推荐行业内重点公司推荐：广东羚光行业分析师：袁熠执业证编号：S123011470019 电话：（021）64318677 Email：YuanYi@https://www.360docs.net/doc/d15824719.html, 纳米粉体材料行业分析报告一、行业基本情况 1、行业主管部门及监管体制公司属于金属制品制造业，行业主管部门是国家发展与改革委员会、工业和信息化部及其各地分支机构，主要负责产业政策的制定并监督、检查其执行情况；研究制定行业发展规划，指导行业结构调整、行业体制改革、技术进步和技术改造等工作。中国微米纳米技术学会（CHINESE SOCIETY OF MICRO-NANO TECH-NOLOGY，英文缩写为 CSMNT）是全国范围纳米行业的自律性管理组织，其主要筹办各种学术活动，包括组织各种学术会、展览会、战略研讨会、国际交流等等，为我国微米纳米技术的计划与规划、关键技术联合攻关、技术交流、人才培养、科学普及发挥重要作用，为国内外各界微米纳米技术研究人员和单位的交流、科研成果的转化和产业化提供交流平台。江苏省新材料产业协会是江苏省内的新材料行业自律性组织，协会由全省新材料产业领域的企事业单位、大专院校、科研机构以及其他相关经济组织自愿组成，是实行行业服务和自律管理的全省性、行业性、非盈利性的社会组织。主要开展新材料产业全面调查，研究发展趋势，参与制定新材料产业规划和产品技术、质量行业标准，构建综合服务平台，促进产业体制和技术创新，促进新材料企业

持续发展，为江苏省新材料产业发展提供助力。目前，国家发展与改革委员会、工业和信息化部对行业的管理仅限于宏观管理、政策性引导，行业协会进行指导性管理，公司自主从事业务发展、内部管理和生产经营。纳米材料行业市场化程度较高，主要表现在市场主体和交易方式上，政策壁垒已经完全消除，企业可以自由进入，产品价格由市场供求关系决定，国家不干预企业产品定价，行业运作已经充分市场化。 2、行业主管法律法规（1）主要法律法规行业相关法规：（2）国家标准国家质检总局与国家标准委联合发布的与纳米材料有关的国家标准，主要有： 3、行业主要产业政策公司处于前沿技术细分行业，公司产品主要运用于片式元件（电容器、电感器和电阻器）、新能源等领域，公司产品的应用领域符合国家的产业政策，属于国家鼓励发展行业，影响本行业发展的法律法规及政策主要有： 2016年6月江苏省政府发布的《江苏省国民经济和社会发展“十三五”规划

传感器检测技术实验报告

《传感器与检测技术》实验报告姓名：学号：院系：仪器科学与工程学院专业：测控技术与仪器实验室：机械楼5楼同组人员：评定成绩：审阅教师：

传感器第一次实验实验一金属箔式应变片——单臂电桥性能实验一、实验目的了解金属箔式应变片的应变效应及单臂电桥工作原理和性能。二、基本原理电阻丝在外力作用下发生机械形变时，其电阻值发生变化，这就是电阻应变效应。金属箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它反映被测部位受力状态的变化。电桥的作用是完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态。单臂电桥输出电压 1/4o U EK ε=，其中K 为应变灵敏系数，/L L ε=?为电阻丝长度相对变化。三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。四、实验步骤 1. 根据接线示意图安装接线。 2. 放大器输出调零。 3. 电桥调零。 4. 应变片单臂电桥实验。

由matlab 拟合结果得到，其相关系数为0.9998，拟合度很好，说明输出电压与应变计上的质量是线性关系，且实验结果比较准确。系统灵敏度S = ΔU ΔW =0.0535V/Kg (即直线斜率)，非线性误差= Δm yFS = 0.08 10.7 ×100%= 0.75% 五、思考题单臂电桥工作时，作为桥臂电阻的应变片应选用：（1）正（受拉）应变片；（2）负（受压）应变片；（3）正、负应变片均可以。答：（1）负（受压）应变片；因为应变片受压，所以应该选则（2）负（受压）应变片。实验三金属箔式应变片——全桥性能实验一、实验目的了解全桥测量电路的优点二、基本原理全桥测量电路中，将受力方向相同的两应变片接入电桥对边，相反的应变片接入电桥邻边。当应变片初始阻值R1=R2=R3=R4、其变化值1234R R R R ?=?=?=?时，其桥路输出电压 3o U EK ε=。其输出灵敏度比半桥又提高了一倍，非线性误差和温度误差都得到了改善。三、实验器材主机箱、应变传感器实验模板、托盘、砝码、万用表、导线等。四、实验步骤 1.根据接线示意图安装接线。 050 100150200 x y

ZnO纳米粉体材料的制备

实验 2 ZnO 纳米粉体材料的制备（一）实验类型：综合性（二）实验类别：设计性实验（三）实验学时数：16 （四）实验目的（1）掌握沉淀法制备纳米粉体的工作原理。（2）了解X-射线粉末衍射仪鉴定物相的原理。（五）实验原理纳米ZnO 是一种新型高功能精细无机材料, 其粒径介于1～ 100 nm 之间，又称为超微细ZnO 。由于颗粒尺寸的细微化，使得纳米ZnO 产生了其本体块状材料所不具备的表面效应、小尺寸效应、量子效应和宏观量子隧道效应等，因而使得纳米ZnO 在磁、光、电、敏感等方面具有一些特殊的性能, 主要用来制造气体传感器、荧光体、紫外线遮蔽材料、变阻器、图像记录材料、压电材料、压敏电阻、高效催化剂、磁性材料和塑料薄膜等。合成纳米ZnO 的方法有多种，沉淀法工艺简单,成本低, 便于实现工业化生产。合成纳米ZnO 的方法有多种，本实验采用化学沉淀法是在可溶性锌盐溶液中加入沉淀剂后，于一定条件下生成沉淀从溶液中析出，将阴离子洗去，经分离、干燥、热处理后，得到纳米氧化锌。该方法操作简单，对设备和技术要求不太苛刻，产品纯度高，不易引入杂质，成本低。 X-射线粉末衍射仪是分析材料晶体结构的重要工具。晶体的Ｘ射线衍射图象实质上是晶体微观结构形象的一种精细复杂的变换。由于每一种结晶物质，都有其特定的结构参数，包括点阵类型、晶胞大小、单胞中原子(离子或分子)数目及位置等，而晶体物质的这些特定参数，反映在衍射图上机表现出衍射线条的数目、位置及相对强度各不相同。因此，每种晶态物质与其Ｘ射线衍射图之间有着一一对应的关系。任何一种晶态物质都有自己独立的Ｘ射线衍射图，不会因为他种物质混聚在一起而产生变化。这就是Ｘ射线衍射物相定性分析的方法的依据。根据粉体X-射线衍射图得到的相关数据，利用谢乐公式（如下），可以计算纳米粒子的晶粒尺寸。 0.89cos D λ βθ= （λ为X 射线的波长，β为最强峰的半峰宽，θ 为衍射角）（六）实验内容 1. 制备以Zn(NO 3)2·6H 2O 与NH 4HCO 3为原料，聚乙二醇（PEG 600）为模板剂，采用直接沉淀法将制得的沉淀，洗涤后经煅烧制备纳米ZnO 。 2. 称量、计算产率 3. X-射线物相测定：计算晶粒尺寸（七）实验要求 1、设计实验方案： (1)设计不同煅烧温度及时间 (2)设计不同原料比及模板剂设计实验方案要求：方案必须切合实际，具有可操作性；尽量选择原料易得，反应条件温和，催化剂价廉，后处理方便，收率高及环境友好的方案。

传感器实验报告

实验一箔式应变片性能一、实验目地： 1、观察了解箔式应变片的结构及粘贴方式。 2、测试应变梁变形的应变输出。 3、了解实际使用的应变电桥的性能和原理。二、实验原理：本实验说明箔式应变片在单臂直流电桥、半桥、全桥里的性能和工作情况。应变片是最常用的测力传感元件。当用应变片测试时，应变片要牢固地粘贴在测试体表面，当被测件受力发生形变，应变片的敏感栅随同变形，其电阻值也随之发生相应的变化。通过测量电路，转换成电信号输出显示。电桥电路是最常用的非电量电测电路中的一种，当电桥平衡时，桥路对臂电阻乘积相等，电桥输出为零，在桥臂四个电阻R 1、R 2、R 3、R 4中，电阻的相对变化率分别为△R 1／R 1、△R 2／R 2、△R 3／R 3、△R 4／R 4，当使用一个应变片时，R ΔR R = ∑；当二个应变片组成差动状态工作，则有R R R Δ2=∑；用四个应变片组成二个差动对工作，且R 1＝R 2＝R 3＝R 4＝R ，R R R Δ4=∑。由此可知，单臂，半桥，全桥电路的灵敏度依次增大。根据戴维南定理可以得出测试电桥的输出电压近似等于1/4·E ·∑R ，电桥灵敏度Ku ＝V ／△R ／R ，于是对应于单臂、半桥和全桥的电压灵敏度度分别为1/4E 、1/2E 和E.。由此可知，当E 和电阻相对变化一定时，电桥及电压灵敏度与各桥臂阻值的大小无

关。三、实验所需部件：直流稳压电源（±4V 档）、电桥、差动放大器、箔式应变片、砝码（20g ）、电压表（±4v ）。四、实验步骤： 1、调零开启仪器电源，差动放大器增益至100倍（顺时针方向旋到底），“＋、－”输入端用实验线对地短路。输出端接数字电压表，用“调零”电位器调整差动放大器输出电压为零，然后拔掉实验线。调零后电位器位置不要变化。 2、按图（1）将实验部件用实验线连接成测试桥路。桥路中R 1、R 2、R 3、和W D 为电桥中的固定电阻和直流调平衡电位器，R 为应变片（可任选上、下梁中的一片工作片）。直流激励电源为±4V 。图（1） 3、确认接线无误后开启仪器电源，并预热数分钟。＋－

筛分析法测试粉体粒度及粒度分布

筛分析法测试粉体粒度及粒度分布粒度分布通常是指某一粒径或某一粒径范围的颗粒在整个粉体中占多大的比例。它可用简单的表格、绘图和函数形式表示颗粒群粒径的分布状态。颗粒的粒度、粒度分布及形状能显着影响粉末及其产品的性质和用途。例如，水泥的凝结时间、强度与其细度有关，陶瓷原料和坯釉料的粒度及粒度分布影响着许多工艺性能和理化性能，磨料的粒度及粒度分布决定其质量等级等。为了掌握生产线的工作情况和产品是否合格，在生产过程中必须按时取样并对产品进行粒度分布的检验，粉碎和分级也需要测量粒度。粒度测定方法有多种，常用的有筛析法、沉降法、激光法、小孔通过法、吸附法等。本实验用筛析法和沉降法，以及激光法测粉体粒度分布。一、实验目的筛析法是最简单的也是用得最早和应用最广泛的粒度测定方法，利用筛分方法不仅可以测定粒度分布，而且通过绘制累积粒度特性曲线，还可得到累积产率50％时的平均粒度。本实验用筛析法测粉体粒度，其实验的目的是： 1、了解筛析法测粉体粒度分布的原理和方法。 2、根据筛分析数据绘制粒度累积分布曲线和频率分布曲线。二、基本原理 1、测试方法概述筛析法是让粉体试样通过一系列不同筛孔的标准筛，将其分离成若干个粒级，分别称重，求得以质量分数表示的粒度分布。筛析法适用于约10mm

至20μm 之间的粒度分布测量。如采用电成形筛（微孔筛），其筛孔尺寸可小至5μm,甚至更小。过去，筛孔的大小用“目”表示，其含义是每英寸（25.4mm ）长度上筛孔的数目，也有用1cm 长度上的孔数或1cm 2筛面上的孔数表示的，还有的直接用筛孔的尺寸来表示。筛析法常使用标准套筛，标准筛的筛制按国际标准化组织（ISO ）推荐的筛孔为1mm 的筛子作为基筛，以优先系数及 20/3为主序列，其筛孔为()化整值） (40.110320≈，再以R20或R40/3作为辅助序列，其筛孔分别为()()4 340320219.11012.110≈≈≈，或。筛析法有干法与施法两种，测定粒度分布时，一般用干法筛分，若试样含水较多，颗粒凝聚性较强时，则应当用湿法筛分（精度比干法筛分高），特别是颗粒较细的物料，若允许与水混合时，最好使用湿法。因为湿法可避免很细的颗粒附着在筛孔上面堵塞筛孔。另外，湿法可不受物料温度和大气湿度的影响，湿法还可以改善操作条件。所以，湿法与干法均已被列为国家标准方法并列使用，作为测定水泥及生料的细度。筛析法除了常用的手筛、机械筛分、湿法筛分外，还用空气喷射筛分、省筛法、淘筛法和自组筛等，其筛析结果往往采用频率分布和累积分布来表示颗粒的粒度分布。频率分布表示各个粒径相对应的颗粒质量分数（微分型）；累积分布表示小于（或大于）某粒径的颗粒占全部颗粒的质量分数与该粒径的关系（积分型）。用表格或图形来直观表示颗粒粒径的频率分布和累积分布。筛析法使用的设备简单，操作方便，但筛分结果受颗粒形状的影响较大，粒度分布的粒级较粗，测试下限超过38μm 时，筛分时间长，也容易

传感器实验报告

电阻应变式传感器灵敏度特性的研究 ——实验报告院系：0611 姓名：张弢学号：PB06210013 台号：1 实验要求： ● 了解电阻应变式传感器的基本原理，结构，基本特性和使用方法。 ● 研究比较电阻应变式传感器配合不同转换和测量电路的灵敏度特性。 ● 掌握电阻应变式传感器的使用方法和使用要求。数据处理: 1.求单臂，半桥，全桥的灵敏度（一）单臂电桥 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 Y = A + B * X w/kg V/v 注：图中黑点及黑线为加砝码时测量数据，红点及红线为减砝码时测量的数据。

用逐差法计算： S 增= 5 i+5i 1 V -V 5*5*0.02 i =∑=0.293/0.5=0.586（V/kg ） S 降=5 i+5i 1V -V 5*5*0.02 i =∑ =0.241/0.5=0.482（V/kg ） S=w V 平均=5i+5i 1V -V 5*5*0.02 i =∑=0.267/0.5=0.534（V/kg ）分析：由图可知，砝码增加时的灵敏度比砝码减少时的灵敏度高。在读取减砝码时的数据时发现，砝码越少，数据与加砝码时差别越大，原因可能是由于旧机器使用时间长，设备老化，在拿掉砝码时，应变片的形变没有彻底恢复到放砝码前，仍有较大形变。（二）半桥电路 0.000.050.100.150.20 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 w/kg V/v X Axis Title 注：图中黑点及黑线为加砝码时测量数据，红点及红线为减砝码时测量的数据。

纳米材料的定义,特点和应用前景

纳米材料的定义、特点和应用前景中国科学院上海硅酸盐研究所作者：张青红图1 图2 图3 什么是纳米材料？纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联

系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。纳米材料的特点？当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。纳米材料的应用前景纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基因DNA具有双螺旋结构，这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒，选择性的吸附或作用在不同的碱基对上，可以“照亮”DNA的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯笼”，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳米晶粒，在DNA 分子上贴上了标签。目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于人类。2001年以来，国内也有一些纳米企业和纳米产品，如“纳米冰箱”，“纳米洗衣机”。这些产品中用到了一些“纳米粉体”，但冰箱和洗衣机的核心作用任何传统产品相同，“纳米粉体”赋于了它们一些新的功能，但并不是这类产品的核心技术。因此，这类产品并不能称为真正的“纳米产品”，是商家的销售手段和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。下面我们选用几副插图来说明纳米材料。图一：二氧化钛纳米管。多种层状材料可形成管状材料，最为人们所熟悉的是碳纳米管。图一为二氧化钛纳米管的透射电镜照片，这种管是开口、中空管，比表面积能达到400m2/g，可能在吸附剂、光催化剂等方面有应用前景。图二：晶内型纳米复相陶瓷，颜色较浅的大晶粒内部有一些深色的颗粒，在陶瓷收到外力破坏时，这些晶内的深色颗粒像一颗颗钉子，抑制裂纹扩散，起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。

实验1 粉体的粒度及其分布的测定

实验1 粉体的粒度及其分布的测定粒度分布的测量在实际应用中非常重要，在工农业生产和科学研究中的固体原料和制品，很多都是以粉体的形态存在的，粒度分布对这些产品的质量和性能起着重要的作用。例如催化剂的粒度对催化效果有着重要影响；水泥的粒度影响凝结时间及最终的强度；各种矿物填料的粒度影响制品的质量与性能；涂料的粒度影响涂饰效果和表面光泽；药物的粒度影响口感、吸收率和疗效等等。因此在粉体加工与应用的领域中，有效控制与测量粉体的粒度分布，对提高产品质量，降低能源消耗，控制环境污染，保护人类的健康具有重要意义。一、实验目的 1、掌握粉体粒度测试的原理及方法。 2、了解影响粉体粒度测试结果的主要因素，掌握测试样品制备的步骤和注意事项。 3、学会对粉体粒度测试结果数据处理及分析。二、实验原理粉体粒度及其分布是粉体的重要性能之一，对材料的制备工艺、结构、性能均产生重要的影响，凡采用粉体原料来制备材料者，必须对粉体粒度及其分布进行测定。粉体粒度的测试方法有许多种：筛分析、显微镜法、沉降法和激光法等。激光法是用途最广泛的一种方法。它具有测试速度快、操作方便、重复性好、测试范围宽等优点，是现代粒度测量的主要方法之一。激光粒度测试时利用颗粒对激光产生衍射和散射的现象来测量颗粒群的粒度分布的，其基本原理为：激光经过透镜组扩束成具有一定直径的平行光，照射到测量样品池中的颗粒悬浮液时，产生衍射，经傅氏（傅里叶）透镜的聚焦作用，在透镜的后焦平面位置设有一多元光电探测器，能将颗粒群衍射的光通量接收下来，光-电转换信号再经模数转换，送至计算机处理，根据夫琅禾费衍射原理关于任意角度下衍射光强度与颗粒直径的公式，进行复杂的计算，并运用最小二乘法原理处理数据，最后得到颗粒群的粒度分布。三、仪器设备 1、制样：超声清洗器、烧杯、玻璃棒、蒸馏水、六偏磷酸钠。 2、测量：Easysizer20激光粒度仪、微型计算机、打印机。四、实验步骤（一）测试准备 1、仪器及用品准备 (1)仔细检查粒度仪、电脑、打印机等，看它们是否连接好，放置仪器的工

纳米粉体的制备方法

纳米粉体的制备方法一、纳米粉体应具备的特性 1、化学成分配比准确：尽量符合化学计量，避免烧结出现液相或阻碍烧结； 2、纯度高：出现液相或影响电性能； 3、成分分布均匀：尤其微量掺杂； 4、粒度要细，尺寸分布范围要窄；结构均匀，密度高； 5、无团聚体：软团聚，硬团聚。二、制备方法分类化学法化学法是指通过适当的化学反应，从分子、原子、离子出发制备纳米物质，它包括化学气相沉积法、化学气相冷凝法、溶胶一凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法，该方法是在一个加热的衬底上，通过一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程，该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好，可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积、等离子体辅助化学气相沉积门、等离子体增强化学气相沉积及激光诱导化学气相沉积等技术。化学气相冷凝法(CVC)主要通过有机高分子热解获得纳米粉体，具体过程是先将反应室抽到或更高真空度，然后注入惰性气体He，使气压达到几百帕斯卡，反应物和载气He从外部系统先进入前部分的热磁控溅射CVD装置由化学反应得到反应物产物的前驱体，然后通过对流达到后部分的转筒式骤冷器，用于冷却和收集合成的纳米微粒。化学沉淀法是在金属盐类的水溶液中控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应，产生水合氧化物或难溶化合物，使溶液转化为沉淀，然后经分离、干燥或热分解而得到纳米级超微粒。化学沉淀法可分为直接沉淀法、均匀沉淀法、共沉淀法和醇盐水解沉淀法。物理法早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法等等。近年来发展了一些新的物理方法，如旋转涂层法将聚苯乙烯微球涂敷到基片上，由于转速不同，可以得到不同的空隙度．然后用物理气相沉积法在其表面上抗积一层膜，经过热处理，即可得到纳米颗粒的阵列。这些方法我们统称为物理凝聚法，物理凝聚法主要分为：（1）真空蒸发靛聚法将原料用电弧高频或等离子体等加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷，使之凝结成纳米微粒。其粒径可通过改变通入惰性气体的种类、压力、蒸发速率等加以控制，粒径可达1—100nm。具体过程是将待蒸发的材料放人容器中的柑锅中，先抽到或更高的真空度，然后注人少量的惰性气体或性2N、3NH等载气，使之形成一定的真空条件，此时加热，使原料蒸发成蒸气而凝聚在温度较低的钟罩壁上，形成纳米微粒。（2）等离子体蒸发凝聚法把一种或多种固体颗粒注人惰性气休的等离子体中，使之通过等离子体之间时完全蒸发，通过骤冷装置使蒸气奴聚制得纳米微粒。通常用于制备含有高熔点金属合金的纳米微粒，如Fe-A1,Nb-Si等。此法常以等离子体作为连续反应器制备纳米微粒。综上所述，物理方法通常采用光、电等技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒，它还包括球磨、喷雾等以力学过程为主的制备技术。物理法的特点是：操作简单，成本低，但产品纯度不高，颗粒分布不均匀，形状难以控制。物理化学方法