第一篇：小論文納米材料

碳納米管在有機太陽能電池中的應用

摘要：碳納米管是一種重要的納米材料，討論了碳納米管在有機太陽能電池的光活性層及透明電極兩方面的應用，綜述了碳納米管獨特結構、性質對其在電池器件性能的影響，并在此基礎上，提出了碳納米管研制工藝的改良方法，展望了碳納米管基有機太陽能電池今后的發展趨勢。

關鍵詞：碳納米管；太陽能電池；應用

Application of Carbon Nanotube in Organic Solar Cells Abstract：Carbon nanotube(CNT)is an important nano2 material.Discusses the application of CNT in the photoactive layer and the trans parent electrode of organic solar cells.The relationship be ween its special structure, properties and the performance of organic photovoltaic devices is summarized.On the basis of this discussion, The improved methods of Carbon nanotube technology to develop and the research trends of CNT based organic solar cells are proposed.Key words：Carbon nanotube;solar cells;application

太陽能電池的核心部件是光電轉化器，如果某類太陽能電池的光電轉化器由有機材料構成，則此類太陽能電池通常被稱為有機太陽能電池。實驗證明，有機太陽能電池的光電轉化效率由有機半導體中激子的分離效率決定，因此，選擇合適的有機半導體材料將成為有機光電轉化器制備的關鍵，進而，尋找并運用具有半導體性質的有機材料必將成為有機太陽能電池研究的重點。

事實上，自從1991年日本電氣公司(NEC)首席研究員飯島(S.Iiji ma)博士首次發現碳納米管(Carbon nanotubes, CNTs)以來，這種具有半導體特性的有機材料就和有機太陽能電池研究結下了不解之緣。它規則的微觀結構和納米尺寸使人們相信它具有某些特殊的物化性質，這些性質使它有條件應用于光電領域并成為成本低廉的大面積器件制作材料。研究表明，上述預測是有根據的，碳納米管目前已在有機太陽能電池的光活性層、透明電極等方面得到成功應用，為承前啟后，本文集中相關成果對此進行敘述。

碳納米管的結構及其半導體性質

碳納米管又稱巴基管，屬富勒碳系，是飯島博士利用碳電弧放電法合成“巴基球”(C60)時首次發現的。它是由單層或多層石墨片卷曲而成的無縫、中空的納米級管。每片納米管是1個碳原子通過SP2雜化與周圍3個碳原子完全鍵合而成，表現為六邊形平面組成的圓柱面。根據碳納米管中碳原子層數的不同，碳納米管大致可以分為單壁碳納米管(SWNTs)和多壁碳納米管(MWNTs)2類.SWNTs由單層碳原子繞合而成，結構具有較好的對稱性與單一性。宏觀形態的 SWNTs在通常情況下是成束出現的，而MWNTs則一般不成束，所以與MWNTs不同，S WNTs研究生課程考試答題紙

產生了3種不同層次的孔徑結構：納米尺度的開口中空管腔(0.4～5nm)、碳納米管束中管間的狹長孔隙(約0.4 nm)和碳納米管束之間形成的堆積孔(約100nm)，而MWNTs一般只具有2種孔徑結構，即納米級的中空管內腔(3～4nm)和尺度較大的管間堆積孔(20～40 nm)。

碳納米管的結構決定其具有非凡的半導體性質。其中，高出任意一種高導電分子若干個數量級的導電率尤其值得稱道，這種導電率甚至可以和銅、硅相媲美.實驗表明，2類碳納米管中，單壁碳納米管易于接受電子，其導電性介于半導體和金屬之間且隨管身的手性角度及直徑改變而改變，當接受電子后，電子通常沿管軸以近乎理想的條件傳輸；多壁碳納米管則呈圓柱形多層石墨片層結構，最外層的殼決定其表現為金屬或半導體特性，除具有電子受體的性質外，它的高與長徑比也完美地契合了電荷沿著管軸的遷移；

實際應用中，單壁碳納米管可用于電極制作或與共軛高分子摻雜形成本體異質結以充當器件活性層，多壁碳納米管則可用作半透明、柔性的空穴收集極。除導電率之外，碳納米管中還具有優異的力學性能、熱性能和環境耐受力。所有這些非凡的半導體性質使碳納米管作為碳材料中的優秀代表被應用于有機太陽能電池制造中。

碳納米管在有機太陽能電池中的應用

2.1 碳納米管在有機太陽能電池活性層中的應用

碳納米管在有機太陽能電池活性層中的應用主要體現在納米活性層和光活性層2個方面。其中，納米活性層的活動形態對有機太陽能電池的光電轉換效率有重要影響。之前IMEC公布的P3HT:PCBM結構太陽能電池的發電效率雖已接近5%，但對于目前的市場來說，其壽命還相對太短。實踐證明，基于有機半導體材料的太陽能電池在長時間使用之后性能下降，究其原因，是由于有機混合物分離成不同狀態最終導致光電轉換率的下降。IMEC指出，這種狀態分離與有機聚合物的活動性相關，一旦穩定其活動形態，則可延長電池的使用壽命。IMEC/I MOMEC實驗發現，采用新共軛聚合物與碳納米管結合的有機太陽能電池在使用100h之后，效率保持不變，太陽能電池的使用壽命也大大提高，而其發電效率提升近4%。

同時，為了將共軛高分子的物化性質與碳納米管的長程電荷傳輸特性結合起來，以獲得高效性優的有機太陽能器件，人們將碳納米管分散到光活性層。雖然將碳納米管作為以ITO為基底的太陽能器件的電子受體材料已獲得了令人欣喜的性能，但將碳納米管分散到光活性基底卻并非易事。從有機太陽能電池電流產生機理出發，不難看出，控制電子受體碳納米管和電子給體共軛高分子均一的摻雜對總能量轉換效率至關重要，因此，以往的實驗中研究人員總是先將碳納米管純化，然后與聚合物基底摻雜形成聚合物納米管器件，并期望聚合物納米管器件的能量轉換效率能得到顯著提高。Kymakis等人報道了基于單壁碳納米管與共軛高分子聚三辛基噻吩[poly(32octylthi ophene)](P3OT)混合物制作光電器件的成果。成果表明，將單壁碳納米管加入到P3OT基底中會使光電流增加2個數量級，Kymakis等人認為聚合物2納米管結處電荷的

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分離和納米管孔道有效的電荷傳輸是使電流增加的主要原因。

然而，并非所有實驗都如人所愿，當Pradhan等人通過物理方法將功能化多壁碳納米管摻雜到聚三己基噻吩(P3HT)中，希望通過以提供附加的分離位來增加P3HT2MWNT/C60雙層器件的空穴傳輸能力時，在100mWcm-2的白光照射下，器件卻僅得到了相當低的能量轉換效率。究其原因，Pradhan等人認為這可能是由于雙層結構中供體給體界面激子分離困難和C60層低效率的電子傳輸造成的。后期跟蹤研究表明，聚合物納米管器件的狀態常常表現為亞穩態，在100mWcm-2的白光照射下，Pradhan等人的器件僅得到了0.01%的能量轉換效率，光電效率也僅僅達到0.25mA /cm2～0.5 mA / cm2。為此，研究人員希望通過改良聚合物納米管器件來提高它的效率。因此，人們認為電荷的復合是限制聚合物納米管器件效率的主要因素。與 PCBM比較，碳納米管僅是無序地分散在P3HT基底上，使復合幾率增加，激子分離不完全，特別在碳納米管為低濃度(單壁碳納米管1.0 wt%，多壁碳納米管5.0wt%)的條件下，激子的分離更不完全。起初，研究人員試圖通過在聚合物基質中溶解更多的碳納米管來解決這一問題，但事與愿違，當聚合物基質中溶解更多的碳納米管后效率反而降低了，如果碳納米管的長度與光電層總的厚度相當時，將單壁碳納米管以更高的百分比摻雜到聚合物基底中甚至可能會導致短路。幾經嘗試，研究人員不得不通過提高碳納米管的純化程度并調配基底聚合物的摻雜比例的方法來解決問題，事實證明，這條途徑是有效的，近期實驗結果表明，通過提高純化程度和調配摻雜比例，碳納米管復合物在光照下的狀態可提高16%。

除分散到光活性基底外，碳納米管在聚合物基底中的均一分布也是亟待解決的問題。通常，解決這一問題采用的方法是LBL(layer2 by2layer)方法，主要包括LBL沉積、LBL電泳和LBL旋涂等。簡單的說，LBL就是在基底上逐層沉積，是一種技術難度為大眾所接受的方法。目前，LBL技術已經從單壁碳納米管應用拓展到雙壁碳納米管，多壁碳納米管和薄2多壁碳納米管，其中，薄2多壁碳納米管表現出最佳的太陽能性能，該電子受體層材料的最高IPCE值達1.9%。2.2碳納米管在有機太陽能電池透明電極中的應用

透明電極是有機太陽能器件的必備部件，目前，制作電極的主要材料則是旋涂有40 nm厚 PEDOT: PSS層的ITO(氧化銦錫)，涂層PEDOT: PSS的作用是選擇性地將空穴注入電極并潤滑 ITO表面，以便降低針孔密度且抑制漏電流。雖然ITO制作透明電極的使用已經普及，且優化的ITO/PEDOT: PSS/P3HT: PCBM /Al有機太陽能器件效率能達到10.6 mA / cm2，但在高沉積溫度(約600 ℃)條件下，ITO與柔性基底相容困難，且機械性能差，容易破碎，因此開發高質量的ITO成為有機太陽能器件研究中迫切需要解決的問題。事實證明高質量的ITO是可以開發的，但卻難以推廣，因為高質量的ITO成本昂貴且主要成分銦具有毒性，因此，開發ITO的替代品并使之商業化成為了另一出路，通過尋找，在導電、透光和柔性等方面都呈現良好的特性的碳納米管脫穎而出。

2.2.1柔性 單壁碳納米管膜與脆ITO相比，高度柔軟且不易發生蠕變，究其原因，聚乙烯基對苯二甲酸鹽上的單壁碳納米管膜在混合后不會裂縫，而ITO混合后則會變得生硬。因此，人們通常將碳納米管分散于供電子共軛高分子溶液(如P3HT,P3OT)中，并將混合溶液旋涂于透

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明電極表面以形成能代替氧化物薄膜和鉑薄膜的碳納米管薄膜(膜厚可達60～120nm)。在已有的多種碳納米管薄膜制作方法中(如濺射、旋涂、澆鑄、L2 B沉積等),將一種溶劑以膠膜的形式從濾膜傳到透明基底上是獲得柔性透明薄膜的最佳方法。這種可謂高效而實用，高效是指碳納米管在溶劑中溶解充分且分散均勻，實用則是指溶劑移除簡便，只需通過簡單潤洗即可。2.2.2導電性

碳納米管薄膜在導電性方面同樣表現優異.研究證實，單壁碳納米管功函數的取值范圍是4.8～4.9eV,而ITO的取值范圍僅為4.6～4.7eV,換句話說，如果ITO的功函數都足以滿足有效空穴收集的話，那單壁碳納米管則更不在話下。

2.2.3透光性

雖然許多透明的導電材料在光譜中的可見光區是透明的，但僅有一部分材料在紅外光區仍保持好的透光性和導電性，而單壁碳納米管正是佼佼者之一。實驗發現，單壁碳納米管的電阻值為100Ohm sq-1，高于典型的ITO片的電阻(10 Ohm sq-1)，且具有寬的光譜范圍，從紫外2可見延伸至遠紅外區都具有很高的透光性，顯然，由單壁碳納米管組成的網絡將具有更高的光電轉換效率。

除此之外，碳納米管還具有較高的熱傳導性，抗熱分解性和抗光照性(即使在空氣中)。所以，與目前的ITO器件相比，碳納米管薄膜作為透明電極的制作材料將更具競爭力。

碳納米管研制工藝的改進

以上事實均可說明，碳納米管在有機太陽能電池領域有著廣泛的應用，但如何提高碳納米管的研制工藝仍是一個值得深究的問題，對此，筆者認為應從分離、變短、純化幾個關鍵步驟著手考慮。(1)分離·分離的目的是將溶劑或混合物中的碳納米管束散開，并由此獲得更小的復合膜，從而盡量保證膜厚小于平均激子擴散長度。分離過程需要重點考慮膜結構的優化，優化后的膜結構將對激子和載流子損失的控制產生至關重要的作用，為此，筆者建議使用N2甲基222吡咯烷酮，此化合物的強離析性將膜結構優化及膜形態保持起到積極作用。(2)變短·之所以要變短，是因為與長的碳納米管相比，短的碳納米管具有較小的范德華力，更易于開束和加工，變短的主要手段是對合成碳納米管常用的化學氣相淀積方法進行改進，而改進是關鍵則是在化學氣相淀積過程中加入抗氫和抗硫化物質，抗氫和抗硫化物質可以阻止長碳納米管束的生成，并且改善碳納米管束的排列規則。(3)純化·純化是使碳納米管產生沉積，并為共沉積聚合物提供最佳的前線軌道能級補償，對電子傳輸效率而言，取向碳納米管優于無序分散的碳納米管，垂直定向陣列則表現出更強的載流子傳輸性能[10]。對此，筆者認為，采用強酸對定向碳納米管進行氧化處理，改變納米粒子表面的性質，使其表面具有有機活性，從而抑制納米粒子間的團聚，這將大力改善碳納米管在聚合物中的分布。研究表明，采用超聲波分散，經強酸氧化，碳納米管分散性較好；純化后的碳納米管表面引入了有機基團；電鏡分析表明，碳納米管呈單管分散在基體中；溶液為堿性狀態下，碳納米管分散性最優。

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小結

綜上所述，碳納米管在有機太陽能電池的光活性層及透明電極等方面具有重要應用價值，如果能深入研究碳納米管的結構及其物化性質，挖掘其特性對有機太陽能電池器件的影響，并在此基礎上改良碳納米管的研制工藝，則可使碳納米管成為有機太陽能電池器件制作的理想材料。可以預見，碳納米管必將在有機太陽能電池及相關光電領域產生重大作用。

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第二篇：納米薄膜小論文

納米技術在薄膜中的應用與發展

摘要:近年來納米技術的發展研究是一個熱烈的話題，受到了廣泛的關注。而納米薄膜材料是一種新型材料，由于其特殊的結構特點，時期作為功能材料和結構材料都具有良好的發展前景。本文簡單介紹了納米薄膜材料的性能、制備方法，應用領域等幾個方面，為初步認識和了解納米薄膜材料有推動作用。

關鍵字：納米技術,薄膜,材料

納米技術在今天已經不是個陌生的話題，所謂納米技術，是指在0.1~100納米的尺度里，研究電子、原子和分子內的運動規律和特性的一項技術。這是21世紀最有競爭力的技術之一。科學家們在研究微觀粒子結構與性能過程中，發現在納米尺度下的原子或分子，可以表現出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能的設備與儀器，能夠在改善人們的日常生活中起到相當顯著的作用。納米技術是一門交叉性很強的綜合學科，研究的內容涉及現代科技的廣闊領域。而我所研究的是納米技術在薄膜中的部分應用與其今后發展。新型薄膜材料對當代高新技術起著重要的作用，是國際上科學技術研究的熱門學科之一。

1.納米薄膜材料概述

納米薄膜是一類具有廣泛應用前景的新材料, 按用途可以分為兩大類,即納米功能薄膜和納米結構薄膜。前者主要是利用納米粒子所具有的光、電、磁方面的特性,通過復合使新材料具有基體所不具備的特殊功能。后者主要是通過納米粒子復合, 提高材料在機械方面的性能。由于納米粒子的組成、性能、工藝條件等參量的變化都對薄膜的特性有顯著影響, 因此可以在較多自由度的情況人為地 控制納米復合薄膜的特性, 獲得滿足需要的材料。納米多層膜指由一種或幾種金屬或合金交替沉積而形成的組分或結構交替變化的合金薄膜材料, 且各層金屬或合金厚度均為納米級, 它也屬于納米薄膜材料。多層膜的主要參數為調制波長,指的是多層膜中相鄰兩層金屬或合金的厚度之和。當調制波長比各層薄膜單晶的晶格常數大幾倍或更大時,可稱這種多層膜結構為超晶格薄膜。組成復合薄膜的納米粒子可以是金屬、半導體、絕緣體、有機高分子等材料，而復合薄膜的基體材料可以是不同于納米粒子的任何材料。人們采用各種物理和化學方法先后制備了一系列金屬/絕緣體、半導體/絕緣體、金屬/半導體、金屬/高分子、半導體/高分子等納米復合薄膜。特別是硅系納米復合薄膜材料得到了深入的研究，人們利用熱蒸發、濺射、等離子體氣相沉積等各種方法制備了Si/SiOx、Si/a-Si：H、Si/SiNx、Si/SiC等納米鑲嵌復合薄膜。盡管目前對其機制不十分清楚，卻有大量實驗現象發現在此類納米復合薄膜中觀察到了強的從紅外到紫外的可見光發射。由于這一類薄膜穩定性大大高于多孔硅，工藝上又可與集成電路兼容，因而被期待作為新型的光電材料應用于大規模光電集成電路。

由于納米薄膜的納米相粒子的量子尺寸效應、小尺寸效應、表面效應、宏觀量子隧道效 應等使得它們的光學性能、電學性能、力學性能、催化性能、生物性能等方面呈現出常規材料不具備的特性。因此，納米薄膜在光電技術、生物技術、能源技術等各個領域都有廣泛的應用前景?，F以納米薄膜材料在潤滑方面的作用為例介紹它們的特性及其應用。

2.納米薄膜的制備方法

納米薄膜的制備方法按原理可分為物理方法和化學方法兩大類。粒子束濺射沉積和磁空濺射沉積,以及新近出現的低能團簇束沉積法都屬于物理方法；化學氣相沉積（VCD）、溶膠-凝膠（Sol-Gel）法和電沉積法屬于化學方法。2.1離子束濺射沉積

使用這種方法制備納米薄膜是在多功能離子束輔助沉積裝置上完成。該裝置的本底真空度為 0.2MPa, 工作氣壓為 7MPa。沉積陶瓷材料可以通過使用3.2KeV/100mA 的 Ar+ 離子束濺射相應的靶材沉積得到, 而沉積聚四氟乙烯材料需要使用較小的束流和束壓(15KeV/30mA)。沉積陶瓷材料時的速率為6nm/min, 沉積金屬和聚四氟乙烯材料時的速率為 12nm/min。2.2磁控濺射沉積

磁控濺射沉積法制備薄膜材料是在磁控濺射儀上實現的, 其真空室中有三個陰極靶(一個直流陰極, 兩個射頻陰極), 三個陰極可分別控制。首先將濺射材料安裝在射頻陰極上, 通過基片架轉動, 基片輪流在兩個射頻靶前接受濺射原子, 控制基片在各靶前的時間, 即可控制多層膜的調制波長。同時在真空室內通入一定壓力的氣體, 可以作為保護氣氛, 或與濺射金屬原子反應生成新的化合物, 沉積到基片上。此外在基片高速旋轉的條件下, 還可制備近似均勻的復合薄膜。磁控濺射法具有鍍膜速率易于控制, 穩定性好, 濺射材料不受限制等優點。2.3低能團簇束沉積法

低能團簇束沉積方法是新近出現的一種納米薄膜制備技術。該技術首先將所沉積材料激發成原子狀態, 以 Ar、He 作為載氣使之形成團簇, 同時采用電子束使團簇離化, 利用質譜儀進行分離, 從而控制一定質量、一定能量的團簇沉積而形成薄膜。在這種條件下沉積的團簇在撞擊表面時并不破碎, 而是近乎隨機分布；當團簇的平均尺寸足夠大, 則其擴展能力受到限制, 沉積薄膜的納米結構對團簇尺寸具有很好的記憶特性。2.4電沉積法

電沉積法可以制得用噴射法不能制得的復雜形狀,并且由于沉積溫度較低, 可以使組分之間的擴散程度降到最低。匈牙利的Eniko TothKadar 利用交流脈沖電源在陰極鍍制納米晶 Ni膜, 試樣制備與普通電鍍相同, 電鍍時電流保持不變, idep = 20Adm-2, 脈沖電流通電時間 ton ,斷電時間 toff在 0.001,0.01,0.1, 1, 10s 之間變化。

此外用電沉積法在 AISI52100 鋼基體上制得銅-鎳多層膜, 試樣預先淬硬到 HRC62 左右, 然后拋光清洗,進行電沉積, 鍍銅時電壓 u = 1600mV, i = 0.881mA cm-2 , 鍍鎳時電壓 u = 600mA, i = 22.02mA cm-2。2.5膠體化學法

采用溶膠-凝膠法制備納米薄膜,首先用化學試劑制備所需的均勻穩定水溶膠, 然后將溶膠滴到清潔的基體上,在勻膠機上勻膠, 或將溶膠表面的陳化膜轉移到基體上, 再將薄膜放入烘箱內烘烤或在自然條件下干燥, 制得所需得薄膜。根據制備要求的不同, 配制不同的溶膠, 即可制得滿足要求的薄膜。用溶膠-凝膠法制備了納米微孔 SiO2薄膜和 SnO2納米粒子膜。

此外,還有用這種方法制備 TiO2/SnO2 超顆粒及其復合 LB(Langmuir-Blodgett)膜、SiC/AIN 膜、ZnS/Si 膜、CuO/SiO2 膜的報道。2.6化學氣相沉積法

在電容式耦合等離子體化學氣相沉積(PCVD)系統上, 用高氫稀釋硅烷和氮氣為反應氣氛制備納米硅氮(Nc-SiNx:H)薄膜。其試驗條件為: 電極間距 3.2cm,電極半徑 5cm。典型的沉積條件為: 襯底溫度 320℃, 反應室壓力為 100Pa, 射頻功率為70W SiH4/H2的氣體流量比為 0.03, N2/SiH4的氣體流量比為 1~10。

此外,還有用化學沉積法制備 Fe-P 膜, 射頻濺射法制備 a-Fe/Nd2Fe4B 多層膜, 熱化學氣相法制備 SiC/Si3N4膜的報道。

3.納米薄膜的應用領域

3.1納米光學薄膜

利用納米薄膜吸收光譜的藍移與紅移特性，人們已制造出了各種各樣的紫外吸收薄膜和紅外反射薄膜，并在日常生產、生活中取得應用。如在平板玻璃的兩面鍍制的Ti02納米薄膜，在紫外線作用下，該薄膜可分解沉積在玻璃上的有機污物，氧化室內有害氣體，殺滅空氣中的有害細菌和病毒；在眼鏡上鍍制的TiO2 納米粒子樹脂膜或Fe2O3納米微粒聚醇酸樹脂膜，可吸收陽光輻射中的紫外線，保護人的視力；在燈泡罩內壁涂敷的納米SiO2和納米TiO2 微粒多層干涉膜，燈泡不僅透光率好，而且具有很強的紅外線反射能力，可大大節約電能等。此外，利用Si納米晶粒薄膜的紫外線光致發光特性，還可獲得光致變色效應，從而產生新的防偽、識別手段。3.2納米耐磨損膜與納米潤滑膜 在一些硬度高的耐磨涂層/薄膜中添入納米相，可進一步提高涂層/薄膜的硬度和耐磨性能，并保持較高的韌性。此外，一些表面涂層/薄膜中加入一些納米顆粒，如C60 富勒烯、巴基管等還可達到減小摩擦系數的效果，形成自潤滑材料，甚至獲得超潤滑功能。事實上，在Ni等基體表面上沉積納米Ni-La2O3 曲，薄膜后，除了可以增加基體的硬度和耐磨性外，材料的耐高溫、抗氧化性也顯著提高。3.3納米磁性薄膜

經過納米復合的涂層/薄膜具有優異的電磁性能。利用納米粒子涂料形成的涂層/薄膜具有良好的吸波能力，可對飛行器、重型武器等裝備起到隱身作用；納米氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵和氧化鋅等具有半導體性質的粒子，加人到樹脂中形成涂層，有很好的靜電屏蔽性能；納米結構的Fe/Cr，Fe/Cu，Co/Cu等多層膜系統具有巨磁阻效應，可望作為應用于高密度存儲系統中的讀出磁頭、磁敏傳感器、磁敏開關等。3.4納米氣敏薄膜

由于氣敏納米膜吸附了某種氣體以后會產生物理參數的變化，因此可用于制作探測氣體的傳感器。目前研究最多的納米氣敏薄膜是SnO2 超微粒膜，該膜比表而積大，且表面含有大量配位不飽和鍵，非常容易吸附各種氣體在其表面進行反應，是制備氣敏傳感器的極佳功能材料。3.5納米濾膜

納米濾膜是一種新型的分離膜，可分離僅在分子結構上有微小差別的多組分混合物，它常常被用來在溶液中截留某些有機分子，而讓溶液中的無機鹽離子自由通過。目前商業化的納米濾膜的材質多為聚酰胺、聚乙烯醇、醋酸纖維素等，這些納米濾膜除了具有微篩孔外，濾膜上各基團往往還帶有電荷，因此，還可以對某些多價的離子進行截留，而讓其他離子通過濾膜?，F在，納米濾膜已經在石化、生化、食品、紡織以及水處理等方面得到廣泛應用。

4.納米薄膜的發展前景

納米薄膜材料的研究是納米科學技術領域的重要內容，在許多領域內都有著廣泛的應用前景。世界上的發達國家都把納米薄膜材料的研究列入國家發展規劃中。我國對納米薄膜材料的研究也非常重視，利用新的物理化學性質、新原理、新方法設計納米結構性器件和納米復合傳統材料改性正孕育新的突破。相信納米薄膜材料將會在未來給人們帶來更多的驚喜。

參 考 文 獻

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第三篇：納米金屬材料—小論文

納米孿晶金屬材料

摘要：金屬材料的高強度和良好的塑韌性是很多金屬材料研究者追求的目標，本文總結了盧柯課題組金屬材料中納米孿晶對強度和塑韌性的影響，并闡明了孿晶界面的作用以及機械孿生對鎂合金的影響。

關鍵詞：強度 塑韌性 孿晶界面 機械孿生

1.引言

近一個多世紀以來,金屬材料強度水平的不斷提高推動著相關工業技術的進步,也不斷改善了我們的生活。輕質高強度鋁合金的出現推動了飛機的誕生和發展,鋼纜強度的不斷提升使斜拉橋的跨度成倍增加,汽車的減重和降耗很大程度上依賴于高比強金屬的發展和應用，強化金屬材料是材料研究者不懈努力追求的目標,強度是材料科學與技術發展的一個重要標志，然而,在大多數情況下,伴隨著強度升高,金屬的塑性和韌性會下降,強度一塑性(或韌性)呈倒置關系。材料的強度愈高這種倒置就愈顯突出。隨著現代工業技術的發展,越來越多的構件要求材料既有高的強度又具有良好的塑性和韌性,高強度金屬的低塑性和低韌性在一定程度上削弱了其工業應用的潛力,成為金屬材料科學發展的瓶頸問題之一。

過去,人們對材料強度一塑(韌)性關系及強韌化規律的研究大多圍繞相對簡單的結構體系展開,材料的組織、相、成分等在空間上分布均勻,特征結構單元尺度單一且在微米以上。隨著人們對自然界中很多天然生物材料認識的不斷深入,發現具有優異綜合力學性能和強韌性配合的天然生物材料往往具有比較復雜的結構要素特征,如不均勻幾何形態及空間分布、多尺度、多相、非均勻成分分布、多層次藕合結構等。這些多層次多尺度的組織(或相)構筑為我們發展高強、高韌、耐損傷金屬材料提供了有借鑒價值的線索。近年來對納米結構材料研究的長足進步和各類納米技術的迅猛發展,使人們在納米一微米一宏觀等不同尺度上對金屬材料的結構設計與制備調控逐步成為可能,為金屬材料強韌化研究提供了一個全新的契機。

2.孿晶促進強度和塑性的同時提高

如果兩個相鄰晶體(或同一晶體的兩個部分)之間沿一個公共晶面形成鏡面對稱的位向關系,那么這兩個晶體就互稱為孿晶,公共晶面即為孿晶界面。一般說來,孿晶界面可以通過阻礙位錯運動使材料得到一定程度的強化。但是,微米或亞微米尺度的孿晶,其強化效果并不顯著,只有當孿晶片層細化至納米量級時才開始表現出顯著的強化效果和其他的特性。納米孿晶結構能夠顯著提高材料的強度而不損失其塑性與韌性，在脈沖電解沉積制備的納米孿晶銅中,隨孿晶片層厚度減小,材料屈服強度的增加趨勢與納米晶體銅中強度隨晶粒尺寸的變化趨勢一致,均遵從Hall一Petch關系，當孿晶片層厚度減至15nm時,材料強度達到極大值,隨后強度逐漸下降,并出現軟化現象。然而,隨孿晶厚度減小,納米孿晶銅的拉伸塑性，斷裂韌性和加工硬化能力均單調增加,且表現出超高加工硬化能力“這提供了一種使強度與塑性/韌性同步提高的新途徑,而傳統的強化機理通常表現為強度一塑性/韌性的倒置關系。

納米孿晶材料的高強度、高塑性和高加工硬化能力均源于位錯與高密度孿晶界面的有效交互作用，塑性變形時,隨孿晶片層減小,孿晶內部可塞積位錯數量減少,位錯穿過孿晶界所需外力提高(強化材料)，同時,位錯與孿晶界反應在孿晶界上形成大量位錯(可動或不可動)并在孿晶界上滑移、塞積、增殖,從而實現加工硬化,協調塑性變形(韌化材料),有效提高其綜合力學性能。納米孿晶銅中極值強度的出現是由于隨孿晶片層減小,塑性變形機制從位錯/孿晶界相互作用主導轉變為由孿晶界處位錯的形核和運動主導所致，這種納米孿晶結構獨特變形機理導致的綜合力學性能提高，在本質上有異于晶界強化。

另外,常用的強化方式往往在提高材料強度的同時會造成其導電性能明顯下降。然而,在純銅中引人納米尺度孿晶界后,其強度可提高一個數量級,但對導電性的影響卻很小，這種高強度高導電性的結合源于孿晶界的電阻比普通晶界的電阻低近一個數量級,大量孿晶界的存在對電子的散射極小。同時,納米孿晶結構還能降低電致原子遷移速率,導致的原子沿晶界輸運降低了一個數量級。

孿晶是金屬材料中的常見結構,但如何制備出高密度納米尺度的孿晶結構卻并非易事。目前納米尺度孿晶結構可通過電解沉積、磁控濺射沉積、塑性變形或退火再結晶等制備技術在多種純金屬和合金中獲得。如何發展納米孿晶金屬的制備方法和工藝,以及如何將納米孿晶強化技術應用于更廣泛的工程材料等方面依然面臨挑戰。

3.納米孿晶促進強度和塑性的同時提高

梯度材料是指材料的組成結構和性能在厚度或長度方向連續或準連續變化,即材料的組成和結構從材料的某一方位以1維、2維或者3維向另一方位連續地變化,使材料的性能和功能也呈現出梯度變化的一種新型材料。結構梯度材料常常在自然界生物結構中看到,例如竹子、植物莖桿和動物骨骼,這些材料中最強的結構往往位于承受應力最大的地方。材料科學家從自然界這些材料的結構特點獲得啟發,開始有目的地設計梯度結構金屬材料。

與均勻結構相比,梯度結構材料能夠更有效地抵御材料的失效。利用納米材料強度高,在金屬材料表層形成納米尺度晶粒,并隨距表面距離的增加,晶粒尺寸梯度增加,形成所謂的梯度納米結構(Gradientnano一grained,GNG)金屬材料,將明顯提高整體材料的摩擦磨損、疲勞和腐蝕等性能,從而延長材料的使用壽命或滿足特殊環境的使用要求。

該重大項目通過自主發展的表面機械碾壓處理(SMGT)技術,在多種純金屬及工程材料中成功制備出梯度納米結構,自表及里晶粒尺寸由十幾納米梯度增大至微米尺度,材料芯部的晶粒尺寸為幾十微米的粗晶結構,這種梯度納米結構的厚度可達數百微米。SMGT技術制備的梯度材料納米晶與粗晶基體結構梯度的過渡,有效避免了納米材料與基體剝離的問題,從而為研究納米材料拉伸實驗本征力學性能提供了理想材料。研究結果表明梯度納米結構銅及不銹鋼拉伸屈服強度都有大幅度提高,而拉伸延伸率并無明顯下降。納米梯度銅室溫拉伸實驗顯示,具有梯度納米結構的表層在拉伸真應變高達100%時仍保持完整,未出現裂紋,表明其拉伸塑性變形能力優于粗晶銅。這種優異的塑性變形能力源于梯度納米結構獨特的變形機制。微觀結構研究表明,梯度納米結構銅在拉伸過程中,其主導變形機制為機械驅動的晶界遷移,從而導致伴隨的晶粒長大。梯度納米結構銅及不銹鋼表層硬度明顯增加,使材料摩擦磨損性能顯著提高,并可抑制裂紋的萌生。

梯度納米材料不但推動了納米金屬材料本征力學性能的研究和認識,也為納米金屬材料的工業應用開辟了一條新途徑。

4.孿生界面具有優良的疲勞抗力

據統計,機械設備的各種斷裂事故中,大約80%是屬于疲勞破壞,而這些疲勞破壞主要起源于材料在交變載荷下,內部萌生裂紋和隨后的擴展過程。大量研究表明,晶界是強化金屬多晶體材料的重要界面,而它又是容易萌生疲勞裂紋的有利位置。因而,如何通過設計和控制金屬材料的界面,進而提高材料的強度乃至疲勞強度是材料科學家一直以來的研究重點。近年來,一種特殊的晶界—“孿晶界面”以其對材料強度和塑性的雙重貢獻進人了人們的視野。鑒于這種孿晶界面的特殊性,金屬研究所盧柯院士曾提出了共格孿晶界面對金屬材料的強韌化機制。然而,對孿晶界面在疲勞載荷下裂紋萌生機制的認識尚不清楚。選擇具有不同層錯能的純銅與銅合金作為研究對象,揭示了金屬材料層錯能大小和孿晶界面兩側晶體取向關系對孿晶界面疲勞裂紋萌生的影響。研究結果發現:孿晶界面相對于普通晶界更難于萌生疲勞裂紋,而其萌生裂紋的難易程度主要受晶體取向(施密特因子差)、層錯能和滑移方式的影響。由于孿晶界面對位錯既具有阻礙作用,也可允許部分位錯穿過,因此,隨施密特因子差減小、層錯能升高以及滑移方式的轉變,孿晶界面會允許更多的位錯穿過,從而明顯提高疲勞裂紋萌生的阻力。通過進一步比較幾種不同晶界的疲勞開裂機制,進而確定了萌生裂紋的難易順序為:小角晶界>孿晶界面>大角晶界,這表明孿晶界面不但可以提高金屬材料的強度和塑性,同時也具有較高的抗疲勞裂紋萌生阻力,這為金屬材料的抗疲勞設計提供了新的可能,即通過對金屬材料合金化與孿晶界面設計,可以獲得最佳的強韌性與使役性能的匹配。

5.機械孿生促進高性能鎂合金的開發

鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪性好、導熱和導電性好、抗動態沖擊載荷能力強、資源豐富等優點,是目前工程應用中最輕的金屬結構材料,被譽為“用之不竭的輕質材料”“綠色的工程材料”,與鋼、鋁及工程塑料等結構材料互補,為交通工具、電子通信、航空航天和國防軍工等領域的材料應用提供了重要選擇。

然而與鋼、鋁等立方結構金屬相比,密排六方結構鎂合金室溫變形能力較差,這是限制其大規模使用的瓶頸問題。為了協調材料的宏觀塑性變形,從微觀上講金屬通常需要啟動一定數量的位錯滑移系,然而鎂合金在室溫下能啟動的滑移系主要只有基面滑移,其他滑移系(如柱面、c十a滑移)由于臨界分切應力較大常溫下不易啟動。除了位錯滑移外,機械孿生是鎂合金的另外一種重要的變形機制。鎂合金中拉伸孿生由于其臨界啟動的剪切應力低,是鎂合金常溫下主要塑性變形模式之一。拉伸孿生可以傾轉晶體取向,進一步影響位錯滑移，可以分割晶粒,對組織進行細化,從而起到阻礙位錯滑移,提高材料加工硬化的效果。鎂合金在塑性加工過程中易形成軸平行于受力方向的基面織構,導致材料呈現強烈的各向異性,會顯著降低板材沿厚度方向的變形能力，大量研究表明,弱化基面織構可以顯著提高鎂合金塑性變形能力,常用的方法有添加稀土合金元素、等通道角擠壓加工和異步軋制等。稀土鎂合金成本較高,難以大規模應用,等通道角擠壓加工弱化織構效果較好,但其加工效率低,加工成本高,異步軋制對基面織構弱化效果有限,不能顯著改善板材的加工變形能力。由于拉伸孿生對鎂合金變形行為有顯著影響,因此可以利用預變形誘導拉伸孿生來調控鎂合金的織構和組織,進而改變其力學行為和性能。鎂合金在不同變形條件下(初始取向、溫度、應變速及變形模式)的機械孿生行為與形成機理,重點探索了拉伸孿生對鎂合金力學性能的影響規律。研究發現通過引人拉伸孿晶細化晶?？梢酝瑫r提高鎂合金的強度和塑性,降低了鎂合金的拉壓不對稱性,并且首次提出通過側軋誘導拉伸孿生調控板材織構,從而大幅度提高鎂合金板材的單道次軋制能力。采用商業AZ31鎂合金板材進行中試,發現采用側軋新工藝的板材單道次軋制量可以提高一倍以上,大大提高了加工效率和成材率,有望在鎂合金工業得到廣泛應用。

6.原子尺度下機械孿生的模擬

強度和韌性是材料重要的力學特性,而傳統的強化方法都以損失材料的韌性為代價。因此,如何在不損失材料韌性的前提下,盡可能地提高材料的強度,成為了人們關心的問題。納米孿晶界是一種共格的晶體面缺陷”一方面,它們與一般的大角度晶界一樣,可以有效地阻擋位錯運動,在納米孿晶界密度較高的情況下,可以大幅度提高材料的強度。另一方面,由于納米孿晶界的對稱性,使得位錯可以沿著它運動,產生臺階。位錯也可以在與納米孿晶界反應后,穿越進人相鄰的晶粒。所以說納米孿晶界具有很強的容納位錯的能力,這樣就可以提高材料塑性變形的能力,也就改善了材料的韌性。

利用分子動力學方法,從納米尺度上研究了納米孿晶界對納米金屬的斷裂韌性的影響。結果表明,納米孿晶界密度越高,材料的斷裂韌性越強。在主裂紋擴展過程中,裂尖前方的納米孿晶界吸收了大量的位錯,使得裂尖不斷鈍化。另外,在離主裂紋不遠處還觀察到子裂紋沿著孿晶界的擴展這一納米尺度上的二級缺陷增韌機制。這種機制有效地緩解了主裂紋尖端(一級缺陷)附近的應力集中,使得裂紋擴展得以抑制。在納米孿晶界密度較高的多晶試樣中,觀察到了裂紋偏折的現象,裂紋擴展的路徑不同于沒有納米孿晶界的多晶試樣。具體地說,由于納米孿晶界具有多余的自由能,因此在納米孿晶材料中,裂紋傾向于沿著或者切割納米孿晶界在晶粒內部進行擴展,這樣的擴展方式使得裂紋的路徑呈現一種“之”字形的形狀，這種擴展方式可以有效地提高材料的斷裂韌性。此外,還考慮了納米孿晶界的取向對材料斷裂韌性的影響。當納米孿晶界取向傾斜于裂紋方向時,斷裂韌性的提高較垂直和平行的取向大。這種更高的韌化效果可以歸因于兩種韌化機制的共同作用,即主裂紋尖端區域容納了更多數量的不全位錯,和更容易發生裂紋偏折。最后,在文章中的模擬還首次觀察到了納米孿晶界的彎曲,發現在彎曲的納米孿晶界上,存在著一系列幾何必須位錯和晶界臺階。這說明,彎曲納米孿晶界的出現對應著大量的塑性變形,同時滑移面的彎曲和晶界臺階的存在使得位錯沿納米孿晶界滑移的阻力增大,因此彎曲的納米孿晶界同時具有韌化和強化的作用。通過原子尺度的計算模擬,研究了納米孿晶界對納米金屬晶體斷裂韌性的影響,并由此提出了4種韌化機制:(l)納米孿晶界容納位錯的韌化機制;(2)納米孿晶界使得主裂紋發生偏轉的韌化機制;(3)二級缺陷增韌機制;(4)彎曲孿晶界增韌機制。在這4種韌化機制的共同作用下,納米結構材料的斷裂韌性得到大幅度的提高。這也為今后設計和制備具有高強度高韌性的納米結構功能材料提供了思路和方法。

參考文獻：

[1] Zhang Y, Tao N R, Lu K.Acta Mater, 2011;58: 6048

第四篇：納米論文

淺談納米尺寸效應及其應用

納米材料具有傳統材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性，如原本導電的銅到某一納米級界限就不導電，原來絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級界限時開始導電。這是由于納米材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，以及其特有的三大效應：表面效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應。小尺寸效應。現在從尺寸效應探討其特性和應用。

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產生如下一系列新奇的性質。量子尺寸效應指當金屬或半導體從三維減小至零維時，載流子在各個方向上均受限，隨著粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子玻爾半徑）時，費米能級附近的電子能級由準連續能級變為分立能級的現象稱為量子尺寸效應。金屬或半導體納米微粒的電子態由體相材料的連續能帶過渡到分立結構的能級，表現在光學吸收譜上從沒有結構的寬吸收過渡到具有結構的特征吸收。量子尺寸效應帶來的能級改變、能隙變寬，使微粒的發射能量增加，光學吸收向短波長方向移動（藍移），直觀上表現為樣品顏色的變化，如CdS微粒由黃色逐漸變為淺黃色，金的微粒失去金屬光澤而變為黑色等。同時，納米微粒也由于能級改變而產生大的光學三階非線性響應，還原及氧化能力增強，從而具有更優異的光電催化活性[5,6]。

第頁 納米材料與技術是在20世紀80年代末才逐步發展起來的前沿交叉性新興學科領域，它與住處技術和生物技術一起并稱為21世紀三大前沿高新技術，并可能引導下一場工業革命。

納米技術是嚴謹的高新交叉技術，人類剛剛邁進門檻，就顯現出其強大的生命力。有些納米材料（如納米金剛石）經過表面改性和分散，可以均勻分布到聚合物的熔融體中，經過噴絲、冷卻形成具有特殊功能的納米纖維，添加比列很低，但每根短纖維上有成千上萬個納米顆粒。可以作成高抗磨、自清潔、防雨、防紫外線、防靜電、殺菌、紅外隱形等功能布料，很有發展前景。

將人類帶入新的微觀世界。人類可以從新的納米技術領域獲得很大好處。利用這項技術的目的是在納米尺寸上操縱物質，以創造出具有全新分子組織形式的結構。這有可能改變未來材料和裝置的生產方式，并且給人類帶來巨大的經濟益處。

比如，利用精確控制形狀和成分的納米“磚塊”，人類有可能合成出自然界沒有的材料。然后可以把這些材料組裝成更輕更硬的較大結構，而且這種結構還具有課設計性。例如，美國國家科學技術委員會曾經發布的一份研究報告就描述了這些設想的特種新奇材料的特性。這些材料具有多種功能，并能夠感知環境變化而且作出相應的反應。比如，預計會出現一種強度是鋼鐵10倍的材料，具有超導彈性，透明材料和具有更高熔點的材料。吧納米技術用于儲存器，那么可以是整個圖書館的信息放入只有糖塊一樣大的小裝置中。也就是說，納米技術不只是向小型化邁進了一步，而且是邁入了一個嶄新的微觀世

第頁 界。

傳統的解釋材料性質的理論，只是用于大于臨界長度100納米的物質。如果一個結構的某個維度小于臨界長度，那么物質的性質就常常無法用傳統的理論去解釋。而科學家正試圖在大哥分子或原子尺度到十萬個分子的尺度之內發現新奇的現象。

美國國納米技術計劃初期研究的重點是，在分子尺度上具有新奇的特性并且系統、物理和化學性能有明顯提高的材料。比如，在納米尺度上，電子和原子的交互作用受到變化因素的影響。這樣，在納米尺寸上組織物質的結構就有可能使科學家在不改變材料化學成分的前提下，控制物質的基本特性，比如磁性、蓄電能力和催化能力等。又如在納米尺度，生物系統具有一套成系統的組織，這使科學家能夠把人造組件和裝配系統放入細胞中，以制造出結構經過組織后的新材料，有可能使人類模擬自然的自行裝配。還有，納米組件有很大的表面積，這能夠使它們成為理想的催化劑和吸收劑等，并且在放電能和向人體細胞施藥方面派上用場。利用納米技術制造的材料與一般材料相比，在成分不變的情況下體積會大大縮小而且強度和韌性將得到提高。

美國西北大學開發的一種比色傳感器，已經成功探測出結核桿菌?？茖W家把探測對象的DNA附加在納米大小的黃金微粒上。當互補的微粒在溶液中存在時，黃金微粒會緊緊地結合在一起，改變懸浮液的顏色。

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由

第頁 于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。對超微粒而言，尺寸變小，同時其比表面積也顯著增加，從而產生如下的新奇的性質：特殊的光學性質、熱學性質、磁學性質和力學性質。具體的光學性質是當黃金被分割到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。事實上，尺寸越小，顏色愈是黑。由此可見，金屬超微顆粒對反光的反射率很低。熱學性質具有高矯頑力的特征，已經作為高儲存密度的磁記錄磁粉，大量應用于磁帶。利用磁性，人們已經將磁性超微粒制成用途廣泛的磁性液體。力學性質是具有良好的任性。因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此變現出很好的韌性和延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質。美國學者報道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是有磷酸鈣等納米材料構成的。呈納米晶粒的金屬比傳統的粗晶粒金屬硬3到5倍。

一般常見的磁性物質均屬多磁區之集合體，當粒子尺寸小至無法區分出其磁區時，即形成單磁區之磁性物質。因此磁性材料制作成超微粒子或薄膜時，將成為優異的磁性材料。

我們對納米材料的認識還遠遠不夠，還需要不斷的探索和研究。相信通過不斷的深入，一定會使納米在更多的領域里發揮作用，服務于生產和生活。

第頁

參考文獻：

張力德、牟季美《納米材料和納米結構》科學出版社，2002 陳敬忠、劉劍洪《納米材料科學導論》高等教育出版社，2006 黃昆原著，韓汝琦改編，《固體物理學》高等教育出版社，1988

第頁

第五篇：納米論文

納米復合材料論文

——納米陶瓷復合材料

摘要：本論文主要介紹了納米復合材料的的設計（包括結構設計和功能設計），討論了納米陶瓷復合材料的制備方法以及對所制備的金屬基納米復合材料的性能進行了分析，最后對納米陶瓷納米復合材料的發展進行了展望。關鍵詞：納米陶瓷材料

納米復合材料

制備

性能

展望

致遠化學班

F1324005 陳昊 5132409039

目 錄

前 言 ?????????????????????????1 第1章納米陶瓷材料概述 ?????????????????2 第2章納米陶瓷材料的生產工藝………………………………………4 第3章納米陶瓷材料應用……………………………………………5 結束語…………………………………………………………………7 參考文獻 ????????????????????????7

前言

陶瓷材料在日常生活、工業生產及國防領域中起著舉足輕重的作用。但是，由于傳統陶瓷材料質地較脆，韌性、強度較差，因而使其應用受到了很大限制。隨著納米技術的廣泛應用，納米陶瓷隨之產生，希望以此來克服傳統陶瓷的脆性，使其具有像金屬一樣的柔韌性和可加工性。與傳統陶瓷相比。納米陶瓷的原子在外力變形條件下自己容易遷移，因此表現出較好的韌性與一定的延展性，因而從根本上解決了陶瓷材料的脆性問題。英國著名材料科學家卡恩在Nature雜志上撰文道：“納米陶瓷是解決陶瓷脆性的戰略途徑。”

所謂納米陶瓷，是指陶瓷材料的顯微結構中，晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、氣孔尺寸、缺陷尺寸都限于100nm以下，是上世紀80年代中期發展起來的新型陶瓷材料。由于納米陶瓷晶粒的細化，品界數量大幅度增加，可使材料的韌性和塑性大為提高并對材料的電學、熱學、磁學、光學等性能產生重要的影響，從而呈現出與傳統陶瓷不同的獨特性能，成為當今材料科學研究的熱點。

一、納米陶瓷材料的性能

納米陶瓷材料的結構與常規材料相比發生了很大變化，顆粒組元細小到納米數量級，界面組元大幅度增加，可使材料的強度、韌性和超塑性等力學性能大為提高，并對材料的熱學、光學、磁學、電學等性能產生重要的影響。1.力學性能

硬度和斷裂韌度：對納米晶TiO2進行研究，發現在室溫壓縮時，納米顆粒已有很好的結合，高于500℃很快致密化，而晶粒大小只有稍許的增加，所得的硬度和斷裂韌度值與單晶TiO2或粗顆粒壓縮體的相應值比，性能相當或更好。納米晶TiO2其硬度和斷裂韌度隨燒結溫度的增加(即空隙度的降低)而增加，在800~900℃溫度范圍燒結，與經優化燒結的塊狀陶瓷相比，兩者的硬度和斷裂韌度值相符。低溫燒結后，納米晶TiO2就能獲得好的力學性能。通常硬化處理材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由空隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強度。納米晶TiO2經800℃燒結后，維氏硬度H=630，斷裂韌度Kic(Mpam1/2)為2.8，空隙度為10％；而1000℃燒結后，H=925，Kic=2.8，空隙度為5％。2.熱學性能

(1)比熱，納米材料的界面結構中原子分布比較混亂，與常規材料相比，界面體積分數較大，因而納米材料熵對比熱的貢獻比常規材料大得多。如對應粒徑為80nmAl2O3的比熱，比常規粗晶Al2O3高8％。

(2)熱膨脹，納米非晶氮化硅熱膨脹系數比常規晶態Si3N4高1～26倍。其原因是納米非晶氮化硅的結構與常規晶態Si3N4有很大差別，前者是由短程有序的非晶態小顆粒構成的，它們之間的界面占很大比例，界面原子的排列較之非晶顆粒內部更為混亂。在相同條件下，原子和鍵的非線性熱振動比常規晶態顯著得多，因此對熱膨脹的貢獻也必然很大。

(3)導熱或超絕熱，絕熱材料目前在我國尚處于實驗研究與工業實驗的中間階段。由于氣孔尺寸小到納米級，主要產生如下納米效應：當輕質材料中的氣孔尺寸小于50nm時，氣孔中的空氣分子就失去了自由流動的能力，因此相當于抽了真空，稱為“零對流效應”。由于材料的體積密度較小，氣孔尺寸很小，這時氣孔壁的數目趨于“無窮多”。對于每一個氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產生近于“無窮多遮熱板”的效應，從而使輻射傳熱下降到最小的極限。由于近于無窮多納米孔的存在．熱流在固體中傳遞時就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構成了近于“無窮多路徑”效應，使固體熱傳導的能力下降到接近最低極限。

將硅酸鈣復合納米孔超級絕熱材料用于鋼結構防火可使防火時間從目前一般厚質防火涂料的2h左右延長到15h，給滅火贏得充足的時間。將該材料用于太陽能熱水器，可使其集熱效率提高一倍以上，而散熱損失下降到現在的30％。3.光學性能

材料的光學性能與其內部的微觀結構，特別是電子態、缺陷態和能級態結構有關。納米材料在結構上與常規材料有很大差別，突出表現在小尺寸顆粒和龐大體積分數的界面，界面原子排列和鍵的組態的無規則性較大，使納米材料的光學性能出現一些與常規材料不同的新現象。

(1)紅外吸收：對納米材料紅外吸收的研究表明，紅外吸收譜中出現藍移和寬化。納米相Al2O3，紅外吸收譜在400～1000cm-1波數范圍內有一個寬廣的吸收帶，與A12O3單晶相比，紅外吸收峰有明顯的寬化，其中對應單晶的637cm-1和442cm-1的吸收峰，在納米相中藍移到639.7cm-1和442.5cm-1。(2)熒光現象：用紫外光激發摻Cr和Fe的納米相A12O3時，在可見光范圍觀察到新的熒光現象。

(3)光致發光：退火溫度低于673K時，納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的發光現象與常規非晶氮化硅不同，出現6個分立的發光帶，而常規非晶氮化硅在紫外光到可見光很寬的波長范圍的發光呈現一個很寬的發光帶。4.電磁學性能

納米材料與常規材料在結構上，特別是在磁結構上有很大差別，因此在磁性方面會有其獨特的性能。除磁結構和磁化特點不同外，納米晶材料顆粒組元小到納米級，具有高的矯頑力，低的居里溫度，顆粒尺寸小于某一臨界值時，具有超順磁性等。同時，納米材料的界面組元與粗晶材料有很大差別，使界面組元本身磁性具有獨特性能。例如界面的磁各向異性小于晶內，居里溫度低于常規材料等。

由于納米材料中存在龐大體積分數的界面，使平移周期在一定范圍內遭到嚴重破壞，顆粒愈小，電子平均自由程愈短，偏離理想周期場愈嚴重。因此，納米材料的電學性能(如電導、介電性、壓電性等)與常規材料存在明顯的差別。

(1)電阻和電導，晶界原子排列愈混亂，晶界厚度愈大，對電子散射能力就愈強。界面這種高能壘是使電阻升高的主要原因。當晶粒尺寸小于電子平均自由程時，晶界組元對電子的散射起主導作用，這時電阻與溫度的關系以及電阻溫度系數的變化都明顯偏離粗晶情況，甚至出現反?，F象。納米非晶氮化硅(粒徑大約15nm)的電導比常規非晶氮化硅高。

(2)介電特性。納米材料在結構上與常規材料存在很大差別，其特點主要表現在介電常數和介電損耗對顆粒尺寸有很強的依賴關系，電場頻率對介電行為有極強的影響。納米材料的介電常數隨電場頻率的降低而升高，并顯示出比常規粗晶材料高的介電性。納米材料隨著電場頻率的下降，介質的多種極化都能跟上外加電場的變化，介電常數增大。(3)壓電效應，經研究表明，未經退火和燒結的納米非晶氮化硅塊體具有強的壓電效應，而常規非晶氮化硅不具有壓電效應。

二、納米陶瓷材料制備工藝與方法 蒸發凝聚法(PVD法)蒸發凝聚法是制備納米粉體的一種早期的物理方法，蒸發法所得產品顆粒粒度一般在5～100納米之間。蒸發法是將金屬或化合物顆粒的原料加熱、蒸發，使之成為原子或分子，再使許多原子或分子凝聚，生成極微細的納米粉體。目前已發展出多種蒸發凝聚技術手段制備納米陶瓷粉體，這些方法大體上可分為：真空蒸發法、氣體蒸發法等。而按原料加熱蒸發技術手段不同，又可將蒸發法分為：太陽爐加熱蒸發法、電子束加熱蒸發法、等離子體加熱蒸發法及激光束加熱蒸法等。

蒸發冷凝法也是一種蒸發凝聚法，在真空蒸發室內充人低壓惰性氣體，加熱金屬或化合物蒸發源，蒸氣將凝聚成納米尺寸的團簇，并在液氮冷卻棒上聚集得到納米粉體。蒸發冷凝法的優點是可在體系中加置原位壓實裝置直接得到納米陶瓷材料。

蒸發凝聚法的缺點是裝備龐大，設備投資昂貴，且不能制備高熔點的氧化物和碳化物粉體，所得粉體一般粒徑分布范圍較寬。2化學氣相反應法(CVD法)化學氣相沉積(Chemical Vapor DePosition CVD)法是在高熱卞反應產物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓而使其自動凝聚形成大量的晶核。這些晶核在加熱區不斷長大、聚集成顆粒，且隨著氣流進人低溫區使顆粒生長、聚集和晶化過程停止，最終在收集室內收集得到納米陶瓷粉體。CVD法可通過選擇適當的反應物濃度、流速、溫度和組成配比等工藝條件，實現對粉體組成、形貌、尺寸、晶相等控制。3激光誘導化學氣相法(LICVD法)激光誘導化學氣相沉積(Laser Indueed Chemical Vapor DePosition LICVD)法是利用反應氣體分子對特定波長激光束的吸收而產生熱解或化學反應，經成核生長形成超細粉末。UCVD法通常采用高能CO2激光器。4等離子體氣相合成法（PCVD法）等離子化學氣相沉積伊（Plasma Chemical Vapor Deposition PCVD)法是納米陶瓷粉體制備的常用方法之一，它具有反應溫度高、升溫和冷卻速率快等特點。等離子體是物質存在的第四種狀態，由電離的導電氣體組成，其中包括:電子、正離子、負離子、激發態的原子和分子、基態原子和分子及光子。采用等離子氣相化學法制備陶瓷納米粉體材料具有許多優點:a、等離子體中具有較高的電離度，可以得到多種活性組分，有利于各類反應的進行；b、等離子體反應空間大，可以使相應物質化學反應完全；c、與激光誘導氣相沉積法相比，等離子氣相化學法更容易工業化。5溶膠-凝膠（SOL-GEL）法

溶膠-凝膠法是指在水溶液中加入有機配體與金屬離子形成配合物，通過控制pH值、反應溫度等條件讓其水解、聚合，經溶膠)凝膠途徑形成一種空間骨架結構，然后脫水焙燒得到目的產物的一種方法。此法在制備復合氧化物納米陶瓷材料時具有很大的優越性。

三、納米陶瓷材料的應用領域

1、硬性防護和軟性保護材料

普通陶瓷在用作防護材料時，由于其韌性差，受到彈丸撞擊后容易在撞擊區出現顯微破壞、跨晶、界面破壞、裂紋擴展等一系列破壞過程，從而降低了陶瓷材料的抗彈性能。納米陶瓷具有高韌性的性能，提高了陶瓷材料的抗沖擊性能，可有效提高主戰坦克復合裝甲的抗彈能力，增強速射武器陶瓷襯管的抗腐蝕性和抗沖擊性；由防彈陶瓷外層和碳納米管復合材料作襯底，可制成堅硬如鋼的防彈背心。在未來的戰爭中，若能把納米陶瓷用于車輛裝甲防護，會具有更好的抗彈、抗爆震、抗擊穿能力，提供更為有力的保護。納米Y2O3和ZrO2在較低溫度燒結的陶瓷具有很高的韌性和強度，被用于軸承和刀具等耐磨器件。

另一方面起著軟性保護的納米涂料也在防護領域起著重要的作用，目前納米陶瓷用于腐蝕條件惡劣環境中的防腐納米陶瓷涂料，能有效保護航標燈座、船舶、石油化工設施和各類貯罐、橋梁、橋墩、鐵路涵洞、鉆井設備、海上油田等設施以及強酸、強堿等生產設備的外表面，在較長時間內防止強酸堿、鹽霧、凍融、霉菌等的浸漬。

另外以納米陶瓷粉體為基體，利用其致密速度快、燒結溫度低和良好的界面延展性，在燒結過程中控制顆粒尺寸在200—500nm的的最佳范圍，可以獲得具有良好超塑性的納米陶瓷材料。如納米陶瓷電極板燈就是基于這樣的基礎，燈的電極使用了納米級的陶瓷粉燒接，起到了保護燈管的作用。

2、耐高溫材料

納米陶瓷粉末涂料在高溫環境下具有優異的隔熱保溫效果，不脫落、不燃燒，耐水、防潮，無毒、對環境無污染，對提高航空發動機的渦輪前溫度，進而提高發動機的推重比和降低燃料消耗具有重要作用，適用于冶金、化工工業、電廠的熱力鍋爐及焦化煤氣等熱力設備和熱力管網等高溫設備的防腐、爐外降溫，并有望成為艦艇、軍用渦輪發動機高溫部件的理想材料，以提高發動機效率，可靠性與工作壽命。在汽車工業也有著廣闊前景，如用納米陶瓷作為氣缸內襯材料，因耐高溫可提高燃料燃燒溫度，使燃料的熱效率提高；涂覆于汽車玻璃表面可起到防污和防霧、隔熱作用。

3、生物材料、臨床應用材料

隨著納米材料研究的深入，納米生物陶瓷材料的優勢將逐步顯現，其強度、韌性、硬度以及生物相容性都有顯著提高。例如當羥基磷灰石粉末中添加10％~70％的ZrO2粉末時，材料經1300~1350℃熱壓燒結，其強度和韌性隨燒結溫度的提高而增加。納米SiCn增強羥基磷灰石復合材料比純羥

基磷灰石陶瓷的抗彎強度提高1.6倍、斷裂韌性提高2倍、抗壓強度提高1.4倍，與生物硬組織的性能相當。從表1可看出納米陶瓷材料的力學性能。

Erbe等用納米技術制備出納米磷酸鈣，它不僅可以作為骨髓細胞的細胞骨架，還可以加速細胞的形成。生物功能陶瓷能夠模仿人體某些特殊生理行為，可以用來構成牙齒和骨骼等某些人體部位，甚至可望部分或整體地修復或替換人體的某種組織器官。傳統的陶瓷材料晶粒，氣孔較大，因此其脆性及彈性模量也較大，給人工牙齒的質量帶來影響。Hlateng等正在研究一種納米陶瓷材料，該材料不僅強度、柔韌、可塑性好。而且彈性模量接近天然骨，極大地改善了材料的力學相容性和生物相容性，為臨床制作人工關節、人工牙齒及牙種植體開辟了新途徑。利用納米微?？稍隗w內方便傳輸的特點，科學家開發出放射療法用的羥基磷灰石復合陶瓷微粒。把可放射β射線的化學元素摻入納米微粒內，制成β射線源材料，把它植入人體腫瘤附近，就可直接照射癌細胞又不損傷周圍正常組織。目前，一種生物陶瓷材料硅酸鋁釔(YAS)就可以滿足這些要求。初步臨床表明，采用這種材料治療可以大大延長病人的壽命。

4、以陶瓷粉末為吸收劑的吸收材料

傳統的汽車尾氣凈化催化材料是在陶瓷載體表面涂一層Al2O3粉體材料作為分散層，再在分散層表面涂一層催化劑材料作為活性層。將分散層和活性層的材料制備技術開發成納米表面材料技術，可明顯改善汽車尾氣催化劑的性能，提高了汽車尾氣凈化器的壽命。

5、壓電材料

壓電陶瓷廣泛用于電子技術、激光技術、通汛、生物、醫學、導航、自動控制、精密加工、傳感技術、計量檢測、超聲和水聲、引燃引爆等軍用、商用及民用領域。納米陶瓷晶體結構上沒有對稱中心，具有壓電效應。通過精選材料組成體系和添加物改性，可以獲得高能和低溫燒結兼備的壓電納米陶瓷材料。通過控制納米晶粒的生長可獲得量子限域效應，以及性能奇異的鐵電體，以提高壓電熱解材料機電轉換和熱釋性能。即卡金說的壓電材料就具有這樣的變化特征。研究發現當它們的厚度介于20~23nm時，其壓電效率提高了100％。近年迅速發展的各類壓電變壓器、壓電驅動器、大功率超聲焊接技術、壓電式振動給料器、超聲CVD新工藝和核電站相配套的大功率超聲工程都是納米陶瓷在壓電方面的應用。

6、信息材料

電子陶瓷的應用范圍日趨廣泛，包括基板、傳感器。這些之所以廣泛地采用電子陶瓷來制作。原因在于隨著追求降低半導體元件的工作電壓和增加多層陶瓷電容單位體積效率，多層陶瓷電容器內層厚度降低，總層數增加。當陶瓷中的晶粒尺寸減小一個數量級，晶粒的表面積及晶界的體積亦以相應的倍數增加。納米功能陶瓷除了可降低產品的成本，滿足電子元件小型化的需要外，還可減少連接的距離，將會提高對環境的穩定性，減少噪音并降低產品對噪音的敏感性瑚，大大提高產品的質量。

7、清潔材料

“納米易潔陶瓷”系采用特殊的涂覆技術。將納米液態聚合硅均布于陶瓷表面，經高溫處理后得到具有納米量級膜層的陶瓷。聚合硅成膜后能大大降低陶瓷的表面張力，使液體在陶瓷表面呈半球狀，不易掛沾，易于清潔。納米陶瓷具有明顯的易潔特性，在使用中便于清洗節水，也會減少因使用化學清潔劑而造成的環境污染。同時納米陶瓷材料還具有一定的抗菌性。所以其在墻地磚及衛生潔具的應用有著十分廣闊的前景和重要的環保意義。

結束語

納米陶瓷作為一種新型的高性能陶瓷,將越來越受到世界各國科學家的關注。納米陶瓷材料的發展是現代物理和先進技術結合的產物, 是近年來發展起來的一門全新的科學技術,它將成為新世紀最重要的高新技術之一。納米陶瓷的研究與發展,必將引起陶瓷工業的發展與變革,引起陶瓷學理論上的發展乃至新的理論體系的建立,以適應納米尺度的研究需要,從而使納米陶瓷材料具有更佳的性能,使其在工程領域乃至日常生活中得到更廣泛的應用。未來納米陶瓷發展的方向主要有以下幾個方面：（1）納米陶瓷粉體新的制備方法和工藝條件的研究與開發；開發高效率、低成本的制備技術；（2）納米粉體形成納米陶瓷的反應機理研究；（3）智能化敏感陶瓷元件計算機用光纖陶瓷材料、計算機硬盤和高穩定性陶瓷電容器；（4）研究納米粉體對環境的污染機理，做好應用過程中的環境保護；（5）加速納米粉體的工業化生產和應用進程。在21世紀，納米陶瓷粉體將飛速發展，在各領域的應用將全面展開，并將產生一批新技術、新產品；在電子、通信等高技術領域的廣泛應用，將成為經濟發展的新的增長點。

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