一种自组装的卟啉纳米纤维材料及其制备和应用
技术领域
本发明属于有机非线性光学材料技术领域，具体涉及到一种自组装的纳米纤维材料，并公开了其制备方法，该纳米纤维材料具有较高的超极化率并显示出反饱和吸收特性，能够应用于非线性光学和激光防护。
背景技术
随着激光器的面世，非线性光学(nonlinear optics，NLO)得到快速发展。非线性光学主要研究的是强光(如激光) 与物质间的相互作用，当光达到一定的强度后，物质对光的吸收已经不再符合传统光学所给出的规律，其吸收系数会随着光强的变化而变化。由于非线性光学材料在光通讯、高速光电信息处理、高密度数据存储、短光脉冲生成、空间光调制、全光开关等领域具有潜在的巨大应用价值。最早的非线性光学材料是一些诸如LiNbO3 (铌酸锂) 等无机晶体，但是这类无机材料往往存在非线性系数不高，无法与半导体材料集成等缺点。
至上世纪80年代中期有机材料由于具备大而超快的光学非线性，易于加工处理和集成为光学器件等突出优点而在非线性光学领域脱颖而出。与无机材料相比，有机材料的非线性光学性能可通过对材料的化学结构进行有效调节和修饰来控制，这对于实现分子水平上的微型光电信息器件的终极目标是十分理想的。同时，有机材料因其相对低廉的价格、高激光损伤阀值、快速的响应时间和较小的折射系数，在光子和生物光子器件的应用中更具优势。卟啉/酞菁分子由于具有特殊的二维共轭π电子结构，很好的热稳定性和化学稳定性，易于加工处理，且具有很强的NLO响应和超快的响应时间，正迅速成为非线性光学材料领域的研究热点。在这类材料的产业化方面，研究者发现利用这类材料的某些三阶非线性光学效应，如反饱和吸收、双光子吸收、非线性折射、非线性反射和非线性散射等，可以用来制备光限幅器件。这些器件具有响应快、防护波段宽、限幅阀值低、损伤阀值高和线性透过率高等优点。例如，美国加州理工学院合成了铟的取代酞菁配合物，其光限幅性能为C60的数十倍，已应用于实际的激光武器防护。
虽然，前期研究者获得了很大的成功，但在由分子到材料、由分子性质到材料功能的研究中还存在很多困难，尤其是材料内分子的无序聚集造成了材料非线光学响应的淬灭，如何开发出性能更加优异的非线性光学材料仍是研究工作者在此领域面临的挑战。
发明内容
针对现有技术中材料分子内存在的上述技术缺陷，本发明提供一种简单易得的自组装卟啉纳米纤维材料，并公开了其具体制备方法。
本发明第一方面提供一种自组装纳米纤维材料，其特征在于，所述自组装纳米纤维材料由式I所示的5,15-二茂铁基锌卟啉和式II所示的4，4’-联吡啶组成；进一步地，所述纳米纤维材料通过自组装的方式制备得到；更进一步地，式I所示化合物（以A表示）与式II所示的化合物（以B表示）是以-A-B-A-B-的形式和间隔顺序有序连接。本发明第一方面所述的自组装纳米纤维材料为纤维状固体，具有极为规则的外观形状，具体地，该纳米纤维材料为“条状”或“带状”；通过扫描电镜测定，其长度不小于10μm，其宽度为50~100 nm，优选60~80 nm。
该纳米纤维材料使用Cu-Ka辐射，以2θ角度表示的X- 射线粉末衍射图谱在4.99°, 10.06°, 12.46°，19.92°，31.81°处有明显的衍射峰；其中，4.99°，12.46°处特征峰分别对应5,15-二茂铁基锌卟啉分子的（100）面和（010）面；10.06°、19.92°、31.80°处衍射峰对应于5,15-二茂铁基锌卟啉分子的（100）面的高阶衍射峰，表明此材料内部结构的有序性。在本发明一个实施例中，所述X-射线粉末衍射图谱如图3所示。
本发明第二方面提供一种第一方面所述的自组装纳米纤维材料的制备方法，该方法具体操作如下：
将5,15-二茂铁基锌卟啉、4，4’-联吡啶分子加入有机溶剂中搅拌溶解，缓慢在烧瓶中加入醇类溶剂置于烧瓶中密封，静置，所得产物经洗涤、分离、干燥，即可得到本发明第一方面所述的纤维材料；
其中，所述有机溶剂选自三氯甲烷、二氯甲烷中的一种或多种；
所述醇类溶剂选自甲醇、乙醇中的一种或多种；
5,15-二茂铁基锌卟啉、4，4’-联吡啶的摩尔比为1 : 2~20，优选1 : 2~10，更优选1 : 4~10；
5,15-二茂铁基锌卟啉与有机溶剂的摩尔体积比为1 : 200~600，优选1 : 300~500，更优选1 : 400，单位为mol/L；
有机溶剂与醇类溶剂的体积比为1 : 3~10，优选1 : 4~7，更优选1 : 5；
静置时间为24~72 h，优选30~60 h，更优选40~50 h；
在一个实施例中，本发明第二方面所述的制备自组装纳米纤维材料的方法具体包括以下步骤：
将5,15-二茂铁基锌卟啉、4，4’-联吡啶按照摩尔比1 : 2~20混合，加入三氯甲烷溶液中，原料5,15-二茂铁基锌卟啉与三氯甲烷溶液的摩尔比为1 : 200~600，单位为mol/L; 缓慢加入甲醇溶液, 甲醇与三氯甲烷的体积比为1 : 3~10；置于烧瓶中密封，静置24~72 h，得产物经甲醇或乙醇洗涤、离心分离并在真空60℃条件下干燥6 h，得到自组装的纳米纤维材料。
本发明第三方面请求保护本发明第一方面所述纤维材料作为有机非线性光学材料的应用。本发明所得自组装的卟啉纳米纤维材料具有较高的超极化率并显示出反饱和吸收特性，能够应用于非线性光学和激光防护。本发明卟啉纳米纤维材料的非线性光学活性通过Z-扫描技术测试结果表明，随着入射光强的增强，归一化透过率随着入射光强的增大而变小，在焦点附近最小（谷），呈现反饱和吸收现象（参见附图4），经测算，其非线性相关系数β 高达 1.4×10-10 m/W。而作为对照样品的单纯的5,15-二茂铁基锌卟啉自组装微米材料呈现饱和吸收现象，无激光防护功能（参见附图5）。
本发明所得自组装卟啉纳米纤维材料为紫色的纤维状固体，具有出极为规则的外观形状，呈现“条状”或“带状”。与现有技术相比，本发明提供一种制备自组装卟啉纳米纤维材料的新方法，反应温度较低，操作简单易控，所得产物形貌较好。所述的自组装卟啉纳米纤维材料是由卟啉茂铁分子和4，4’-联吡啶自组装而成，由扫描电镜测定可知，纳米纤维材料的长度大于10μm，宽度60~80 nm（参见附图1）。此外，通过X-射线粉末衍射技术表征了自组装的卟啉纳米纤维材料的有序性（参见附图3）。
式I 式II
需要说明的是，本发明中，术语“式I所示化合物”、“式I所示的5,15-二茂铁基锌卟啉”具有相同的含义，均指具有式I所示化学结构的化合物；术语“式II所示化合物”、“式II所示的4，4’-联吡啶”具有相同的含义，均指具有式I所示化学结构的化合物。
本发明所述“自组装”具有本领域公知的含义，是指基本结构单元(分子，纳米材料，微米或更大尺度的物质）自发形成有序结构的一种技术。在自组装的过程中，基本结构单元在基于非共价键的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。自组装过程并不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而是若干个体之间同时自发的发生关联并集合在一起形成一个紧密而又有序的整体，是一种整体的复杂的协同作用
附图说明
图1 实施例１所得自组装纳米纤维材料的扫描电镜照片；
图２对照例1所得自组装纤维材料扫描电镜照片；
图３实施例1所得自组装纳米纤维材料的XRD谱图；
图４实施例１所得自组装纳米纤维材料的Z扫描测试图；
图５对照例1所得自组装纤维材料的Z扫描测试图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例进一步说明本发明，但应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明本发明的技术方案，而不应理解为以任何形式限制本发明。本发明试验中所使用的材料是本领域公知的或根据现有技术可以制备得到的。若无特殊说明，本发明试验是在室温条件下进行的，所述室温具有本领域公知的技术含义，具体是指15~35℃，优选20~30℃，更优选20~25℃。
实施例1 ：自组装纳米纤维材料的制备
将5,15-二茂铁基锌卟啉（0.1122 g，0.15mmol）、4，4’-联吡啶（0.1171 g，0.75mmol）加入到60mL三氯甲烷溶液中搅拌溶解，然后缓慢加入甲醇溶液300mL，置于烧瓶中密封，静置60 h，所得产物经甲醇洗涤、离心分离并在真空60℃条件下干燥6h，得到自组装的卟啉纳米纤维材料0.1390 g。所得自组装的卟啉纳米纤维材料的扫描电镜照片如图1所示；自组装的卟啉纳米纤维材料的XRD谱图如图3所示。
实施例2 ：自组装纳米纤维材料的制备
将5,15-二茂铁基锌卟啉0.1122 g、4，4’-联吡啶0.2341 g加入到90mL三氯甲烷溶液中搅拌溶解，然后缓慢加入甲醇溶液300mL，置于烧瓶中密封，静置72 h，所得产物经
甲醇洗涤、离心分离并在真空60℃条件下干燥6h，得到自组装的卟啉纳米纤维材料0.1305 g。所得自组装的卟啉纳米纤维材料的扫描电镜照片与图1基本一致，其XRD谱图与图3基本一致。
实施例3 ：自组装纳米纤维材料的制备
将5,15-二茂铁基锌卟啉0.1122 g、4，4’-联吡啶0.4684g加入到30mL三氯甲烷溶液中搅拌溶解，然后缓慢加入甲醇溶液450mL，置于烧瓶中密封，静置30 h，所得产物经甲醇洗涤、离心分离并在真空60℃条件下干燥6h，得到自组装的卟啉纳米纤维材料0.1321g。所得自组装的卟啉纳米纤维材料的扫描电镜照片与图1基本一致，其XRD谱图与图3基本一致。
对照例1：单组分5,15-二茂铁基锌卟啉自组装材料的制备
将5,15-二茂铁基锌卟啉0.1122 g加入到60mL三氯甲烷溶液中，缓慢加入甲醇溶液300mL，置于烧瓶中密封，静置60 h，所得产物经甲醇洗涤、离心分离并在真空60℃条件下干燥6h，单组分5,15-二茂铁基锌卟啉自组装材料，其扫描电镜照片如图2所示实验例1 三阶非线性性质的测定
利用Z扫描技术测量材料的非线性吸收和非线性折射，测量在石英基片上进行。实验中透镜焦点处束腰半径w0为40μm，小孔的线性透过率S为0.1，在透镜焦点处光功率密度为7.593×109 W/cm2。在测量之前，用二硫化碳对整个体系进行校准。我们在同样的条件下对石英基片进行了测量，以确定测得的曲线均起源于化合物的性质而不受基片的影响；通过以上方法测定的实施例1产品的Z扫描图谱如图4所示，对照例1的Z 扫描图谱如图5所示。
图1
图2
图3
图4
图5
1、一种自组装纳米纤维材料，其特征在于，所述自组装纳米纤维材料由5,15-二茂铁基锌卟啉和4，4’-联吡啶组成。
2、根据权利要求1所述的自组装纳米纤维材料，其特征在于，纳米纤维材料为“条状”或“带状”；
3、根据权利要求2所述的自组装纳米纤维材料，其特征在于，其长度不小于10μm，其宽度为50~100 nm，优选60~80nm。
4、根据权利要求1所述的自组装纳米纤维材料，其特征在于，使用Cu-Ka辐射，以2θ角度表示的X-射线粉末衍射图谱在4.99°, 10.06°, 12.46°，19.92°，31.80°处有明显的衍射峰。
5、一种制备权利要求1-4任一项所述的自组装纳米纤维材料的方法，该方法操作如下：将5,15-二茂铁基锌卟啉、4，4’-联吡啶分子加入有机溶剂中搅拌溶解，缓慢在烧瓶中加入醇类溶剂置于烧瓶中密封，静置，所得产物经洗涤、分离、干燥，得到所述纳米纤维材料。
6、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述有机溶剂选自三氯甲烷、二氯甲烷中的一种或多种；所述醇类溶剂选自甲醇、乙醇中的一种或多种。
7、根据权利要求5所述的纤维材料，其特征在于，5,15-二茂铁基锌卟啉、4，4’-联吡啶的摩尔比为1 : 2~20，优选1 : 2~10，更优选1 : 4~10；5,15-二茂铁基锌卟啉与有机溶剂的摩尔体积比为1 : 200~600，优选1 : 300~500，更优选1 : 400，单位为mol/L；有机溶剂与醇类溶剂的体积比为1 : 3~10，优选1 : 4~7，更优选1 : 5；静置的时间为24~72 h，优选30~60 h，更优选40~50 h。
8、权利要求1-4任一项所述纤维材料作为有机非线性光学材料的应用。
本发明属于有机非线性光学材料技术领域，具体涉及到一种自组装的纳米纤维材料。试验数据表明，本发明所得自组装的卟啉纳米纤维材料具有出极为规则的外观形状，呈现“条状”或“带状”，具有较高的超极化率，并显示出反饱和吸收特性，能够应用于非线性光学和激光防护。
纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象
7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米10–7)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类；纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望 5、纳米材料有哪4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料
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纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用中国绿色节能环保网点击数：269 发布时间：2010年3月22日来源：中国节能住宅网 纳米技术是二十世纪80年代末诞生并正在崛起的新技术,主要是指在0.1~100nm尺度范围内,研究物质组成体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用,其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子,研制出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品。纳米技术是高度交叉的综合性学科,它主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学、纳米机械学。纳米技术已应用于建筑材料、光学、医药、半导体、信息通讯、军事等领域。目前,纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术。 纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。利用纳米材料的随角异色现象开发的新型涂料,利用纳米材料的自洁功能开发的抗菌防霉涂料、PPR供水管,利用纳米材料具有的导电功能而开发的导电涂料,利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能,利用纳米材料可大大提高塑料管材的强度等。由此可见,纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。 近年来,国内外开始探索纳米材料和纳米技术在建材中的发展及应用工作,并取得了一些可喜的成果,现分类介绍如下: 1纳米技术在建筑涂料中的应用 涂料是建筑物的内衣(内墙涂料)和外衣(外墙涂料),国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材(特别是建筑涂料)方面的应用已经显示出了它的独特魅力。 同一种纳米粒子在不同粒径下会有不同的作用,不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起
纳米材料的自组装综述 专业：高分子材料与工程 摘要： 自组装技术是制备纳米结构的几种为数不多的方法之一。本文对最近几年自组装技术在纳米科技领域中的一些重大突破和成果进行较为系统地综述,主要包括以下几个方面:自组装单层膜、纳米尺度的表面改性、超分子材料、分子电子学与光子晶体。 关键词： 自组装; 纳米技术; 材料；超分子材料 1 引言 纳米科学与技术是一门在0. 1～100 nm 尺度空间研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。它以现代先进科学技术为基础,是现代科学(混沌物理、量子物理、介观物理、分子生物学) 和现代技术(计算机技术、微电子技术、扫描隧道显微技术、核分析技术) 相结合的产物。它的最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子,制造具有特定功能的产品。纳米技术作为21 世纪新的推动力,将对经济发展、国家安全、人民生活、以至于人们的思维产生深远的影响[1 ] 。 自组装是在无人为干涉条件下,组元自发地组织成一定形状与结构的过程[2 ] 。自组装纳米结构的形成过程、表征及性质测试,吸引了众多化学家、物理学家与材料科学家的兴趣,已经成为目前一个非常活跃并正飞速发展的研究领域[3 ] 。它一般是利用非共价作用将组元(如分子、纳米晶体等) 组织起来,这些非共价作用包括氢键、范德华力、静电力等[1 ,4 ] 。通过选择合适的化学反应条件,有序的纳米
结构材料能够通过简单地自组装过程而形成,也就是说,这种结构能够在没有外界干涉的状态下,通过它们自身的组装而产生。因此,自组装是制备纳米结构的几种为数不多的方法之一[2 ] ,它已成为纳米科技一个重要的核心理论和技术。纳米材料因其尺寸上的微观性，从而表现出特殊的光、电、磁及界面特性。这些特性使得纳米材料广泛应用于各种领域：涂料 [5 ]、催化剂[6-7] 、电化学[8] 、光化学[ 9]及材料科学[10-12 ](如光电子器件)。 2 自组装单层膜 分子与生物分子膜正在被广泛应用到许多研究领域。自组装单层膜就是其中的一个研究重点。它是分子通过化学键相互作用,自发吸附在固/ 液或固/ 气界面,形成热力学稳定和能量最低的有序膜。在适当的条件下,自组装单层膜可以通过不同类型的分子和衬底来制备,常用的衬底有Au (111) 、Pt(111) 、Ag 、Al 、Si 、云母、玻璃等。 目前,研究最多的自组装单层膜可以分为三种类型[13 ] :由脂肪酸自组装的单层膜; 由有机硅及其衍生物自组装的单层膜;烷烃硫醇在金表面自组装的单层膜。它们的原理很简单,一个烷烃长链分子 (带有10～20 个亚甲基单元) ,其头部基团吸附到所用的衬底上,如硫醇(S —H) 头部基团和Au (111) 衬底已被证明可以进行完美的结合,它代表了一种控制表面性质的模式。硫醇分子在溶液中很容易吸附到金衬底上,形成一密集的单层,尾部基团从表面伸向外部,通过应用带有不同尾基的硫醇分子,化学样品的表面功能可以在很大范围内进行调节。自组装单层膜有着广泛的应用,如电子传输的研究、生物
聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress
关于纳米材料和纳米结构的研究 发表时间：2019-07-18T12:27:02.667Z 来源：《科技尚品》2018年第11期作者：于涵 [导读] 纳米材料问世后，各国科学家都开始对这种物质进行研究，国家关于纳米材料和纳米结构的研究也始终没有停止，现如今，中国在纳米材料和纳米结构方面的研究水平已经进入了国际先进行列。本文基于纳米材料和纳米结构，针对纳米材料在催化科学、分析分离科学、光电材料科学的应用展开了全面的分析。 宣化一中 引言：近年来，国际上关于纳米材料和纳米结构的研究不断发展，出现了很多新的研究热点，包括：半导体芯片、癌症诊断、光学材料等。随着研究的深入，未来将会有更多的纳米产品问世。将纳米材料和纳米结构和其他技术相结合，开拓新的思路，可以让纳米材料和纳米结构的适用性得到进一步提高。 一、纳米材料和纳米结构 纳米中主要包括两个部分，分别为：纳米晶粒和晶粒界面，晶界原子的比例极大是纳米最为突出的结构特征，此外，纳米晶界原子结构较为复杂，所以纳米中的晶界结构一直都是研究的重点，很多学者都提出了不同的模型学说，但纳米材料中的境界微观结构一直都没有形成一个统一的模型。不仅是因为晶界结构较为复杂，也是因为晶界结构会受到多种因素的影响，导致同一块材料中也会有不同的差异性。由于纳米结构上的特殊性和不稳定性，让纳米材料形成了很多的特殊性能。不仅如此，纳米材料的物理化学性能和绝大部分物体的物理化学特性都不同，其中最为典型的就是催化性能和光学性能这两个性能。比如，纳米材料在作为光催化剂使用时，因为纳米本身的粒径较小，所以可以到达表面的纳米粒子数量较多，光催化效率也就相对提高。随着时间的发展，科学技术的不断提升，对纳米的研究也就进一步深入，现如今，纳米材料中的线性光学性质以及晶体材料的光伏特性、发光效应也是纳米光学性质的研究热点问题。 二、纳米材料在不同科学行业中的应用 （一）纳米材料在催化科学中的应用 由上文可知，纳米材料的催化性能较优，因此在催化科学中得到了广泛的应用。近年来，含银催化剂在电催化水裂解、海水电解产氯气等方面都有着良好的应用，而采用海水电解产氯气的方式可以更好的减低能耗，这其中最为关键的环节就是制作合成出高效的含银催化剂[1]。采用自上而下的纳米颗粒制备方法，可以制作出一种稳定的银纳米颗粒，经过研究发现，这种纳米材料具有着较高的银卤素比例，应用在海水电解产氯气的过程中，可以有效催化氯气产生，而且这种纳米材料的催化活性较高。在调控催化纳米管时，也可以采用这种纳米材料，这种材料因其本身的性能较优，现如今已经在材料科学、传感器科学的研究中得到了广泛应用。（二）纳米材料在分析分离科学中应用 金纳米粒子作为纳米材料在分析分离科学中的应用效果一直较好，经常被用于检测物质，通过金纳米粒子的聚集和分散，观察体系溶液颜色的变化，就可以进行分析检测，这其中就利用了金纳米粒子的比色传感理论。此外，在传感领域也具有着一定的应用前景，将金纳米粒子和其他常见的应用物质进行结合，可以在分析分离科学中得到进一步的应用，从根本上提高检测结果的准确性。小分子凝胶是一种新型的功能材料，这种软材料可以利用分子间的相互作用，形成一个微纳米网络结构，根据分子在空间构型上的微小差别，会形成不同尺寸的微纳米网络结构。比如：检测二价汞离子的过程中，可以利用这种小分子凝胶体系进行灵敏检测，不仅如此，这种凝胶体系还可以检测水中汞离子。 （三）纳米材料在光电材料科学中应用 除了上述两个方面以外，纳米V型刚棒-线团分子以及双稳态功能轮烷分子梭在光电材料科学中都有着一定的应用。近几年，纳米材料在光电器材方面的应用得到了科研工作者的广泛关注，纳米材料在水中的自组装行为，在光电材料中科学、纳米材料科学、超分子化学以及主客体化学中都有着广泛的应用，利用这一性能形成的纳米V型刚棒-线团分子在水中就可以完成自组装行为。而稳态功能轮烷分子梭的设计和制备，在发展有机光电功能超分子体系中发挥着重要的作用。因此，在催化材料、光子晶体、药物控制输送等领域中都可以看见单分散核/壳纳米复合材料的身影，通过对具有单分散核/壳纳米复合材料性能的卟啉纳米金纳米粒子形成过程的研究，可以发现这种复合性的纳米粒子在构筑光电器件山发挥着重要的作用，且比其他复合材料具有着更大的光电流，光电性能也较为稳定。此外，这种复合材料的制备方法较为简单，生产便捷，因此大范围应用[2]。 总结：综上所述，纳米结构和纳米材料在科学行业中植根深远，在很多方面中都会发挥着重要的作用，作为一种市场前景广阔的新材料，国家应该进一步投入人力和资金展开研究，并且作为重点研究开发项目。二十一世纪，纳米技术会成为一种决定性技术，加强其在不同领域中的发展，可以推动国家科学领域的进步。 参考文献： [1]赵然. 博士论文-铀钍氧化物纳米材料和铀酰-异金属配位聚合物的合成、结构和性质研究[J]. 2016. [2]马佳文. 碳纳米材料与金属复合结构中空位缺陷产生和作用机制的理论研究[D]. 2016.
第2章 纳米粉体的分散 1.粉体分散的三个阶段（名词解释） 润湿 是将粉体缓慢加入混合体系形成的漩涡，使吸附在粉体表面的空气或其它杂质被液体取代的过程。 ?解团聚 是指通过机械或超声等方法，使较大粒径的聚集体分散为较小颗粒。 ?稳定化 是指保证粉体颗粒在液体中保持长期的均匀分散 2.常用的分散剂种类 （1）表面活性剂 空间位阻效应 （2）小分子量无机电解质或无机聚合物 吸附－－提高颗粒表面电势 （3）聚合物类(应用最多) 空间位阻效应、静电效应 （4）偶联剂类 3.聚电解质（名词解释） 是指在高分子链上带有羧基或磺酸基等可离解基团的水溶性高分子 4.对不同pH 值下PAA 在ZrO 2表面的吸附构型进行分析。 图.不同pH 值下PAA 在ZrO 2 表 面的吸附构型 a.当pH<4时，PAA 几乎不解离，以线团方式存在于固液界面上，吸附层很薄，几乎无位阻作用 δ δδ
b.随pH值增加，链节间静电斥力使其伸展开 c.ZrO2表面电荷减小直至由正变负，PAA的负电荷量增加，其间斥力增加， 使得PAA链更加伸展，可在较远范围提供静电位阻作用 5.用聚电解质分散剂分散纳米粉体时，影响浆料稳定性的各种因素有哪些？ 1、聚电解质的分子量 当聚电解质分子量过小，在粉体表面的吸附较弱，吸附层也较薄，影响位阻作用的发挥。 分子量过大，易发生桥连或空位絮凝，使团聚加重，粘度增加。 2、分散剂用量 适宜的分散剂用量才可以使分散体系稳定。 用量过低，粉体表面产生不同带电区域，相邻颗粒因静电引力发生吸引，导致絮凝。 用量过高，离子强度过高，压缩双电层，减小静电斥力；同时，还易发生桥连或空缺絮凝，稳定性下降。 3、温度 研究表明，为了获得较好的分散效果（以最低粘度为衡量标准），随温度的升高，所需分散剂的用量随之增加 6.结合下图，分析煅烧为什么能够改善纳米Si3N4粉体的分散性？ 煅烧改善纳米Si3N4粉体的可分散性 ?此前提到，球磨可有效降低粉体的粒度。但球磨过程可能造成分散介质与粉体发生化学反应。 ?以乙醇为介质球磨Si3N4粉体时，表面的Si-OH可能与乙醇反应生成酯。 ?酯基的生成对粉体的分散性影响很大： a、酯基是疏水基团 b、屏蔽负电荷，影响分散剂的吸附 ?采取煅烧去除酯基，可改善其分散性 第3章纳米粉体表面改性（功能化） 1.表面改性有哪些重要应用？ 改善纳米粉体的润湿和附着特性。 改善纳米粉体在基体中的分散行为，提高其催化性能。 改善粉体与基体的界面结合能等。 2.纳米粉体的表面改性方法？ 气相沉积法 机械球磨法 高能量法
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中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。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 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,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。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。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
纳米改性沥青及路用性能研究 摘要： 纳米材料由于其特殊的物理性质，在材料学中的应用越来越广泛，纳米改性沥青的研究成为路面材料研究的热点。本文通过介绍纳米改性沥青及其研究现状，并结合实验数据，分析得出纳米改性沥青的路用性能，最后对纳米改性沥青的应用前景进行展望。 关键词：纳米材料，纳米改性沥青，路用性能； 正文： 1.纳米材料简介 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 2.纳米改性沥青介绍及其研究现状 纳米材料改性沥青的研究是道路交通材料研究中的热点和前沿课题，纳米粒子与沥青的相容性以及在沥青中的分散和稳定性是决定纳米材料改善沥青各项性能的关键。 具有改性性能的纳米颗粒在沥青的改性方面表现出优良的混融、增强和增韧性能，对改善沥青混合料路用性能具有良好的效果。纳米改性沥青路用性能纳米粒子的比表面积很大，表面能高，处于非热力学稳定态，很容易团聚在一起，形成带有若干弱连接界面的尺寸较大团聚体，这种团聚的二次粒子难以发挥其纳米效应，使材料达不到理想的性能。而且由于表面有大量硅羟基，使得纳米Ⅰ具有强亲水性，在有机基体中的分散性和浸润性很差。因此要使纳米粒子对沥青产生改性作用，必须要对纳米粒子进行表面改性或进行分散处理，克服纳米粒子的团聚，同时使之由强亲水性转为一定程度的疏水性，从而与有机基体之间形成良好相容性。 近些年来，在交通材料的各个领域越来越多的使用纳米材料和纳米技术，其中一个较为重要的研究方向即纳米材料改性沥青，该项技术是通过各种手段将某种纳米材料融入到沥青材料中，通过纳米效应改善沥青的高温稳定性、抗疲劳性、摩擦性能( 防滑性能) 、抗老化性等性能。 美国材料研究学会于1994 年首次正式提出纳米材料工程的新概念，并促成了纳米材料与技术的基础研究和应用研究并行发展的新局面。被改性材料掺入纳米粒子后，纳米粒子的表面效应、体积效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应会使原材料形成特殊的性能，这些效应既有物理作用也有化学作用。 就纳米改性沥青来说，究其与其他沥青产生性能悬殊的原因是因为纳米材料
1.简单论述纳米材料的定义与分类。 2.什么是原子团簇? 谈谈它的分类. 3.通过Raman 光谱中任何鉴别单壁和多臂碳纳米管? 如何计算单壁碳纳米管直径? 4.论述碳纳米管的生长机理。 5.论述气相和溶液法生长纳米线的生长机理。 6.解释纳米颗粒红外吸收宽化和蓝移的原因。 7.论述光催化的基本原理以及提高光催化活性的途径。 8.什么是库仑堵塞效应以及观察到的条件？ 9.写出公式讨论半导体纳米颗粒的量子限域效应和介电限域效应对其吸收边，发光峰的影响。 10.纳米材料中的声子限域和压应力如何影响其Raman 光谱。 11.论述制备纳米材料的气相法和湿化学法。 12.什么是纳米结构，并举例说明它们是如何分类的，其中自组装纳米结构形成的条件是什么。 13.简单讨论纳米颗粒的组装方法 14.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 15.论述一维纳米结构的组装，并介绍2种纳米器件的结构。 16.简单讨论纳米材料的磁学性能。 17.简述“尺寸选择沉淀法”制备单分散银纳米颗粒的基本原理 18.简述光子晶体的概念及其结构 19.目前人们已经制备了哪些纳米结构单元、复杂的纳米结构和纳米器件。并说明那些纳米结构应该具有增强物理和化学性 能。 20.简单论述单电子晶体管的原理。 21.简述纳米结构组装的工作原理。 1.简单论述纳米材料的定义与分类。 答：最初纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。 现在广义: 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围，或由他们作为基本单元构成的材料。 如果按维数，纳米材料可分为三大类： 零维：指在空间三维尺度均在纳米尺度，如：纳米颗粒，原子团簇等。 一维：指在空间有两处处于纳米尺度，如：纳米丝，纳米棒，纳米管等。 二维：指在三维空间中有一维处在纳米尺度，如：超薄膜，多层膜等。 因为这些单元最具有量子的性质，所以对零维，一维，二维的基本单元，分别又具有量子点，量子线和量子阱之称。
纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产
纳米材料和纳米结构 1.纳米微粒尺寸的评估 在进行纳米微粒尺寸的评估之前，首先说明如下几个基本概念： （1）关于颗粒及颗粒度的概念 （i）晶粒：是指单晶颗粒，即颗粒内为单相，无晶界。 （ii）一次颗粒：是指含有低气孔率的一种独立的粒子，颗粒内部可以有界面，例如相界、晶界等。 （iii）团聚体：是由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内含有相互连接的气孔网络。团聚体可分为硬团聚体 和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。 （iv）二次颗粒：是指人为制造的粉料团聚粒子。例如制备陶瓷的工艺过程中所指的“造粒”就是制造二次颗粒。 纳米粒子一般指一次颗粒，它的结构可以是晶态、非晶态和准晶，可以是单相、多相结构。只有一次颗粒为单晶时，微粒的粒径才与晶粒尺寸（晶粒度）相同。 （2）颗粒尺寸的定义对球形颗粒来说，颗粒尺寸（粒径）是指其直径。对不规则颗粒，尺寸的定义常为等当直径，如体积等当直径、投影面积直径等。 粒径评估的方法很多，这里仅介绍几种常用的方法。 A 透射电镜观察法 用透射电镜可观察纳米粒子平均直径或粒径的分布。 该方法是一种颗粒度观察测定的绝对方法，因而具有可靠性和直观性。首先将那米粉制成的悬浮液滴在带有碳膜的电镜用Cu网上，待悬浮液中的载液（例如乙醇）挥发后，放入电镜样品台，尽量多拍摄有代表性的电镜像，然后由这些照片来测量粒径。测量方法有以下几种：（i）交叉法：用尺或金相显微镜中的标尺任意的测量约600颗粒的交叉长度，然后将交叉长度的算术平均值乘上一统一因子（1.56）来获得平均粒径；（ii）测量约100个颗粒中每个颗粒的最大交叉长度，颗粒粒径为这些交叉长度的算术平均值。（iii）求出颗粒的粒径或等当半径，画出粒径与不同粒径下的微粒数的分布图，将分布曲线中峰值对应的颗粒尺寸作为平均粒径。用这种方法往往测得的颗粒粒径是团聚体的粒径，这是因为在制备超微粒子的电镜观察样品时，首先需用超声波分散法，使超微粉分散在载液中，有时候很难使它们全部分散成一次颗粒，特别是纳米粒子很难分散，结果在样品Cu网上往往存在一些团聚体，在观察时容易把团聚体误认为是一次颗粒。电镜观察法还存在一个缺点就是测量结果缺乏统计性，这是因为电镜观察用的粉体是极少的，导致观察到的粉体的粒子分布范围并不代表整个粉体的粒径范围。 B X射线衍射线线宽法（谢乐公式） 电镜观察法测量得到的是颗粒度而不是晶粒度。X射线衍射线宽法是测定颗粒晶粒度的最好方法。当颗粒为单晶时，该法测得的是颗粒度。颗粒为多晶时，测得的是组成单个颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。这种测量方法只适用晶态的纳
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米材料改性水性聚氨酯的研究进展 综述了纳米材料改性水性聚氨酯几种常用方法的特点和研究进展，指出了纳米材料改性水性聚氨酯存在的问题。 标签：水性聚氨酯（WPU）；纳米材料；方法；改性 1 前言 近年来，随着人们环保意识的增强，水性聚氨酯（WPU）受到越来越多学者的关注。WPU是以水为分散介质的二元胶态体系，具有不污染环境、VOC（有机挥发物）排放量低、机械性能优良和易改性等优点，使其在胶粘剂、涂料、皮革涂饰、造纸和油墨等行业中得到广泛应用[1～4]。但在制备WPU过程中由于引入亲水基团（如-OH、-COOH等），因此存在固含量低，耐水性、耐热性和耐老化性差等缺陷，从而限制了其应用范围。 纳米材料具有小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特殊性质，为各种材料的改性开辟了崭新的途径。通过纳米材料改性的WPU，其成膜性、耐水性和耐磨性等性能均得到显著提高[5]。 2 纳米材料改性WPU的方法 2.1 共混法 共混法即纳米粒子在WPU中直接分散。首先是合成各种形态的纳米粒子，再通过机械混合的方法将纳米粒子加入到WPU中。但在该方法中，由于纳米粒子颗粒比表面积大，极易团聚。为防止纳米粒子团聚，科研工作者对纳米材料进行表面改性来提高其分散性，改善聚合物表面结构以提高其相容性。 李莉[6]等利用接枝改性后的纳米SiO2和TiO2与WPU共混，制备了纳米材料改性水性WPU乳液。研究发现，纳米粒子在乳液中分散均匀，无团聚现象；改性后的WPU乳液力学性能比未改性前得到改善和提高；当纳米粒子添加量为0.5%时，WPU乳液的力学性能最佳，吸水性降低了70%，添加的纳米粒子对波长290～400 nm的紫外光有吸收。 李文倩[7]等采用硅烷偶联剂（KH560）对纳米SiO2溶胶进行表面改性，然后将其与WPU共混制备出了WPU/SiO2复合乳液，考查了改性纳米溶胶含量对复合乳液及其涂膜性能的影响。结果表明，当纳米SiO2/KH560物质的量比为6：1时，改性后的纳米SiO2溶胶的粒径最小且分布较均一。KH560的加入使纳米SiO2粒子更均匀地分散在聚氨酯乳液中，且SiO2粒子与聚氨酯乳液之间存在一定键合作用，使涂层的耐热性得到显著增强。当改性SiO2溶胶添加量为5%～10%时，涂膜的硬度、耐磨性、耐划伤性、耐水性等性能明显提高。
纳米技术知识材料 一、纳米（nano meter,nm）： 一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 二、纳米科学技术（nanotechnology）： 纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 三、纳米材料（nano material）与纳米粒子（nano particle）： 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 四、几种典型的纳米材料： a) 纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂，利用甚高的比表面与活性可以显著得提高催化效率，例如，以微径小于微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍；超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水，超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用，从而生成碳纤维。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性粒子作为磁记录介质。随着社会的信息化，要求信息储存量大、信息处理速度高，推动着磁记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20）纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，其记录密度可达4’106～4’107位/厘米（107～108位/英寸），即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。
深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订
课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常
压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管