電弧等離子體與水熱法制備納米材料

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1、第一章緒論1．1引言納米材料的研究可以追溯到1861年，英國(guó)化學(xué)家Thomas首次采用“膠體”來(lái)描述懸浮液中直徑為1～lOOnm的顆粒物。1992年，納米材料的學(xué)術(shù)期刊《(NanostructuredMaterials》開(kāi)始正式出版，標(biāo)志著納米材料學(xué)成為一門(mén)相對(duì)獨(dú)立的學(xué)科。納米材料獨(dú)特的納米晶粒及高濃度特征以及由此產(chǎn)生的小尺寸量子效應(yīng)和晶界效應(yīng)，使其表現(xiàn)出一系列與普通多晶體和非晶態(tài)固體有本質(zhì)差別的力、光、電、聲、磁等性能，在電子信息、生物工程、航空航天、國(guó)防科技及日常生活中有著廣闊的應(yīng)用前景。因此，近年來(lái)關(guān)于納米材料的研究及其制備技術(shù)引起了世界各國(guó)的普遍重視，對(duì)納米材料的制

2、備、結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)用的研究也成為20世紀(jì)90年代材料科學(xué)研究的熱點(diǎn)[1．6】，在整個(gè)社會(huì)中形成了“納米熱”。納米科技是研究尺寸在0．1一lOOnm之間的物質(zhì)組成的體系的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和相互作用，以及可能的實(shí)際應(yīng)用中的技術(shù)問(wèn)題的科學(xué)技術(shù)。它從思維方式的概念表明生產(chǎn)和研究的對(duì)象將向更小的尺寸、更深的層次發(fā)展，將從微米層次深入至納米層次。納米技術(shù)未來(lái)的目標(biāo)是按照需要操縱原子、分子構(gòu)建納米級(jí)的具有一定功能的器件或產(chǎn)品。我們可以根據(jù)納米科技與傳統(tǒng)學(xué)科領(lǐng)域的結(jié)合而細(xì)分為納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米機(jī)械學(xué)(制造工藝學(xué))、納米加工及表征等七個(gè)研究領(lǐng)域，它們是相

3、互獨(dú)立又相互滲透的。納米材料指的是晶粒尺寸為納米級(jí)(10一9m)的超細(xì)材料，是一種具有全新結(jié)構(gòu)的材料，結(jié)晶晶粒度大于原子簇，小于通常的晶粒，一般為(1--100)nm。它由體積分?jǐn)?shù)近似相等的晶粒組元和界面組元兩部分組成。廣義的講，在三維空問(wèn)中，材料只要有一維處于納米尺度范圍就可認(rèn)為是納米材料，若根據(jù)其維度來(lái)劃分，可以分為三類(lèi)：(1)零維，是指在空間中三維尺度都處于納米范圍，如納米顆粒，原子團(tuán)簇等；(2)一維，是指在空間中有兩維處于納米尺度，如納米管、納米線、納米棒等；(3)--維，是指在空間中有一維處于納米尺度，如納米薄膜、多層膜、超晶格等。由于這些單元往往具有量子性質(zhì)，所

4、以零維，一維和二維基本單元又分別被稱為量子點(diǎn)、量子線和量子阱。通常將納米材料分為功能材料和結(jié)構(gòu)材料兩大類(lèi)。功能材料主要是納米尺寸的原子團(tuán)、納米線、納米帶等，多用于制造催化、殺菌、清潔、隱身、燃料等材料和信息器件。結(jié)構(gòu)材料是由納米粒子、納米線、納米帶等壓成的塊體，或加入其他材料中構(gòu)成的復(fù)合體。納米材料學(xué)是原子物理、凝聚態(tài)物理、膠體化學(xué)、配位化學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和界面科學(xué)等多種學(xué)科交叉匯合而出現(xiàn)的新學(xué)科生長(zhǎng)點(diǎn)。納米材料科學(xué)的研究主要包括兩個(gè)方面：一是系統(tǒng)的研究納米材料的性能、微結(jié)構(gòu)和光譜學(xué)特征，通過(guò)與常規(guī)材料對(duì)比找出納米材料的特殊規(guī)律，建立描述和標(biāo)準(zhǔn)納米材料的新概念和新理論，發(fā)

5、展和完善納米材料科學(xué)體系；二是發(fā)展新型納米材料，為發(fā)展新材料提供了新途徑，并為如何實(shí)現(xiàn)新的納米產(chǎn)業(yè)尋找新思路。1．2納米材料的研究概況【2】【6】納米材料的研究最早源于十九世紀(jì)六十年代對(duì)粒徑約(卜一100)nm的膠體粒子的研究，其間歷經(jīng)了三個(gè)階段：孕育萌生階段(1984年以前)、探索研究階段(1993年以前)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)階段(1993年到現(xiàn)在)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來(lái)，納米材料及其技術(shù)開(kāi)始蓬勃發(fā)展，研究的內(nèi)涵不斷擴(kuò)大，領(lǐng)域也逐漸拓寬。目前人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來(lái)越受到人們的關(guān)注，正逐漸成為納米材料研究的新熱點(diǎn)。國(guó)際上，由于美國(guó)經(jīng)濟(jì)和國(guó)力的強(qiáng)盛，由它引發(fā)的國(guó)際“納

6、米熱”使得眾多國(guó)家以及一些國(guó)際大公司都投巨資，有計(jì)劃、有目標(biāo)地進(jìn)行納米科技的研發(fā)工作，其顯著特點(diǎn)是：基礎(chǔ)研究與應(yīng)用結(jié)合密切。因此納米科技發(fā)展的進(jìn)展和取得的成功都是驚人的，其產(chǎn)業(yè)化的速度也令人振奮。美國(guó)加州大學(xué)洛杉礬分校與惠普公司合作，在1999年成功研制出lOOnm的芯片；1997年制成以巨磁電阻為原理的納米結(jié)構(gòu)器件，用于磁存儲(chǔ)、記錄和計(jì)算機(jī)讀寫(xiě)磁盤(pán)；納米材料在醫(yī)藥方面應(yīng)用成果不斷出現(xiàn)；納米結(jié)構(gòu)的高密度接頭用于集成電路，制成納米結(jié)構(gòu)小型激光器：mM公司制成超微型碳分子算盤(pán)；日本從1992年開(kāi)始將納米材料技術(shù)用于微型機(jī)械產(chǎn)品中；德國(guó)在超薄薄膜基礎(chǔ)研究方面居世界領(lǐng)先地位；英國(guó)重

7、視納米材料技術(shù)用于生物醫(yī)學(xué)，開(kāi)發(fā)生物傳感器、神經(jīng)細(xì)胞結(jié)構(gòu)、血液流變。在新科技來(lái)臨的關(guān)鍵時(shí)刻，作為發(fā)展中國(guó)家的中國(guó)，在發(fā)展納米科技上也有2積極舉措，在1993年--2000年間，中國(guó)在納米科技研究方面取得了豐碩的成果，引起了世界的關(guān)注，對(duì)納米科技的發(fā)展做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)，主要成果集中在材料制備及表征方法、裝置方面。我國(guó)科研人員主要從事基礎(chǔ)與應(yīng)用技術(shù)研究，如納米材料制備、性能表征、團(tuán)聚體自起因和消除、表面吸附與脫附、納米圖像有序化組裝、納米結(jié)構(gòu)與特異物性、納米復(fù)合及表面與界面、功能分子與分子器件等。1．3納米材料的制備方