第一篇：納米材料研究現狀及應用前景要點

納米材料研究現狀及應用前景

摘要：文章總結了納米粉體材料、納米纖維材料、納米薄膜材料、納米塊體材料、納米復合材料和納米結構的制備方法，綜述了納米材料的性能和目前主要應用領域，并簡單展望了納米科技在未來的應用。

關鍵詞：納米材料；納米材料制備；納米材料性能；應用 0 引言

自從1984年德國科學家Gleiter等人首次用惰性氣體凝聚法成功地制得鐵納米微粒以來，納米材料的制備、性能和應用等各方面的研究取得了重大進展。納米材料的研究已從最初的單相金屬發展到了合金、化合物、金屬無機載體、金屬 有機載體和化合物無機載體、化合物有機載體等復合材料以及納米管、納米絲等一維材料，制備方法及應用領域日新月異。

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或由它們作為基本單元構成的材料，包括納米粉體(零維納米材料，又稱納米粉末、納米微粒、納米顆粒、納米粒子等)、納米纖維(一維納米材料)、納米薄膜(二維納米材料)、納米塊體(三維納米材料)、納米復合材料和納米結構等。納米粉體是一種介于原子、分子與宏觀物體之間的、處于中間物態的固體顆粒，一般指粒度在100nm以下的粉末材料。納米粉體研究開發時間最長、技術最成熟，是制備其他納米材料的基礎。納米粉體可用于：高密度磁記錄材料、吸波隱身材料、磁流體材料、防輻射材料、單晶硅和精密光學器件拋光材料、微芯片導熱基片與布線材料、微電子封裝材料、光電子材料、先進的電池電極材料、太陽能電池材料、高效催化劑、高效助燃劑、敏感元件、高韌性陶瓷材料、人體修復材料、抗癌制劑等。納米纖維指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料，如納米碳管，可用于微導線、微光纖(未來量子計算機與光子計算機的重要元件)材料、新型激光或發光二極管材料等。納米薄膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒薄膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細小的間隙的薄膜；致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。可用于氣體催化材料、過濾器材料、高密度磁記錄材料、光敏材料、平面顯示器材料、超導材料等。納米塊體是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結晶而得到的納米晶粒材料，主要用途為超高強度材料、智能金屬材料等。納米復合材料包括納米微粒與納米微粒復合(0-0 復合)、納米微粒與常規塊體復合(0-3復合)、納米微粒與薄膜復合(0-2 復合)、不同材質納米薄膜層狀復合(2-2 復合)等。納米復合材料可利用已知納米材料奇特的物理、化學性能進行設計，具有優良的綜合性能，可應用于航空、航天及人們日常生產、生活的各個領域。納米結構是以納米尺度的物質單元為基礎，按一定規律構筑或營造的一種新體系。這些物質單元包括納米微粒、穩定的團簇或人造原子、納米管、納米棒、納米絲以及納米尺寸的孔洞等。

我國于20世紀80年代末開始進行納米材料的研究，近年來，在納米材料基礎研究領域，取得了重大的進展，已能采用多種方法制備金屬與合金氧化物、氮化物、碳化物等化合物納米粉體，研制了相應的設備，做到了納米微粒的尺寸可控，并研制了納米薄膜和納米塊體。在納米材料的表征、團聚體的起因和消除、表面吸附和脫附、納米復合等許多方面有所創新。成功地研制出致密度高、形狀復雜、性能優越的納米陶瓷；在世界上首次發現納米氧化鋯晶粒在拉伸疲勞中應力集中區出現超塑性形變； 在顆粒膜的巨磁電阻效應、磁光效應和自旋波共振等方面做出了創新性的成果；在國際上首次發現納米類鈣鈦礦化合物微粒的磁熵變超過金屬Gd；發展了非晶完全晶化制備納米合金的新方法；發現全致密納米合金中的反常Hall-Petch效應等。納米材料制備技術現狀

納米粉體、納米纖維、納米薄膜、納米塊體、納米復合材料和納米結構等納米材料的制備方法有的相同，有的不相同，有的原理上相同，但工藝上有顯著的差異。關于納米材料的制備方法方面的文獻較多，各種制備方法的工藝過程、特點及適用范圍在相關的文獻中均有較詳細的介紹[ 1][ 12],[ 13]-[ 21] 2.1 納米材料的力學和熱學性能

納米材料由于其獨特的結構，因而與常規材料相比，在力學和熱學上表現出一些奇異的特性。實驗表明，粒徑達8nm的鐵的強度為常規材料的數倍，其硬度是常規材料的近千倍。長期以來，為解決陶瓷在常溫下的易碎問題不斷尋找陶瓷增韌技術，如今納米陶瓷的出現輕而易舉地解決了這個難題。實驗證明，納米TiO2在800-1000熱處理后，其斷裂韌性比常規TiO2多晶和單晶都高，而其在常溫下的塑性形變竟高達100%。中科院金屬研究所曾成功地將納米鐵經反復鍛壓，其形變高達300%。

目前各種發動機采用的材料都是金屬，而人們一直期望能用性能優異的高強陶瓷取代金屬，這也是未來發動機發展的方向。而納米陶瓷的出現為人們打開了希望之門。納米陶瓷的超高強度，優異的韌塑性使其取代金屬用來制作機械構件成為可能。中科院上海硅酸鹽研究所制成的納米陶瓷在800下具有良好的彈性。

納米微粒由于顆粒小，表面原子比例高，表面能高，表面原子近鄰配位不全，化學活性大，因而其燒結溫度和熔點都有不同程度的下降。常規Al2O3燒結溫度在1650以上，而在一定的條件下，納米Al2O3可在1200左右燒結。利用納米材料的這一特性，可以在低溫下燒結一些高熔點材料，如SiC，WC，BC等。另一方面，由于納米微粒具有低溫燒結，流動性大，燒結收縮大的特性，可以作為燒結過程的活性劑，起到加速燒結過程，降低燒結溫度，縮短燒結時間的作用。有人曾作過實驗，在普通鎢粉中加入0.1%-0.5%的納米鎳粉，其燒成溫度從3000降到1200-1300。復相材料由于不同相的熔點及相變溫度不同而燒結困難，但納米粒子的小尺寸效應和表面效應，不僅使各相熔點降低，各相轉變溫度也會降低。在低溫下就能燒結成性能良好的復相材料。納米固體低溫燒結特性還被廣泛用于電子線路襯底，低溫蒸鍍印刷和金屬陶瓷的低溫接合等。

此外，利用納米微粒構成的海綿體狀和輕燒結體可制成多種用途的器件，廣泛應用于各種過濾器、活性電極材料、化學成分探測器和熱變換器，例如備受人們關注的汽車尾氣凈化器。有報道說，以色列科學家成功地用Al2O3制備出耐高溫的保溫泡沫材料，其氣孔率高達94%，能承受1700的高溫。

2.2 納米材料的光學特性

納米粒子的一個明顯特征是尺寸小。當納米粒子的粒徑與超導相干波長，玻爾半徑以及電子的德布羅意波長相當、甚至更小時，其量子尺寸效應將十分顯著，使得納米材料呈現出與眾不同的光學特性。

納米材料對可見光具有反射率低、吸收率高的特性。一般來說，大塊金屬都具有不同顏色的光澤。但實驗證明，金屬納米微粒幾乎都呈黑色。如鉑金納米粒子反射率僅有1%，這表明它們對可見光的低反射率、高吸收率導致粒子變黑。由于體積效應，能級間距的增大和納米的量子限域效應，納米粒子對光的吸收還表現出藍移現象。利用納米材料的這一特性，制成紫外吸收材料，可用作半導體器件的紫外線過濾器。還可在稀土熒光粉中摻入納米粉，吸收掉日光燈發射出的有害紫外線。將其應用在紡織物中，與粘膠纖維相混合，制成的功能粘膠纖維，具有抗紫外線、抗電磁波和抗可見光的特性，可用來制做宇航服。

2.3 納米材料的化學活性、敏感性

化學催化劑是一種不斷接受熱源使化學反應穩定進行的功能材料。催化劑的作用主要有以下幾個方面:一是提高反應速度和效率，縮短反應時間；二是改善反應的條件，如降低反應溫度、壓強、真空度等；三是在決定反應的路徑方面，使化學反應按預計的方向進行，即具有選擇性。從以上不難看出，人們總是期望單位質量催化劑表面能同時接納盡可能多的反應物，納米微粒的表面積效應恰好符合了這一點。而且納米粒子表面不光滑，形成凹凸不平的原子臺階，此外原子表面懸鍵多，反應活性大。這些都有利于加速化學反應，提高催化劑的反應活性。例如采用納米Ni 作為火箭固體燃料的催化劑，燃燒率可提高100倍。納米材料不僅能極大提高催化劑的催化活性，而且還表現出令人驚異的化學選擇性。這在有機化學工業上有著廣闊的應用前景，可用來提高原料的利用率，降低生產成本。如在環辛二烯加氫生成環辛烯的反應中，常規的Ni催化劑選擇性僅為24，而采用粒徑為30nm的Ni時選擇性提高到210，是原來的9倍。

納米微粒具有大的比表面積，高的表面活性以及與氣體相互作用強等特性，導致納米微粒對周圍環境的變化十分敏感。如光、溫度、濕度、氣氛、壓強的微小變化都會引起其表面或界面離子價態和電子遷移的變化。這正滿足了傳感器功能上所要求的靈敏度高、響應速度快以及檢測范圍廣的要求。目前科學家已發現多種納米材料對一些特定的物質具有敏感反應。

2.4 納米材料的電學、磁學效應

超順磁性是納米微粒的一大磁學特性。當納米微粒尺寸小到一定臨界值時，其磁化率就不再服從經典的居里一外斯定律而進入超順磁狀態。科學家認為納米微粒出現超順磁性，其原因在于粒徑小于臨界值，各向異性能減小到與熱運動能可比擬時，磁化方向就不在固定的一個異磁方向。異磁方向作無規律的變化，這就導致了超順磁化的出現。磁性液體正是利用納米微粒的這一特性而制成的。磁液體是由具有超順磁性的強磁性微顆粒包一層長鏈有機分子的界面活性劑，彌散于一定的基液中形成的膠體，具有固體的強磁性和液體的流動性，在工業廢液處理方面有著獨特的優勢和廣闊的應用前景。

納米微粒進入臨界尺寸呈現出超順磁性，但在粒徑大于臨界尺寸時，卻表現出高的矯頑力。另外，當納米粒子的尺寸小到一定值時，每個粒子就是一個單磁疇，實際上就成為永久磁鐵。具有上述兩種特性的磁性納米粉是未來磁記錄材料的發展趨勢。磁記錄材料發展的總趨勢是大容量、高密度、高速度和低成本。例如，要求記錄材料具備每1cm2 記錄信息1000萬條以上，這就要求每條信息記錄在幾個平方微米內，只有納米的尺寸才能達到這一點。磁性納米材料具有尺寸小、單磁疇結構、矯頑力高等特性，使得制作的磁記錄材料具有穩定性好、圖象清晰、信噪比高、失真十分小等優點。日本松下電器公司已成功研制出納米磁記錄材料，我國也開展了這方面的研究工作，而且取得了不少重要的成果。納米材料的主要應用[22]-[27]

借助于納米材料的各種特殊性質，科學家們在各個研究領域都取得了性的突破，這同時也促進了納米材料應用的越來越廣泛化。3.1特殊性能材料的生產

材料科學領域無疑會是納米材料的重要應用領域。高熔點材料的燒結納米材料的小尺寸效應(即體積效應)使得其在低溫下燒結就可獲得質地優異的燒結體(如SiC、WC、BC等)，且不用添加劑仍能保持其良好的性能。另一方面，由于納米材料具有燒結溫度低、流動性大、滲透力強、燒結收縮大等燒結特性，所以它又可作為燒結過程的活化劑使用，以加快燒結過程、縮短燒結時間、降低燒結溫度。例如普通鎢粉需在3 000℃高溫時燒結，而當摻入0.1%-0.5%的納米鎳粉后，燒結成形溫度可降低到1200℃-1311℃。復合材料的燒結由于不同材料的熔點和相變溫度各不相同，所以把它們燒結成復合材料是比較困難的。納米材料的小尺寸效應和表面效應，不僅使其熔點降低，且相變溫度也降低了，從而在低溫下就能進行固相反應，得到燒結性能好的復合材料。納米陶瓷材料的制備通常的陶瓷是借助于高溫高壓使各種顆粒融合在一起制成的。由于納米材料粒徑非常小、熔點低、相變溫度低，故在低溫低壓下就可用它們作原料生產出質地致密、性能優異的納米陶瓷。納米陶瓷具有塑性強、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、耐磨的性能，它還具有高磁化率、高矯頑力、低飽和磁矩、低磁耗以及光吸收效應，這些都將成為材料開拓應用的一個嶄新領域，并將會對高技術和新材料的開發產生重要作用。

3.2生物醫學中的納米技術應用

從蛋白質、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范圍，從而納米結構也是生命現象中基本的東西。細胞中的細胞器和其它的結構單元都是執行某種功能的“納米機械”，細胞就象一個個“納米車間”，植物中的光合作用等都是“納米工廠”的典型例子。遺傳基因序列的自組裝排列做到了原子級的結構精確，神經系統的信息傳遞和反饋等都是納米科技的完美典范。生物合成和生物過程已成為啟發和制造新的納米結構的源泉，研究人員正效法生物特性來實現技術上的納米級控制和操縱。納米微粒的尺寸常常比生物體內的細胞、紅血球還要小，這就為醫學研究提供了新的契機。目前已得到較好應用的實例有：利用納米SiO2微粒實現細胞分離的技術，納米微粒，特別是納米金(Au)粒子的細胞內部染色，表面包覆磁性納米微粒的新型藥物或抗體進行局部定向治療等。

正在研制的生物芯片包括細胞芯片、蛋白質芯片(生物分子芯片)和基因芯片(即DNA芯片)等，都具有集成、并行和快速檢測的優點，已成為納米生物工程的前沿科技。將直接應用于臨床診斷，藥物開發和人類遺傳診斷。植入人體后可使人們隨時隨地都可享受醫療，而且可在動態檢測中發現疾病的先兆信息，使早期診斷和預防成為可能。納米生物材料也可以分為兩類，一類是適合于生物體內的納米材料，如各式納米傳感器，用于疾病的早期診斷、監測和治療。各式納米機械系統可以快速地辨別病區所在，并定向地將藥物注入病區而不傷害正常的組織或清除心腦血管中的血栓、脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞。另一類是利用生物分子的活性而研制的納米材料，它們可以不被用于生物體，而被用于其它納米技術或微制造。

3.3納米生物計算機開發

生物計算機的主要原材料之一是生物工程技術產生的蛋白質分子，并以此作為生物芯片。在這種芯片中，信息以波的形式傳播，其運算速度要比當今最新一代計算機快10倍以至幾萬倍，能量消耗僅相當于普通計算機的幾億分之一，存貯信息的空間僅占百億分之一。由于蛋白質分子能自我組合，再生新的微型電路，從而使得生物計算機具有生物體的一些特點，如能發揮生物本身的調節機能、自動修復芯片上發生的故障，還能使其模仿人腦的機制等。世界上第一臺生物計算機是由美國于1994年11月首次研制成功的。

科學家們預言，實用的生物分子計算機將于今后幾年問世，它將對未來世界產生重大影響。制造這類計算機離不開納米技術。生物納米計算機和納米機器人的結合體則是另一類更高層次上的可以進行人機對話的裝置，它一旦研制成功，有可能在1秒鐘完成數十億次操作，屆時人類的勞動方式將產生徹底的變革。

目前納米科學技術正處在重大突破的前夜，它已取得一系列成果，使全世界為之震動，并引起關心未來發展的全世界科學家的思索。人們正注視著納米科學技術領域不斷涌現出的奇異現象和新進展，這一領域前景十分誘人。它與其它學科相互滲透和交叉，可以形成許多新的學科或學科群，其有關發展將對經濟建設、國防實力、科技發展乃至整個社會文明進步產生巨大影響。

3.4新的國防科技革命

納米技術將對國防軍事領域帶來革命性的影響。例如：納米電子器件將用于虛擬訓練系統和戰場上的實時聯系；對化學、生物、核武器的納米探測系統；新型納米材料可以提高常規武器的打擊與防護能力；由納米微機械系統制造的小型機器人可以完成特殊的偵察和打擊任務；納米衛星可用一枚小型運載火箭發射千百顆，按不同軌道組成衛星網，監視地球上的每一個角落，使戰場更加透明。而納米材料在隱身技術上的應用尤其引人注目。在雷達隱身技術中，超高頻(SHF，GHz)段電磁波吸波材料的制備是關鍵。納米材料正被作為新一代隱身材料加以研制。由于納米材料的界面組元所占比例大，納米顆粒表面原子比例高，不飽和鍵和懸掛鍵增多。大量懸掛鍵的存在使界面極化，吸收頻帶展寬。高的比表面積造成多重散射。納米材料的量子尺寸效應使得電子的能級分裂，分裂的能級間距正處于微波的能量范圍，為納米材料創造了新的吸波通道。納米材料中的原子、電子在微波場的輻照下，運動加劇，增加電磁能轉化為熱能的效率，從而提高對電磁波的吸收性能。美國研制的“超黑粉”納米吸波材料對雷達波的吸收率達99％，法國最近研制的CoNi納米顆粒被覆絕緣層的納米復合材料，在2-7GHz范圍內，其m￠和m￠￠幾乎均大于6。最近國外正致力于研究可覆蓋厘米波、毫米波、紅外、可見光等波段的納米復合材料，并提出了單個吸收粒子匹配設計機理，這樣可以充分發揮單位質量損耗層的作用。納米材料在具備良好的吸波功能的同時，普遍兼備了薄、輕、寬、強等特點。納米材料中的硼化物、碳化物，鐵氧體，包括納米纖維及納米碳管在隱身材料方面的應用都將大有作為。

3.5其他領域

除此之外，納米材料還在諸如海水凈化、航空航天、環境能源、微電子學等其他領域也有著逐漸廣泛的應用，納米材料在這些領域都在逐漸發揮著光和熱。納米材料的應用前景展望

在未來的幾十年中，納米技術將逐步滲透到科學技術的各個領域，并在很大程度上改變人們的生產和生活觀念。納米技術將影響的幾個領域[ 10][ 22]：

(1)海水脫鹽凈化技術。由于人口的快速增長，預計到2025年，全球將有48 個

國家、32%的人口面臨著缺水的困境。而解決缺水困難的根本出路就是海水脫鹽凈化技術，碳納米管的發現及納米技術的發展為這一技術提供了一種可能的發展方向。

(2)照明系統。在照明中用于制造發光二極管的半導體將逐漸在納米尺寸范圍內制作，在納米尺度上制作的發光二極管的效率現在已經可以與可見光譜上白熾光源相媲美，由于其小巧精致、耐用性以及低發熱特性，將很快在展覽、汽車照明燈、普通照明以及指示器中獲得廣泛應用。

(3)醫學和生物領域。納米技術將使適用于制藥的化學物質的數量增加約1 倍；

可用尺寸為50-100nm的納米顆粒對腫瘤部位進行治療，因為更大的粒子無法穿過腫瘤上的小孔，納米顆粒卻能輕松進入腫瘤內部；納米技術將使癌癥在僅有少量癌細胞出現的早期即被檢出。

(4)微電子和計算機。納米結構的微處理器的效率將提高100萬倍，并實現兆兆比特的存儲器，研制量子計算機和光子計算機。

(5)環境和能源。利用納米技術發展綠色能源和環境處理技術，減少污染和恢復被破壞的環境；制備孔徑1nm的納米孔材料作為催化劑的載體，用以消除水和空氣中的污染；成倍提高太陽能電池的能量轉換效率等。利用納米材料特殊的磁、光、電等性質，還可以開發出無以計數的新型材料，21世紀的納米材料必將在微電子、信息、能源、環保、通訊、航空航天、工農業生產以及人們的日常生活等領域中發揮出巨大的作用，從而促進生產力的提高，推動社會的發展。參考文獻

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第二篇：石墨烯研究現狀及應用前景

石墨烯材料研究現狀及應用前景

崔志強

（重慶文理學院材料與化工學院，重慶

永川

402160）

摘要：近幾年來, 石墨烯材料以其獨特的結構和優異的性能, 在化學、物理和材料學界引起了轟動。本文引用大量最新的參考文獻,闡述了石墨烯的制備方法如機械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法、石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法等，分析了各種制備方法的優缺點。論述了石墨烯材料在透明電極、傳感器、超級電容器、能源儲存、復合材料等方面的應用，同時簡要分析了石墨烯材料研究的現實意義，展望了其未來的發展前景。

關鍵詞：石墨烯材料；制備方法；現實意義；發展現狀；應用前景 中圖分類號: TQ323

文獻標識碼:A

文章編號:

Research status and application prospect of graphene materials

Cui Zhiqiang(Faculty of materials and chemical engineering, Chongqing Academy of Arts and Sciences, Yongchuan, Chongqing 402160)Abstract: In recent years, graphene has caused a sensation in chemical, physical and material science due to its unique structure and excellent properties.Cited in this paper a large number of the latest references, expounds the graphene preparation methods such as layer method, thermal mechanical stripping method, orientation epiphytic method, heating SiC method, explosion, graphite intercalation expansion stripping method, electrochemical method, chemical vapor phase deposition method, graphite oxide reduction method, ball milling method, and analyze the advantages and disadvantages of various preparation methods.This paper discusses the application of graphene materials in transparent electrodes, sensors, super capacitors, energy storage and composite materials, and briefly analyzes the practical significance of the study of graphene materials, and gives a prospect of its future development.Keywords: graphene materials;preparation methods;practical significance;development status;application prospect

0 引言

1985 年英美科學家發現富勒烯和1991 年日本物理學家Iijima 發現碳納米管，加之英國曼徹斯特大學科學家于2004 年成功制備石墨烯之后，金剛石（三維）、石墨（三維）、石墨烯（二維）、碳納米管（一維）和富勒烯（零維）組成了一個完整的碳系材料“家族”。從理論上說，石墨烯是除金剛石外所有碳晶體的基本結構單元，如果從石墨烯上“剪”出不同形狀的薄片，進一步就可以包覆成零維的富勒烯，卷曲成一維的碳納米管，堆疊成三維的石墨，如圖1 所示。由于石墨烯優異的電學、熱學、力學性能，近年來各國科研人員對其的研究日益增長，已經是材料科學領域的研究熱點之一。2010 年諾貝爾物理學獎揭曉[5-6]

[4]

[3]

[1]

[2]之后，人們對石墨烯的研究和關注越來越多，新的發現不斷涌現。在不斷深入研究石墨烯的制備方法和性質的過程中，其應用領域也在不斷擴大。由于石墨烯缺乏帶隙以及在室溫下的超高電子遷移率、低于銀銅的電阻率、高熱導率等，在光電晶體管、生化傳感器、電池電極材料和復合材料方面有著很高[7]的應用價值；由于它很低的電阻率和極大的載流子遷移率，人們很快發現了石墨烯在光電探測領域的潛能，并且認為將會是很具發展前途的材料之一。石墨烯材料的制備方法

1.1 石墨烯制備方法

目前，石墨烯的制備手段通常可以分為兩種類型，化學方法和物理方法。物理方法，是從具有高晶格完備性的石墨或者類似的材料來獲得，獲得的石墨烯尺度都在80 nm 以上。而化學方法是通過小分子的合成或溶液分離的方法制備的，得到石墨烯尺度在10 nm 以下。物理方法包括：機械剝離法、取向附生法、加熱 SiC 法、爆炸法；化學方法包括石墨插層法、熱膨脹剝離法、電化學法、化學氣相沉積法、氧化石墨還原法、球磨法。

這些制備方法有著各自的優缺點，如機械剝離法簡單，可獲得高品質的石墨烯，但重復性差、產量和產率很低;溶液液相剝離法制備過程簡單且未破壞石墨烯面內原子結構，但該法效率低，而且單片層和多層石墨烯共存，很難將單片層石墨烯分離出來;外延生長法可制備得到大面積的單層石墨烯，但是該方法制備條件苛刻，需要高溫和高真空，且石墨烯難從襯底上轉移出來;化學氣相沉積法制備的石墨烯具有較完整的晶體結構，石墨烯面積大，在透明電極和電子設備等領域表現出很明顯的應用優勢，但存在產量較低，成本偏高，石墨烯難轉移等缺點。

對比上述方法，還原氧化石墨烯法是指先將石墨在強酸和強氧化劑作用下進行氧化，制備氧化石墨烯(GO)，然后再還原除去含氧官能團制備石墨烯

［8］

盡管還原氧化石墨烯法制備的石墨烯不能完全消除含氧官能團，制備的石墨烯存在缺陷和導電性差等缺點，但是其宏量和廉價制備為其在聚合物復合材料等宏量應用研究中提供了機會。1.2 石墨烯基復合材料的制備

由于薄層石墨烯片合成方法的潛力巨大、成本低廉，所以石墨烯片作為新興填料在石墨烯復合材料上會有廣泛的應用。將石墨烯與無機物、聚合物等復合可以形成石墨烯復合材料。因為石墨烯具有獨特的優異性能，能夠展示良好性能的石墨烯復合材料令人期待。Ｓ．Ｈ．Ｙｕ等

［9］

證實：在還原態石墨烯片上，通過在聚合醇中高溫分解前驅體乙酰丙酮鐵就可以成功合成磁性化還原態石墨烯。通過有效控制石墨烯片上的表面電荷密度和磁性納米顆粒的尺寸就可以調節復合材料的磁性，其獨特的性質使其在磁共振成像或蛋白質分離方面具有一定的應用潛力。目前，石墨烯基復合材料的制備方法主要有化學耦合法、原位還原－萃取分散技術、共沉淀法、催化還原反應

［10］

等。氧化石墨烯是結晶性高的石墨強力氧化后加水分解得到的化合物，與氟化石墨一樣可以歸類為有共價鍵的石墨層間化合物。氧化石墨烯片表面帶有大量親水性酸性官能團，具有良好的潤濕性能和表面活性，從而使其能在稀堿水和純水中分散，形成穩定的膠狀懸浮液，這使得石墨烯與其他材料的復合形式多樣化。如Graeme等［11］將TiO2吸附在氧化石墨烯上通過紫外線輔助的催化還原合成了TiO2－石墨烯納米復合材［12］料；Nethravathi等通過氧化石墨烯與活性陰離子的復合，經還原制備了石墨烯－無機物納米復合材料，說明氧化石墨烯的特殊結構使得石墨烯基復合材料的制備更容易以多樣化的過程實現。

石墨烯復合材料的制備是目前石墨烯研究中的一大熱點，因為雖然石墨烯本身的性能很好，但是與實際應用還有較大的距離，許多研究者希望通過石墨烯的復合達到在電學、電化學等領域實際應用的目的。石墨烯材料的應用研究

2.1 透明電極

工業上已經商業化的透明薄膜材料是氧化銦錫(ITO), 由于銦元素在地球上的含量有限, 價格昂貴,尤其是毒性很大, 使它的應用受到限制。作為炭質材料的新星, 石墨烯由于擁有低維度和在低密度的條件下能形成滲透電導網絡的特點被認為是氧化銦錫的替代材料, 石墨烯以制備工藝簡單、成本低的優點為其商業化鋪平了道路。Mullen 研究組通過浸漬涂布法沉積被熱退火還原的石墨烯, 薄膜電阻為900 , 透光率為70% , 薄膜被做成了染料太陽能電池的正極, 太陽能電池的能量轉化效率為0.26%。2009 年, 該研究組采用乙炔做還原氣和碳源, 采用高溫還原方法制備了高電導率(1425S/ cm)的石墨烯,為石墨烯作為導電玻璃的替代材料提供了可能。

2.2 傳感器

電化學生物傳感器技術結合了信息技術和生物技術, 涉及化學、生物學、物理學和電子學等交叉學科。石墨烯出現以后, 研究者發現石墨烯為電子傳輸提供了二維環境和在邊緣部分快速多相電子轉移, 這使它成為電化學生物傳感器的理想材料。Chen 等采用低溫熱退火的方法制備的石墨烯作為傳感器的電極材料, 在室溫下可以檢測到低濃度NO2 , 作者認為如果進一步提高石墨烯的質量, 則會提高傳感器對氣體檢測的靈敏度。石墨烯在傳感器方面表現出不同于其它材料的潛能, 使越來越多的醫學家關注它, 目前石墨烯還被用于醫學上檢測多巴胺、葡萄糖等。2.3 超級電容器

超級電容器是一個高效儲存和傳遞能量的體系, 它具有功率密度大, 容量大, 使用壽命長, 經濟環保等優點, 被廣泛應用于各種電源供應場所。石墨烯擁有高的比表面積和高的電導率, 不像多孔碳材料電極要依賴孔的分布, 這使它成為最有潛力的電極材料。Chen 等

[ 13]

以石墨烯為電極材料制備的超級電容器功率密度為10kW/ kg , 能量密度為28.5Wh/ kg , 最大比電容為205F/ g, 而且經過1200次循環充放電測試后還保留90% 的比電容, 擁有較長的循環壽命。石墨烯在超級電容器方面的潛在應用受到更多的研究者關注。2.4 能源存儲

眾所周知, 材料吸附氫氣量和其比表面積成正比, 石墨烯擁有質量輕、高化學穩定性和高比表面積的優點, 使其成為儲氫材料的最佳候選者。希臘大學Fro udakis 等設計了新型3D 碳材料, 孔徑尺寸可調, 他們將其稱為石墨烯柱。當這種新型碳材料摻雜了鋰原子時, 石墨烯柱的儲氫量可達到6.1%(w t)。Ataca 等用鈣原子(Ca)摻雜石墨烯, 利用第一性原理和從頭算起的方法得到石墨烯被Ca 原子摻雜后儲氫量約為8.4%(w t);他們還發現氫分子的鍵能適合在室溫下吸/ 放氫, Ca 會留在石墨烯表面, 有利于循環使用。Ataca 的研究結果又一次推動石墨烯儲氫向前邁進一步。2.5 復合材料

石墨烯獨特的物理、化學和機械性能為復合材料的開發提供了原動力, 可望開辟諸多新穎的應用領域, 諸如新型導電高分子材料、多功能聚合物復合材料和高強度多孔陶瓷材料等。Fan 等

[14]

利用石墨烯的高比表面積和高的電子遷移率, 制備了以石墨烯為支撐材料的聚苯胺石墨烯復合物, 該復合物擁有高的比電容(1046F/ g)遠遠大于純聚苯胺的比電容115F/ g。石墨烯的加入提高了復合材料的多功能性和復合材料的加工性能等, 為復合材料提供了更廣闊的應用領域。圖3 對比了幾種納米填料對橡膠增強效率，可以看到石墨烯具有更顯著的增強效果

[15]

。展望

石墨烯自2004年以穩定的形態出現以來，因其獨特的性能和二維納米結構受到科學界的普遍關注。無論在理論還是實驗研究方面，石墨烯都展示出重大的科學意義和應用價值。近年來，石墨烯的研究不斷取得重要進展，在石墨烯透明導電薄膜的結構、性能、制備等方面也已經取得了很多的研究成果，但也存在不少問題。由于制作大面積石墨烯薄膜時會混入雜質，產生缺陷，因此大多數以石墨烯薄膜為器件的導電性及透明性都未達到ITO的水平。為了使石墨烯透明導電薄膜達到實際應用水平，還需要繼續探索透明導電薄膜的制備方法以實現大面積化及量產化；開發有效的摻雜技術以使石墨烯薄膜具有理想的載流子密度；研究更有效的還原與結構修復方法以制備不含缺陷及雜質的高品質石墨烯薄膜。

理論上看，石墨烯是一種理想的太陽電池透明電極材料。然而，目前以石墨烯作透明電極的太陽電池光電轉化效率都低于ITO/FTO基太陽電池。這是由于采用各種方法制備的石墨烯電阻較大，影響了電池的光電轉化效率。所以石墨烯作透明電極的研究重點主要集中在如何采用合適的制備方法，獲得電性能、透光性、力學性能等綜合性能好的石墨烯。對石墨烯內部的位錯、晶界、應變等缺陷進行理論模擬計算，并用來指導實驗研究，最終通過控制位錯、晶界等缺陷的運動，使其性能得到有效控制，實現理論指導實驗、實驗驗證理論、理論與實驗緊密結合。這是獲得大面積、高性能石墨烯的新的著眼點。另外，石墨烯作透明電極時，也會與太陽電池其它部分直接接觸。在未來的研究中，制備高性能石墨烯的同時，也應該關注太陽電池中石墨烯與其它部分的界面情況。

目前，關于石墨烯材料的制備和其在電化學領域的應用研究仍在如火如荼地進行。人們的研究主要集中于３個方面：一是石墨烯的低成本大規模制備的基礎研究，二是石墨烯基復合材料的制備與性能研究，三是石墨烯材料在相關領域的應用研究。隨著人們對石墨烯及其復合材料研究的深入以及制備方法的改進，石墨烯及其復合材料在電化學中的應用將會得到更為廣泛的關注。以下幾方面研究較少，值得關注：(1)石墨烯在鋰離子電池正極材料研究方面（如石墨烯／磷酸亞鐵鋰）；(2)含氮或硼石墨烯在電化學中的應用；(3)氧化石墨烯復合材料在燃料電池中的應用；(4)氧化石墨烯復合材料在電化學傳感器中的應用。與碳納米管的發現與研究應用過程類似，在今后的若干年里石墨烯的研究會越來越深入，其最終進入實際應用階段是必然的。石墨烯材料是當今世界新材料科技發展的又一制高點，對其深入研究與開發將給許多領域的發展帶來巨大機會。

參考文獻

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第三篇：納米材料的制備及應用要點

本科畢業論文(設計)

題目： 納米材料的制備及應用

學院： 物理與電子科學學院

班級： XX級XX班

姓名： XXX

指導教師： XXX 職稱：

完成日期： 20XX 年 X 月 XX 日

納米材料的制備及應用

摘要:近幾年來，由于納米材料有眾多特殊性質，人們越來越關注納米材料。科技的迅猛發展使納米材料的制備變得更加成熟。本論文講述納米材料的制備，以及納米技術在將來的應用。關鍵詞：納米材料 物理方法

化學方法應用前景

目 錄

引言..................................................................................................................1 1.納米材料的物理制備方法.................................................................................1 1.1物理粉碎法............................................................................................1 1.2球磨法...................................................................................................2 1.3.蒸發—冷凝法........................................................................................2 1.3.1.激光加熱蒸發法...........................................................................2 1.3.2.真空蒸發—冷凝法........................................................................4 1.3.3.電子束照射法..............................................................................4 1.3.4.等離子體法.................................................................................5 1.3.5.高頻感應加熱法.........................................................................5 1.4.濺射法..................................................................................................6 2.納米材料的化學制備方法.................................................................................7 2.1化學沉淀法............................................................................................8 2.2化學氣相沉積法...................................................................................8 2.3化學氣相冷凝法....................................................................................10 2.4溶膠--凝膠法.......................................................................................10 2.5水熱法.................................................................................................11 3.納米材料的其他制備方法...............................................................................12 3.1分子束外延法.......................................................................................12 3.2靜電紡絲法..........................................................................................13 4.納米材料的應用前景.....................................................................................14 5.總結.............................................................................................................14 參考文獻..........................................................................................................15 致謝................................................................................................................16

引言

納米材料是指任一維空間尺度處于1—100nm之間的材料。它有著不同尋常的性質，如小尺寸效應可引起物理性質的突變，從而具有獨特的性能；量子尺寸效應和表面與界面效應使其具有了一般大顆粒物不具備的性質，如對紅外線、紫外線有很強的反射作用，應用到紡織品中有抗紫外線，隔熱保溫作用。納米材料的這些特性使其在化工、物理、生物、醫學方面都有非常重要的價值[1]。多年以來，通過科學家們的潛心研究，使納米材料在其制備及其應用中得到了很大的發展。納米材料將逐漸進入人們的日常生活，并將成為未來新工業革命的必備材料。

1.納米材料的物理制備方法 1.1物理粉碎法

物理粉碎法就是用機械粉碎和電火花爆炸等方法得到納米微粒[2]。此方法操作簡單，成本較低，但得到的納米微粒純度不高，分布也不均勻。

圖1.機械粉碎法儀器圖

1.2球磨法

球磨法是將材料放入球磨機內，在球磨機的轉動或振動過程中，鋼球與原料之間產生劇烈的碰撞，再經過攪拌、研磨，形成納米微粒。該方法操作比較簡單，效率高，能獲得常規方法不易得到的高熔點合金，如金屬陶瓷納米微粒；球磨法此外還可以將相圖上本來不互溶的納米元素制成固溶體，但該方法得到的納米微粒分布不均勻，而且很容易引入新的雜質，有次得到的納米微粒純度不高。

圖2.球磨法示意圖

1.3.蒸發—冷凝法

蒸發-冷凝法也稱為物理氣相沉積法，即使用激光、電子束照射、真空蒸發、電弧高頻反應等方法使原料生成等離子體，再在介質中冷卻凝結行成納米微粒。這種方法大致又分一下幾種: 1.3.1.激光加熱蒸發法

光加熱蒸發法：用激光作為加熱源，氣相反應物可在吸收傳遞能量之后快速凝結成核、長大、終止[3]。用該方法可以達到減少雜質的目的，實驗過程容易控制，但這種方法電能消耗比較大，生產效率低，成本高，不宜大規模生產。

圖3.激光加熱蒸發法制備納米顆粒實驗裝置圖

圖4.激光加熱法制成的TiO2顆粒

1.3.2.真空蒸發—冷凝法

真空 蒸發—冷凝法：在真空室里通入惰性氣體（He、Ar氣），然后對物質進行真空加熱，使其蒸發形成原子霧，原子霧遇冷凝結形成納米顆粒[4]。這種在高溫下獲得的納米微粒很小（可小于10nm），在制備過程中無其它雜質污染，反應快，成品純度高，材料組織好。但這種方法僅能制備成分單

一、熔點低的物質。在制備金屬氧化物、氮化物等高熔點物質的納米微粒時還存在很大局限性。而且此方法對設備要求高、成本也比較高，不適合大規模生產。

圖5.真空蒸發—冷凝法制備納米顆粒示意圖

1.3.3.電子束照射法

電子束照射法：原材料（一般指金屬氧化物）在高能電子束的照射下獲得能量，金屬—氧鍵斷裂，金屬原子蒸發后遇冷凝結成核、長大，最終形成納米微粒。此方法只可以用來制備金屬納米粉末。

圖6.電子束照射法制備納米微粒裝置圖

1.3.4.等離子體法

等離子體法：原材料在惰性或反應性氛圍中，通過直流放電來使氣體電離，從而熔融、蒸發、冷凝得到納米微粒[5]。用此種方法制得的產品分布均勻、純度高，適合于金屬及金屬氧化物、碳化物、氮化物等高熔點物質納米微粒的制備。但此方法離子槍短、功率低。

圖7.等離子體法制備納米微粒實驗裝置圖

1.3.5.高頻感應加熱法

高頻感應加熱法：用高頻線圈作為熱源，坩堝內的原材料在低壓氣體（一般為He、Ne等惰性氣體）中蒸發，原子蒸發后與惰性氣體碰撞凝結行成納米微粒[6]。此方法僅限于制備低熔點的物質，并不適合于沸點高的金屬盒難熔化物質，且成本加高，一般不采用。

圖8.高頻感應加熱法制備納米納米微粒實驗裝置圖

1.4.濺射法

濺射法：用兩塊金屬板分別作為陰極和陽極，兩極之間充入Ar氣，壓強在40—250Pa。由于兩極放電使得Ar氣體電離且撞擊陰極材料表面，陰極材料表面的分子或原子蒸發出來沉積到基片上，形成納米顆粒[7]。目前，常用的濺射法有離子束濺射法，陰極濺射法，直流磁控濺射法等。此方法有鍍膜層與基材結合力強、鍍膜層致密、均勻等優點。但產品分布不均勻，產量較低。

圖9.濺射法制備納米微粒原理圖

2.納米材料的化學制備方法

納米材料的化學制備方即通過化學反應，從原子、離子、分子出發，制備納米微粒。常用的化學制備法有沉淀法、氣相沉積法、等離子體誘導化學氣相沉積法、氣相冷凝法、溶膠冷凝法、光化學合成法、化學氣相反應法、水熱法、熔融法、火焰水解法、輻射合成法等。

2.1化學沉淀法

化學沉淀法：在金屬鹽溶液中加入適量的沉淀劑，使其反應生成難溶物或水和氧化物，再經過慮、干燥、分解得到納米化合物微粒；化學沉淀法又有均勻沉淀法、直接沉淀法、醇鹽水解沉淀法、共沉淀法；其中，均勻沉淀法是預沉淀劑在溶液中緩慢反應釋放出沉淀劑，沉淀劑與金屬離子作用得到沉淀；直接沉淀法就是沉淀劑與金屬離子直接反應形成沉淀

[8]；醇鹽水解沉淀法就是金屬醇鹽遇水分解成氧化物和醇，或水合沉淀物；共沉淀法即在混合金屬鹽溶液中加入沉淀劑，獲得混合沉淀，再進行熱分解或得納米微粒；此方法是液相化學合成納米微粒應用最多的方法之一，其中關鍵是控制粉末成分的均勻，避免形成硬團聚。這種方法在冷凍干燥過程中，冷凍液體不收縮，形成的納米微粒表面積較大，可以很好的消除粉末團聚現象[9]。沉淀法制備納米微粒時成品的影響因素比較多，如過濾過程，洗滌液的濃度、酸堿度等都會影響納米微粒的大小；此種方法操作簡單，但很容易引入新的雜質，影響產品的純度。2.2化學氣相沉積法.化學氣相沉積法又叫CVD法，就是原材料在氣相中發生化學反應得到納米材料，所用的加熱源與物理氣相沉積法相同[10]。普通的化學氣相沉積法得到的納米微粒易團聚燒結，而且比較粗，用等離子體增強化學氣相沉積法就可以很好的避免上述情況的發生。化學氣相沉積法得到的納米微粒分布比較均勻，粒度小，純度高，化學活性高，而且成本低、生產效率高，是目前制備納米材料最常用的方法之一。此外，化學氣相沉積法由于制備工藝簡單，設備投資少，方便操作，適于大規模生產，工業應用前景較好。化學氣相沉積法可以制備幾乎所有的金屬、氮化物、氧化物、碳化物、復合氧化物等膜材料。隨著制備納米材料的技術逐步完善，化學氣相沉積法將會由更廣泛的應用[11]。

圖10.化學氣相沉積法制備納米微粒的實驗裝置圖

圖11.化學氣相沉積法制備納米微粒的原理圖

圖12.化學氣相沉積法獲得的各種形態固體示意圖

2.3化學氣相冷凝法

化學氣相冷凝法就是在真空室中充入惰性氣體，壓強在10Pa左右，原材料和惰性氣體先在磁控濺射裝置中反應，在經過冷凝得到納米微粒；此方法最早由Chang W等人在1994年提出的，簡稱CVC法，目前已經成功應用這種方法獲得了二氧化鈦、二氧化鋯、氮化硅、碳化硅的納米材料[12]。2.4溶膠--凝膠法 溶膠--凝膠法是以易溶于水的金屬化合物為原材料，使其在溶液中與水反應，溶質發生水解生成納米級的微粒并形成溶膠，溶膠經過蒸發、干燥轉變為凝膠(該法在低溫下反應，允許摻雜大量的無機物和有機物)，再經過干燥、燒結等后處理獲得氧化物納米微粒；這種方法常涉及的反應有聚合反應、水解反應[13]。目前，溶膠--凝膠法一般又分為兩種：膠體化學法和金屬醇鹽水解法。其優點是操作簡單，在低溫環境下就可以獲得分布均勻、純度較高的納米微粒，而且可以用來獲得一般方法難以得到納米材料。用溶膠－凝膠法制備的 10

納米材料有多孔狀結構，表面積較大，在氣敏、濕敏及催化方面有很大的應用，可以使氣敏、濕敏特性和催化率得到較大提高。此外，這種方法是制備涂層以及薄膜非常有效的方法之一，也特別適合制備非晶態納米材料。但這種方法的原材料成本高，制得的膜致密性差，而且很容易收縮、開裂，所以使用范圍不廣。

圖13.溶膠--凝膠法制備納米材料的流程圖

2.5水熱法

水熱法是指在封閉的反應容器中，將水溶液作反應體系，對水溶液加熱增大體系壓強來制備無機材料，再經過分離、熱處理得到納米微粒；離子反應和水解反應在水熱條件下可得到加速、促進，常溫下反應很慢的熱力學反應，在水熱條件下就可以快速反應；在高壓下，大部分反應物能部分溶于水中，使得反應在液相或氣相中進行[14]。

水熱法可以控制微粒的形態、結晶度、組成和大小，使用此法獲得的粉體具有較低的表面能，因此粉體一般無團聚或少團聚。這一特點大幅度提高了粉體的燒結性能，所以此法非常適合于陶瓷的生產；并且，水熱法的反應溫度低，活性高，為大規模的生產納米材料提供了非常有利的條件；水熱法的低溫 11

條件有利于合成熔點較低的化合物；水熱法合成的高壓和低溫條件，便于制成晶型完好、取向規則的晶體材料，而且合成產物的純度較高。水熱法缺點是一般只能制備氧化物納米粉體，對晶核的形成過程以及晶體生長過程中的控制影響因素等許多方面還缺乏深入研究。此外，水熱法制備過程中有高溫、高壓步驟，對生產設備的安全性要求較高。3.納米材料的其他制備方法

納米材料的制備方法有很多種，除了上述方法之外還有分子束外延法、靜電紡絲法等。3.1分子束外延法

分子束外延法就是在晶體基片上生長高質量的晶體薄膜。在真空條件下，加熱裝有各種所需組分的爐子，產生蒸汽，蒸汽通過小孔形成分子束或原子束，直接噴到單晶基片上，同時控制分子束，對襯底掃描，就可以使按晶體排列的分子或原子一層層地生長在基片上形成薄膜[15]。

圖14.分子束外延法原理圖

分子束外延法生長溫度低，能減少不希望的熱激活過程，生長速度緩慢，外延層厚度可得到精確控制；生長表面可達到原子級光滑度，可制備極薄的薄膜；生長的薄膜可以保持原來靶材料的化學計量比；把分析測試設備與生長系統結合在一起，實現薄膜生長的原位監測[16]。分子束外延法也有不足的地方，如對真空要求非常高，分子束外延設備貴投資大，能耗大。3.2靜電紡絲法

靜電紡絲法是在高壓電場作用下使聚合物溶液或熔體帶上高壓靜電，當電場力達到一定程度時，聚合物液滴在電場力作用下克服表面張力形成噴射流[17]。噴射時，射流中的溶液發生蒸發或自身發生固化形成纖維，最終落在接收裝置上，獲得納米材料。

圖15.所示為靜電紡絲原理圖

靜電紡絲法制備納米材料優點很多，如裝置簡單、成本低、可紡物多、工藝易控制，是制備納米纖維材料的有效方法。納米技術的發展使靜電紡絲作為一種簡便有效的生產納米纖維的新型制備技術，將會在生物、醫用、催化、光電、食品工程、化妝品等領域發揮巨大的作用。4.納米材料的應用前景

納米材料有很多優異的特點，使得納米材料有很多不同于一般材料的奇特性質。納米材料的應用有著廣闊的應用前景。采用納米技術制造的納米結構微處理器在微電子和計算機技術方面其效率要比普通微處理器的效率高100萬倍；納米存儲器的密度比普通存儲器的要高1000倍；而納米技術與集成技術結合又可制成納米傳感器；用納米材料做成的具有巨大表面積的電極，可以大幅度的提高放電效率；用納米材料制成的磁記錄材料可以將磁帶記錄的密度提高數十倍。在環境與能源方面，納米材料可提高太陽能電池的能量轉換效率，還可以用來消除空氣中的污染物。例如將Ti02催化劑涂在物體上，可以使物體具有自潔功能，任何粘在物體表面上的物質（油污、細菌）在光的照射下，通過Ti02催化劑催化作用，變成氣體或容易被擦掉的物質。納米催化劑還可以徹底消除水或空氣中的有害物質。納米材料在減少環境污染、凈化環境上有廣闊的應用前景。在生物學工程與醫學方面，將磁性納米材料做為藥物載體，在外磁場作用下集中于病患處，有利于提高藥效，也可以減少藥物副作用[18]。用納米材料制成的溶液加上抗原或抗體，可以實現免疫學的間接凝聚實驗,實現快速診斷。用納米材料制成的機器人，用來人體進行全方位的檢查，可消除血栓、心臟動脈脂肪沉積物。5.總結

納米材料作為一種新興材料，具有十分廣闊和誘人的發展前景。納米材料的制備方法和技術將隨著科學技術的發展更加成熟，將對人們的生活和人類生產力的發展產生重大的影響。

隨著納米技術的發展，各個學科領域都開始廣泛應用納米材料。這必將會不斷出現更新更好的制備方法，希望在將來以下幾個方面可取得突破。

(1)在結構、組成、排布、尺寸、等方面，制備出更適合各領域發展需要，具有更多預期功能的納米材料；

(2)從節能、節約材料、提高效率等角度出發，研制出更多的新設備，以便制備出更多的新型納米材料；

(3)設計出新的制備方法，采用新的制備工藝，在原有納米材料的基礎上，提高納米材料的功能。

參考文獻

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致謝

本論文在XXX的悉心指導下完成的，她淵博的專業知識，嚴謹的治學態度使我受益非淺。在此謹向XXX老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。感謝我的學友和朋友對我的關心和幫助。

The preparation of nanomaterials and their application prospects

Abstract：Nanomaterials are attracting great intense in recent years，for its special properties.With the rapid develope of science and technology , the preparation of nanomaterials has become more skilled.In this paper we mainly introduce the preparation of nanomaterials,including physical and chemical methods,and prospect of nanotechnology in 21st.Keywords: nanomaterials physical method chemical method application prospect

第四篇：納米材料行業發展現狀及前景趨勢分析

納米材料行業發展現狀及前景趨勢分析

資料來源：前瞻網：2013-2017年中國納米材料行業發展前景與投資預測分析報告，百度報告名稱可查看報告詳細內容。

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成的材料，大約相當于10-100個原子緊密排列在一起的尺度。

納米材料行業發展現狀：

在充滿生機的21世紀，信息、生物技術、能源、環境、先進制造技術和國防的高速發展必然對材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存儲和超快傳輸等對材料的尺寸要求越來越小；航空航天、新型軍事裝備及先進制造技術等對材料性能要求越來越高。新材料的創新，以及在此基礎上誘發的新技術、新產品的創新是未來10年對社會發展、經濟振興、國力增強最有影響力的戰略研究領域，納米材料將是起重要作用的關鍵材料之一。

納米材料自問世以來，受到科學界追捧，成為材料科學現今最為活躍的研究領域。納米材料根據不同尺寸和性質，在電子行業、生物醫藥、環保、光學等領域都有著開發的巨大潛能。在將納米材料應用到各行各業的同時，對納米材料本身的制備方法和性質的研究也是目前國際上非常重視和爭相探索的方向。

中國在納米科技領域的研究起步較早，基本上與國際發展同步。中國已經初步具備開展納米科技的研究條件，國家重點研究機構及相關高科技技術企業對納米材料的研究步伐不斷加快；在納米科技領域，我國“十五”、“十一五”期間取得了一批重要的研究成果，在部分領域已達到國際先進水平。這些都為實現跨越式發展提供了可能。

中國在經濟高速發展、在節省能源和資源方面，納米材料和納米技術將發揮重要作用。結合國家戰略需求，納米材料和納米技術在能源、環境、資源和水處理產業應用近年來出現了良好的開端。納米凈化劑、納米助燃劑、納米固硫劑、用于水處理的納米絮凝劑等新型產品相繼開發成功，在這些產品基礎上，發展了一些新型納米產業，前景看好。

納米材料行業前景趨勢分析：

市場成長迅速、國家對高科技新材料產業的重視、中國的納米材料技術水平的進一步突破、納米材料與日常起居結合緊密、納米材料應用領域不斷開拓等等這些因素必將使中國的納米產業未來更加光明。

前瞻網：2013-2017年中國納米材料行業發展前景與投資預測分析報告，共十二章。首先介紹了納米材料的定義、分類和特性等，接著全面分析了新材料產業的發展，然后對國際國內納米材料產業發展狀況做出了細致透析，并具體介紹了納米復合材料、納米塑料、納米涂料、納米金屬、納米陶瓷等的發展。隨后，報告對納米材料行業做了區域發展分析，還詳細剖析了納米材料科研技術發展、應用領域以及重點企業的經營狀況。最后，報告重點分析了納米材料行業的投資狀況，并對納米材料行業前景趨勢做出了科學的預測。

（復制轉載請注明出處，否則后果自負！）

第五篇：乳制品包裝現狀及應用前景[模版]

乳制品包裝現狀及應用前景

王海東（西北農林科技大學

食品學院 食工064班 10106097）

【摘要】：本文主要對當前我國乳制品包裝的現狀，存在的一些待解決的問題盒和解決的方法。及乳制品包裝的應用前景，主要介紹的了PET瓶包裝乳制品發展趨勢和一些待解決的問題的解決方法。高質量的包裝是實現乳品食用安全、功能、環保的保證, 包裝材料的應用在于提高乳品包裝的杭滲、杭漏及杭溶解性, 塑料被廣泛應用是不可回避的趨勢。

【關鍵詞】：食品包裝材料乳制品包裝 紙質包裝 塑料 PET

Abstract：This paper mainly on the current status quo of China's dairy packaging, some of the issues to be resolved boxes and solutions.And dairy products packaging applications, mainly introduced by the PET bottle packaging dairy development trends and some of the issues to be resolved solution.Packaging is to achieve high-quality dairy food safety, function, to ensure environmental protection, packaging materials is to improve the dairy packaging Hang seepage, leakage and Hang solubility, plastics are widely used is an unavoidable trend.Keyword：Food packaging materials, dairy products packaging, paper packaging, plastics, PET

一、乳制品的包裝及簡介

根據國家標準GB4122-83 對包裝明確定義:“包裝是指在流通過程中保護產品, 方便儲存, 促進銷售, 按一定技術方法而采用的容器、材料及輔助物等的總體名稱”。

乳制品包裝, 就是采用適當的包裝材料、容器和包裝技術, 把乳制品灌充、裝載或包裹起來, 以使乳制品在運輸和貯藏過程中保持其價值和原有狀態。乳品包裝作為乳品生產的最后工序, 是乳品流通銷售的保障, 直接影響著乳品業的發展。

乳制品的包裝, 可以是復合紙盒、玻璃瓶、復合塑料袋、金屬盒包裝等, 玻璃由于重而易碎等因素, 不適合工業生產, 鐵盒也主要用外包裝, 實際使用塑

料瓶、袋, 如紙盒等奶制品和其它食品包裝一樣, 基本是以塑料作為內包裝, 或者以塑料作為內層的復合包裝。常見乳制品包括:

液體乳類(LiquitMilk), 如殺菌乳GB5408.1;滅菌乳GB5408.2;酸牛乳GB2746;配方乳等。

乳粉類(MilkPowders), 如全脂乳粉、脫脂乳粉、全脂加糖乳粉和調味乳粉GB5410;嬰幼兒乳粉GB10765、GB10766、GB10767;其他配方乳粉。

煉乳類(CondensedMilk), 如全脂無糖煉乳(淡煉乳)。全脂加糖煉乳GB5417;調味煉乳;配方煉乳等。

乳脂肪類(MilkFats), 如稀奶油GB5414;奶油GB5415;無水奶油等。含乳制品的焙烤食品, 如糕餅點心, 也需要對其中的乳制品保鮮。

因為牛奶特別易變質, 因此無論是長效奶(UHT)還是保鮮奶, 都對包裝提出了嚴格的質量要求, 此外, 便于攜帶和飲用方便, 也是對乳品包裝的基本要求。

乳業近年來一直圍繞在價格、奶源、資本、圈地、廣告等方面競爭, 2007 年競爭的已轉移到產品和工藝創新方向, 國內消費觀念逐漸成熟、從“有奶喝”轉為“喝好奶”的需求日益強烈, 競爭也上了一個新臺階。高質量的包裝是乳品生產企業實現本地市場滲透和外地市場擴張的一個必然選擇。

二、當前液體乳制品的包裝的問題及解決的方法

中國液體乳產業是在過去10 年中逐漸發展起來，但發展速度是一年勝于一年，消費者對健康的日益關注推動了乳業的發展。早期由于冷藏手段的不完善，需要保存期長的包裝形式，如無菌磚和無菌枕等，但隨著主要城市的零售市場快速發展，保鮮奶日益受到人們的關注，包裝形式也向巴氏塑袋、奶杯以及屋頂包過渡。

由于保鮮奶的生產、包裝、運輸和貯藏的復雜性，鮮奶的銷售增長受到了一定的影響。主要體現在以下方面：原奶的微生物數量同國際水平比較相對較高，則要求加工的溫度必須提高，而且存貨周期受到限制；乳業及其配套包裝供應企業，對屋頂包紙合等新包裝形式的制造和灌裝還處于學習摸索階段；野蠻裝卸，長途和條件惡劣的運輸仍然比較常見；冷鏈不完善，而且冷藏溫度在某些環節還

不夠低；零售商和消費者對如何保證鮮奶的新鮮還不太了解。

保鮮牛奶面臨的問題，特別是冷藏控制和運輸條件問題都是暫時的，它們都會得到解決，這一點叢亞洲市場保鮮奶的包裝形式的發展歷史可以預見。

乳制品在中國的市場前景非常可觀，目前液體乳占整個飲料市場的12%，并且這個份額正在不斷擴大。政府部門制定的的消費目標是：2010 年：每人每年18kg2028 年：每人每年28kg2040 年：每人每年41kg

牛奶和其制品長期以來被認為是富含高質量的蛋白質、鈣、維生素以及鋅、鎂等其他微量元素的食品。牛奶的營養保全最佳的是巴氏殺菌形態，無菌包裝是一種好的包裝形式，但是一般來說無菌包裝牛奶從生產到飲用的時間間隔要大于屋頂包裝。牛奶對紫外線非常敏感，在透光包裝中，牛奶的維生素喪失和口感改變很快。牛奶加工受熱時間越短，貯藏溫度越低，貯藏時間越短，受紫外線照射越少，其口感就越好。在大多數崇尚鮮奶的市場，保鮮奶都享有較高的售價，在這些市場，保鮮風味奶的市場在逐漸擴大。生產過程的衛生控制非常重要，而純度高的原奶需要的殺菌溫度相對較低，對營養和口感的保全也就更加充分。牛奶在灌裝后的正確貯藏，運輸過程的條件改善，減少運輸距離和時間可以幫助確保鮮奶的質量。

衛生 灌裝機設備調整和良好的維護是保證灌裝質量的重要條件，不同紙盒生產商提供的紙盒在上機前，需要在機器上作適當微調，使紙盒和灌裝機更加貼合。保證低溫恒定也非常重要。保鮮牛奶的最佳貯藏溫度是4℃，避免頂封溫度過高可以幫助改善漲包問題。

搬運 粗野的搬運會導致屋頂包的破損，必須在整個灌裝，裝卸和堆放過程中避免突然墜落或其他不合理的操作。

運輸 雖然路況在改善，但是運輸過程仍然具有挑戰性，紙盒包裝箱應當受到良好保護和支持，避免翻落損傷里面的裝滿牛奶的紙盒。

除了這些舉措外，采用加厚的液體面PE 淋膜厚度、選用挺度更高的原紙、增加尼龍阻氧隔離淋膜等都可以提高運輸過程耐久性。

零售商對品質的影響很大，貨架溫度是具有決定性的，垂直排放紙盒既能防止滲漏，而且有助于向消費者展示紙盒表面的印刷宣傳圖案。保持紙盒之間互相接觸和固定，可以最大限度地減少漲包的影響，而且可以提高紙盒的握度舒適程

度。

消費者對牛奶的營養和新鮮的好處有較好的一般認知程度，但是還有提高的空間，另外，需要增加對保鮮牛奶包裝的貯藏和飲用知識的積累。屋頂包側立面的廣告展示是向消費者傳播信息的最佳方式。除了介紹品牌以外，還可以增加營養成分，飲用方法，貯藏方法的經驗介紹。

我們相信保鮮牛奶在克服了短期出現的問題之后，會成為中國液體乳市場的主導力量，因為新鮮和營養是人們選擇食品的首要原則。

三、現代的新型包裝在乳制品中的應用

使用PET 瓶包裝乳制品是目前乳制品包裝市場的一大趨向。消費者喜愛透明的包裝，他們想看到自己關注的食品。這也可以解釋為什么現今很多乳制品公司不僅提供經典的PET 瓶裝pH 值小于4 的小麥乳制品、酸奶或透明PET 瓶裝中性乳制品的微生物檢測安全，尤其是當制品被拿到冰箱以外的地方銷售時，這是一個成功的技術突破。與pH 值小于4 的乳飲料相比，中性pH 值的乳制品中微生物的敏感度高。當然，目前使用的加工過程是趨近無菌操作的。十多年來PET酸性軟飲料的無菌瓶裝技術證明，其得益于發展中的技術革新。

光不穩定呈味物質對制品造成危害在克服了微生物障礙后，技術突破點聚焦在不同貯藏環境下的終產品的穩定性。要求終產品有物理/化學穩定性，最重要的是口感穩定，尤其是如果它們在冷鏈之外的環境下分配和貯藏。貯藏試驗和感官鑒評顯示，即使是在一個有顏色的PET 瓶中，由于它沒有一個特殊的光保護系統，在幾天以后，制品口感也被檢測出有所損壞。口感的損壞通常與乳制品組分的變化有關。例如Vb2，牛奶中的重要組分，對光照極其敏感，見光分解，使牛奶口感變壞。

具有光保護作用的PET 塑料瓶處理這個包裝技術缺陷問題的主要手段是在PET塑料瓶中加入特殊的光保護系統。標準PET 瓶上不可視，在最大波長為380nm的紫外線范圍內具有光保護活性的光線。而牛奶中光敏物質的感受波長是300~500nm，所以在包裝中形成完全保護是不可能的。如果以保護光敏度波長在380nm 以外的制品為目的，包裝將呈現從黃到紅的顏色變化。

HDPE 包裝高氧滲透性，但不透明另一個常用的包材是HDPE，與PET 相比，這種材料具有高氧滲透性，通常為白色，不透明。

解決光照問題在使用透明塑料包材時，會不可避免的出現氧氣和光線的相互作用。光照激活氧分子，使制品質量加速下降。

當代乳制品制造商將在加工中使用低氧灌裝，這是塑料包裝更需要的。為乳制品加工提供的利用基材和水果制備相結合的特殊技術幫助確定制品免于有害光線的照射和高穿透力氧分子的滲入。

盡管在技術上仍然要有很大突破，PET 瓶裝乳制品的包裝趨勢是確定的。這種包材對于消費者來說是非常熟悉的：材料透明、不易碎、能夠再次使用并且樣式新穎。然而，對于乳制品，優勢是包裝材料提供了一個廣泛的設計范圍并且是技術改革中最理想的包材選擇。

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