2000年第2453期导弹与航天运载技术MISSILESANDSPACENo32000总第期VEHICLESSumNo245纳米材料的研究现状及展望张‘梅(北京特种工程机械研究所北京100076)陈焕春(北京材料工艺研究所杨绪杰北京陆路德汪信210094)100076)(南京理工大学化工学院南京摘要关键词对纳米材料的发展研究现状进行了综合论述系统地阐述了纳米材料的性质制备表征技术及其应用前景并对目前纳米材料较难实现工业化商品化规模这一状况进行了分析纳米材料制备表征应用TheDeveloPmentandProsPectZhangofNanometerMaterialsMeieringIn(BeijstituteofSpeeialEngineeringMaehinyBeiingjl00076)Che(BenHanuanehuhnnijingInstituteosfMaterialdTeeoogylBeijing100076)Yoooeea(SchlfChmilEnangXuiineIuIudeityoWangXingeeeenoo乙ThlggineernigNanijgUniversfSeienyNaninjg210094)AbstrthesaetspaperThisynzestethesihedeveoplmentofnnanoometermaasterilsystematieaanallystatesesProPertiPreParationvereharatoonanterizatidaPPeatoliifnanoameternidumasterialandlysestheonituatithatit15ydiffieultProdueenanometernmaterasonilstrialandeommereiaelsealKeyWordsNanometermaterialPreparatioCharaeterziationeationAppli1前言果我们得以在细微尺度上控制事物的话毫无疑问这将使材料所具有的物性范围大为扩充纳米材料是一门新兴的并正在迅速发展的材料科学100n纳米材料是指颗粒尺寸在纳米量级(1nm~”纳米材料m)的超细材料n它的尺寸大于原子簇(尺寸小按成分划分可以是金属陶瓷高分子等;按几何条于Im的原子聚集体)而小于通常的微粉处在原正如美国著名物n件分可以是球状片状柱状甚至纳米丝纳米管子簇和宏观物体交界的过渡区域纳米膜等;按相结构分可以是单相多相;根据原子排列的对称性和有序程度有晶态非晶态准晶态理学家诺贝尔奖获得者RPFeymn所言a:“如¹收稿日期20000127张梅女32岁硕士研究生工程师主要从事纳米材料科技信息等领域的研究工作导弹与航天运载技术2000年涉及范围很广纳米材料是凝聚态物理胶体化学量子尺寸效应是指微粒尺寸下降到一定值时配位化学化学反应动力学表面界面等学科的交费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级吸收光谱闭值向短波方向移动的现象纳米材料又学科是现代材料科学的重要组成部分纳米材料在结构物理和化学性质等方面的诱人特征引起材料学家的浓厚兴趣使之成为材料科学领域研究的中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米材料的一系列特殊性质如强氧化性和还原性热点纳米材料对新材料的设计和发展以及人们对“特异性催化和光催化性质等24固体材料本质结构性能的认识都具有十分重要的价值被科学家们誉为2122世纪最有前途的材料比〕”宏观t子隧道效应微观粒子具有贯穿势阱的能力称为隧道效应纳米材料的性质3二〕纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应它们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化这被称为纳米粒21体积效应体积效应又称小尺寸效应当纳米粒子的尺寸子的宏观量子隧道效应用此概念可以定性解释纳米镍晶粒在低温下继续保持超顺磁性现象该效应e波长以及超导态的相干波与传导电子的deBrogli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也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间25长等物理尺寸相当或更小时周期性的边界条件将被破坏熔点磁性光吸收热阻化学活性催化性等与普通粒子相比都有很大变化这就是纳米粒子的体积效应该效应大大扩充了纳米材料的物理化学特性范围为纳米粒子的应用开拓了广阔的新领化学反应性质纳米材料的粒径小表面原子百分数多吸附能域力强表面反应活性高金属纳米粒子易被氧化甚至燃烧暴露在大气中的无机纳米材料会吸附气体22表面效应表面效应是指纳米粒子表面原子数与总原子数形成吸附层正是利用这一性质人们做成了气敏元件以便对不同气体进行检测2之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化纳米粒子尺寸与表面原子数的关系见表11川6光学性质块状金属具有各自的特征颜色但当其晶粒尺表纳米粒子尺寸与表面原子数的关系原子个数数23寸减小到纳米量级时所有金属便都呈黑色且粒径越小颜色越深即纳米晶粒的吸光能力越强纳米晶粒的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响2n粒子半径/m表面原子所占比例102020l05X100只10%%%2125X103080907催化性质由于纳米晶粒体积小比表面积大表面活性中%心数多因而其催化活性和选择性大大高于传统催由表1可见随粒径变小纳米粒子表面原子所:化剂川另外纳米晶粒催化剂没有孔隙从而避免占比例急剧增大纳米晶粒减小的结果导致其表面积表面能及表面结合能都迅速增大具有不饱和性了诸多目前在科研和工业生产中由于普遍使用常规催化剂所引起的反应物向其内孔缓慢扩散带来的某些副反应产物的生成并且这类催化剂不必要附着在惰性载体上使用可直接放人液相反应体系中反质致使它表现出很高的化学活性23t子尺寸效应应产生的热量会随着反应液流动而不断向周围扩第3期张梅等纳米材料的研究现状及展望散从而保证不会因局部过热导致催化剂结构破坏而失去活性的纳米材料的制备b)深度塑性变形法纳米材料吸收光能后原有的束缚态电子空穴对变为激发态电子空穴并向纳米晶粒表面扩散电子空穴到达表面的数量多则光催化效率高反应活性高反应速度快纳米材料的光催化性已广泛应深度塑性变形法是指材料在准静态压力的作用下发生的严重塑性形变从而使材料的尺寸细化到纳米量级好该方法制备的材料纯度高粒度可控性用于抗菌水处理装置食品包装卫生日用品化妆品纺织品医用设备建材和涂料等方面28C)物理气相沉积法(PVD)PVD法是在低压的惰性气体中加热欲蒸发的物质使之气化或形成等离子体再在惰性气体中冷其它性质a凝成纳米粒子加热源可以是电阻高频感应电子)硬度高可塑性强5纳米金属的强度比普通2束或激光等其中以真空蒸发法最为常用粒子的粒径大小及分布可以通过改变气体压力和加热温度进金属高倍一10倍硬度提高个~3个数量级;普0通陶瓷是脆性材料而室温下纳米陶瓷却变成了韧性材料可以任意弯曲塑性变形高达10b)高比热和热膨胀行控制该方法制备的纳米材料纯度高工艺过程中无其它杂质污染反应速度快结晶组织好粒度可%纳米铅的比热比多晶态铅控但技术设备要求较高31此外还有物理粉碎法增加25%一50%;纳米铜的热膨胀系数比普通铜成低能团簇束沉积技术方法真空溅射法等2a倍增大c纳米材料的化学制备)溶胶凝胶(501Gel)法巨)高导电率和扩散性晶粒尺寸为s,”nm的纳”〕米铜的自扩散系数比普通铜增大10倍;由于纳米501Gel法是以有机或无机盐为原料在有机介材料的量子隧道效应使其中的电子运输表现出反质中进行水解缩聚反应使溶液经溶胶凝胶化过程得到凝胶凝胶经加热(或冷冻)干燥锻烧得到纳常因而可使某些合金的电阻率下降d)烧结温度低和烧结收缩大310。倍以上普通钨粉需在11Gel法具有工艺简单反应物种多各组米粒子500OC高温时烧结而当掺人0%一05%的纳分混合均匀性好合成温度低粒度小单分散性好米镍粉后烧结成型温度可降低到C1200C~1311产品纯度高过程易控制等优点在陶瓷材料氧化物材料的制备中占据了较重要的位置但该方法制备过程要在有机介质中进行成本较高b)水热合成法巨’2此外纳米材料在熔点蒸气压磁化率矫顽力相变温度超导等许多方面也显示出与宏观晶体材料不同的特殊性能〕水热法制备纳米材料是高温高压下在水溶液3纳米材料的制备和表征(或蒸气等流体)中合成再经分离和后处理而得到纳米粒子31优点是不需要高温烧结产物直接为晶纳米材料的制备态因此颗粒团聚减少粒度均匀形状比较规则反纳米材料的制备总体上可分为物理方法化学1。方法两种,一:应条件改变可得到不同结晶形态和不同晶体构造的产物水热法可以制备包括金属氧化物和复合氧化物在内的产物但也主要集中在陶瓷氧化物材料的311纳米材料的物理制备)机械球磨法a制备中而且该方法也不适用于对水敏感的起始原利用球磨方法控制条件应是纯元素合金或复料的纳米材料的制备c合材料的纳米粒子料的制备主要适用于纯金属单质纳米材)化学沉淀法巨‘3“〕也可以通过颗粒间的固相反应直接合成将沉淀剂加人金属盐溶液中得到沉淀后进行热处理包括直接沉淀共沉淀均匀沉淀等该法简化合物该方法操作简单但产品的纯度低粒度分布不均匀适用于对材料纯度等要求不高需求量大单易行最经济但沉淀在洗涤过滤和干燥时易团导弹与航天运载技术2000年聚纯度低颗粒半径大d)行表征苯热合成法在苯溶液中进行高温高压反应合成纳米粒子该法纯度高分散性好粒度分布窄适合4应用皿族~V由于纳米材料具有许多优异的性能从而使纳米材料呈现出许多不同于常规材料的新奇特性展示了广阔的应用前景阶,,族半导体纳米材料的制备e)化学气相沉积法(CVD)〕采用与PVD法相同的加热源将原料转化为气相再通过化学反应生成所需要化合物CVD法又41催化方面纳米材料具有良好的催化活性和催化反应选择〕可分为气相氧化法气相合成法气相热解法和气相氢火焰法该法制备的纳米颗粒粒度细化学活性性〔’日目前在高分子聚合物氧化还原及合成反应高分散性好但技术设备要求较高此外还有有机液相合成法二’‘中可直接用纳米态铂黑银氧化铝氧化铁等作催〕电化学方法气溶胶法微乳液和固化剂大大提高了反应效率;用Rh纳米粒子作光解3态置换反应法等32水催化剂比常规催化剂产率提高2个~级;在火箭发射用的固体燃料推进剂中个数量如添加约纳米材料的表征技术)a1(wt)%的纳米镍微粒每克燃料的燃烧热可增加透射电子显微镜(TEM)可用于观测纳米粉一倍用粒径为30nm的Ni作环辛二烯加氢生成环0末的形态尺寸粒径大小粒径分布范围分布状况辛烯反应的催化剂选择性为21化剂时选择性仅为24;而用传统Ni催等并用统计平均方法计算粒径纳米粉末的物相组成(HFMW)Seherrer纳米材料催化剂的催化反应b)X射线粉末衍射(XRD)可用于分析测试选择性还表现出特异性如用硅载体纳米镍催化剂对丙醛的氧化反应研究表明镍粒径在时反应选择性发生急剧变化生成乙醇的选择性迅猛上升晶型用半高宽化法snm以下根据Seherrer公式计算平均粒径其B(2夕)=0方程为94久/(Leos—醛分解得到控制o);利用纳米材料的光催化性质来处理废水和改善久一0.式中cB(20)n为主峰半峰宽所对应的弧度值;环境是一种行之有效的方法Fe0CrOZ将醇盐法合成的掺杂32一165784m(使用铜靶)L为粒径23:O光催化剂用于处理含50的TI和)BET比表面吸附可用于测试样品的比表面72一的废水结果见表2所示川Z发现纳米TIO::积根据公式d一6/(川计算平均粒径式中d为;平均粒径;:为测得的比表面积P为样品密度的光催化活性比普通Tio:粉末(约为10拌m)高得d)X射线光电子能谱(XPS)俄歇电子能谱(AES)可用于测试纳米粒子的结构特征多另外借助纳米半导体材料利用太阳能光催化分解无机物和有机物的方法已受到广泛重视表2)e等离子体光谱(ICP)测试仪对样品进行化光催化剂时间转化率的关系234学组成和含量分析)f紫外分光光度计用于测试样品的光学性反应时间/h光催化剂剂能转化率(%)9682297g)高分辨率低压扫描电镜(LVSEM)由于纳米TIOZ(还原)099869988LVSEM人射电子作用范围微观化样品辐照损伤O(氧化)纳米TI309999减轻对成像敏感的聚合材料十分重要可测试粒子的组织结构近年来倍受人们重视此外还可以应用红外光谱(IR)原子吸收光谱拉曼光谱核磁共普通普通注TioTIOTIO:粉(还原)粉(氧化)6231599810210:粉末在空气中经:ZOOC焙烧活化后再在20C下振技术热分析技术等对纳米材料的结构和性能进:通O或HZh第43期张梅等纳米材料的研究现状及展望2光电转化方面纳米材料在光电转化方面具有广泛的应用前彩电冰箱空调洗衣机等的零部件采用纳米复合材料后其耐热耐磨耐阻隔等性能均有提高纳米景研究表明利用半导体纳米材料可以制备出光电粒子的高比表面高活性使之在传感器方面成为最有前途的材料转化效率更高的即使在阴雨天也能正常工作的新型太阳能电池;纳米金属微粒以晶格形式沉积在硅表面后可以成为高效电子元器件及高密度信息存贮外界环境的改变会迅速引起材料表面或界面离子价态和电子空穴的变化利用其电阻的显著变化可以制成传感器获取各种生化信息和电化学信息其特点是响应速度快灵敏度高另外材料;利用纳米材料对紫外光的吸收特性制作的日光灯管不仅可以减少紫外光对人体的损害而且可以提高灯管的使用寿命所以纳米红外反射材料在由于纳米粒子的小尺寸使它们可以在血液中自由活动因此可以用来检查身体各部位的病变和治疗灯管制造业有很好的应用前景4纳米材料的颜色随粒径尺寸不同而改变粒径越小则颜色越深为此可选择体积适当且粒径均3宇航方面1999年据美国《航空与航天技术周刊》4匀的纳米材料制备各种颜色的印刷油墨以代替传月报统的化学颜料配色工艺纳米材料的颜色不仅随粒道美空军研究实验室材料部正在研究一系列新型径而变还具有随角变色效应例如将纳米Tio:添宇航材料及制造技术这是发展先进的航天发射系加在汽车轿车等金属闪光面漆中能使涂层产生丰富而神秘的色彩效果从而使传统汽车面漆旧貌换新颜故随角变色效应颜料倍受汽车配色业内人士的厚爱统和航天器系统所需要的全新探测器结构和光学器件的基础新材料涉及到纳米材料如利用掺有金属聚合物的纤维(即纳米复合材料)可以生产既轻又薄的膜用来制造太空镜光学部件天线等大型此外纳米材料广泛用于护肤产品包装材料木器保护农用塑料薄膜抗菌剂磁性材料以及天然人造纤维和人工智能等方面薄膜构件高强度纳米泡沫膜和网状成型处理“”“”工艺以此来制造接近抛物线的凹面膜纳米复合材料用于制造火箭发动机的冷却管路加人粘土的纳米复合材料可以在约16505结束语纳米材料属于当代材料科学的前沿学科由于C的高温下工作605超强纳米相铝合金将用于提高火箭发动机的性能纳米材料具有许多优异的性能当前对它的研究十分活跃已开发出了一些产品但一直较难实现工业化商品化规模主要原因是纳米粒子可作隐身材料纳米粒子对不同波段的电磁波有强烈的吸收作用包括红外线雷达波且其尺寸远小于红外线和雷达波波长透射率较高:)现有的制备技术还a不够成熟已取得的成果还停留在实验室和小规模生产阶段对生产规模扩大时涉及到的工程技术问所以反射信号强度大大降低达到隐身作用且粒子密度小在宇航方面应用前景广阔44题认识不够b)制备工艺还不够先进成本较高能够工业化生产纳米材料的设备有待进一步研究和改其它方面纳米材料的小尺寸效应使得通常在高温才能烧ICBC等在纳米尺度下在较低的温度结的材料如S进以提高产量并降低粉末的成本。)纳来材料的性能稳定控制技术尚未掌握纳米材料在空气中极易氧化吸湿团聚性能很不稳定这些问题都有待于今后不断解决纳米材料的研究将为发展新型材即可烧结纳米材料可以掺人到陶瓷材料中作为活性剂使用从而在烧结过程中降低烧结温度缩短烧料提供新的思路和途径也为常规的复合材料的研究提出新的课题通过纳米材料的合成及性质研究结时间据报道青岛海尔集团已率先将纳米技术运用到家电用工程塑料上海尔电熨斗的隔热板采用势必把科学技术各领域研究推向一个新的层次也必将给科学技术各领域研究带来新的机遇和挑战纳米复合材料后其耐热性能较以前有了质的飞跃导弹与航天运载技术2000年参1考文献张立德牟季美纳米材料学沈阳辽宁科技出版社199423严东生冯端材料新星SternitzkeMtureDserbyBee—.纳米材料科学长沙湖南科学技术出版社1997BrookRJuieoAlmina/silnearbidenanoeompositesbyhybridpolymeroer/pwdproeessnigmiero45strueandmhaniealpropertiesJAmCeramSoe199881(1)41~48李玉增纳米结构材料Zhuyingehplasmas有色与稀有金属国外动态MinhuiDin1998(8)a1一2nonstrueunHuanggChuanxianetlInvestigatioturaltransformofnanotiraniapowdersduringprayingprcoessJInorgMater199813(6)923~92667张池明超微粒子的化学特性化学通报AkhtarMK1993(8)tureanu20~23VoremurySetalNanostruesMaterialJAmCeramaSoe199275(12)3408~34148SuzukiYnanoMgaanPEDnoekiSTMaeturnfignanodiphasiematerilsfromnaturaldolomiteInsituobservaontiofPharaseformontibehaviorJAmNgCeramwoSmpne199780(11)2949~2953tura9NiihaKeNakahiraASekionTenanoeoosteistrueleeramiesoMaasterilResearehoSeietya1992405一41210ZhuYinghunHuangnuMihiDinChuanxaietalPreparatonifnanoPhasetitaniafilmasbyplmsnprayigJKoreanVae3又19976(l)23~26n陈晓阳孙雅茹等溶胶凝胶法制备纳米Sn(〕材料传感器世界194(10)0~113~1147(2)21陈代荣孟祥建偏钦酸作前驱体水热合成Tio微粉无机材料学报199712(1)1103林元华张中太袁方利等1化学沉淀法制备纳米金红石型Tio粉体及其性能表征材料科学与工艺19990一1151617卫志贤刘荣杰等均匀沉淀法制备纳米氧化物工艺分析西北大学学报19828(5)407一41223(3)顾培芷张伟儒李勇等i3N/SIC纳米复相陶瓷采用有机先驱备S硅酸盐学报1995626~271计齐根都有为昊伟纳米复合磁性材料的研究现状袁苏宜金属功能学报199819962)4(9~5纳米材料研究的进展广东有色金属学报82)15(2一13081王听孙康宁尹衍升等纳米复合陶瓷材料研究进展复合材料学报199916(1)15~0110航天飞机将进行负责航天飞机飞行的期望在国家航宇局度的财政预算中能有一大笔经费用于的改进以保证它们能够安全飞行9项安全改进2001年为前提的据称9项改进计划所需经费多少不等少的只4台航天飞机轨道器需600万美元而多的则需要1亿美元以上经过这些改进经航宇局确认为保证后航天飞机发生灾难性事故的概率将由现在的1/500降低航天飞机安全飞行必须优先进行9项改进而进行这9项改进约需5年时间花费几亿美元到1/10009项安全改进项目为)a用蓄电池动力系统取在2001年的预算中除代用于驱动轨道器液压泵的脱驱动涡轮;)b舱使复杂的控制程序更加自动化;)d给航天飞机火了正常维持每年运行的费用外要增加1亿美元在航宇局2000年度的预算中追加了2对航天飞机的安全改进国会已经。箭助推器增加一个先进的推力向量控制系统;)改进驾驶500万美元用于启动给主着陆装置设计航天飞机负责计划从航天飞万美元即共计一个更加坚固的轮胎;)e给航天飞机装配一套主发动机健;f康监控设备)机2000年的正常操作经费中再拿出2505改进主发动机采用大型主燃烧室和先进喷00万美元用于某些安全改进项目的初步设计工作约管;g)增大用来把一对固体助推器固定到轨道器上的硬件的强度;h)改进固体火箭推进剂的形状以减少伤害发动翰逊航天中心航天飞机计划发展部负责人称国家航宇局高层负责人和白宫预算去年12月已经批准了一项关i采用不同的焊接技术来增大航天机加工人员的危险性;)于对航天飞机轨道器及其推进系统进行9项安全改进的5飞机外贮箱的强度年计划当然这项计划是以航天飞机一直要飞行到2012年(西印供稿)
