納米技術及其應用

納米技術及其應用一、什么是納米、納米材料、納米科學、納米技術？二、納米技術的應用西安交大王琪琨1一、什么是納米、納米材料？

1納米是10億分之1米。80年代材料科學界才以長度單位為1—100nm（納米）范圍來命名“納米材料”。具體說納米材料是指長寬高（三維）至少有一個方向（一維）處于納米量級的材料。1、零維材料：納米級質點或納米微粒。2、一維材料：納米絲、納米線、納米管。3、二維材料：納米量級厚度的薄膜，與其多層膜，4、塊體納米材料：基于上述低維材料所構成的致密或非致密塊體材料。5、納米復合材料：納米材料分散于其它材料（有機與無機）中構成的納米復合材料，分散相為納米尺度。納米科學1、納米物理2、納米化學3、納米機械學4、納米電子學5、納米生物學6、納米測量學納米技術1、納米材料的制備2、納米結構的組裝技術3、納米器件、電路與系統(tǒng)的設計、制造、測試技術4、納米應用技術，生物、醫(yī)療、材料、能源、環(huán)境、國防、航空航天等。納米尺度的意義1、值得注意的是從蛋白質、病毒到細胞，都是在1—100nm尺度范圍。納米結構也是生命現(xiàn)象的基本結構。2、凝聚態(tài)物理學中早已明確的特征長度，電子波長與平均自由程，激子的半徑，勻疇粒子的臨界尺寸，鐵磁性向順磁性轉化的尺寸。3、新的物理效應。量子尺寸效應，表面效應，隧道效應。我國的水平科學領先行列：論文統(tǒng)計第三、北大劉忠范吳全德薛增泉、清華范守善、西交大CNT—FED朱長純、中科院固體研究所張立德、中科院物理所謝思深、中科院化學所江雷、國家領導人非常重視，大投入，我國領先的領域、國家目標、國家安全、市場導引。二、納米材料及其應用１、納米技術——21世紀新產品誕生的源泉２、受到各國關注的新科技３、納米二氧化鈦在有機物廢水處理中的應用４、納米陶瓷極具市場潛力５、產品形成系列，應用前景看好1、納米技術——

21世紀新產品誕生的源泉A、神奇的介觀世界B、巨大的應用價值C、產品創(chuàng)新的好思路A、神奇的介觀世界

——尺寸效應尺度下降使納米體系包含的原子數(shù)大大降低，宏觀固體的準連續(xù)能帶消失了，而表現(xiàn)為分裂的能級，量子尺寸效應十分顯著。尺寸小，電子被局限在一個納米空間，電子輸運受到限制，電子平均自由程縮短，電子的局域性和相干性增強。納米體系的光、熱、電、磁等物理性質與常規(guī)材料不同，出現(xiàn)許多新奇特性。A、神奇的介觀世界

——特性畸變直到80年代，科學家才驚奇的發(fā)現(xiàn)，在宏觀與微觀之間的納米體系（介觀）中，許多我們認為理所應當?shù)男再|都完全變了模樣。A、神奇的介觀世界

——特性畸變在介觀狀態(tài)時，金屬竟會失去了典型金屬特征,常態(tài)下電阻較小的金屬到納米級電阻會增大，電阻溫度系數(shù)下降甚至出現(xiàn)負數(shù)。原是絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降；納米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的電阻下降了幾個數(shù)量級；A、神奇的介觀世界

——特性畸變10-25nm的鐵磁金屬微粒，其矯頑力比相同的宏觀材料大1000倍，而當顆粒尺寸小于10nm，矯頑力變?yōu)榱?，表現(xiàn)為超順磁性。納米金屬粒子失去原有的光澤，都呈現(xiàn)黑色。納米微粒的吸收帶普遍存在“藍移”。納米粉體的熔點、燒結溫度均比常規(guī)粉體低得多。A、神奇的介觀世界

——表面效應納米材料的尺寸小，位于表面的原子數(shù)所占總原子數(shù)的比例很大，產生相當高的表面能。隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加：粒徑10nm時，表面原子所占比例20%，包含原子數(shù)3

104；粒徑為2nm，所占比例增加到80%，包含2.5

102原子；

粒徑達到1nm時，所占比例竟有99%，但是所包含的總原子數(shù)只有30。表面原子數(shù)增多導致龐大的比表面，原子配位不足，鍵態(tài)嚴重失配，存在大量的懸鍵和不飽和鍵，因而表面能極高，出現(xiàn)許多活性中心。

A、神奇的介觀世界

——表面效應有極強的吸附能力。對物質腐敗的(i)氧原子、(ii)氧自由基，(iii)生異味的烷烴類分子等。極強的抓俘能力，使其具有防腐抗菌功能；納米材料具有催化劑的良好性能。儲氫。B、巨大的應用價值

——分子設計原子組裝（納米組裝）59年，美國理查得范曼提出了一個設想：“如果有一天可以按照人的意志安排一個個原子的話，將會產生奇跡！”89年，美國IBM公司實現(xiàn)了用單個原子排列IBM商標。日本單個原子排列了漢字“原子”的字型。這時，科學家們由探索納米顆粒制備方法和特殊性能，轉向了如何利用它的奇特理、化和力性能，設計納米組裝體系和納米結構材料及其應用。B、巨大的應用價值

——輕工領域納米材料的應用把金屬的納米顆粒放入陶瓷中，可大大改善材料的力學性質。納米Si2O3和SiO2粒子放入橡膠中可提高橡膠的介電性和耐磨性。SiOx放入金屬或合金中可以使晶粒細化，大大改善力學性質，提高了高溫沖擊韌性。美國成功地把納米粒子用于磁制冷上。納米氧化鋁的懸浮液被用于高級光學玻璃、石英晶體及各種寶石的拋光。納米微粒加入油墨中可改善油墨的流動性，美國已出現(xiàn)了納米微粒生產顏料的專利。B、巨大的應用價值

——輕工領域納米材料的應用靜電屏蔽涂料。需要樹脂加碳黑來進行靜電屏蔽。日本松下公司已研制成功具有良好靜電屏蔽作用的納米涂料，可以通過控制納米微粒的種類來控制涂料的顏色。化纖防靜電。金屬納米微粒為解決化纖制品靜電問題提供了一條新途徑。日本和德國已開發(fā)出了相應的產品。紡織品添加納米微粒可除味殺菌，銀納米微粒加入襪子中，可清除腳臭味。醫(yī)用紗布中放入納米Ag粒子有消毒殺菌作用。C、產品創(chuàng)新的好思路納米技術將是21世紀新產品誕生的源泉，納米技術會引起新一輪的產業(yè)革命，必將推動生產力的發(fā)展，改善人類生活環(huán)境。C、產品創(chuàng)新的好思路在陶瓷、塑料、玻璃等制造中運用納米技術，使其性能改善，并得到合理的性能/價格比。(i)英國重點制備納米氧化鋁+納米氧化鋯，納米氧化鋁+納米氧化硅，納米氧化鋁+納米氮化硅等新型納米復合陶瓷。(ii)美、日將納米材料添加到電子陶瓷研究方面。(iii)我國95年將納米材料添加到傳統(tǒng)材料中改進其功能，總體研究水平處于國際前列。(ix)改性并不昂貴，價格略升，性能好得多，有市場競爭力。C、產品創(chuàng)新的好思路不少國產的無菌冰箱上用了納米材料制成的無菌塑料；深圳一家公司推出了包括了無菌餐具、無菌撲克牌在內的一系列納米材料制作的產品；合肥納米保健食品公司生產的納米硒產品已通過鑒定……不難預見，納米技術將引起新一輪產品創(chuàng)新革命。2、受到各國關注的新科技

日本74年底最早用“納米”術語。以納米命名的材料則出現(xiàn)在80年代，它作為一種材料的定義，把納米顆粒限制在1~100納米范圍。2、受到各國關注的新科技

人工納米顆粒在60年代初由日本首先制備成功。稍晚，德國也獲得納米顆粒。80年代，人們才意識到，其實在自然界早就有納米顆粒存在。由幾千個原子組成的納米微粒，不同于宏觀大塊物體，也不同于單個的原子和分子，它具有許多新的特性，是人類從未探索過的非宏觀非微觀的中間領域（介觀）。80年代初，德國的格萊特教授以及美國的席格爾相繼用納米微粒作為結構單元成功地合成了納米塊狀材料。他們得到的納米氟化鈣離子晶體和納米二氧化鈦陶瓷材料在室溫下表現(xiàn)出良好的韌性甚至經受彎曲時不產生裂紋。這一突破性的進展，使得那些為陶瓷增韌奮斗了近一個世紀的材料科學家看到了希望。2、受到各國關注的新科技89年有文獻又提出納米結構材料的新概念，它包括零維、一維和二維材料。在這個時期，國際上把1-100納米的技術加工作為納米技術的標準。90年在巴爾的摩召開的第一屆納米科技會議上統(tǒng)一了概念。正式提出了納米材料學、納米生物學、納米電子學和納米機械學的概念，并決定出版納米刊物。從此，這些術語得到廣泛應用，納米技術研究成為國際科技的一大特點。2、受到各國關注的新科技歐盟委員會95年的一項報告中預測：國際納米技術市場價值10年內將達到900億美元。美、日、德和英等發(fā)達國家和地區(qū)，都不惜巨資進行研制和開發(fā)，以謀求在國際競爭中處于主導地位。我國在2000年十大科技新聞：盧柯，金屬銅超塑延展性。2、受到各國關注的新科技納米技術也引起了我國政府、科學界以及社會各界的重視和關注。我國從90年代初開始申請納米材料的專利，90年代中期形成高潮。目前有關納米材料的專利有幾十個，大部分集中在研究所和高校。1997年以來，我國納米材料的應用出現(xiàn)可喜勢頭，大的集團公司已經開始介入納米材料和納米技術的開發(fā)。據不完全統(tǒng)計，全國已有7條納米材料的生產線已經投入或正在開發(fā)之中。目前，納米材料還被列入S-863計劃范圍內，納米材料在研究和應用領域里的開發(fā)正在蓬勃展開。納米材料應用幻想科學是科學的太陽，求實是科學的土壤。1、癌癥、心血管病的檢查與治療2、信息存儲(cm3美國國會圖書館）3、計算機將變小4、隱身材料5、機器昆蟲6、分子秤7、碳納米管天梯3、納米二氧化鈦在有機物廢水處理中的應用意義重大：

目前國內常用的有機物廢水處理技術難以達到有效的治理：物理吸附法、混凝法等非破壞性的處理技術，只是將有機物從液相轉移到固相，如何解決二次污染問題，使吸附劑、混凝劑再生是一個難題?；瘜W、生物等處理技術雖是破壞性的，但除凈度低，廢水中的有機物含量仍遠遠高于國家廢水的排放標準。3、納米二氧化鈦在有機物廢水處理中的應用納米材料的優(yōu)點：·A、具有較大的比表面積，因而可與廢水中的有機物更充分的接觸，它可將有機物最大限度的吸附在它的表面；·B、具有更強的紫外光吸收能力，因而具有更強的光催化降解能力，可快速將吸附在其表面的有機物分解掉；·C、采用這種表面活性很強的納米二氧化鈦作為光催化劑，可望利用更經濟的太陽輻射源來代替紫外汞燈光源。該技術以其特有的廣泛適應性、較強的降解效率，日益引起關注。3、納米二氧化鈦在有機物廢水處理中的應用日本率先開發(fā)利用二氧化鈦的光催化作用建立一個新型的廢水處理系統(tǒng)，用于降低廢水中的COD（化學需氧量）和BOD（生物需氧量）。浙江農大等單位利用納米二氧化鈦的光催化活性降解久效磷農藥廢水。中科院一研究所采用納米二氧化鈦粉末，利用太陽光進行光催化降解苯酚水溶液和十二烷基苯磺酸鈉水溶液的實驗獲得成功，在多云---陰天的條件下，光照12小時，濃度為0.5mmol/l的苯酚已降解為零，濃度為1mmol/l的十二烷基苯磺酸鈉已基本降解。這是極有前途的水處理技術。4、納米陶瓷極具市場潛力A、國際陶瓷市場一片興旺B、信息功能陶瓷C、基片及厚膜材料D、陶瓷墻地磚4、納米陶瓷極具市場潛力

——A、國際陶瓷市場一片興旺目前，國際陶瓷市場需求最大的建筑陶瓷年貿易額達50億美元，并以每年12-15%的速度增長。但我國無論是信息功能陶瓷、基片及厚膜材料這類高科技陶瓷還是建筑衛(wèi)生陶瓷和日用陶瓷還停留在較低的發(fā)展水平上，遠不能滿足日益發(fā)展的市場需要。專家指出，將納米材料應用到陶瓷工藝中去，生產納米復合或納米改性的的高技術陶瓷，將使這一現(xiàn)狀得到改變。4、納米陶瓷極具市場潛力

——B、信息功能陶瓷95年全世界信息功能陶瓷材料及其制品的銷售額約210億美元，預計每年的增長率為15-20%。我國的傳統(tǒng)電子陶瓷材料相對落后，無法參與國際競爭。目前高性能的，電子陶瓷材料一個重要發(fā)展趨勢是：用納米粉體作為原材料生產諸如陶瓷電容器、壓電陶瓷、高性能PTC陶瓷和鐵氧體等電子產品以及導電、絕緣陶瓷。4、納米陶瓷極具市場潛力

——C、基片及厚膜材料厚膜電路是電子元件集成的重要基礎，其中基片和集成電路封裝材料質量的提高是當前國內厚膜電路急待解決的問題。氧化鋁基片主要用于厚膜電路和家用電器，前者是我國電子產品的主要出口創(chuàng)匯產品，年耗用基片10萬平方米。國內基片經多次燒結，變形大、易熱解、基板材料的熱穩(wěn)定性不好，出口厚膜電路多采用日本（京都陶瓷廠）的產品。納米氧化鋁的添加不僅可以改善基片的燒結性能，而且可以大幅度地提高氧化鋁的熱穩(wěn)定性。研究證實，上述方法可以將熱穩(wěn)定性提高2~3倍，平整度提高1.5倍，而每片基板材料的成本僅提高勞動0.2元人民幣。4、納米陶瓷極具市場潛力

——D、陶瓷墻地磚近十年來，我國陶瓷墻地磚就產量而言，已成為世界大國。但不少功能特性的品種、高檔墻地磚的彩色釉料須進口；衛(wèi)生陶瓷無論是結構、功能，還是造型、色調、釉面質量等方面的差距更大，高檔衛(wèi)生陶瓷仍大量采用進口貨。納米復合功能建筑衛(wèi)生陶瓷的開發(fā)，將使功能性建筑衛(wèi)生陶瓷得到發(fā)展，例如熒光墻地磚、氧敏變色和具有保潔、抗菌功能特性的墻地磚。5、產品形成系列，應用前景看好浙江舟山走產學研結合的道路，在與中國科學院固體物理研究所合作設計制造出國內第一條具有自主知識產權的納米硅基氧化物百噸生產線后，又相繼開發(fā)出納米氧化鋁、納米氧化鋯、納米氧化鈦、納米氧化鈰、納米氧化釔等新產品，現(xiàn)已形成納米粉體材料、功能復合材料、亞微米復合材料等三大系列、十多個品種、30多種型號的產品格局，并使橡膠、塑料、玻璃鋼、涂料、陶瓷、黏結劑行業(yè)的傳統(tǒng)產品得到改性，有的已升級換代，成效顯著。在橡膠行業(yè)，通常都是加入碳黑來提高制品的強度、耐磨性和抗老化性，但制品均為黑色。因一直找不到合適的材料替代碳黑作為補強劑和抗老化劑，所以過去研究出來彩色橡膠制品的強度、抗老化性都較差。納米材料的問世使這一問題迎刃而解。金鼎新材料產業(yè)化中心的專家們只用了半年時間就開發(fā)出填補國內市場空白的納米改性彩色氯化聚乙烯防水卷材，引起海內外專家、學者的關注。西北橡膠總廠應用納米材料開發(fā)新一代高性能彩色膠管。這些新型彩色橡膠制品的主料是丁苯橡膠、天然橡膠等，但產品的各項性能指標均有大幅度的提高，尤其是抗老化性能可達到并超過三元乙丙橡膠制品，使用壽命長達成