纳米材料篇1

纳米材料制备技术的发展为解决这个问题提供了可能。随着制备技术的提高，纳米材料的晶粒尺寸、制造成本不断降低，而致密度、晶粒尺寸均匀度不断提高。例如，采用脉冲电沉积技术制备纳米Ni和Ni基合金薄板，通过各种参数的控制可使晶粒尺寸接近10nm，且沉积层具有很窄的晶粒尺寸分布范围。采用纳米材料进行微塑性成形，即使零件特征尺寸降低到微米尺度，零件内部依然包含大量的晶粒，可以排除各向异性的影响，从而抑制甚至消除尺度效应，解决微成形技术工程化应用的瓶颈问题。同时，纳米材料具有优异的力学性能，可以提高零件的质量。采用纳米材料进行塑性微成形，又带来了新的问题。随着晶粒尺寸的显著降低，纳米材料的强度、硬度成倍增加，塑性变形能力却明显变差［18］，如果采用常规微成形工艺进行成形，为保证成形精度，对模具材料性能的要求明显增加，模具昂贵，摩擦磨损严重，寿命短。这会严重阻碍微塑性成形的广泛应用。研究经验表明，比较好的解决方式是采用超塑成形技术进行微成形，例如，Saotome等人采用超塑微成形技术制造了微齿轮［7］，张凯锋等人采用该技术制造了微槽和微柱［13］。在超塑状态下，材料的变形抗力可以降低几十甚至上百倍［19—21］，变形抗力和摩擦力都明显降低，从而显著降低微成形工艺对模具性能的苛刻要求，提高工艺稳定性和成形精度。采用超塑微成形技术的条件是，成形的材料必须是超塑性材料，幸运的是，纳米材料通常具有超塑性。Mcfadden等人［22］发现1420铝合金和Ni3Al材料的晶粒减小到纳米尺度后，材料在较低的温度就可以获得良好的超塑性。在超塑状态下，应力明显降低，从而降低对微小尺寸成形模具的性能要求，使得大批量生产微小零件成为可能。随着微机电系统的发展，微型零件的需求量不断增加。微阵列是一种典型的微结构零件，在医疗、通讯、光学、化学等领域有广泛应用，如生物微针阵列、微生物芯片、光存储器、微化学反应芯片、微传感器等。微阵列的制造工艺包括光刻、离子蚀刻、同步X射线光刻塑模电铸等，但各种工艺间的生产成本、制造周期、产品质量及适用材料等方面有较大差别。如果采用超塑微成形技术制造微阵列，可以显著降低生产成本，提高生产效率和工艺稳定性。而且，采用超塑微成形技术还可以胀形出空心圆柱微阵列，在生物芯片、微化学反应芯片上会有重要应用。拟采用电沉积技术制备镍基纳米材料，系统研究其超塑性微成形机理，实现微阵列的批量制造，不仅能够解决微成形技术工程化应用的瓶颈问题，而且有助于深入理解微成形的科学理论。

2微成形研究现状

微成形的工艺可以分为体积微成形和薄板微成形两种。体积微成形的加工工艺主要有微压缩、微锻造、微铸造等;薄板微成形工艺主要有微拉深、微弯曲、微冲裁等。随着微成形技术的发展，工件尺寸越来越微小，而在加工过程中，会由于工件尺寸的变小，得到的实验结果与宏观理论恰恰相反，许多宏观上得到应用的理论，不能简单地缩放就应用在微成形上［23—24］，对于微成形中的尺寸效应，需要得出全面的实验结论和微观可用的理论［25］。MichaelD．Uchic等人利用微压缩实验和模拟以位错为基础的变形过程进行了深入的研究［26］，清楚地证明了尺寸的变化对于材料性能的影响，如晶粒的受力变形或产生应变梯度等，并也发现了小尺寸样品会产生应变突变，这对于理解位错自由组合消耗能量具有新的理解意义，并可以推动尺寸变形理论的产生。美国的Mara等人利用微压缩测试Cu/Nb纳米层状复合材料的机械力学性能，其微柱的压缩形变在相对于圆柱轴和压缩方向的45°方向被观察到，剪切带也是显而易见地被发现，且出现了比较大的塑性变形和相对于压缩轴的旋转［27］。H．Justinger等人利用8mm到1mm直径的冲头对不同的晶粒尺寸和箔材的厚度比的材料进行了微拉深试验，观察到冲头的力出现了明显的变化，同时改变粗糙度会显著影响杯型的几何形状［28］。建立了一个不同数量晶粒的单位体积的立方体基本模型，可以在下一个微成形过程中估计单一晶粒的可能取向，并解释了不同影响条件在微拉深中压缩和拉伸过程的流变应力变化的原因。日本的K．Manabe等人成功地利用微拉深工艺将20μm厚的铝箔制造成直径为500μm的微杯，并对杯子的几何形状、厚度应变分布以及表面粗糙度进行了测定［29］。研究表明，降低表面粗糙度更有益于微拉深的成形，表面粗糙度的增大不仅影响表面质量，还对成形极限产生影响，材料表面的光滑和拉深冲头的光滑，仍然是研究的重点方向。中国台湾学者Cho-PeiJiang和Chang-ChengChen，利用V型弯曲测试系统研究了板材的晶粒尺寸效应与弯曲板材厚度之间的关系，平均晶粒尺寸为25～370μm，板材厚度为100～1000μm，T/D为1～30，结果表明当平均晶粒尺寸恒定时，屈服强度和最大冲压力随着T/D的减小而降低，而随着T/D的增大，回弹量变小;当板材厚度一定时，平均晶粒尺寸变化的回弹现象类似于宏观尺寸的板材V型弯曲试验结果［30］。

3实验研究与讨论

3．1电沉积过程影响因素研究

3．1．1电流密度变化Ni-Co/GO复合材料电沉积过程中，不同电流密度(1．1，1．4，1．7，2．0，2．3，2．6A/dm2)的常温拉伸工程应力-应变曲线图如图1所示，总体的变化趋势是随着电流密度的增大，应变出现先增大后减小的状态，应力在1．1A/dm2时较小，为721MPa，在2．0A/dm2时达到最大，为1260MPa，其余的电流密度对应的应力大小较接近，在870～930MPa之间变化。不同电流密度的高温拉伸真实应力-应变曲线图如图2所示，图中右上角的曲线图为不同电流密度与延伸率的关系图。随着电流密度的增大，延伸率出现先增大后减小的情况，在电流密度为2．0A/dm2时产生的延伸率最大，达到535．8%。较高的电流密度可以得到较高的过电势，产生较大的成核速率，形成较多的晶核数，从而使得晶粒细化，因此随着电流密度的提高，复合材料的晶粒尺寸减小，能够有效地提高材料的常温和高温拉伸性能。当电流密度过高时，在一个脉冲周期的导通时间内会快速沉积，因为受到电镀液中扩散速率的影响，导致达到下一个脉冲周期时阴极表面的金属离子较少，对沉积速率及沉积得到的复合材料的性能产生较大的影响。

3．1．2pH值变化图3是镀液中不同pH值制备的复合材料常温拉伸的工程应力-应变曲线图，pH值依次为2，3，4，5．5。在工程应力-应变曲线图中可以看到，随着pH值的增加，应力、应变随之增加，在pH值为2时应力最小，为773MPa，当pH值为5．5时，应力达到1260MPa。当pH值较低时，虽然能够提高阴极电流密度的范围，增大了沉积速率，但会导致阴极析氢增加，从而导致内部和外部出现气孔，降低复合材料的力学性能。而过高的pH值会使镀层的脆性增加，也不利于力学性能的提高。

3．2单向拉伸试验研究

3．2．1应变速率变化研究图4为常温条件下应变速率变化的工程应力应变曲线图。当应变速率为1．68×10－2和1．68×10－3时，应力约为630MPa，应变约为0．41;当应变速率为1．68×10－4时，应力和应变都出现明显增加，应力可以达到1245MPa，应变约为0．69;而当应变速率为1．68×10－5时，应力出现非常明显的减小，降到937MPa，应变变化较小，约为0．67。出现这个现象主要是因为，复合材料中由于存在一些空隙和位错，当应变速率较大时，位错来不及滑移，其他晶粒也来不及补充到空隙位置，导致在位错或空隙位置出现断裂，从而得不到较好的力学性能;随着应变速率变小，晶粒可以填充空隙位置，位错也出现滑移等，有效地增加复合材料的应力应变等力学性能;而当应变速率继续减小，填充的量增加，滑移也比较明显，出现了应变增大但应力增加较小的现象。

3．2．2复合材料的厚度变化研究图5是复合材料不同厚度的常温拉伸工程应力应变曲线图。从图中可以看出，随着复合材料的厚度的增加，材料应变随之增大，这主要是因为复合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同样存在位错和空隙的情况下，会一直存在晶粒被拉应力的作用，不会因为空隙导致突然断裂，从而导致应变增大。当复合材料较薄时，应力会稍小一些，这主要是因为试样薄，位错和间隙存在的情况下，会出现某部位突然断裂，从而影响材料的应力，而当复合材料厚度增加后，会因为存在较多晶粒，从而增加材料的应力。

3．2．3试样宽度变化研究图6是不同宽度试样的常温拉伸工程应力应变曲线图。由图6可以看出，随着试样宽度的增加，应变也随之增加。当试样宽度增加时，复合材料中有效的被拉伸晶粒增多，在同样存在位错和空隙的情况下，会存在有效的拉应力作用在不同的晶粒上，导致应变增大;同时不同的试样宽度，拉应力基本相同，这是因为虽然试样的宽度不同，但是作用在每个晶粒上的力基本相同，拉应力变化不大。

3．3微半球体高温气体胀形图7是电沉积液中GO不同加入量时的高温气体胀形得到的微半球体，图7a—c的GO的添加量依次为0．01，0．03，0．05g/L。所得到的高温胀形件的高度依次为2．5，2．7，3．0mm，模具的孔半径为2．5mm，因此，H/r依次为1，1．08，1．2。这与高温拉伸的数据符合，都实现了高温超塑性。图8为胀形件厚度分布图。微半球自底端至顶端，厚度逐渐变薄。厚向应变不均匀，这主要是胀形件在不同位置应力状态差异造成的。胀形件的顶端为等轴应力状态，而靠近底端的部分，由于模具夹持作用，限制了板材沿圆周方向变形，因此这个位置的应力状态为平面应变状态。由于局部应力的差异导致不同位置具有不一样的应变速率，最后造成零件不同位置厚度的差别。在顶端区域由于有较大的应变速率，造成了显著的变薄效应。图9为胀形件胀破断口的SEM图。断口的晶粒粒径比较均匀，为1～2μm，在图9中发现存在GO，且存在GO的位置的晶粒较其他部分的晶粒稍小一些，说明GO的加入可以提高材料的热稳定性，抑制金属晶粒在高温下的长大，但加入量比较少，对材料晶粒长大的抑制作用较小。在胀破断口很难寻找到GO的存在，是因为在高温下，GO出现了挥发，且由于GO的厚度比较小，在产生挥发后很难在SEM下发现。

4结论

纳米材料篇2

随着纳米技术的兴起和发展，纳米材料被逐渐广泛应用于现代人的生产生活中。比如纳米级的银和氧化铜已被应用在医疗器械、涂料、塑料制品等工业领域，纳米级的氧化锌和镍等被广泛应用在陶瓷、化妆品、催化剂、电池等制造业领域。随着纳米材料的广泛应用，它不可避免地会被排放到环境中。由于纳米颗粒尺寸极小（直径在1到100纳米之间），许多一般性材料在纳米尺度上就会发生物理化学性质的变化。当其排放至环境中时，有些纳米材料就会对环境造成有害影响。检测和控制纳米材料对环境的负面效应就成为摆在科学家面前的一项重要课题。

在很多发达国家，已有一大批科学家开始研究纳米材料对环境的影响。美国罗德岛大学环境工程系的张红印博士是较早研究纳米物质对自然水体中的微生物的影响的学者。张博士在越洋电话中向记者介绍，他参与的“纳米银在环境中的危害评估”项目启动于2009年，由美国国家科学基金资助。至今，张红印博士已经在多个世界顶级环境类期刊发表过重要研究成果。张博士参与的研究表明，排放到环境水体中的纳米银会对水中的微生物及鱼类胚胎产生影响。在工业界，纳米银是强力的广谱杀菌剂，排放到环境水体中后虽然会被水中的杂质降低一些性能，但仍然会杀死多数细菌。“当然，也包括有益细菌！纳米银还会杀死某些原生动物，一些小鱼的胚胎发育也会受影响而影响其生长，作为食物链最顶端的人类，将是最终的受害者。”张博士说。

张红印博士介绍说，在欧美发达国家，随着对纳米材料的深入研究，科学家们发现不仅排放到环境中的污染物的浓度会决定其对环境影响的大小，其尺寸也是重要的影响因素。因此许多研究机构呼吁，对纳米材料的排放进行立法以减少和限制对环境造成的不利影响刻不容缓。

“纳米技术是一把双刃剑，它在给我们的生活带来便利的同时，如果应用不慎也会危害我们的生存环境，从而对人们的身体健康造成伤害。”张红印博士对记者说。近期，他正和同事一起积极地向一些大力开发纳米应用材料的国家和地区的管理部门介绍他们的研究成果，以敦促他们未雨绸缪，通过立法或监测的方式减少纳米材料对环境的污染。“中国也在我们的名单之列，”张博士说，“这是一项和人们的生活和健康息息相关的工作，我们有责任将这些研究成果让更多的人知道并采取相应的预防和治理措施。”（本刊记者）

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纳米材料篇3

1．1人工纳米材料造成内皮损伤：

血管内皮是血管壁以及血液之间单层性的细胞屏障。从生理解剖结构的角度上来说，血管内盘能够及时促进激活性子与抑制因子的合成、分泌反应，从而使血管系统完整性得到完成，确保血管张力处于平衡状态。相关研究中提示，对于存在有内皮功能障碍的人体而言，出现动脉粥样硬化及相关疾病的可能性将明显增大。从人工纳米材料的角度上来说，造成内皮损伤的机制主要包括如下几个方面：其一，在与细胞直接接触并产生介导反应的条件下诱发细胞机械性损伤；其二，对血管内皮细胞造成一定的刺激作用，通过释放炎性因子以及氧自由基成分的方式，造成细胞生长受阻；其三，对内皮细胞的生长产生抑制影响，组织缺血下的心血管重建受不良影响，可能表现为心肌缺血症状。

1．2人工纳米材料造成血栓损伤：

血小板在凝血、止血过程当中具有相当关键的作用。与之相对应的是，凝血机制的异常也会与血小板的聚集水平存在明显关系，由此可能产生血栓。人工纳米材料可能导致与血小板发生电荷中和反应，造成血小板的聚集。除此以外，在人工纳米颗粒材料所诱发的内皮损伤机制作用之下，组织纤溶酶原活性物的分泌水平有一定的降低趋势，血小板被激活，最终表现为凝血前状态，潜在诱发血栓等相关疾病的可能性。

2人工纳米材料对心血管系统的损伤机制

2．1纳米碳基物材料对心血管系统的损伤：

纳米碳基物是纳米材料中关键性的构成要素之一，以碳纳米管为主要代表。此类材料的主要特点在于：机械强度高、硬度高、粒径小。形状上与常规的石棉纤维材料相似。但在作用于生物体的过程当中，难以发生代谢。除此以外，此类纳米材料还具有良好的电子受体优势，能够与π电子系发生反应，促进材料与生物化学成分的有机结合。在纳米碳基物的影响下，对于心血管系统的损伤可能涉及到以下两个方面的问题：首先，从动物水平的角度上来说，血小板的凝聚很大程度上受到糖蛋白结合受体参与水平的影响。而在纳米碳基物的应用下，可能致使糖蛋白结合受体发生激活反应，诱发心血管损伤。相关研究人员在以大鼠为模型的受体试验中研究发现：多壁、单壁碳纳米管均会导致大鼠颈动脉血栓形成速度的增快，说明两种纳米碳基物均对于血小板聚集有促进影响。除此以外，其还有可能造成受体的自主神经系统被破坏，表现为炎性反应。有关研究人员同样以大鼠为模型，在暴露于碳纳米颗粒环境后，大鼠模型表现出心率的降低趋势，主要机制在于：碳纳米颗粒材料造成了交感神经、迷走神经的破坏，在心血管系统支配中无法保持平衡关系。对于人体而言，严重时可能诱发心律失常，乃至心原性猝死的问题。其次，从细胞水平的角度上来说，有关研究人员使用纳米炭黑颗粒对人脐静脉内皮细胞进行染毒，持续24．0h。观察发现：受到纳米碳黑颗粒材料的影响，造成细胞形态学发生改变，细胞质膜发生损伤，细胞增生反应受到了一定的抑制影响。除此以外，有关研究中还认为，对于纳米碳黑颗粒一类材料而言，会对内皮型一氧化氮合酶与间隙连接蛋白－37的合成反应造成不良影响，在降解内皮细胞质膜的情况下，可能诱发动脉粥样硬化等相关疾病。除对心血管系统造成损伤影响以外，在纳米炭黑颗粒材料作用之下，受体血管损伤后机体的自主修复功能也出现一定缺陷，故有关研究中通过大鼠模型试验证实：多壁碳纳米管材料会对大鼠血管外膜成纤维细胞活性造成抑制，造成模型内丙二醛含量的异常升高。

2．2纳米金属粉对心血管系统的损伤：

在纳米颗粒吸入并达到肺间质部位以后，可能穿过肺泡上皮细胞，经由间质组织，参与到受体的血液循环反应过程当中，或者是通过进入淋巴循环系统的方式，进一步分布扩散至全身。与此同时，纳米金属粉材料中释放的大比例金属离子也可能通过自由基产生的方式，造成心血管系统损伤加剧。在纳米金属粉的影响下，对于心血管系统的损伤可能涉及到以下两个方面的问题：首先，从动物水平的角度上来说，相关的试验研究中分析认为［4］：对于暴露在纳米金属粉环境下的小鼠模型而言，处死后解剖结果显示其肺部银含量可达到1．5～1．7ug单位。同时，随着处死时间的延长，肺部中的银检出含量将得到明显的减低。同时，体内团聚的纳米金属粉释放银离子在小鼠被处死7d后仍然可在肺泡巨噬细胞中被检出。根据相关的试验结果认为：虽气管滴注下的银纳米团颗粒以团聚体的方式残留在肺部，但呼吸暴露下的纳米银颗粒可能经由肺部进入血液循环系统，造成心血管系统的损伤。其次，从细胞水平的角度上来说，纳米金属粉所生成的银纳米颗粒以及金纳米颗粒都可能在氧化反应的作用之下对细胞凋亡产生一定的诱导反应，由此影响心血管的正常运行。有关研究中尝试以小鼠作为模型，对受体进行银纳米颗粒染毒，结果显示：银纳米颗粒可能造成小鼠受体中的成纤维细胞凋亡反应加剧。除此以外，在细胞色素C迅速释放的条件下，Bax蛋白成分白转移至线粒体内，由于在此类纳米材料的介导反应下，细胞凋亡具有线粒体依赖的特征，故而将导致活性氧自由基成分的提升，对应的JNK激酶的活性水平明显增长。

3结语

纳米材料篇4

关键词：纳米材料；纳米安全性；科学发展

一、纳米技术与纳米材料简介

纳米（nano）本是一个长度单位，1纳米为10-9米，即十亿分之一米。大部分原子和分子的尺寸约为0.1-100nm，当很多宏观物质的尺度降低到纳米量级时会表现出很多与我们平时所观察到的不同的现象，所以研究材料在0.1-100nm尺度范围内的性质和应用就形成了当前非常热门的纳米科学与技术。

90年代末，纳米技术在我国也有着快速发展。纳米科技与以往的科技领域有所不同，它涉及物理学、化学、生物学和电子学等科学技术领域，并引发核派生了纳米物理学、纳米化学、纳米生物学和纳米材料学等诸多新领域。其中纳米材料学是研究纳米材料的设计、制备、性能和应用的一门纳米应用科学[1]。如纳米尺度的结构材料能在不改变物质化学成分的情况下，通过调节器纳米尺寸的大小来控制材料的基本性质，如熔点、磁性、强度和颜色等。纳米材料是纳米科技的基础，只有提高纳米材料的性能才能实现需要的功能。所以，纳米材料在整个纳米产业中占有很大的市场份额。

二、纳米材料的健康效应

1、正面效应：纳米医学

纳米材料已经或正在走进我们生活的诸多方面，如生物医学领域的纳米制药和疾病监测的方面。因为纳米材料尺度小、活性强，用纳米材料制成的药物可以准确的杀死病变细胞不会对健康细胞产生影响，这是常规药物所不能实现的。纳米生物芯片技术将传统的生物样品检测实验室集成到一个芯片上来，大大增强了检测速度和精度。

纳米材料技术与生物技术结合为生物医学领域带来了全新的视野，纳米材料也医药学方面和生物芯片方面取得了显著的成绩。随着纳米材料在生物医学领域更为广泛的应用，疾病诊断、临床治疗等将会变得更有效率，治疗费用也会随着纳米技术的不断成熟又逐步降低，从而我们的生命健康保障将会得到很大提高。

2、负面效应：纳米毒理学

尽管纳米材料在生物医学领域产生的革命性的变化，但是纳米材料的安全性问题同时也非常值得我们关注。任何一门技术都具有双面性，即有有利的一面也会存在有害的一面，纳米材料也不例外。

对纳米材料安全性的研究工作最早的是英国牛津大学和蒙特利尔大学的科学家在1997年发现防晒霜中的TiO2和ZnO纳米颗粒会破坏皮肤细胞的DNA。直到2003年3月，美国化学会年会上的有关纳米颗粒对生物可能存在危害的报告才引起了世界对纳米材料安全性的广泛关注。纽约罗切斯特大学的研究者让大鼠在含有粒径为20nm的聚四氟乙烯（特氟龙）颗粒的空气中生活15分钟，大多数实验大鼠在随后4小时内死亡；而另一组生活在含120nm特氟龙颗粒的空气中的大鼠，则安然无恙[3]。

三、纳米材料负面效应的解决方法

1、各国政府的对策和行动

20世纪末才发展起来的纳米科技正在逐步完善，已经应用于关系国家安全和国民经济的许多重要领域。21世纪是科技迅速发展的时代，纳米材料已经应用在众多国防和军事领域，如美国B-2隐形轰炸机的表面涂层材料，新型的特种兵作战服。而且，纳米材料作为其他行业的基础，为传统的制造业带来了新的生机，纳米材料有着巨大的市场前景。纳米材料标准化方面引起了纳米研究大国的激烈竞争，纳米材料的安全性问题正是竞争的交点。为了率先占领纳米科技的未来市场制定纳米材料标准，纳米材料的安全性问题更显得非常重要。

2、结合我国国情的策略

我国的纳米材料科技研究起步较早，与国际领先水平差距不大。纳米材料在化妆品、涂料、纺织业、汽车工业和半导体产业都有着很好的市场前景。就我国纳米材料市场来看，其主要产品为金属纳米颗粒材料、纳米氧化物、纳米碳化物和半导体纳米材料，如银、铜和铁等纳米颗粒材料，纳米氧化锌，碳纳米管和纳米钛酸钡等。2007年出版了纳米毒理学领域第一本专著《Nanotoxicology》。此外，北京大学化学生物学系、北京大学医学部、中国科学院武汉分院、中国医学科学院、中国科学院化学所、军事医学科学院等也都成立的纳米材料安全性方面的实验室开展研究工作。白春礼院士在第243次香山科学会议上指出："任何技术都是有两面性的，纳米技术也可能同样是把双刃剑。正确的态度是吸取20世纪科学技术发展的经验和教训，以科学发展观为指导，在发展纳米技术的同时，同步开展其安全性的研究，使纳米技术有可能成为第一个在其可能产生负面效应之前就已经过认真研究，引起广泛重视，并最终能安全造福人类的新技术"[3]。

四、科学发展营造绿色纳米世界

纳米材料研究和产业的发展要符合科学发展观的内容，要坚持以人为本，全面发展和可持续性发展。纳米材料安全性的题不仅关系到产业的发展和国家的利益，更关系到人民群众的生命健康。新兴的纳米材料科技要为人民所用，而不是要危害人民的健康。纳米材料产业的发展必将成为我国经济的新的增长点，也会带动制造业、国防产业等领域的发展。健康、绿色的纳米材料是纳米材料科学发展的最基本前提。坚持纳米材料的科学发展观，促进纳米材料、人与社会的和谐发展，实现经济发展、科技发展和人口、资源、环境的协调发展[9]。

当前，传统行业里的"中国制成"已经在世界范围内站住脚，但是在当前世界的利润分配中，制造环节的利润越来越低而且产生巨大的资源消耗和环境破坏，取而代之的是研发和服务环节的利润所占比例越来越大，这就是著名的"微笑曲线"。

我国著名科学家钱学森曾说："纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命[1]。"纳米材料的安全性问题是困扰纳米科技进一步走进人生生活的关键，只有解决好纳米技术也人类发展的关系，营造一个绿色纳米科技发展环境，人类才能真正的享受到纳米科技的福音。

参考文献：

[1]徐云龙，赵崇军，钱秀珍.纳米材料科学概论[M].上海：华东理工大学出版社，2008：21.

[2]贾宝贤，李文卓.微纳米科学技术导论[M].北京：化学工业出版社，2007：3.

[3]赵宇亮，赵峰，叶昶.纳米尺度物质的生物环境效应与纳米安全性[J].中国基础科学科学前沿，2005：19-23.

[4]赵宇亮，白春礼.纳米安全性：纳米材料的安全效应[J].世界科学技术，2005，（4）.

[5]汪冰，丰伟悦，赵宇亮，邢更妹，柴之芳.纳米材料生物效应及其毒理学研究进展[J].中国科学，2005，（1）.

[6]Y.Song，X.Li，X.Du.Exposuretonamoparticlesisrelatedtopleuraleffusion，pulmonaryfibrosisandgranuloma[J].EurRespir，2009，34：559-567.

[7]ServiceRF.Nanomaterialsshowsignsoftoxicity[J].Science，2003，300，（11）：243.

[8]张立德.我国纳米材料研究的现状[J].中国粉体技术，2001，（5）.

纳米材料篇5

关键词:纳米材料;物理方法;化学方法

1引言

纳米材料和纳米科技被广泛认为是二十一世纪最重要的新型材料和科技领域之一。早在二十世纪60年代,英国化学家thomas就使用“胶体”来描述悬浮液中直径为1nm-100nm的颗粒物。1992年,《nanostructuredmaterials》正式出版,标志着纳米材料学成为一门独立的科学。纳米材料是指任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。自1991年iijima首次制备了碳纳米管以来,一维纳米材料由于具有许多独特的性质和广阔的应用前景而引起了人们的广泛关注。纳米结构无机材料因具有特殊的电、光、机械和热性质而受到人们越来越多的重视。美国自1991年开始把纳米技术列入“政府关键技术”,我国的自然科学基金等各种项目和研究机构都把纳米材料和纳米技术列为重点研究项目。由于纳米材料的形貌和尺寸对其性能有着重要的影响,因此,纳米材料形貌和尺寸的控制合成是非常重要的。作为高级纳米结构材料和纳米器件的基本构成单元(bui1dingblocks),纳米颗粒的合成与组装是纳米科技的重要组成部分和基础。本文简单综述了纳米材料合成与制备中常用的几种方法,并对其优劣进行了比较。

2纳米材料的合成与制备方法

2.1物理制备方法?

2.1.1机械法?

机械法有机械球磨法、机械粉碎法以及超重力技术。机械球磨法无需从外部供给热能,通过球磨让物质使材料之间发生界面反应,使大晶粒变为小晶粒,得到纳米材料。范景莲等采用球磨法制备了钨基合金的纳米粉末。xiao等利用金属羰基粉高能球磨法获得纳米级的fe-18cr-9w合金粉末。机械粉碎法是利用各种超微粉机械粉碎和电火花爆炸等方法将原料直接粉碎成超微粉,尤其适用于制备脆性材料的超微粉。超重力技术利用超重力旋转床高速旋转产生的相当于重力加速度上百倍的离心加速度,使相间传质和微观混合得到极大的加强,从而制备纳米材料。刘建伟等以氨气和硝酸锌为原料,应用超重力技术制备粒径20nm—80nm、粒度分布均匀的zno纳米颗粒。

2.1.2气相法?

气相法包括蒸发冷凝法、溶液蒸发法、深度塑性变形法等。蒸发冷凝法是在真空或惰性气体中通过电阻加热、高频感应、等离子体、激光、电子束、电弧感应等方法使原料气化或形成等离子体并使其达到过饱和状态,然后在气体介质中冷凝形成高纯度的纳米材料。takaki等在惰性气体保护下,利用气相冷凝法制备了悬浮的纳米银粉。杜芳林等制备出了铜、铬、锰、铁、镍等纳米粉体,粒径在30nm—50nm范围内可控。魏胜用蒸发冷凝法制备了纳米铝粉。溶液蒸发法是将溶剂制成小滴后进行快速蒸发,使组分偏析最小,一般可通过喷雾干燥法、喷雾热分解法或冷冻干燥法加以处理。深度塑性变形法是在准静态压力的作用下,材料极大程度地发生塑性变形,而使尺寸细化到纳米量级。有文献报道,φ82mm的ge在6gpa准静压力作用后,再经850℃热处理,纳米结构开始形成,材料由粒径100nm的等轴晶组成,而温度升至900℃时,晶粒尺寸迅速增大至400nm。

2.1.3磁控溅射法与等离子体法?

溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子,交换能量或动量,使得靶材料表面的原子或分子从靶材料表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。在该法中靶材料无相变,化合物的成分不易发生变化。目前,溅射技术已经得到了较大的发展,常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。等离子体法是利用在惰性气氛或反应性气氛中通过直流放电使气体电离产生高温等离子体,从而使原料溶液化合蒸发,蒸汽达到周围冷却形成超微粒。等离子体温度高,能制备难熔的金属或化合物,产物纯度高,在惰性气氛中,等离子法几乎可制备所有的金属纳米材料。

以上介绍了几种常用的纳米材料物理制备方法,这些制备方法基本不涉及复杂的化学反应,因此,在控制合成不同形貌结构的纳米材料时具有一定的局限性。

2.2化学制备方法?

2.2.1溶胶—凝胶法?

溶胶—凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中,然后经过水解反应生成活性单体,活性单体进行聚合,开始成为溶胶,进而生成具有一定空间结构的凝胶。stephen等利用高分子加成物(由烷基金属和含n聚合物组成)在溶液中与h2s反应,生成的zns颗粒粒度分布窄,且被均匀包覆于聚合物基体中,粒径范围可控制在2nm-5nm之间。marcusjones等以cdo为原料,通过加入zn(ch?3)?2和s[si(ch?3)?3]?2制得了zns包裹的cdse量子点,颗粒平均粒径为3.3nm,量子产率(quantumyield,qy)为13.8%。

2.2.2离子液法?

离子液作为一种特殊的有机溶剂,具有独特的物理化学性质,如粘度较大、离子传导性较高、热稳定性高、低毒、流动性好以及具有较宽的液态温度范围等。即使在较高的温度下,离子液仍具有低挥发性,不易造成环境污染,是一类绿色溶剂。因此,离子液是合成不同形貌纳米结构的一种良好介质。jiang等以bicl3和硫代乙酰胺为原料,在室温下于离子液介质中合成出了大小均匀的、尺寸为3μm—5μm的bi2s3纳米花。他们认为溶液的ph值、反应温度、反应时间等条件对纳米花的形貌和晶相结构有很重要的影响。他们证实,这些纳米花由直径60nm—80nm的纳米线构成,随老化时间的增加,这些纳米线会从母花上坍塌,最终形成单根的纳米线。赵荣祥等采用硝酸铋和硫脲为先驱原料,以离子液为反应介质,合成了单晶bi2s3纳米棒。

2.2.3溶剂热法?

溶剂热法是指在密闭反应器(如高压釜)中,通过对各种溶剂组成相应的反应体系加热,使反应体系形成一个高温高压的环境,从而进行实现纳米材料的可控合成与制备的一种有效方法。lou等采用单源前驱体bi[s?2p(oc?8h??17)2]3作反应物,用溶剂热法制得了高度均匀的正交晶系bi?2s?3纳米棒,且该方法适于大规模生产。liu等用bi(no3)3•5h2o、naoh及硫的化合物为原料,甘油和水为溶剂,采用溶剂热法在高压釜中160℃反应24-72h制得了长达数毫米的bi2s3纳米带。

2.2.4微乳法?

微乳液制备纳米粒子是近年发展起来的新兴的研究领域,具有制得的粒子粒径小、粒径接近于单分散体系等优点。1943年hoar等人首次报道了将水、油、表面活性剂、助表面活性剂混合,可自发地形成一种热力学稳定体系,体系中的分散相由80nm-800nm的球形或圆柱形颗粒组成,并将这种体系定名微乳液

。自那以后,微乳理论的应用研究得到了迅速发展。1982年,boutonnet等人应用微乳法,制备出pt、pd等金属纳米粒子。微乳法制备纳米材料,由于它独特的工艺性能和较为简单的实验装置,在实际应用中受到了国内外研究者的广泛关注。

4结论

纳米材料由于具有特异的光、电、磁、催化等性能,可广泛应用于国防军事和民用工业的各个领域。它不仅在高科技领域有不可替代的作用,也为传统的产业带来生机和活力。随着纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展,工业化生产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。但到目前为止,开发出来的产品较难实现工业化、商品化规模。主要问题是:对控制纳米粒子的形状、粒度及其分布、性能等的研究很不充分;纳米材料的收集、存放,尤其是纳米材料与纳米科技的生物安全性更是急待解决的问题。这些问题的研究和解决将不仅加速纳米材料和纳米科技的应用和开发,而且将极大地丰富和发展材料科学领域的基础理论。

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