探讨纳米金属材料的bt365体育在线投注与未来发展趋势     DATE: 2020-01-25 18:26

  本科毕业论文论文题目: 探讨纳米金属材料的应用与未来发展趋势 FUTUREDEVELOPMENT TREND METALNANOMETER MATERIALS 学生姓名: 所在院系: 机电学院 所学专业: 机械设计制造及其自动化 导师姓名: 完成时间: 纳米金属材料的制备……………………………………………………………32.1 纳米金属粉末的制备 2.1.1物理法 2.1.2化学法 2.2纳米金属结构材料的制备 2.2.1原住加压法 2.2.3线纳米薄膜的制备 纳米金属材料的性能及应用……………………………………………………53.1 原子的扩散行为 3.2纳米金属材料的表面活性及其在催化方面的应用 3.3贮氢性能及应用 3.4钠米金属颗粒的光学特性及其应用 3.5纳米金属材料的磁性及应用 3.6金属一异质介孔组装体系(升孔复合体)的特性及应用 3.7纳米金属材料在其它方面的应用 纳米金属材料的bt365体育在线投注现状及未来的发展趋势…………………………………94.1 金属纳米材料的现状分析 4.2国外纳米金属材料的发展趋势 …………………………………………10 4.3 国内纳米金属材料的发展趋势 …………………………………………11 结论 …………………………………………………………………………………11 参考文献 ……………………………………………………………………………12 谢辞 …………………………………………………………………………………13 在纳米金属材料的bt365体育在线投注中,它的制备、特性、性能和应用是比较重要的方面,本文首先介绍了纳米金属材料的制备方法,包括纳米金属粉末的制备和纳米金 属结构材料的制备,论述了纳米金属粉末的物理、化学及其他的一些特殊制备 方法,紧接着综合论述了纳米金属材料的特性、性能以及它在各个领域的应用, 并详述了纳米金属材料在催化剂材料、光学材料、传感器材料、电磁材料、医 学和生物工程材料等领域的应用。结合当今纳米金属材料bt365体育在线投注领域最前沿的技 术和成果,展望了纳米金属材料未来的发展趋势,指出了中国在世界范围内相 对于其他发达国家的一些优势和差距,最后还指明了当今应该首先解决的问题。 关键词:纳米金属材料,纳米金属颗粒,纳米材料,性能 FUTUREDEVELOPMENT TREND METALNANOMETER MATERIALS ABSTRACT metalnanometer materials preparationmethods, characteristics,properties,applications metalnanometer materials veryimportant. Firstly, paperintroduces nanometermaterials preparation methods, including metalnanometer powders metalnanometer structure material discoursingmetal nanometer powders physical,chemical otherspecial preparation methods. Secondly, paperdiscusses characteristics,properties,applications variousfields metalnanometer materials metalnanometer material catalystmaterials, optical materials, sensor materials, magnetic materials, medical materials bio-engineeringapplications datetechnology metalnanometer materials, paperlook forward developmentprospects metalnanometer materials, explaining Chinesestrengths otherdeveloped countries pointingout presentproblems which should solvedfirst. KEY WORDS:metal nanometer materials ,metal nanometer particle nanometermaterial ,properties 绪论在充满活力的21世纪,信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国 防的高速发展必然会对金属材料提出更高的要求,元器件的智能化、小型化、高 集成、高密度存储和超快传输等要求材料的尺寸越来越小。纳米金属材料无疑是 当今新材料bt365体育在线投注领域中最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的 bt365体育在线投注对象 。而“纳米金属”是利用纳米技术制造的金属材料,具有纳米级尺寸的组织结构,在其组织中也包含着纳米颗粒杂质。在金属材料生产中利用纳米技 术,有可能将材料成分和组织控制得极其精密和细小,从而使金属的力学性能和 功能特性得到飞跃的提高 。近年来,金属纳米材料在功能材料领域得到广泛应用,国内外均制备出了性能优异的纳米金属材料,对纳米金属材料的应用与未来 的发展趋势的bt365体育在线投注显得尤为重要,本文就纳米金属材料的应用与为未来发展趋势 进行了详细的探讨。 纳米金属材料的制备2.1 纳米金属粉末的制备 纳米金属粉末的制备方法基本上可以分为物理法和化学法两种 2.1.1物理法 物理法主要包括气体蒸发法、金属蒸气合成法、溅射法和线 气体蒸发法:在惰性气体中使金属蒸发,利用与气体的冲突而冷却和 凝结,于是生成超细粉。目前,气体蒸发法主要可分为电阻加热法、等离子喷射 加热法、感应加热法、电子束加热法和激光束加热法。这些方法所采用的惰性气 体主要为Ar气或He气。目前,采用气体蒸发法制备的纳米金属粉末已达几十种, 其中包括Al,Mg,Zn,Sn,Cr,Fe,Co,Ni,Ca,Ag,Cu,Mo,Pd,Ta,Ti和V 2.1.1.2金属蒸气合成法:在真空下加热金属,所蒸发的金属原子与有机溶剂 一起蒸镀在冷却到有机溶剂的凝固点以下的基板上,从而获得纳米金属颗粒。 2.1.1.3 溅射法 :该法利用辉光放电的原理,用情性气体离子轰击阴极金属靶,使表面原子蒸发出来形成纳米金属颗粒。纳米金属颗粒的尺寸大小及分布主 要取决于电极电压、电流密度和气压。靶的面积越太,蒸发的速度就越高,纳米 金属颗粒的产量也就越高。该法的优点是可制备多种难熔金属的纳米颗粒,同时 还可制备多组元的纳米金属颗粒。溅射法包括多种制备技术,但主要分为辉光溅 射法和离子束溅射法两大类。目前已制备出多种薄膜和纳米粒子,例如W ,Mo, Ag,Cr等。 2.1.1.4 真空蒸发法:真空蒸发法与气体蒸发法之间的区别是蒸发后的蒸发原 于在不同的环境中凝结,在真空中凝结蒸发原子得到的纳米粉末一般分布粒度 窄,且粒度均匀。 2.1.2 化学法 化学法主要包括还原法、电解法和羰基法等。2.1.2.1 还原法:制备纳米金属粉末的还原法,目前主要采用化学还原法。在 金属盐溶液中加入KBH4或NaBH4溶液,成功地制备了纳米级的Fe-Co-B、Co-B、Fe-B 等非晶态合金粉末。如果采用联氨作还原剂,可以制备纳米级的Ag、Pd和Ni等粉 。化学还原法方法简单,操作方便。2.1.2.2 电解法:利用脉冲镀电沉积技术制备纳米级金属粉末具有许多优势。 这种方法投资少,技术成熟。可制备多种金属与合金的纳米级粉末。目前,采用 镍板为阳极、钛板为阴极、脉冲镀电沉积制备出的镍粉,粒度为35nm。 2.1.2.3 羰基法:羰基法是利用金属能与一氧化碳反应形成易挥发的羰基化合 物,温度升高后又分解戚金属和一氧化碳的性质,制备这些金属的粉末.目前主 要用于制备镍粉、钴粉和铁粉。 2.2 纳米金属结构材料的制备 纳米金属结构材料的制备方法这里主要介绍原位加压法、球磨法和真空溅射 法,另外介绍一下纳米金属薄膜的制备方法。 2.2.1 原住加压法 将已制备好的纳米金属粒子在保持新鲜表面的条件下,压制成块状凝聚固 体。这一方法在原位加压装臵中实现,称为原位加压法。实验压力一般为1~5GPa, 温度为300~800K。采用原位加压法可制备金属、合金和非晶的纳米金属结构材 料。目前已制备的有Fe、Cu、Si-Pd、Si-AI等纳米结构材料。此方法生产的产品 纯度高、相对密度高、并且表面清洁。 2.2.2 利用球磨机的转动,将金属粉末压延、压合、又碾碎,这样反复进行,最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。当合金的微晶达到纳米级时,即得到纳米 金属材料。 球磨法也称为机械合金化法,近年来,它已成为制备纳米金属材料的一种重 要方法。目前,用此方法已制备出的纳米品金属有:Cr,Nb,W ,Zr和Rn等;制 备出的固溶体纳米材料有Fe-Cu合金粉、Cu-W 合金粉等 还制备出了纳米级金属 间化合物,如Ti-Si、Ni-Mo等。 2.2.3 真空溅镀技术 通过氩离子束将金属表面的原于激发出来并沉积成层状,这样可制备出几百 层、几千层的纳米材料,每层只有0.2nm 厚。如果控制离子束交替冲击不同的金 属表面,就可制备出复合的金属层状材料。 2.2.4 纳米薄膜的制备 纳米薄膜的制备方法主要有溶胶-凝胶法、气相沉积法。 2.2.4.1 溶胶-凝胶法:先用有机金属和无机盐化合物制备溶胶,然后将衬底 浸八溶胶后以一定速度进行提拉,于是溶胶附着在衬底上,经过加热后就可得到纳米级膜。制备金属膜还要有一道还原处理工序。 2.2.4.2 气相沉积法:气相沉积法的基本原理就是将蒸发或溅射等方法得到的 纳米粒子,用一定压力的情性气体作载流体,通过喷嘴在基板上形成膜。 纳米金属材料的性能及应用纳米金属材料不但具有块体金属所具有的特性,还具有块体金属所不具有的 许多特性,即具有纳米材料所具有的共同特性:小尺寸效应、表面与界面效应、 量子尺寸效应等。纳米固体材料还具有许多既不同于块体金属又不同于纳米金属 颗粒的新特性,如协同效应等。纳米粒子组装后材料的这些特性,使得纳米金属 袁现出了一些全新的物理化学性能,并具有广瑟的应用前景 3.1 原子的扩散行为 原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。 纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系 数大3个量级。维沙姆(Wurshum)等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数 远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很 可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe 在非晶FeSiBNbCu晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的 非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快1O~14倍,这是由于存在过剩的热平 衡空位 。Fe在Fe—Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。3.2 纳米金属材料的表面活性及其在催化方面的应用 在催化剂材料中,反应的活性位臵可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸 附的另一种物质。这些位臵与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于 纳米晶体材料可以提供大量催化活性位臵,因此很适宜作催化材料。事实上,早 在术语”纳米材料”出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料。典型的 如Rh/A12O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在活性物质上的催化剂,已在石油化 工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。塞卡斯(Sakas)等报道了纳米晶5% (按质量)Li—MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m -1)的催化活性。它对甲 烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低 200,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。殷(Ying) 及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还 原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的 化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原S02为S的反应,可在500实现100%转 换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600。掺杂Cu的Cu—CeO2-x 纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420。另外,CeO2-x 纳米晶在S02还 原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注 意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加贵金属元素。 3.3 贮氢性能 及应用FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活 化处理,即多次地进行吸氢一脱氢过程。泽拉斯基(Zaluski)等最近报道,用球 磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为2O~30nm,吸氢性 能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力 小于20Pa,温度必须高于250),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如 200、120bar(1bar=0.1Mpa)、2天。纳米晶Mg2Ni在200以下。即可吸氢,毋 须活化处理。300第一次氢化循环后,含氢可达约3.4%(按质量)。在以后的循 环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普 通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是: 在线中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35—65Pa)的氢中,激活过 程需重复几次 而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400线 h。便足以 完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约 占材料的20%~30%)构成。 3.4 纳米金属颗粒的光学特性及其应用 由于小尺寸效应和量子尺寸效应的影响,纳米金属颗粒具有常规大块金属材 料所不具备的光学特性。宽频带强吸收是纳米金属颗粒的重要光学性能。大块金 属具有不同颜色的光泽,这表明它们对可见光范围各种颜色(波长)的反射和吸收 能力下同,当尺寸减小到纳米量级时,各种纳米金属颗粒几乎都是黑色的,它们 对可见光的反射率极低。纳米铂粒子的反射率为1%,纳米金粒子的反射率低于 10%。 传感器是金属纳米粒子最有前途的应用领域之一。金属纳米粒子一般是黑色 的,具有吸收红外线的特点,而且表面积巨大、表面活性高、对周围环境(温度、 气氛、光、湿度)敏感,可望利用金属纳米粒子制成超小型、低能耗、多功能传 感器。如用Pt(纳米粒子)/Al2O3/Pt(线)制成的可燃性气体传感器,根据其电阻 变化,可测量气体的浓度;根据铁磁性---顺磁性转变原理,用Mn-Zn合金纳米粒 子制成的温度传感器,可用作温度开关,金纳米粒子沉积在基片上形成的膜可用 作红外线传感器。金纳米粒子的特点是对从可见到红外整个范围的光有很高的吸 收率,当膜厚达到500um/cm 以上时,可吸收95%的光。大量的红外线被纳米金粒子膜吸收后转变成热量,通过测量膜与冷接点之间的温差电动势,便可测量辐 和红外吸收带。同时,原材料应该出现的声子谱和红外吸收带则有可能消失。3.5 纳米金属材料的磁性及应用 纳米金属颗粒具有奇异的磁特性,主要表现为具有超顺磁性或高的矫顽力。 纳米颗粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态,α—Fe的颗粒尺寸小于5 nm 时,变成超顺磁体,当μH/3KBT

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