第一篇：淺談納米材料在電池中的應(yīng)用

淺談納米材料在電池中的應(yīng)用

[論文關(guān)鍵詞]：納米材料 電池 復(fù)合材料

[論文摘要]：納米材料的小孔徑效應(yīng)和表面效應(yīng)與化學(xué)電源中的活性材料非常相關(guān)，作為電極的活性材料納米化后，表面增大，電流密度會(huì)降低，極化減小，導(dǎo)致電容量增大，從而具有更良好的電化學(xué)活性。特別是最富特征的一維納米材料納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學(xué)貯能材料和高性能復(fù)合材料等方面的研究已取得了重大突破，因而開辟了全新的科學(xué)研究領(lǐng)域。

一、堿性鋅錳電池材料

（一）納米級(jí)γ-ＭｎＯ2

夏熙等利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應(yīng)法合成制得納米級(jí)γ-ＭｎＯ2用作堿錳電池正極材料。發(fā)現(xiàn)純度不佳，但與ＥＭＤ以最佳配比混合，可大大提高第2電子當(dāng)量的放電容量，也就是可出現(xiàn)混配效應(yīng)。若制得的納米γ-ＭｎＯ2純度高時(shí)，本身的放電容量即優(yōu)于ＥＭＤ。

（二）摻Ｂｉ改性納米ＭｎＯ2

夏熙等通過加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2，采用納米級(jí)和微米級(jí)改性摻Ｂｉ、ＭｎＯ2混配的方法，放電容量都有不同程度的提高，并且存在一個(gè)最佳配比。通過摻Ｂｉ在充放電過程中形成一系列不同價(jià)態(tài)的Ｂｉ、Ｍｎ復(fù)合物的共還原和共氧化，有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成，可極大地改善電極的可充性。

（三）納米級(jí)α-ＭｎＯ2

采用固相反應(yīng)法合成不含雜質(zhì)陽(yáng)離子的納米αＭｎＯ2，粒徑小于50nｍ，其電化學(xué)活性較高，放電容量比常規(guī)粒徑ＥＭＤ更大，尤其適于重負(fù)荷放電，表現(xiàn)出良好的去極化性能，具有一定的開發(fā)和應(yīng)用潛力。

（四）納米級(jí)ＺｎＯ

堿錳電池中的電液要加入少量的ＺｎＯ，以抑制鋅負(fù)極在電液中的自放電。ＺｎＯ在電液中的分散越均勻，越有利于控制自放電。納米ＺｎＯ在我國(guó)已應(yīng)用于醫(yī)藥等方面。由于堿錳電池朝著無汞化發(fā)展，采用納米ＺｎＯ是可選擇的方法之一。應(yīng)用的關(guān)鍵是要注意納米

ＺｎＯ材料的表面改性問題。

（五）納米級(jí)Ｉｎ2Ｏ3

Ｉｎ2Ｏ3是堿錳電池的無機(jī)代汞緩蝕劑的選擇之一，目前已開發(fā)并生產(chǎn)出無汞堿錳電池用高純納米Ｉｎ2Ｏ3，該材料具有比表面積大，分散性好，緩蝕效果更佳的特點(diǎn)，應(yīng)用于無汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產(chǎn)生的作用。

二、在ＭＨ/Ｎｉ電池中的應(yīng)用

（一）納米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2

有人用沉淀轉(zhuǎn)化法制備了納米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2，并發(fā)現(xiàn)納米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2比微米級(jí)Ｎｉ（ＯＨ）2具有更高的電化學(xué)反應(yīng)可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學(xué)氧化還原過程中極化較小，充電效率高，活性物質(zhì)利用更充分，而且顯示出放電電位較高的特點(diǎn)。趙力等人用微乳液法制備納米β Ｎｉ（ＯＨ）2，粒徑為40～70ｎｍ。該方法較易控制納米顆粒粒徑大小，并且所制得的納米材料呈球型或橢球形，適用于某些對(duì)顆粒狀有特殊要求的場(chǎng)合，如作為氫氧化鎳電極的添加劑，按一定比例摻雜，可使Ｎｉ（ＯＨ）2的利用率顯著提高，尤其當(dāng)放電電流較大時(shí)，利用率可提高12%。

（二）納米晶貯氫合金

陳朝暉等利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶ＬａＮｉ5，平均粒徑約20ｎｍ，采用該材料制備的電極與粗晶ＬａＮｉ5制備的電極相比，具有相當(dāng)?shù)姆烹娙萘浚玫幕罨匦裕溲h(huán)壽命較短。

三、鋰離子電池材料

（一）陰極材料納米ＬｉＣｏＯ2

夏熙等用凝膠法制備的納米ＬｉＣｏＯ2，放電容量為103ｍＡｈ/ｇ，充電容量為109ｍＡｈ/ｇ，長(zhǎng)平臺(tái)在39Ｖ處，有明顯提高放電平臺(tái)的效果，循環(huán)穩(wěn)定性也大為提高，但未見有混配效應(yīng)。低熱固相反應(yīng)法合成納米ＬｉＣｏＯ2，發(fā)現(xiàn)了混配效應(yīng):以一定比例與常規(guī)ＬｉＣｏＯ2進(jìn)行混配，做成電池測(cè)試，充電容量可達(dá)132ｍＡｈ/ｇ，放電容量為125ｍＡｈ/ｇ，放電平臺(tái)在39Ｖ，由于納米顆粒增大了比表面積，令Ｌｉ+更易嵌入和脫出，削弱了極化現(xiàn)象，循環(huán)性能比常規(guī)ＬｉＣｏＯ2明顯提高，顯示出較好的性能。

（二）納米陽(yáng)極材料

中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所“碳納米管和其它納米材料”的研究工作取得了階段性成果。制得的碳納米管層間距離為0.34ｎｍ，略大于石墨的層間距0.335ｎｍ，這有利于Ｌｉ+的嵌入和脫出，它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Ｌｉ+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入，而且可防止因溶劑化Ｌｉ+的嵌入引起石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。實(shí)驗(yàn)表明，用該材料作為添加劑或單獨(dú)用作鋰離子電池的負(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的嵌Ｌｉ+容量和穩(wěn)定性。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等用有機(jī)物催化熱解法制備出單壁納米碳管和多壁納米碳管。他們的研究表明用納米碳管作為電極，比容量可達(dá)到1100ｍＡｈ/ｇ，且循環(huán)性能穩(wěn)定。香港科技大學(xué)用多孔的沸石晶體作載體，首次成功研制出尺寸最小，全球最細(xì)且排列規(guī)整的0.4nｍ單壁納米碳管，繼而又發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)溫度15℃以下呈現(xiàn)出特殊的一維超導(dǎo)特性。

四、電容器材料

由可充電電池和電容器共同組合的復(fù)合電源系統(tǒng)引起了人們的濃厚興趣，特別是環(huán)保電動(dòng)汽車研究的興起，這種復(fù)合電源系統(tǒng)可在汽車啟動(dòng)、爬坡、剎車時(shí)提供大功率電源，因而可以降低電動(dòng)車輛對(duì)蓄電池大功率放電的限制要求，大大延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)使用壽命，從而提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性。近年來以納米碳管為代表的納米碳材料的研究和作為電極材料的應(yīng)用，為更高性能的電化學(xué)超級(jí)電容器的研究開辟了新的途徑。清華大學(xué)用催化裂解丙烯和氫氣混合氣體制備碳納米管原料，再采用添加粘結(jié)劑或高溫?zé)釅旱墓に囀侄沃苽涮技{米管固體電極，通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚恚频玫奶技{米管電極具有極高的比表面積利用率。用納米碳管和ＲｕＯ2的復(fù)合電極制備雙電層法拉第電容器，在納米碳管比表面積為150ｍ2/ｇ時(shí)，電容量可達(dá)20Ｆ/ｇ左右。清華大學(xué)已經(jīng)制備出電容量達(dá)100Ｆ的實(shí)驗(yàn)室樣品。在充分利用納米材料的表面特性和中空結(jié)構(gòu)上，納米碳管是目前最理想的超級(jí)電容器材料。

五、結(jié)束語

首先，材料的先進(jìn)性必然會(huì)推動(dòng)電池的先進(jìn)性，因此納米材料技術(shù)在電化學(xué)領(lǐng)域具有十分廣闊的前景，不僅可使傳統(tǒng)的電池性能達(dá)到一個(gè)新的高度，更有望開發(fā)出新型的電源。其次，由于納米材料的研究目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段，因此如何制得粒徑可控的納米顆粒，解決這些顆粒在貯存和運(yùn)輸過程中的團(tuán)聚問題，簡(jiǎn)化合成方法，降低成本，是今后實(shí)用化應(yīng)注意的問題。再次，納米材料技術(shù)在電池中應(yīng)用時(shí)，應(yīng)注意相關(guān)工藝的匹配，并綜合考慮成本，如利用材料的混配效應(yīng)，而不能僅僅是材料取代的簡(jiǎn)單考慮。

第二篇：納米材料在電池中的應(yīng)用(一)要點(diǎn)

納米材料在電池中的應(yīng)用(一)

納米材料的小孔徑效應(yīng)和表面效應(yīng)與化學(xué)電源中的活性材料非常相關(guān),作為電極的活性材料納米化后,表面增大,電流密度會(huì)降低,極化減小,導(dǎo)致電容量增大,從而具有更良好的電化學(xué)活性。特別是最富特征的一維納米材料———納米碳管在作為新型貯鋰材料、電化學(xué)貯能材料和高性能復(fù)合材料等方面的研究已取得了重大突破,因而開辟了全新的科學(xué)研究領(lǐng)域。堿性鋅錳電池材料 1 1 納米級(jí)γ-ＭｎＯ2

夏熙等利用溶膠凝膠法、微乳法、低熱固相反應(yīng)法合成制得納米級(jí)γ ＭｎＯ2用作堿錳電池正極材料。發(fā)現(xiàn)純度不佳,但與ＥＭＤ以最佳配比混合,可大大提高第2電子當(dāng)量的放電容量,也就是可出現(xiàn)混配效應(yīng)。若制得的納米γ ＭｎＯ2純度高時(shí),本身的放電容量即優(yōu)于ＥＭＤ。2 摻Ｂｉ改性納米ＭｎＯ2

夏熙等通過加入Ｂｉ2Ｏ3合成得到改性ＭｎＯ2,采用納米級(jí)和微米級(jí)改性摻Ｂｉ ＭｎＯ2混配的方法,放電容量都有不同程度的提高,并且存在一個(gè)最佳配比。通過摻Ｂｉ在充放電過程中形成一系列不同價(jià)態(tài)的Ｂｉ Ｍｎ復(fù)合物的共還原和共氧化,有效抑制Ｍｎ3Ｏ4的生成,可極大地改善電極的可充性。3 納米級(jí)α-ＭｎＯ2 采用固相反應(yīng)法合成不含雜質(zhì)陽(yáng)離子的納米α ＭｎＯ2,粒徑小于50ｎｍ,其電化學(xué)活性較高,放電容量比常規(guī)粒徑ＥＭＤ更大,尤其適于重負(fù)荷放電,表現(xiàn)出良好的去極化性能,具有一定的開發(fā)和應(yīng)用潛力。4 納米級(jí)ＺｎＯ

堿錳電池中的電液要加入少量的ＺｎＯ,以抑制鋅負(fù)極在電液中的自放電。ＺｎＯ在電液中的分散越均勻,越有利于控制自放電。納米ＺｎＯ在我國(guó)已應(yīng)用于醫(yī)藥等方面。由于堿錳電池朝著無汞化發(fā)展,采用納米ＺｎＯ是可選擇的方法之一。應(yīng)用的關(guān)鍵是要注意納米ＺｎＯ材料的表面改性問題。5 納米級(jí)Ｉｎ2Ｏ3 Ｉｎ2Ｏ3是堿錳電池的無機(jī)代汞緩蝕劑的選擇之一,目前已開發(fā)并生產(chǎn)出無汞堿錳電池用高純納米Ｉｎ2Ｏ3,該材料具有比表面積大,分散性好,緩蝕效果更佳的特點(diǎn),應(yīng)用于無汞堿錳電池具有良好的抑制氣體產(chǎn)生的作用。在ＭＨ/Ｎｉ電池中的應(yīng)用 2 1 納米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2

周震等人用沉淀轉(zhuǎn)化法制備了納米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2,并發(fā)現(xiàn)納米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2比微米級(jí)Ｎｉ(ＯＨ)2具有更高的電化學(xué)反應(yīng)可逆性和更快速的活化能力。采用該材料制作的電極在電化學(xué)氧化還原過程中極化較小,充電效率高,活性物質(zhì)利用更充分,而且顯示出放電電位較高的特點(diǎn)。趙力等人用微乳液法制備納米β Ｎｉ(ＯＨ)2,粒徑為40～70ｎｍ。該方法較易控制納米顆粒粒徑大小,并且所制得的納米材料呈球型或橢球形,適用于某些對(duì)顆粒狀有特殊要求的場(chǎng)合,如作為氫氧化鎳電極的添加劑,按一定比例摻雜,可使Ｎｉ(ＯＨ)2的利用率顯著提高,尤其當(dāng)放電電流較大時(shí),利用率可提高12%。2 納米晶貯氫合金

陳朝暉等利用電弧熔煉高能球磨法制備出納米晶ＬａＮｉ5[6],平均粒徑約20ｎｍ,采用該材料制備的電極與粗晶ＬａＮｉ5制備的電極相比,具有相當(dāng)?shù)姆烹娙萘?更好的活化特性,但其循環(huán)壽命較短。鋰離子電池材料 1 陰極材料———納米ＬｉＣｏＯ2

夏熙等用凝膠法制備的納米ＬｉＣｏＯ2,放電容量為103ｍＡｈ/ｇ,充電容量為109ｍＡｈ/ｇ,長(zhǎng)平臺(tái)在3 9Ｖ處,有明顯提高放電平臺(tái)的效果,循環(huán)穩(wěn)定性也大為提高,但未見有混配效應(yīng)。低熱固相反應(yīng)法合成納米ＬｉＣｏＯ2,發(fā)現(xiàn)了混配效應(yīng):以一定比例與常規(guī)ＬｉＣｏＯ2進(jìn)行混配,做成電池測(cè)試,充電容量可達(dá)132ｍＡｈ/ｇ,放電容量為125ｍＡｈ/ｇ,放電平臺(tái)在3 9Ｖ,由于納米顆粒增大了比表面積,令Ｌｉ+更易嵌入和脫出,削弱了極化現(xiàn)象,循環(huán)性能比常規(guī)ＬｉＣｏＯ2明顯提高,顯示出較好的性能。2 納米陽(yáng)極材料

中國(guó)科學(xué)院成都有機(jī)化學(xué)研究所“碳納米管和其它納米材料”的研究工作取得了階段性成果。制得的碳納米管層間距離為0 34ｎｍ,略大于石墨的層間距0 335ｎｍ,這有利于Ｌｉ+的嵌入和脫出,它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可使Ｌｉ+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入,而且可防止因溶劑化Ｌｉ+的嵌入引起石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。實(shí)驗(yàn)表明,用該材料作為添加劑或單獨(dú)用作鋰離子電池的負(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的嵌Ｌｉ+容量和穩(wěn)定性。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所等用有機(jī)物催化熱解法制備出單壁納米碳管和多壁納米碳管。他們的研究表明用納米碳管作為電極,比容量可達(dá)到1100ｍＡｈ/ｇ,且循環(huán)性能穩(wěn)定。香港科技大學(xué)用多孔的沸石晶體作載體,首次成功研制出尺寸最小,全球最細(xì)且排列規(guī)整的0 4ｎｍ單壁納米碳管,繼而又發(fā)現(xiàn)在超導(dǎo)溫度15℃以下呈現(xiàn)出特殊的一維超導(dǎo)特性。電容器材料

由可充電電池和電容器共同組合的復(fù)合電源系統(tǒng)引起了人們的濃厚興趣,特別是環(huán)保電動(dòng)汽車研究的興起,這種復(fù)合電源系統(tǒng)可在汽車啟動(dòng)、爬坡、剎車時(shí)提供大功率電源,因而可以降低電動(dòng)車輛對(duì)蓄電池大功率放電的限制要求,大大延長(zhǎng)蓄電池循環(huán)使用壽命,從而提高電動(dòng)汽車的實(shí)用性。近年來以納米碳管為代表的納米碳材料的研究和作為電極材料的應(yīng)用,為更高性能的電化學(xué)超級(jí)電容器的研究開辟了新的途徑。清華大學(xué)用催化裂解丙烯和氫氣混合氣體制備碳納米管原料,再采用添加粘結(jié)劑或高溫?zé)釅旱墓に囀侄沃苽涮技{米管固體電極,通過適當(dāng)?shù)谋砻嫣幚?制得的碳納米管電極具有極高的比表面積利用率。用納米碳管和ＲｕＯ2的復(fù)合電極制備雙電層法拉第電容器,在納米碳管比表面積為150ｍ2/ｇ時(shí),電容量可達(dá)20Ｆ/ｇ左右。清華大學(xué)已經(jīng)制備出電容量達(dá)100Ｆ的實(shí)驗(yàn)室樣品。在充分利用納米材料的表面特性和中空結(jié)構(gòu)上,納米碳管是目前最理想的超級(jí)電容器材料。結(jié)束語

ａ 材料的先進(jìn)性必然會(huì)推動(dòng)電池的先進(jìn)性,因此納米材料技術(shù)在電化學(xué)領(lǐng)域具有十分廣闊的前景,不僅可使傳統(tǒng)的電池性能達(dá)到一個(gè)新的高度,更有望開發(fā)出新型的電源。

ｂ 由于納米材料的研究目前大多處于實(shí)驗(yàn)室階段,因此如何制得粒徑可控的納米顆粒,解決這些顆粒在貯存和運(yùn)輸過程中的團(tuán)聚問題,簡(jiǎn)化合成方法,降低成本,是今后實(shí)用化應(yīng)注意的問題。

ｃ 納米材料技術(shù)在電池中應(yīng)用時(shí),應(yīng)注意相關(guān)工藝的匹配,并綜合考慮成本,如利用材料的混配效應(yīng),而不能僅僅是材料取代的簡(jiǎn)單考慮。

第三篇：碳基薄膜在納米晶TiO2 DSSC 電池中的應(yīng)用和性能研究

碳基薄膜在納米晶TiO2 DSSC 電池中的應(yīng)用和性能研究

作 者：**

（電子工程學(xué)院、集成電路0701）

指導(dǎo)教師：**(西安郵電學(xué)院、講師)摘要：

染料敏化太陽(yáng)能電池(DSSC)是新一代的光電池，有著極大的應(yīng)用前景。本文在查閱大量DSSC相關(guān)資料的基礎(chǔ)上，介紹了染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)、工作原理；采用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝、絲網(wǎng)印刷和電泳沉積等多種技術(shù)，設(shè)計(jì)制備出碳基薄膜對(duì)電極的染料敏化納米晶TiO2太陽(yáng)能電池。另外，做出了工作總結(jié)并展望染料敏化電池的發(fā)展。具體的內(nèi)容如下：

1、采用Protel軟件設(shè)計(jì)出染料敏化太陽(yáng)能電池的基本結(jié)構(gòu)，繪制出光繪片；

2、利用半導(dǎo)體工藝中的勻膠、曝光、顯影和刻蝕等技術(shù)，在ITO玻璃上制備出染料敏化太陽(yáng)能電池的電極；

3、采用超生波分散技術(shù)制備出TiO2漿料，并利用絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷TiO2漿料，經(jīng)燒結(jié)后形成染料敏化太陽(yáng)能電池的光陽(yáng)極。

4、采用電泳沉積技術(shù)在光陰極玻璃電極上電鍍碳基薄膜，采用金相顯微鏡對(duì)TiO2膜和碳薄膜進(jìn)行表征。

5、采用熱封膜對(duì)電池組件進(jìn)行封裝，并利用微量進(jìn)樣器注入電解液。

6、在太陽(yáng)能模擬光源的條件下，用萬用表進(jìn)行電池測(cè)試。

7、分析表征圖像和測(cè)試數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池，納米TiO2薄膜，染料敏化，碳對(duì)電極

Author: Chen Xin(Electronic Engineering,IC design and intergration system,grade 2007,class 01)

Faculty adviser:Shang Shi-guang Xi’an University of Post and Telecommunications,lectuer

Abstract Dye-sensitized Solar Cells(DSSC)are the next generation solar cells with great application prospect.In this paper, based on the relative reference of dye-sensitized solar cells, the structure and working principle of dye-sensitized solar cell are described.The design and preparation of dye-sensitized nanocrystalline TiO2 solar cells with carbon-based films were completed by conventional semiconductor process, screen printing and electrophoretic deposition technology.In addition, a summary of the work and the development prospect of dye sensitized solar cells were proposed.The main contents are as following:

1.Designing the basic structure of dye-sensitized solar cell by the software protel 99 SE, and gerbering drawn film.2.Preparing the electrodes a dye-sensitized photovoltaic solar cell on ITO glasses by semiconductor technologies, such as spin coating, exposure, development and etching.3.The use of ultrasonic wave dispersion TiO2 slurry prepared and printed by screen printing technique TiO2 film formed by sintering the photoelectric dye-sensitized solar pole.4.Plating carbon film on the photocathode glass by electrophoretic deposition technology, and characterizing TiO2 film and carbon film by optical microscope.5.Using sealing flim to package the solar cell and injecting the electrolyte solution by micro-injector.6.Testing the solar cells with multimeter under simulated solar light condition.7.Analyzing images and test data.Keywords:Solar Cells, Nano TiO2 film, Dye-sensitization, Carbon counter electrode 1 染料敏化太陽(yáng)能電池簡(jiǎn)介

染料敏化太陽(yáng)能電池（Dye-sensitized Solar Cells，DSSC電池)是一種電化學(xué)太陽(yáng)電池,但與常規(guī)的電化學(xué)太陽(yáng)電池相比,在半導(dǎo)體電極與染料上有很大的改 進(jìn)。

1.1 DSSC 電池結(jié)構(gòu)

DSSC電池具有類似三明治的結(jié)構(gòu)(如圖1-l所示)，主要由導(dǎo)電膜、導(dǎo)電玻璃、納米晶半導(dǎo)體多孔膜(如TiO2，ZnO，Nb2O5，SnO2等一些列寬禁帶半導(dǎo)體材料)、染料光敏化劑、電解質(zhì)(I-/I3-)和對(duì)電極（也叫反電極或光陰極）等組成。導(dǎo)電玻璃厚度一般為3mm，表面上鍍有一層0.5~0.7μm厚的摻F的SnO2膜或氧化銦錫(ITO)膜[1]。

圖1-1：染料敏化太陽(yáng)能電池的組成結(jié)構(gòu)[2]

1.2 DSSC 電池工作原理

光敏染料分子吸收太陽(yáng)光躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的染料向半導(dǎo)體的導(dǎo)帶內(nèi)注入電子借以實(shí)現(xiàn)電荷分離，是光電化學(xué)電池的基本原理。最具代表性的染料敏化太陽(yáng)能電池是Grazel電池，工作原理如圖1-2所示。在該類裝置中，納米TiO2不僅作為光敏染料的支持劑，而且作為電子的受體和導(dǎo)體。TiO2是一種寬禁帶的n 型半導(dǎo)體，其禁帶寬度為3.2eV，而且只能吸收波長(zhǎng)小于375nm的紫外光，可見光卻不能將它激發(fā)，需要對(duì)它進(jìn)行一定的敏化處理，即在TiO2表面吸附染料光敏劑，這樣在可見光的作用下染料分子吸收太陽(yáng)光能，使躍遷至激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定，會(huì)很快地進(jìn)入較低能級(jí)的TiO2導(dǎo)帶，從而有效地產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

圖1-2：染料敏化太陽(yáng)能電池工作原理圖[1]

光電轉(zhuǎn)換機(jī)理[3]：(1)太陽(yáng)光照射到電池上，基態(tài)染料分子(S)吸收太陽(yáng)光能量被激發(fā)，染料分子中的電子受激躍遷到激發(fā)態(tài)(S*)；(2)激發(fā)態(tài)的電子快速注入到TiO2導(dǎo)帶中；(3)電子在TiO2 膜中迅速傳輸，在導(dǎo)電基片上富集，并通過外電路流向?qū)﹄姌O；(4)在對(duì)電極附近，電解質(zhì)溶液得到電子而還原；(5)處于氧化態(tài)的染料分子(S+)與電解質(zhì)(I-/I3-)溶液中的電子供體(I-)發(fā)生氧化還原反應(yīng)而回到基態(tài)，染料分子得以再生。碳基薄膜染料敏化太陽(yáng)能電池的制備工藝

2.1 掩模光繪片設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用Protel99SE軟件進(jìn)行掩膜板的繪制，制成的光繪片如圖2-1所示：

圖2-1(a)總體圖形

圖2-1(b)：實(shí)物光繪片（左圖為光陽(yáng)極，右圖為對(duì)電極）2.2 光陽(yáng)極制備（1）光陽(yáng)極電極制備

利用繪制好的光繪片，采用微電子工藝在ITO導(dǎo)電玻璃上進(jìn)行涂膠、光刻、刻蝕，制備出 DSSC 電池的圖形化的導(dǎo)電基底。

制備步驟為：a.利用玻璃切割機(jī)切割出尺寸為20mm?25mm 長(zhǎng)方形玻璃；b.采用KW-5型號(hào)勻膠機(jī)涂膠，轉(zhuǎn)速Ⅰ700轉(zhuǎn)/分鐘（時(shí)間18s），轉(zhuǎn)速Ⅱ2500轉(zhuǎn)/分鐘（時(shí)間25s），前烘時(shí)間12~15min；c.采用型號(hào)為 JKG-2A光刻機(jī)曝光，曝光時(shí)間22s，顯影45s，定影30s，堅(jiān)膜時(shí)間為45min，溫度為140℃；d.配制35ml HCL：H2O：HNO3=4：2：1（HCl濃度36.5%~37.5%，HNO3濃度70%）的混合溶液，在45℃ 水浴中去除ITO，再用NaOH溶液去除多余的膠。（2）光陽(yáng)極TiO2 膜制備

本實(shí)驗(yàn)用溶膠-凝膠法制納米二氧化鈦，再用絲網(wǎng)印刷法印刷出TiO2薄膜。印刷完成后，在室溫干燥10min，在50℃下處理15 min，再以20-50℃/ min 的速率升溫至250℃燒結(jié)，恒溫2h。（3）染料敏化TiO2 膜

本實(shí)驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)染料DHS-N719。

染料敏化液的配制：0.2-0.3 M的乙腈與叔丁醇（試劑如圖3-16）進(jìn)行體積比為1:1的配置(乙腈與叔丁醇各10mL)作為溶劑，或者用乙醇溶液將作為溶劑。然后將7.2mg染料固體溶解在20mL溶劑中，等溶液均勻即可。

將已經(jīng)做好TiO2薄膜的玻璃放入容器中，加入染料敏化液，密封、避光，浸泡12h-24h 后取出，取出后用酒精溶液沖洗一下多余的染料浮液。2.3 光陰極制備（1）光陰極電極制備

光陰極電極的制備工藝與光陽(yáng)極的是相同的，只是在曝光的時(shí)候用的是陰極的光繪片。當(dāng)陰極圖形刻蝕完成后，在進(jìn)行碳薄膜制備前要在有電極的上邊緣打一個(gè)小孔，以便于注入電解液。（2）光陰極碳基薄膜制備

傳統(tǒng)的碳納米管薄膜加工方法包括[4]：化學(xué)氣相沉積(CVD)、絲網(wǎng)印刷、吸附、燒結(jié)、電泳等。CVD方法的加工過程需要高真空、高溫，對(duì)生長(zhǎng)碳納米管的基底有很高的要求，并且引入了不易去除的金屬催化劑；絲網(wǎng)印刷方法引入了有機(jī)添加劑，薄膜厚度、均勻度不易控制，且碳納米管和基底的結(jié)合只依靠有機(jī)質(zhì)粘接和碳納米管基底之間的范德華力，難以保證其電學(xué)和力學(xué)性能；而吸附、燒結(jié)等方法對(duì)基底和碳納米管有較高的處理要求，引入了部分難以去除的雜質(zhì)，且大都很難與現(xiàn)有的微電子工藝相兼容。目前，電泳的方法被應(yīng)用于碳材料的成膜。電泳（electropho-resis）是指在直流電場(chǎng)中，帶電粒子向帶符號(hào)相反的電極 移動(dòng)的現(xiàn)象。

本實(shí)驗(yàn)用了兩種成膜方法來制備碳基薄膜： a.絲網(wǎng)印刷碳納米管

跟印刷TiO2的方法是一樣的，只需將TiO2換成碳納米管，再選擇對(duì)電極的圖形印刷就可以了。

b.電泳技術(shù)制備

所需器材：恒溫磁力攪拌器，直流可調(diào)穩(wěn)壓電源，導(dǎo)線若干，碳棒一根（不銹鋼材料也可以），100mL燒杯一個(gè)（用做電泳槽）

溶液配制：碳黑1g，硝酸鎂0.8g，異丙醇60mL，將三者混合配成溶液。用磁力攪拌器攪拌23小時(shí)。

電鍍：加直流電壓10V~30V，碳棒接陽(yáng)極，圖形化的對(duì)電極ITO玻璃接陰極。當(dāng)電源接通后，在加10V電壓的條件下，電流顯示為0.06A（每片玻璃在不同電壓下顯示的電流均不一樣，都小于0.1A），并且遞減為0A，電泳時(shí)間為3分鐘，此時(shí)，說明電鍍已經(jīng)完成，因?yàn)殄兡げ粚?dǎo)電。也可加大電壓來控制電泳的速度和膜的厚度。這需要多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。

經(jīng)多次反復(fù)實(shí)驗(yàn)，陽(yáng)極與陰極距離2.5cm 時(shí)，薄膜比較均勻，效果比較好。電鍍完成后再燒結(jié)，調(diào)節(jié)溫度300℃，恒溫2.5h。燒結(jié)后的薄膜顏色呈暗灰色。封裝與測(cè)試

3.1 電池的封裝

本實(shí)驗(yàn)用熱封膜將兩電極封裝。

所需器材：熱封臺(tái)、小刀、微量進(jìn)樣器、直尺。

所需試劑：熱封膜（Surlyn?1702）、電解液（DHS-E23）。（1）用封裝膜封裝

電鍍的碳薄膜比一般絲網(wǎng)印刷的要厚，所以電鍍的碳薄膜要采用兩層膜進(jìn)行封裝，絲網(wǎng)印刷的碳納米管薄膜用一層膜封裝。

封裝步驟：a.先用紙做出一個(gè)能很好地套合TiO2膜和碳薄膜的封裝膜模型，再按照模型用小刀與直尺兩工具進(jìn)行膜的裁剪，得到完好的封裝膜。b.將印有TiO2的ITO玻璃平放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，把封裝膜對(duì)齊到ITO玻璃上，再將對(duì)電極導(dǎo)電面扣在上面（可以用小夾子來固定），用熱封臺(tái)加熱玻璃電極使熱封膜發(fā)揮作用，大約5分鐘即可。（2）注入電解液

用10μL的微量進(jìn)樣器（如圖3-1）吸取1μL的DHS-E23電解液，將針頭對(duì)準(zhǔn)對(duì)電極上的小孔，輕微的在小孔里滴入一滴電解液，通過電池內(nèi)外壓強(qiáng)差和毛 細(xì)現(xiàn)象將之灌入。再用熱封裝薄膜以及載玻片在烙鐵或者熱封臺(tái)的加熱下將小孔熱封。注入電解液過程如圖3-2所示，成品電池如圖3-3所示。

圖3-1：微量進(jìn)樣器 圖3-2：電解質(zhì)注入

圖3-3：封裝好的電池

3.2 碳薄膜表征與分析

本實(shí)驗(yàn)用金相顯微鏡觀測(cè)膜表面特征。電腦型金相顯微鏡系統(tǒng)是將傳統(tǒng)的光學(xué)顯微鏡與計(jì)算機(jī)（數(shù)碼相機(jī)）通過光電轉(zhuǎn)換有機(jī)的結(jié)合在一起，放大倍數(shù)可以達(dá)到上千倍，不僅可以在目鏡上作顯微觀察，還能在計(jì)算機(jī)（數(shù)碼相機(jī)）顯示屏幕上觀察實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像。（1）電泳法制備的碳薄膜表征

a.電泳液沒有用磁力攪拌器攪拌

圖3-4：電泳碳薄膜表征圖（1）

b.電泳液用磁力攪拌器攪拌24小時(shí)。

圖3-5：電泳碳薄膜表征圖（2）

圖分析結(jié)果：由圖3-4和3-5對(duì)比可以看出，經(jīng)磁力攪拌器攪拌的電泳液粒子分散的更均勻，電鍍的碳薄膜也會(huì)比較好。(2)絲網(wǎng)印刷的碳薄膜表征

圖3-6：絲網(wǎng)印刷碳薄膜表征

圖3-6中的碳薄膜是在250℃條件下恒溫烘焙2h，冷卻后在金相顯微鏡下觀測(cè)到的圖形。圖3-6與圖3-5相比較，碳薄膜不夠致密。采用電泳的方法沉積的碳薄膜,與絲網(wǎng)印刷法制得的陰極相比分布更為均勻,且厚度更容易控制。3.3 電池的測(cè)試與分析(1)電池的測(cè)試

將封裝好的電池拿到室外陽(yáng)光較好的地方，先用萬用表測(cè)試。陰極和陽(yáng)極電極分別接萬用表的兩根線，萬用表打到伏安檔。測(cè)得結(jié)果如下：a.電鍍碳薄膜電池的正向開路電壓為0.065V；b.碳納米管薄膜電池的正向開路電壓為0.038V。測(cè)試過程如圖3-7所示（本實(shí)驗(yàn)也可以進(jìn)一步在太陽(yáng)模擬器下進(jìn)行，如圖3-8）。

圖3-7：室外萬用表測(cè)試電池

圖3-8：室內(nèi)太陽(yáng)能模擬器下測(cè)試電池

（2）結(jié)果分析

a.測(cè)得的數(shù)據(jù)比預(yù)期的小一個(gè)數(shù)量級(jí)

對(duì)于這一點(diǎn)分析可能有以下原因：①工藝制備中電極基底的刻蝕中導(dǎo)電膜可能有損傷，使導(dǎo)電性能有所下降；②用熱封膜封裝的時(shí)候，碳薄膜和TiO2膜疊 加后膜比較厚，而采用的封裝膜厚度不夠，導(dǎo)致兩電極間空隙減少；③注入的電解液較少，導(dǎo)致光照下電解質(zhì)進(jìn)行氧化還原反應(yīng)的能力下降。

由②也可以導(dǎo)致③。

b.電鍍的碳薄膜電池比絲網(wǎng)印刷的碳薄膜電池的性能好

通過對(duì)兩種碳薄膜電池進(jìn)行測(cè)量可以看出，電鍍的碳薄膜電池的開路電壓、短路電流均比絲網(wǎng)印刷的碳薄膜電池的要高。導(dǎo)致此現(xiàn)象出現(xiàn)的原因可以從以下幾點(diǎn)分析：①用電泳技術(shù)電鍍的碳薄膜比絲網(wǎng)印刷的碳薄膜分散的均勻；②薄膜有效導(dǎo)電面積會(huì)影響短路電流；③開路電壓受到電解質(zhì)氧化還原電位與半導(dǎo)體費(fèi)米能級(jí)的影響，本電池中電解質(zhì)含量比較低，然而前者電壓大于后者主要是半導(dǎo)體膜的不同導(dǎo)致的。總結(jié)

電泳方法是利用直流電場(chǎng)使懸浮溶液中的帶電離子包裹住粒子在電性相反的電極板上沉積一層均勻的薄膜。我們發(fā)現(xiàn)采用電泳的方法沉積的碳薄膜，與絲網(wǎng)印刷法制得的陰極相比分布更為均勻，且厚度更容易控制。由于本實(shí)驗(yàn)配制電泳液時(shí)使用了碳黑，而絲網(wǎng)印刷的是碳納米管，且碳納米管具有較小的曲率半徑，較大的長(zhǎng)徑比，極高電導(dǎo)率，卓越的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，因此，可以考慮用電泳法沉積碳納米管薄膜，這樣既可以提高電泳碳薄膜電池的性能，也使電泳法與絲網(wǎng)印刷技術(shù)更具對(duì)比性。

電池的性能也受陽(yáng)極TiO2膜的影響，可以考慮印刷兩層膜，即先印刷一層TiO2+CNT薄膜，并在烘箱中將其烘培1h，溫度定為140℃；烘干后繼續(xù)印刷一層TiO2膜，再將實(shí)驗(yàn)品放入烘箱中烘培2h。這是由于一維納米材料碳納米管不但可大大縮短電子傳輸距離，還可以抑制電子復(fù)合，使電子傳輸效率提高。用印刷兩層膜的方法也可能會(huì)提高電池的性能。

參考文獻(xiàn)

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[3] 于男，趙娟

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[4] 吳嘉浩，劉萍

鎳/碳納米管復(fù)合薄膜的制備及其性能的研究微細(xì)加工技術(shù)[J] 2008年4月第2期

第四篇：納米材料的應(yīng)用

納米材料的應(yīng)用

納米是英文namometer的譯音，是一個(gè)物理學(xué)上的度量單位，1納米是1米的十億分之一；相當(dāng)于45個(gè)原子排列起來的長(zhǎng)度。通俗一點(diǎn)說，相當(dāng)于萬分之一頭發(fā)絲粗細(xì)。就象毫米、微米一樣，納米是一個(gè)尺度概念，并沒有物理內(nèi)涵。當(dāng)物質(zhì)到納米尺度以后，大約是在1—100納米這個(gè)范圍空間，物質(zhì)的性能就會(huì)發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。這種既具不同于原來組成的原子、分子，也不同于宏觀的物質(zhì)的特殊性能構(gòu)成的材料，即為納米材料。如果僅僅是尺度達(dá)到納米，而沒有特殊性能的材料，也不能叫納米材料。過去，人們只注意原子、分子或者宇宙空間，常常忽略這個(gè)中間領(lǐng)域，而這個(gè)領(lǐng)域?qū)嶋H上大量存在于自然界，只是以前沒有認(rèn)識(shí)到這個(gè)尺度范圍的性能。第一個(gè)真正認(rèn)識(shí)到它的性能并引用納米概念的是日本科學(xué)家，他們?cè)?0世紀(jì)70年代用蒸發(fā)法制備超微離子，并通過研究它的性能發(fā)現(xiàn)：一個(gè)導(dǎo)電、導(dǎo)熱的銅、銀導(dǎo)體做成納米尺度以后，它就失去原來的性質(zhì)，表現(xiàn)出既不導(dǎo)電、也不導(dǎo)熱。磁性材料也是如此，象鐵鈷合金，把它做成大約20—30納米大小，磁疇就變成單磁疇，它的磁性要比原來高1000倍。80年代中期，人們就正式把這類材料命名為納米材料。

在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)制造技術(shù)和國(guó)防的高速發(fā)展必然對(duì)材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲(chǔ)和超快傳輸?shù)葘?duì)材料的尺寸要求越來越小；航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對(duì)材料性能要求越來越高。新材料的創(chuàng)新，以及在此基礎(chǔ)上誘發(fā)的新技術(shù)。新產(chǎn)品的創(chuàng)新是未來10年對(duì)社會(huì)發(fā)展、經(jīng)濟(jì)振興、國(guó)力增強(qiáng)最有影響力的戰(zhàn)略研究領(lǐng)域，納米材料將是起重要作用的關(guān)鍵材料之一。納米材料和納米結(jié)構(gòu)是當(dāng)今新材料研究領(lǐng)域中最富有活力、對(duì)未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展有著十分重要影響的研究對(duì)象，也是納米科技中最為活躍、最接近應(yīng)用的重要組成部分。

近年來，納米材料和納米結(jié)構(gòu)取得了引人注目的成就。1988年法國(guó)人首先發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)，到1997年巨磁電阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件已在美國(guó)問世，在磁存儲(chǔ)、磁記憶和計(jì)算機(jī)讀寫磁頭將有重要的應(yīng)用前景。最近美國(guó)柯達(dá)公司研究部成功地研究了一種即具有顏料又具有分子染料功能的新型納米粉體，預(yù)計(jì)將給彩色印橡帶來革命性的變革。納米粉體材料在橡膠、顏料、陶瓷制品的改性等方面很可能給傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和產(chǎn)品注入新的高科技含量，在未來市場(chǎng)上占有重要的份額。納米材料在醫(yī)藥方面的應(yīng)用研究也使人矚目，正是這些研究使美國(guó)白宮認(rèn)識(shí)到納米材料和技術(shù)將占有重要的戰(zhàn)略地位。原因之二是納米材料和技術(shù)領(lǐng)域是知識(shí)創(chuàng)新和技術(shù)創(chuàng)新的源泉，新的規(guī)律新原理的發(fā)現(xiàn)和新理論的建立給基礎(chǔ)科學(xué)提供了新的機(jī)遇，美國(guó)計(jì)劃在這個(gè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究獨(dú)占“老大”的地位。我國(guó)納米材料研究始于80年代末，“八五”期間，“納米材料科學(xué)”列入國(guó)家攀登項(xiàng)目。國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、國(guó)家教委分別組織了8項(xiàng)重大、重點(diǎn)項(xiàng)目，組織相關(guān)的科技人員分別在納米材料各個(gè)分支領(lǐng)域開展工作，國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)還資助了20多項(xiàng)課題，國(guó)家“863”新材料主題也對(duì)納米材料有關(guān)高科技創(chuàng)新的課題進(jìn)行立項(xiàng)研究。1996年以后，納米材料的應(yīng)用研究出現(xiàn)了可喜的苗頭，地方政府和部分企業(yè)家的介入，使我國(guó)納米材料的研究進(jìn)入了以基礎(chǔ)研究帶動(dòng)應(yīng)用研究的新局面。目前，我國(guó)有60多個(gè)研究小組，有600多人從事納米材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，其中，承擔(dān)國(guó)家重大基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的和納米材料研究工作開展比較早的單位有：中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所、南京大學(xué)。中國(guó)科學(xué)院固體物理研究所、金屬研究所、物理研究所、中國(guó)科技大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院化學(xué)研究所、清華大學(xué)，還有吉林大學(xué)、東北大學(xué)、西安交通大學(xué)、天津大學(xué)、青島化工學(xué)院、華東師范大學(xué)，華東理工大學(xué)、浙江大學(xué)、中科院大連化學(xué)物理研究所、長(zhǎng)春應(yīng)用化學(xué)研究所、長(zhǎng)春物理研究所、感光化學(xué)研究所等也相繼開展了納米材料的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究。我國(guó)納米材料基礎(chǔ)研究在過去10年取得了令人矚目的重要研究成果。已采用了多種物理、化學(xué)方法制備金屬與合金（晶態(tài)、非晶態(tài)及納米微晶）氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，建立了相應(yīng)的設(shè)備，做到納米微粒的尺寸可控，并制成了納米薄膜和塊材。在納米材料的表征、團(tuán)聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復(fù)合微粒和粉體的制取等各個(gè)方面都有所創(chuàng)新，取得了重大的進(jìn)展，成功地研制出致密度高、形狀復(fù)雜、性能優(yōu)越的納米陶瓷；

近年來，我國(guó)在功能納米材料研究上取得了舉世矚目的重大成果，引起了國(guó)際上的關(guān)注。根據(jù)國(guó)際納米材料研究的發(fā)展趨勢(shì)，我國(guó)建立和發(fā)展了制備納米結(jié)構(gòu)（如納米有序陣列體系、介孔組裝體系、mcm－41等）組裝體系的多種方法，特別是自組裝與分子自組裝、模板合成、碳熱還原、液滴外延生長(zhǎng)、介孔內(nèi)延生長(zhǎng)等也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已成功地制備出多種準(zhǔn)一維納米材料和納米組裝體系。這些方法為進(jìn)一步研究納米結(jié)構(gòu)和準(zhǔn)一納米材料的物性，推進(jìn)它們?cè)诩{米結(jié)構(gòu)器件的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。納米材料和納米結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)手段基本齊全，達(dá)到了國(guó)際90年代末的先進(jìn)水平。綜上所述，“八五”期間我國(guó)在納米材料研究上獲得了一批創(chuàng)新性的成果，形成了一支高水平的科研隊(duì)伍，基礎(chǔ)研究在國(guó)際上占有一席之地，應(yīng)用開發(fā)研究也出現(xiàn)了新局面，為我國(guó)納米材料研究的繼續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。10年來，我國(guó)科技工作者在國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上共發(fā)表納米材料和納米結(jié)構(gòu)的論文2400多篇，在國(guó)際上排名第五位，1998年 6月在瑞典斯特哥爾摩召開的國(guó)際第四屆納米材料會(huì)議上，對(duì)中國(guó)納米材料研究給予了很高評(píng)價(jià)，指出這幾年來中國(guó)在納米材料制備方面取得了激動(dòng)人心的成果，在大會(huì)總結(jié)中選擇了8個(gè)納米材料研究式作取得了比較好的國(guó)家在閉幕式上進(jìn)行介紹，中國(guó)是在美國(guó)、日本、德國(guó)、瑞典之后進(jìn)行了大會(huì)發(fā)言。

第五篇：納米材料航天應(yīng)用

納米材料定義：

納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料，這大約相當(dāng)于10~100個(gè)原子緊密排列在一起的尺度。納米材料特性

特性 :（1）表面與界面效應(yīng)

這是指納米晶體粒表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。例如粒子直徑為10納米時(shí)，微粒包含4000個(gè)原子，表面原子占40%；粒子直徑為1納米時(shí)，微粒包含有30個(gè)原子，表面原子占99%。主要原因就在于直徑減少，表面原子數(shù)量增多。再例如，粒子直徑為10納米和5納米時(shí)，比表面積分別為90米2/克和180米2/克。如此高的比表面積會(huì)出現(xiàn)一些極為奇特的現(xiàn)象，如金屬納米粒子在空中會(huì)燃燒，無機(jī)納米粒子會(huì)吸附氣體等等。

（2）小尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米微粒尺寸與光波波長(zhǎng)，傳導(dǎo)電子的德布羅意波長(zhǎng)及超導(dǎo)態(tài)的相干長(zhǎng)度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時(shí)，它的周期性邊界被破壞，從而使其聲、光、電、磁，熱力學(xué)等性能呈現(xiàn)出“新奇”的現(xiàn)象。例如，銅顆粒達(dá)到納米尺寸時(shí)就變得不能導(dǎo)電；絕緣的二氧化硅顆粒在20納米時(shí)卻開始導(dǎo)電。再譬如，高分子材料加納米材料制成的刀具比金鋼石制品還要堅(jiān)硬。利用這些特性，可以高效率地將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋㈦娔埽送庥钟锌赡軕?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等等。

（3）量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)粒子的尺寸達(dá)到納米量級(jí)時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級(jí)。當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，會(huì)出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。例如，有種金屬納米粒子吸收光線能力非常強(qiáng)，在1.1365千克水里只要放入千分之一這種粒子，水就會(huì)變得完全不透明。

（4）宏觀量子隧道效應(yīng)

微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米粒子的磁化強(qiáng)度等也有隧道效應(yīng)，它們可以穿過宏觀系統(tǒng)的勢(shì)壘而產(chǎn)生變化，這種被稱為納米粒子的宏觀量子隧道效應(yīng)。納米材料發(fā)展：

納米技術(shù)的靈感，來自于已故物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼1959年所作的一次題為《在底部還有很大空間》的演講。這位當(dāng)時(shí)在加州理工大學(xué)任教的教授向同事們提出了一個(gè)新的想法。從石器時(shí)代開始，人類從磨尖箭頭到光刻芯片的所有技術(shù)，都與一次性地削去或者融合數(shù)以億計(jì)的原子以便把物質(zhì)做成有用的形態(tài)有關(guān)。范曼質(zhì)問道，為什么我們不可以從另外一個(gè)角度出發(fā)，從單個(gè)的分子甚至原子開始進(jìn)行組裝，以達(dá)到我們的要求?他說：“至少依我看來，物理學(xué)的規(guī)律不排除一個(gè)原子一個(gè)原子地制造物品的可能性。”

1990年，IBM公司阿爾馬登研究中心的科學(xué)家成功地對(duì)單個(gè)的原子進(jìn)行了重排，納米技術(shù)取得一項(xiàng)關(guān)鍵突破。他們使用一種稱為掃描探針的設(shè)備慢慢地把35個(gè)原子移動(dòng)到各自的位置，組成了ibm三個(gè)字母。這證明范曼是正確的，二個(gè)字母加起來還沒有3個(gè)納米長(zhǎng)。不久，科學(xué)家不僅能夠操縱單個(gè)的原子，而且還能夠“噴涂原子”。使用分子束外延長(zhǎng)生長(zhǎng)技術(shù)，科學(xué)家們學(xué)會(huì)了制造極薄的特殊晶體薄膜的方法，每次只造出一層分子。目前，制造計(jì)算機(jī)硬盤讀寫頭使用的就是這項(xiàng)技術(shù)。

著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德· 費(fèi)曼預(yù)言，人類可以用小的機(jī)器制作更小的機(jī)器，最后將變成根據(jù)人類意愿，逐個(gè)地排列原子，制造產(chǎn)品，這是關(guān)于納米技術(shù)最早的夢(mèng)想;

70年代，科學(xué)家開始從不同角度提出有關(guān)納米科技的構(gòu)想，1974年，科學(xué)家唐尼古奇最早使用納米技術(shù)一詞描述精密機(jī)械加工;

1982年，科學(xué)家發(fā)明研究納米的重要工具——掃描隧道顯微鏡，為我們揭示一個(gè)可見的原子、分子世界，對(duì)納米科技發(fā)展產(chǎn)生了積極促進(jìn)作用;

1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生;

1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)得主斯莫利教授認(rèn)為，納米碳管將是未來最佳纖維的首選材料，也將被廣泛用于超微導(dǎo)線、超微開關(guān)以及納米級(jí)電子線路等;

1993年，繼1989年美國(guó)斯坦福大學(xué)搬走原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文、1990年美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“ibm”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“ 中國(guó)”二字，標(biāo)志著中國(guó)開始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地;

1997年，美國(guó)科學(xué)家首次成功地用單電子移動(dòng)單電子，利用這種技術(shù)可望在20年后研制成功速度和存貯容量比現(xiàn)在提高成千上萬倍的量子計(jì)算機(jī);

1999年，巴西和美國(guó)科學(xué)家在進(jìn)行納米碳管實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量十億分之一克的物體，即相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量;此后不久，德國(guó)科學(xué)家研制出能稱量單個(gè)原子重量的秤，打破了美國(guó)和巴西科學(xué)家聯(lián)合創(chuàng)造的紀(jì)錄;

到1999年，納米技術(shù)逐步走向市場(chǎng)，全年基于納米產(chǎn)品的營(yíng)業(yè)額達(dá)到500億美元;

近年來，一些國(guó)家紛紛制定相關(guān)戰(zhàn)略或者計(jì)劃，投入巨資搶占納米技術(shù)戰(zhàn)略高地。日本設(shè)立納米材料研究中心，把納米技術(shù)列入新5年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn);德國(guó)專門建立納米技術(shù)研究網(wǎng);美國(guó)將納米計(jì)劃視為下一次工業(yè)革命的核心，美國(guó)政府部門將納米科技基礎(chǔ)研究方面的投資從1997年的1.16億美元增加到2001年的4.97億美元。

2003年，納米技術(shù)在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究方面都取得了突破性進(jìn)展。如：美國(guó)利用超高密度晶格和電路制作新方法，獲得高密度的鉑納米線；日本用單層碳納米管與有機(jī)熔鹽制成高度導(dǎo)電的聚合物納米管復(fù)合材料等。納米材料缺點(diǎn)

生產(chǎn)出來的成本高，應(yīng)用不廣泛，同時(shí)生產(chǎn)出來的納米產(chǎn)品的毒理學(xué)沒有廣泛的深入，在某種意義上講一些東西處于探索階段

前言納米材料由于具有獨(dú)特的小尺寸效應(yīng)而表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。利用納米材料這些獨(dú)特的性質(zhì)。可對(duì)傳統(tǒng)材料進(jìn)行改性，進(jìn)而開發(fā)出更高性能的材料．開辟出新的材料生產(chǎn)途徑．以滿足傳統(tǒng)材料所不能達(dá)到的要求．尤其是滿足航天航空領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿奶厥庖蟆?yīng)用納米材料可減小航天器電子元器件的體積和質(zhì)量．并提高其可靠性。納米材料的發(fā)展方向主要有功能納米材料及結(jié)構(gòu)納米材料納米材料在航天器結(jié)構(gòu)材料上的應(yīng)用 1．金屬及金屬基復(fù)合材料晶粒細(xì)化是提高金屬材料強(qiáng)度最有效的方法之一。利用添加納米陶瓷來增強(qiáng)金屬合金基材料的方法，就是把納米陶瓷粉體均勻分散于合金中．以提高合金的成核速率．同時(shí)抑制晶粒長(zhǎng)大．從而起到晶粒細(xì)化的作用。抑制材料使用過程中微裂紋的擴(kuò)展．提高產(chǎn)品的強(qiáng)度。例如，將納米碳化硅、納米氮化硅、納米氮化鈦、納米硅粉添加到金屬基體(鋁、銅、銀、鋼、鐵等合金)中。可制造出質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐熱性好的新型合金材料。

(1)納米氮化鈦應(yīng)用于合金鋼、鐵納米氮化鈦具有硬度和熱穩(wěn)定性高、粒度小，以及分散性好的特點(diǎn)。在鋼水冷卻結(jié)晶過程中．納米氮化鈦成為晶核相．可大大增加成核數(shù)量，減小晶粒尺寸．達(dá)到細(xì)化合金晶粒的效果．使合金的綜合性能大大改善。

(2)納米碳化硅應(yīng)用于銀基復(fù)合材料通過向基體中加入均勻、細(xì)J．J＼，具有良好穩(wěn)定性的顆粒．達(dá)到彌散強(qiáng)化合金的目的．是制備高強(qiáng)高導(dǎo)合金材料的重要途徑之一。納米碳化硅對(duì)于銀合金來說是一種有效的增強(qiáng)相．當(dāng)納米碳化硅的質(zhì)量百分含量為l％時(shí)．強(qiáng)化效果佳．材料的抗拉強(qiáng)度可達(dá)39IMPa．相對(duì)電導(dǎo)率為60．2％，強(qiáng)度和耐磨性均有所提高。(3)納米碳化硅彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料在集成電路的引線框架 各類點(diǎn)焊、滾焊機(jī)的電極、觸頭材料，電樞、電動(dòng)工具的換相器等電子設(shè)備中具有廣泛的用途。但銅合金的高強(qiáng)度和高導(dǎo)電性一直是一對(duì)互相矛盾的特性．一般只能在犧牲電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的前提下改善銅的力學(xué)性能，以獲得高強(qiáng)度。采用納米碳化硅穩(wěn)定彌散強(qiáng)化銅基材料是解決 這一矛盾的較好方法 通過向基體中加入均勻、細(xì)小，具有良好穩(wěn)定性的納米碳化硅顆粒以達(dá)到彌散強(qiáng)化銅合金的目的．已成為制備高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料的研究熱點(diǎn)。

(4)納米碳化鋯應(yīng)用于硬質(zhì)合金納米碳化鋯是一種重要的高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度和耐腐蝕的高溫結(jié)構(gòu)材料 納米碳化鋯用于硬質(zhì)合金材料中．可提高材料的強(qiáng)度和耐腐蝕性等性能。

2．聚合物基復(fù)合材料納米粒子加入聚合物基體后．可提高其耐磨性、硬度、強(qiáng)度和耐熱性等性能

(1)納米氮化鋁應(yīng)用于環(huán)氧樹脂在納米氮化鋁一環(huán)氧樹脂體系中．納米氮化鋁的用量為1％～5％時(shí)．玻璃化轉(zhuǎn)變溫度提高．彈性模量達(dá)到極大值。將納米氮化鋁添)30~0環(huán)氧樹脂中制得的復(fù)合材料．在結(jié)構(gòu)上完全不同于添加粗晶的氮化鋁一環(huán)氧樹脂基復(fù)合材料：粗晶氮化鋁一般作為補(bǔ)強(qiáng)劑加入．其主要分布在高分子材料的鏈間．而納米氮化鋁由于表面嚴(yán)重的配不足、龐大的比表面積使其表現(xiàn)出極強(qiáng)的活性．同時(shí)。尚有一部分納米氮化鋁顆粒分布在高分子鏈的空隙中。與粗晶氮化鋁相比．納米氮化鋁具有很高的流動(dòng)性．可使環(huán)氧樹脂的強(qiáng)度、韌性及延展性均大幅提高。

(2)納米碳化硅在橡膠輪胎中的應(yīng)用在橡膠輪胎中添加一定量的納米碳化硅．在不改變?cè)鹉z配方的條件下進(jìn)行改性處理．可在不降低其原有性能和質(zhì)量的前提下．將耐磨性提高 15％～30％。另外。納米碳化硅還可應(yīng)用于橡膠膠輥、打印機(jī)定影膜等需耐磨、散熱、耐溫的橡膠產(chǎn)品中。

3．-r-程塑料及其它復(fù)合材料納米材料與工程塑料復(fù)合既能提高工程塑料的固有性能．又可賦予其高導(dǎo)電性、高阻隔性及優(yōu)良的光學(xué)性能等。因此。把納米材料應(yīng)用于工程

塑料的改性．可進(jìn)一步拓寬工程塑料的應(yīng)用范圍。

(1)工程塑料，{I內(nèi)米粒子復(fù)合材料采用納米粒子對(duì)有一定脆性的工程塑料增韌是改善工程塑料韌性和強(qiáng)度等力學(xué)性能的一種行之有效的方法。只要納米粒子與基體樹脂結(jié)合良好． 2010 6軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品納米粒子也可承受拉伸應(yīng)力．增韌、增強(qiáng)作用明顯少量納米氮化鈦粉體用于改性熱塑性工程塑料時(shí)．可起到結(jié)晶成核劑的作用。將納米氮化鈦分散于乙二醇中．通過聚合使納米氮化鈦更好地分散于PET(聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)工程塑料中．可加快PET工程塑料的結(jié)晶速率．使其成型簡(jiǎn)單．?dāng)U大其應(yīng)用范圍。而大量納米氮化鈦顆粒彌散 于PET中．可大幅提高PET工程塑料的耐磨性和抗沖擊性能。

(2)工程塑料／納米磁性金屬及其氮化物復(fù)合材料這種復(fù)合材料具有特殊的光電功

能(對(duì)電磁波有特殊的吸收作用)和優(yōu)良的磁性能及導(dǎo)電性．可廣泛應(yīng)用于軍事、航空航天、電子通訊等高技術(shù)領(lǐng)域 用偶聯(lián)劑進(jìn)行表面處理后的納米碳化硅．在添加量為10％左右時(shí)． 可大大改善和提高PI(聚酰亞胺)、PEEK(聚醚醚酮)、PTFE(聚四氟乙烯)等特種塑料的性能．全面提高材料的耐磨、導(dǎo)熱、絕緣、抗拉伸、耐沖擊、耐高溫等性能。

4．陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料是以陶瓷為基體．與各種納米材料復(fù)合制得的材料。陶瓷基體包括氮化硅、碳化硅等。這些先進(jìn)陶瓷具有耐高溫、強(qiáng)度和硬度高、相對(duì)重量較輕、抗腐蝕等優(yōu)異性能．而其致命的弱點(diǎn)是具有較強(qiáng)的脆性。在應(yīng)力作用下．會(huì)產(chǎn)生裂紋。甚至斷裂導(dǎo)致材料失效 而將納米材料與陶瓷基體復(fù)合．是提高陶瓷韌性和可靠性的一種有效方法．可得到韌性優(yōu)良的納米增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料陶瓷基復(fù)合材料已實(shí)用化或即將實(shí)用化的領(lǐng)域有刀具、滑動(dòng)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)制件、能源構(gòu)件等。例如，納米氮化硅摻雜制造的精密陶瓷結(jié)構(gòu)器件可用于冶金、化工、機(jī)械、航空、航天及能源等行業(yè)中使用的滾動(dòng)軸承的滾珠和滾子、滑動(dòng)軸承、套、閥．以及有耐磨、耐高溫、耐腐蝕要求的結(jié)構(gòu)器件中 納米材料在航天器功能

1．雷達(dá)及紅夕 隱身材料納米材料具有的小尺寸和量子尺寸效應(yīng)等特性．使金屬、金屬氧化物和某些非金屬材料在細(xì)化過程中．處于表面的原子越來越多．懸掛鍵增多、界面極化增強(qiáng)．為吸波材料應(yīng)用提供了可能性。多重散射及量子尺寸效應(yīng)使納米粒子的電子能級(jí)能隙變寬．能隙寬度處于微波范圍(10％V 10-SeV)內(nèi)。因而可能成為新的吸波通道。納米陶瓷粉體是陶瓷類紅外吸收劑的一種新類型．主要包括納米碳化硅粉、納米氮化硅粉等。納米陶瓷類紅外吸收劑具有吸收波段寬及吸收強(qiáng)度大等特性。納米碳化硅和磁性納米吸收劑(如磁性納米金屬粉等)復(fù)合后。吸波效果還能大幅度提高。納米氮化物吸收劑主要有氮化硅和氮化鐵．納米氮化硅在IOOH一1MHz范圍內(nèi)有比較大的介電損耗．納米氮化硅的這種強(qiáng)介電損耗是由于界面極化引起的納米氮化鐵具有很高的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度和飽和磁流密度．有可能成為性能優(yōu)良的納米雷達(dá)波吸收劑。

2．導(dǎo)電、導(dǎo)熱等功能材料納米氮化鈦具有優(yōu)良的導(dǎo)電性能．在A1，O 基體中加入納米氮化鈦顆粒可有效降低其電阻率。隨著納米氮化鈦加入量的增加．復(fù)合材料的電阻率逐漸降低．當(dāng)加入的納米氮化鈦體積含量達(dá)~U20％以后．復(fù)合材料的電阻率趨于穩(wěn)定。為5．5x10-3~．cm。添加超高導(dǎo)熱納米氮化鋁的硅膠具有良好的導(dǎo)熱性和電絕緣性、較寬的電絕緣使用溫度 工作溫度一6oX3200~2)、較低的稠度和良好的施工性能．可廣泛應(yīng)用于子器件的熱傳遞介質(zhì)中．能夠提高工作效率．如CPU與散熱器填隙、大功率三極管、可控 硅元件、二極管、與基材接觸的細(xì)縫處的熱傳遞介質(zhì)等納米氮化鋁粉體可大幅提高塑料的導(dǎo)熱率。將納米氮化鋁粉體以5％～10％的質(zhì)量比例添加到塑料中．可使塑料的導(dǎo)熱率從0．3w／(ni．k)提高到5W／(m．k)，導(dǎo)熱率提高了l6倍多。與目前市場(chǎng)上的導(dǎo)熱填料(氧化鋁或氧化鎂等)相比，其添加量低。對(duì)制品的機(jī)械性能有提高作用。目前，相關(guān)廠家已大規(guī)模采購(gòu)納米氮化鋁粉體．新型納米導(dǎo)熱塑料將投放市場(chǎng)納米氮化鋁粉體與二氧化硅的匹

配性能好．在橡膠中容易分散．在不影響橡膠的機(jī)械性能的前提下(實(shí)驗(yàn)證明．對(duì)橡膠的機(jī)械性能還有提高作用)可大幅提升硅橡膠的導(dǎo)熱率．在添加過程中不像氧化物等會(huì)使黏度下降慢．添加量很小，現(xiàn)已廠泛應(yīng)用于軍事、航空。以及信息工程領(lǐng)域。

3．涂層材料

納米材料用作涂層可提高工件的耐磨性、抗剝蝕性和抗氧化性。研究表明，用納米碳化硅、碳化鋯、碳化鈦、氮化鈦、碳化硼等粉體作為金屬表面的復(fù)合涂層．可獲得超強(qiáng)耐磨性和潤(rùn)滑性．其耐磨性比軸承鋼高100倍．摩擦系數(shù)為0．06～0．1．同時(shí)還具有高溫穩(wěn)定性和耐腐蝕性。在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件中應(yīng)用納米技術(shù)．可大大延長(zhǎng)這些零部件的使用壽命 4．特種密封材料發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障最多的是各種密封面的失效．密封面的表面質(zhì)量是決定密封性能好壞的主要因素．和用納米材料改性密封零件基體或在密封表面覆蓋一層納米粉末極大地改善其密 性能。目前。密封橡膠所用的增強(qiáng)劑多為納米級(jí)炭黑．若改用納米氮化硅使其拉伸強(qiáng)度提高1 4倍．并改善其耐磨性和密封性。5．固體火箭推進(jìn)劑 將納米金屬粉添加到固體火箭推進(jìn)劑中．可顯著改善固體推進(jìn)劑的燃燒性能。例如，在固體火箭推進(jìn)劑中添加納米級(jí)鋁粉或鎳粉．推進(jìn)劑燃燒效率可得到較大提高、燃速顯著增大。含有納米金屬鋁粉的固體推進(jìn)劑燃速比含有常規(guī)鋁粉的固體推進(jìn)劑的燃速高5 20倍.