纳米材料论文

学院：机电工程学院专业年级：2009级机械五班学生姓名：刘威学号：******** 指导老师：***纳米材料与应用（中南林业科技大学机电工程学院机械专业20091347，湖南长沙，410004）摘要：简要介绍了纳米材料的分类以及它的基本效应，讲解了纳米材料的特殊性能。

分析了新型能源纳米材料中光电转换、热点转换、超级电容器及电池电极的纳米材料；环境净化纳米材料中的光催化、吸附、尾气处理等；较具体的讲述了纳米生物医药材料中纳米陶瓷材料、纳米碳材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。

关键词：纳米材料，性能，应用。

【Abstract】: Briefly introduces the classification of nanomaterials and its basic effect, explaining the nanometer material the special performance. A new energy nanomaterials analyzed in photoelectric conversion, hot conversion, super capacitors and battery electrodes nanometer material; Environmental purification of nanomaterials photocatalytic, adsorption, exhaust handling, etc.; The more specific about nano biological medicine materials nano ceramic material, nano carbon materials, nanometer high polymer materials, nano composite materials.【Keywords】: nanomaterials, performance ,the application.纳米是一个长度单位，1nm=10ˉ9m。

纳米材料是指在结构上具有纳米尺度调制特征的材料，纳米尺度一般是指1~100nm。

当一种材料的结构进入纳米尺度特征范围时，其某个或某些性能会发生明显的变化。

纳米尺度和性能的特异变化是纳米材料必须同时具备的两个基本特征。

按材质，纳米材料可分为纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和纳米复合材料。

其中纳米非金属材料又可细分为纳米陶瓷材料、纳米氧化物材料和其他非金属纳米材料。

按纳米尺度在空间的表达特征，纳米材料可分为零维纳米材料即纳米颗粒材料、一维纳米材料（如纳米线、棒、丝、管和纤维等）、二维纳米材料（如纳米膜、纳米盘和超晶格等）、纳米结构材料即纳米空间材料（如介孔材料）。

按形态，纳米材料可分为纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、纳米膜材料以及纳米液体材料（如磁性液体纳米材料和纳米溶胶等）。

按功能，纳米材料可分为纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏材料以及纳米环保材料等）。

当纳米材料的结构进入纳米尺度调至范围时，会表现出小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等纳米效应。

表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子之比随粒径的变小而急剧增大后引起的性质上的变化。

随着粒径的减小，纳米粒子的表面原子数、比表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。

表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻的原子，有许多剩余键力，易与其他原子结合而稳定具有较高的化学活性。

纳米材料中界面原子所占的体积分数很大，它对材料性能的影响非常显著。

低温超塑性是纳米材料的一个重要特性，普通陶瓷只有在1 000℃以上，在小于一定的应变速率时才能表现出塑性，而许多纳米陶瓷在室温下就会发生塑性变形。

这种纳米陶瓷增韧效应主要归因于大量界面的存在。

而它的塑性变形主要是通过晶粒之间相对滑移而实现的。

而小尺寸效应纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺，利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可通过改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。

对于量子尺寸而言，对于晶粒状态难以发光的间接带隙半导体，当其粒径减少到纳米量级时，会表现出明显的可见光发光现象，且随着粒径的进一步减少，发光强度逐渐增强，这是因为颗粒尺寸为纳米量级时，传统固体理论中量子跃迁选择定则的作用将大大减弱并逐渐消失，并且由于能级的分裂导致发光光谱逐渐蓝移。

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。

用量子相干磁强计研究低温条件下纳米颗粒磁化率对频率的依赖性，证实了在低温确实存在磁的宏观量子隧道效应。

这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，先顶了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。

当材料的结构具有纳米尺寸调制特征时，将呈现许多特异的性能。

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而有纳米超微颗粒压制成的纳米材料却具有良好的韧性，这是因为纳米材料具有很大的界面和比表面积，界面的原子在外力变形的条件下具有很高的扩散速率，因而用纳米粉末进行烧结，致密化速度快，可降低烧结温度，并且表现出甚佳的韧性和一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。

纳米材料的磁性性能拥有许多功效，利用磁性纳米颗粒具有高矫顽力的性能，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。

在低温或超低温下，纳米粒子几乎没有热阻，纳米银微粒的轻烧结体是良好的低温导热材料，超微细氮化铝的导热率即使在常温下也比大块氮化铝的导热率高4~5倍。

悬浮于流体的纳米颗粒可大幅度提高流体的热导率及传热效果，例如在水中添加5%的铜纳米颗粒，热导率可以增大约1.5倍，这对提高冶金工业的热效率有重要意义。

纳米颗粒可表现出同质大块物体不同的光学特性，例如宽频带、强吸收、蓝移现象及新的发光现象，从而可用于发光反射材料、光通讯、光储存、光开光、光过滤材料、光导体发光材料、光学非线性元件、吸波隐身材料和红外线传感器等领域。

纳米颗粒在电学性能方面也出现了许多独特性。

例如纳米金属颗粒在低温下呈现绝缘性，纳米钛酸铅、钛酸钡等颗粒由典型得铁电体变成了顺电体。

可以利用纳米颗粒制作导电浆料、绝缘浆料、电极、超导体、量子器件、静电屏蔽材料压敏和非线性电阻及热电和介电材料等。

纳米粒子的粒径小，表面原子所占比例很大，表面原子拥有剩余的化学键合力，表现出很强的吸附能力和很高的表面化学反应活性。

新制备的金属粒子接触空气，能进行剧烈氧化反应或发光燃烧（贵金属除外）。

纳米材料还广泛应用于环境保护中，它具有能耗低、操作简便、反应条件温和、可减少二次污染等突出特点。

纳米材料在生物学性能也有广泛应用，用纳米颗粒很容易将血样中极少的胎儿细胞分离出来，方法简便，成本低廉，并能准确判断胎儿细胞是否有遗传缺陷。

人工纳米材料由于其所具有的独特性质能满足人类发展中的多样化需求，近年来获得迅速的发展。

目前，越来越多的人工纳米材料已被投放市场，给人们的生活带来巨大的变化和进步。

纳米光电材料是利用纳米材料的一系列介观或量子特性，大大提高光电转换效率、发现和制备新的转换装置或大大降低成本。

目前，纳米光电材料的研究已经在太阳能电池、光电开关、图像记录、光储存、光催化合成以及环境保护等方面取得了重要的进展，为太阳能及其他光能的利用开辟了广泛的途径。

热电材料时一种先进的能量转换材料，通过载流子的移动能静态的进行热能与电能相互转换。

利用热电材料制备的发电器、制冷器、传感器等组件具有体积小、质量轻、结构简单、无介质泄露、无噪声、无磨损、移动方便、使用寿命长等优点，在军事、航天等高科技领域，在废热发电、医学恒温、小功率电源、微型传感器等民用领域有着广泛的应用前景。

中美两国的科学家们合作研发出了具有更高的功率密度（power density）和能量密度（energy density）的超级电容器，该电容器中使用到了包含碳纳米管的复合纳米材料。

作为高效的电能储存装置，超级电容器对大规模网格储能（grid energy storage），电驱动汽车，电动工具，移动电子设备等都是不可或缺的。

超级电容器实际上就是具有高能量密度的电化学电容器。

它一般由两块导体材料（阴极和阳极），以及将两个电极隔开的绝缘体材料所构成。

传统的基于活性炭材料的对称超级电容器的能量密度往往比较有限。

提高能量密度的办法之一是制造以碳材料为阴极，以金属氧化物为阳极的非对称超级电容器。

但是，初步的尝试由于动力学的设计仅局限于很薄的电极薄膜，因而所获得的能量密度比较低。

所以研发同时具有高能量密度和高功率密度的级电容器仍然是材料科学家们所面临的一个难题。

来自美国加州大学洛杉矶分校和中国天津大学的研究人员们合作，将导电性能良好的碳纳米管和高容量的氧化钒编织成多孔的纤维复合材料，并将该复合材料应用到超级电容器的电极上，获得了新型的具有高能量密度和高循环稳定性的超级电容器。

这种超级电容器是非对称的，包含复合材料的阳极和传统的阴极，以及有机的电解质。

其中电极薄膜的厚度要比之前的报道高很多，可以达到100微米上，从而使其可以获得更高的能量密度。

由于其制备过程与传统的锂离子电池和电容器的生产过程近似，研究人员们认为这种新型电容器的可以比较容易地投入大规模生产。

同时，他们也相信该项研究成果向同行们展示了纳米复合材料在高能量、高功率电子设备中的应用前景。

金属空气电池（metal-air battery)被寄予厚望。

据了解，这类电池是特殊的燃料电池，是新一代绿色蓄电池，构造原理与干电池相同，所不同的只是它的去极剂取自空气中的氧。

它的制造成本低、无毒、无污染、比功率高、比能量高、原材料可回收再生利用，与燃料电池汽车（FCHV）所用氢燃料电池相比，结构简单，价格十分便宜，并且性能优越。

例如有一种空气电池，以锌为阳极，以氢氧化钠为电解液，而阴极是多孔的活性炭，因此能吸附空气中的氧以代替一般干电池中的去极剂（二氧化锰）。

此材料具有大比表面积、吸氧性强、优良的催化性和稳定性。

碳贮能材料随着市场对锂离子电池性能要求的不断提高，锂离子电池对负极材料活性物质的要求不断提高。

通过先进碳材料的应用，综合了人造石墨和天然石墨做为锂离子电池负极材料活性物质的优点，克服了它们各自存在的缺点，是满足先进锂离子电池性能要求的新一代碳贮锂材料。

具有下列优点：微观结构稳定性好，适合大电流充放电；表观性状相容性好，适合形成稳定的SEI膜；粒子形貌、粒径分布适应性强，适合不同的加工工艺要求。

适用于先进锂离子电池（液态、聚合物）对下列性能的要求：更高的比能量（体积比、重量比）；更高的比功率；更长的循环寿命；更低的使用成本。