金属纳米材料制备技术的研究进展

金属纳米材料制备技术的研究进展

金属纳米材料制备技术的研究进展 篇1

摘要：本文从金属纳米材料这一金属材料重要分支进行了简要的阐述，其中重点讲述了强行塑性变形及胶束法制备纳米材料，并分析了金属纳米材料的现状及对今后的展望。

关键字：晶粒细化；强烈塑性变形；胶束法；块状纳米材料

引言：

金属材料是指金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括金属、合金、金属间化合物和特种金属材料等。人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代，均以金属材料的应用为其时代的显著标志。

现代，种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。同时，人类文明的发展和社会的进步对金属材料的服役性能提出了更高的要求，各国科学家积极投身于金属材料领域，向金属材料的性能极限不断逼近，充分利用其为人类服务。

一种崭新的技术的实现，往往需要新材料的支持。例如，人们早就知道喷气式航空发动机比螺旋桨航空发动机有很多优点，但由于没有合适的材料能承受喷射出燃气的高温，是这种理想只能是空中楼阁，直到1942年制成了耐热合金，才使喷气式发动机的制造得以实现。

1金属纳米材料的提出

从目前看，提高金属材料性能的有效途径之一是向着金属结构的极端状态发展:一方面认为金属晶界是薄弱环节,力求减少甚至消除晶界,因此发展出了单晶与非晶态合金;另一方面使多晶体的晶粒细化到纳米级(一般<100 nm,典型为10 nm左右)[1]。细化晶粒是金属材料强韧化的重要手段之一,它可以有效地提高金属材料的综合力学性能,尤其是当金属材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度时,金属表现出更加优异的力学性能[2]。因此,金属材料晶粒超细化/纳米化技术的发展备受人们关注,一系列金属纳米材料的制备技术相继提出并进行了探索,包括电沉积法、溅射法、非晶晶化法、强烈塑性变形法(Severe Plastic Deformation, SPD)、[3]粉末冶金法以及热喷涂法等。

金属纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度或由它们作为基本单元构成的金属材料。若按维数，纳米材料的基本单元可分为(类：一是零维。指在空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米粉体、原子团簇等；二是一维。指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；三是二维。指在三维空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜、多层膜及超晶格等。超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料[4]。金属纳米颗粒表现出许多块体材料所不具备的优越性质,可用于催化、光催化、燃料电池、化学传感、非线性光学和信息存储等领域。

以金金属具体来说，与块状金不同，金纳米粒子的价带和导带是分开的。当金粒子尺寸足够小时，会产生量子尺寸效应，引起金纳米粒子向绝缘体转化，并形成不同能级间的驻电子波。若其能级间隔超出一定的范围并发生单电子跃迁时，将表现出特殊的光学和电子学特性，这些性质在晶体管、光控开关、传感器方面都有其潜在的应用前景。是因为金纳米粒子的特殊性质，使其在生物传感器、光化学与电化学催化、光电子器件等领域有着极其广阔的应用前景。近几年来，基于金纳米粒子在发生吸附后其表面等离子共振峰会发生红移这一性质，对担载金纳米粒子的DNA及糖类分子进行研究，发现其在免疫、标定、示踪领域中有着广阔的应用前景。此外，金纳米粒子作为一种新型催化剂在催化氧化反应中有着很高的催化活性，而担载金纳米粒子后，TiO2薄膜的光催化活性极大提高[5]。

2金属纳米材料的制备技术

如今，金属纳米材料的制备技术已趋于多样化发展，按不同的分类标准具有不同的分类方法。其中基本的可分为物理法，化学法及其他方法，物理法大致包括粉碎法和构筑法，化学法由气相反应法和液相法。物料的基本粉碎方式是压碎、剪碎、冲击粉碎和磨碎。常借助的外力有机械力、流能力、化学能、声能、热能等。一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨机和振动磨是磨碎和冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合；气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合。构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子。

气相法制备金属纳米微粒，主要有气相冷凝法、活性氢—熔融金属反应法、溅射法、流动液面上真空蒸镀法、通电加热蒸发法、混合等离子法、激光诱导化学气相沉积法、爆炸丝法、化学气相凝聚法和燃烧火焰—化学气相凝聚法。

液相法制备金属纳米微粒，主要有沉淀法、喷雾法、水热法、溶剂挥 发分解法、溶胶—凝胶法、辐射化学合成法。此外还包括物理气相沉积、化学气相沉积、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶液的热分解和沉淀等。

2.1块体材料制备

金属纳米块体材料制备加工技术:两种大块金属纳米材料的制备方法[6]-[8]。第一种是由小至大，即两步过程，先由机械球磨法、射频溅射、溶胶—凝胶法、惰性气体冷凝法等工艺制成纳米颗粒，再由激光压缩、原位加压、热等静压或热压制成大块金属纳米材料。凡能获得纳米粉末的方法一般都会通过后续加工得到大块金属纳米材料。第二种方法为由大变小，是将外部能量引入或作用于母体材料，使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料。诸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。使大块非晶变成大块纳米晶材料或利用各种沉积技术获得大块金属纳米材料。

大块金属纳米材料制备技术发展的目标是工艺简单，产量大及适应范围宽，能获得样品界面清洁且无微孔的大尺寸纳米材料制备技术。其发展方向是直接晶化法。实际上今后相当一段时间内块状纳米晶样品制备仍以非晶晶化法和机械合金化法为主[4]。现在需要克服的是机械合金化中微孔隙的大量产生，亦应注意其带来的杂质和应力的影响。今后纳米材料制备技术的研究重点将是高压高温固相淬火，脉冲电流及深过冷直接晶化法和与之相关的复合块状纳米材料制备及研究工作。

2.2 强烈塑性变形法（SPD技术）

强烈塑性变形法（SPD技术）是在不改变金属材料结构相变与成分的前提下,通过对金属材料施加很大的剪切应力而引入高密度位错,并经过位错增殖、运动、重排和湮灭等一系列过程,将平均晶粒尺寸细化到1μm以下,获得由均匀等轴晶组成、大角度晶界占多数的超细晶粒金属材料的一种工艺方法[9]。SPD是一种致力材料纳米化的方法,其特点是利用剧烈塑性变形的方式,在较低温度下(一般<0.4Tm, Tm为金属熔点)使常规金属材料粗晶整体细化为大角晶界纳米晶,无结构相变与成分改变,其主要的变形方式是剪切变形。它不仅是一种材料形状加工的手段,而且可以成为独立改变材料内部组织和性能的一种技术,在某些方面,甚至超过热处理的功效。它能充分破碎粗大增强相,尤其是在促使细小颗粒相均匀分布时比普通轧制、挤压效果更好,显著提高金属材料的延展性和可成形性。在应用方面,到目前为止,通过SPD法取得了纯金属、合金钢、金属间化合物、陶瓷基复合材料等的纳米结构,而且投入了实际应用并获得了认可[3]。譬如,通过SPD法制备的纳米Ti合金活塞,已用于小型内燃机上;通过SPD法制备的纳米Ti合金高强度螺栓,也已广泛应用于飞机和宇宙飞船上。这些零件可以满足高强度、高韧性、较高的疲劳性能的要求,从而大大提高了使用寿。

经过近年的快速发展,人们对采用SPD技术制备金属纳米/超细晶材料已经有了一定的认识。但是,不管是何种SPD法制备纳米材料,目前,还处在工艺可行性分析及材料局部纳米化的实验探索阶段,存在诸如成形效率低、变形过程中出现疲劳裂纹、工件尺寸小、显微组织不均匀、材料纳米化不彻底等问题,对SPD制备纳米/超细晶金属材料的成形机理没有统一的定论。

2.3胶束法

胶束法是控制金属纳米颗粒形状的另一个重要方法[10]。胶束以一小部分增溶的疏水物质或亲水物质形式存在。如果表面活性剂的浓度进一步增大,增溶程度会相应提高。胶束尺寸可增大到一定的范围,此时胶束尺寸比表面活性剂的单分子层厚度要大很多,这是因为内池中的水或者油的量增大的缘故。如果表面活性剂的浓度进一步增大,胶束则会被破坏而形成各种形状,这也为合成不同形状的纳米粒子提供了可能。合成各种形貌的金属纳米颗粒的方法还包括高温分解法、水热法、气相沉积法、电化学法等。其中,高温分解法是在高温下分解前驱体;水热法是一种在高温高压下从过饱和水溶液中进行结晶的方法;气相沉积法是将前驱体用气体带入反应器中,在高温衬底上反应分解形成晶体。这3种方法均可以得到纯度高、粒径可控的纳米粒子,但是制备工艺相对复杂,设备比较昂贵。电化学方法中可采用石墨、硅等作阴极材料,在水相中还原制备不同金属纳米颗粒,也可采用模板电化学法制备金属纳米管、纳米线等不同形貌的纳米材料。这种方法的优点是反应条件温和、设备简单,但目前还没有大规模合成方面的应用。

2.4双模板法制纳米点阵[11]

采用先后自组装、沉积和溶解的方法，制成2种模板，然后在其中空球模板中电化学沉积得到纳米粒子点阵，溶去另外一种模板后得到纳米粒子点阵。这是目前获得粒子均匀排列有序纳米粒子点阵的最有效的方法，关键是如何控制粒子的大小和获得较窄且均匀的粒度分布。

3金属纳米材料的现状分析

纳米技术在生产方式和工作方式的变革中正在发挥重要作用，它对社会发展、经济繁荣、国家安定和人类生活质量的提高所产生的影响无法估量。鉴于纳米技术及纳米材料特别是金属纳米材料在未来科技中的重要地位及产业化的前景一片光明，目前世界上各国特别是发达国家非常重视金属纳米材料，从战略高度部署纳米技术研究，以提高未来10年至20年在国际上的竞争能力。

诺贝尔奖获得者罗雷尔说过：20世纪70年代重视微米研究的国家如今都成为发达国家，现今重视纳米技术和纳米材料的国家极可能成为下世纪的先进国家。最近美国在国家科学技术理事会的主持下，提出“国家纳米技术倡议”：纳米技术将对21世纪的经济、国防和社会产生重大影响，可能与信息及生物技术一样，引导下一个工业革命，应该置其于科技的最优先位置。世界各国制定纳米技术和纳米材料的战略是：以未来的经济振兴和国家的实际需求为目标，牵引纳米材料的基础研究和应用开发研究；组织多学科的科技人员交叉创举，重视基础和应用研究的衔接，重视技术集成；重视纳米材料和技术改造传统产品，提高高技术含量，同时部署纳米技术和纳米材料在环境、能源和信息等重要领域的应用，实现跨越式发展。我国纳米技术和纳米材料始于20世纪80年代末。“八五”期间，纳米材料科学列入国家攀登项目。纳米材料的应用研究自1996年以后在准一维纳米丝纳米电缆的制备等几个方面取得了重大成果。我国约有1万人从事纳米研究与发展，拥有20多条生产能力在吨级以上的纳米材料粉体生产线。生产的纳米金属与合金的种类有：银、钯、铜、铁、钴、镍、铝、钽、银-铜合金、银-锡合金、铟-锡合金、铜-镍合金、镍-铝合金、镍-铁合金、镍-钴合金[4]。

4结束语及展望

随着金属纳米科技的发展,金属纳米材料的制备已日渐成熟,并广泛应用于我们生活的各个方面，金属纳米科学也将成为受人瞩目的学科。但目前还存在一些不足，如在对复杂化学反应过程与机理的探索、金属纳米材料的规模化生产与应用等方面还需要我们进行更加深入和系统的研究。不过，我们有理由相信随着科学技术的不断发展进步，上述金属纳米材料化学制备的新技术和新方法将会得到不断创新与发展完善并将产生新的突破，它们将极大地推动金属纳米材料的规模制备与广泛实际应用，并最终在不久的将来产生较大的社会和经济效益。

今后金属纳米的发展趋势： 1在制备方面，大量的新方法、新工艺不断出现，希望找到产量大、成本低、无污染、尺寸可控的制备方法，为产业化服务。

2实用化研究提到日程上，出现基础研究和应用并行发展的问题，对传统金属材料进行纳米改性，以期获得优良性能。

3日益体现出多学科交叉的特点。纳米结构材料的研究不仅依赖于物理、化学等学科的发展，而且同电子学、生物学、测量学等产生越来越紧密的联系。

参考文献：

[1]GleiterH.Nanocrystalline materials [J].Progress in Materials Science, 1989, 33(4): 223-315.[2]王军丽,史庆南.纳米超细晶材料的制备方法[J].材料导报, 2005, 19(5): 15-19.[3]杨保健,夏琴香,张 鹏.SPD制备纳米/超细晶金属材料的成形方法[J].锻压技术，2011,36（2）:48-51.[4]张代东,王钦清.金属纳米材料的发展动态研究[J].科技情报开发与经济，2002,12（5）:89-91.[5] 姚素薇，邹毅，张卫国.金纳米粒子的特性、制备及应用研究进展[J].化工进展，2007,26（3）:310-313.[6] 田春霞.金属纳米块体材料制备加工技术及应用[J].材料科学与

工程，2001,19（4）:127-131.[7] 李景新，黄因慧，沈以赴.纳米材料的加工技术[J].材料科学与工

金属纳米材料制备技术的研究进展 篇2

20世纪60年代中期, Tinga.W.R[1]最早提出微波烧结技术。早期微波烧结技术主要应用于陶瓷材料的制备及处理的各个过程。20世纪70年代中期, 法国的Badot和Berteand开始对烧结技术进行系统研究[2]。20世纪80年代, 微波烧结技术逐渐受到重视并引入到材料科学领域[3], 开始用于烧结制备各种高性能的陶瓷。进入九十年代, 微波烧结材料的种类不断扩展, 逐渐被引入到硬质合金、纳米材料、复合材料等材料的烧结制备过程中。但是微波烧结技术一直没有涉及到金属材料, 这是由于人们普遍认为金属材料是良导体, 对微波是反射的, 不能吸收微波。1999年, 美国宾夕法尼亚大学材料研究实验室的科学家突破传统的观点[4,5], 成功利用微波烧结金属粉末制备了金属材料, 接着便掀起了研究微波烧结制备金属材料的高潮。美国、中国、日本、印度、西班牙、德国、新加坡等国先后对微波烧结技术应用于金属材料进行了研究, 并且都在实验基础上制备了高性能, 高质量的合金产品, 预示了微波烧结技术应用于金属材料的制备有着广阔的应用前景。

1 微波烧结制备金属粉末的原理

微波烧结技术基于的原理是材料内部的基本细微结构与特殊波段的微波耦合, 通过材料的介质损耗转化为热量, 使材料整体加热而实现烧结致密化。但是微波在金属煤质中行进时, 穿透深度有限, 引入穿透深度

表示微波场量的值衰减至表面处值的1/e=0.368的深度。经计算得出一些常见金属的穿透深度, 见表1。

可见, 金属表面只有极薄的一层对微波具有吸收作用, 其内部与微波的作用很小。

同时块体金属材料在电磁场中具有趋肤效应, 内部的自由电荷在电磁场的作用下, 会迅速向导体表面聚集。自由电荷响应电磁场的速度非常快, 弛豫时间远小于电磁振荡的周期。因此, 在电磁振荡每周期开始的时候, 自由电荷已经聚齐于块体金属导体表面, 其内部的自由电荷密度ρ=0, 不存在自由电荷, 不具备能量吸收和转化的媒介, 无法通过微波与块体金属材料进行耦合作用。因而微波烧结技术不能应用于块体金属材料。

但是, 金属粉末的几何尺寸为微米级甚至纳米级, 与微波对金属的穿透深度相当, 所以与电磁波的相互作用行为发生了显著变化[7]。微波所及体积占了金属合金粉末体积的极高比例, 该部分体积所吸收转化的微波能量足以使金属粉末的温度发生显著变化。并且金属粉末压坯颗粒表面积大, 活性高的表面原子比例大, 表面存在大量的孔隙、空位等缺陷, 表面化学性质活性, 微波具有更大的穿透深度, 与块体金属相比, 压坯的反射率降低, 吸收的能量增加。因此, 金属粉末具有较强的吸波能力[4], 能被加热到很高的温度, 能够利用微波进行烧结。

2 微波烧结制备金属粉末的研究进展

微波烧结技术具有整体加热、选择性加热、升温速度快、烧结时间短、易于控制、环境友好等特点, 易得到均匀致密的细晶结构, 提高了产品的物理、力学性能。因而自1999年美国宾夕法尼亚大学的科学家发现微波也能用于烧结制备金属材料以来, 这项新的研究领域激起了国内外很多研究者的广泛关注。十几年来微波烧结制备金属材料得到了一定的发展和应用。

2.1 微波烧结制备铁基合金

铁基合金主要有Fe-Ni合金和Fe-Cu合金, 具有广泛的用途, 可用来制作齿轮、转子、衬套等结构零件。1999年, Roy教授等率先利用微波烧结制备了Fe-Ni和Fe-Cu合金[4]。随后长沙隆泰科技有限公司的黄加伍等[8]、中南大学的罗春峰等[9]、中南大学的彭元东等[10]先后研究了微波高温烧结粉末冶金铁基材料的工艺特点及性能。结果表明, 在不同烧结温度和保温时间下, 微波烧结样品的显微结构、强度、硬度、抗拉强度、抗弯强度、致密度等参数与常规烧结相比, 均表现出明显的性能提高。同时微波烧结温度低、烧结速度快、烧结周期短, 降低了生产成本和能源浪费, 减少了环境污染。中南大学的陈丽芳等[11]通过微波烧结制备了Fe-4Ni-2Cu-0.6Mo-0.6C合金钢, 和常规烧结相比, 合金钢不仅缩短了烧结时间, 而且提高了力学性能。

2.2 微波烧结制备高密度合金

高密度合金广泛应用于石油钻井、机械制造、航空航天、钟表摆锤制造等领域。传统烧结很难制备出组织均匀、致密度高以及性能优异的高密度合金。由于微波烧结可以有效抑制晶粒长大, 细化合金组织, 减少孔隙分布, 均匀显微组织, 提高钨基高密度合金的密度和组织均匀性, 因此微波烧结技术被广泛的用于钨基高密度合金的烧结。从2007年开始, 中南大学的易健宏等[12]就开始对微波烧结W-Ni-Fe高密度合金就行研究。分别探讨了压制压力、烧结温度、烧结时间, W粉粒度、升温速度对微波烧结W-Ni-Fe高密度合金性能的影响。同时中南大学的马运柱等[13]研究了真空热处理对微波烧结93W-Ni-Fe合金显微组织及力学性能的影响。中南大学周承商[14]又在微波烧结制备W-Ni-Fe高密度合金中添加Mo元素对微波烧结W-MoNi-Fe合金进行了研究。2011年印度国家热电有限责任公司Avijit Mondal[15]等研究了加热模式和烧结温度对90W-7Ni-3Fe合金的影响。刘瑞英等[16]通过控制烧结温度、烧结时间等主要影响W-Ni-Cu致密化因素, 利用微波烧结制备了95W-3Ni-2Cu。并通过研究发现, 在保证烧结温度和烧结时间的情况下, 升温速度对产品微观组织的致密化影响不大。

2.3 微波烧结制备钨铜合金

钨铜合金由于金属铜和钨熔点差别大, 不互溶, 因此不能采用熔铸法进行生产。中南大学易健宏等[17]通过微波烧结制备了W-Cu合金。与常规烧结相比, 促进了W-Cu合金的致密化和组织的均匀化。1250℃, 保温10分钟的情况下, W-25Cu合金可以实现接近理论密度。当加入Fe元素作为烧结助剂的时候, W-Cu材料的致密化行为得到显著改善。同时易健宏[18]等还研究了微波熔渗法制备W-Cu合金。并与钼丝管式炉中烧结进行对比, 发现两种方法制得的W-Cu合金电导率相似, 但是微波法制备的产品硬度更好。

2.4 微波烧结各种金属单质粉末

微波对于金属粉末的烧结机理不同于块体金属, 微波对金属块体的趋肤深度大约在微米级, 远小于块体金属的尺寸, 粉末态松散结构生坯的初始趋肤深度与块体金属的初始趋肤深度存在很大差异。中南大学的朱凤霞等[19]研究了微波烧结金属纯铜压坯时发现, 生坯趋肤深度约为0.05m;与样品尺寸处于同一数量级, 更远远大于单个粉末颗粒尺寸, 最终样品得以升至1000℃高温保温, 并实现良好致密化。印度科学家K·Rajkumar等[20]研究了铜-石墨粉末的烧结。发现微波能够成功地烧结没有任何裂痕的铜-石墨复合材料并且具有更加细小的显微结构, 产品的孔隙是小的、圆形的。这些都加强了产品的机械性能。印度的G·Prabhu[21]等通过微波烧结钨粉。与常规烧结对比发现, 微波烧结高温球磨后的钨粉能达到相对致密度93%高于一般钨粉的85%, 维氏硬度达到303高于普通钨粉的265, 且高温球磨后的钨粉微波烧结后的显微组织更加均匀致密。日本科学家K·Saitou[22]利用微波烧结制备钴粉、镍粉和不锈钢粉, 并且将微波烧结与传统烧结钴粉、镍粉和不锈钢粉就行了对比。通过对比发现微波烧结能促进压坯更大的收缩, 从而获得高致密度的产品, 具有优良的物理和机械性能。

2.5 微波烧结其它金属粉末

微波烧结还运用于铝粉、Al/Ti合金、Cu-12Sn合金、储氢合金、形状记忆合金、功能梯度材料、金属间化合物Mg2Si等多种金属及其合金的制备, 且都取得了较好的致密度和机械性能。

3 微波烧结金属合金粉末存在的问题及前景展望

微波烧结金属粉末从1999年发展至今才刚刚过去十几个年头, 虽然科学家们在这方面的研究有所进展, 但目前还处于微波烧结金属粉末的起步阶段, 存在许多急需解决的问题:

首先, 烧结机制的问题。微波烧结金属粉末的机制还不是很清楚, 这样限制了微波烧结金属粉末制备金属材料的种类, 减少了其应用范围。

其次, 微波加热过程中的温度通常采用红外测温仪, 红外测温仪是通过测定表面的红外线和特定的表面发射率ε来确定表面温度, 在实验中所烧结的材料在特定温度下, 其发射率将有显著变化, 因而烧结温度无法进行准确测量。

再者, 微波烧结的设备一直是限制微波烧结金属粉末的重要问题。目前微波烧结设备的最高温度只能达1700℃, 同时国家规定的微波功率限制在2.4GHz、915MHz, 随着微波烧结金属粉末种类的不断扩大, 微波烧结设备的模块化设计也应该引起人们的重视。

此外, 获取一个较大区域的均匀微波烧结场区也是一个需要解决的问题。

金属材料应用及热处理技术研究 篇3

关键词：金属材料；应用；热处理技术

金属材料本身具有良好的物化性质和优秀的力学性能，在工业领域得到了广泛的应用。在金属材料的处理技术中，热处理技术最为常见，这种技术不仅能够把金属材料本身的性能潜力充分发挥出来，还能提高产品质量，减少资源的浪费，节约材料，进一步增强产品的使用功能，增加经济效益。在最早使用热处理技术的国家中，我们国家也在其列，早在汉朝时就有了一些关于热处理技术的记载，如“水与火合为淬”就是对这种技术的概括。时至今日，我国在热处理方面更是取得了很大的进步和突破。

1.金属材料的应用

1.1.纳米金属材料的应用

纳米作为一种新型的技术被应用在了金属材料中，纳米金属材料具有很好的功能特性和优秀的力学性能，目前已被应用于很多领域中。

1.1.1.纳米结构的WC—Co硬度和耐磨性

在工业中，纳米结构具有WC—Co强硬度和耐磨性，使用量是非常大的。目前主要在保护涂层以及制造切削工具中，因为纳米结构的WC—Co的硬度和耐磨性要明显优越于一些粗晶材料，在这过程中，力学性能还能提高一个等级，并且还有继续提高的可能。

1.1.2.铝基纳米复合材料的高强度

铝基纳米复合材料的最明显的性质就是高强度，它的结构是非晶基体上的α—A1粒子，这些α—A1都是有着纳米尺度的，而且是在非晶机体上呈弥散状分布。另外，铝基纳米复合材料还具有良好的抗疲劳性，其他程序中雾化的粉末还可以做成棒材，用于加工一些具有高强度性质的小部件，是高强度小部件的首选材料。

1.1.3.电沉积的纳米晶体——镍

电沉积薄膜上的柱状晶结构，可以被脉冲电流破碎掉，再经过温度的控制、PH值的控制以及镀液成分的有效控制，就可以使电沉积的镍晶粒尺寸达到10nm，甚至小于10nm。镍晶粒在350K的情况下能够发生反常长大，再将其偏析在晶界之上，也就可以实现结构稳定了。这在蒸汽发电机叶轮的修复方面有着广泛的运用。

1.2.多孔金属材料的应用

多孔金属材料也是一种功能性很好的材料，在当前社会有较快的发展。由于其具有良好的渗透性和耐腐蚀性，以及高强度、耐高温的良好性能，主要用于制作过滤器、电池的电极、消音器等一些材料，广泛应用在了冶金、医药、原子能等行业中。

多孔金属材料的良好渗透性，可以用于制作过滤器，主要利用孔道对流体中粒子的阻留将液体或者是气体进行过滤或分离，达到分离的效果，进而起到净化的作用。多孔金属材料的良好的耐高温性能，可以用于热交换和加热的程序中，另外通孔体还可做成加热器或者是散热器。多孔金属的阻火能力与高渗透性能还可以使之做成灭火器，在日常生活中或消防事业中都有广泛的使用。

多孔金属材料具有良好的吸收电磁波的性能，这种性能可以用于电磁的屏蔽，也可以做电磁性质的兼容器件。并且具有良好的散热性，要比其他金属网的屏蔽效果更好一些，适用于一些比较轻便、体积比较小的移动设备。

2.热处理技术的研究

2.1.传统的热处理技术

传统热处理技术的热原理是对工件进行加热而改善其整体性能，一般的热处理包括表面热处理和化学热处理，其过程要经过退火、正火、淬火以及回火这么四个步骤。退火，先将金属加热，一段时间之后再将其冷却，这种热处理的环节就是退火。正火，先将金属加热，温度要达到Ac3（Acm）以上，然后进行保温，取出之后再在空气中冷却的过程就是正火。淬火，所谓淬火，也是先将金属加热，温度要达到Ac3或Acl以上，保温之后，冷却时要以大于临界冷却的速度进行，从而获得马氏体组织，这种过程叫淬火。淬火之后一定要加以回火才能达到最佳效果，回火能够决定工艺的完善程度。

2.2.新型的热处理技术

2.2.1.热处理的新材料和新设备

随着社会的发展，技术的进步，热处理技术也得到了新的发展，其材料和设备也得以更新。在新材料方面，生态淬火剂的发明和使用发挥了着很大的作用，能够使热处理的工艺发挥到最佳状态，常见的的生态淬火剂有熔盐、冷热矿物油、NiAl金属化合物等等，在工业领域和日常生活都有广泛的应用。在新设备方面，如：真空加热高压气淬设备的发明和使用，在热处理技术领域有着重要的地位和作用，标志着这一技术的跨越性进步。另外还有密封渗碳高压气淬炉和低压渗碳双室高压气淬炉的使用，也大大提高了热处理技术的效率和质量。

2.2.2.真空热处理和感应热处理

真空热处理顾名思义就是将热处理技术与真空技术的结合，有一部分是在真空的状态下完成的，一部分的工艺也是在真空的状态下解决的，真空热处理的优势在于它可以使金属材料更加干净明亮，在外观得到改善的前提下还能使金属材料的性能得到更好地提高。感应热处理主要是利用的电磁感应对工件进行加热的技术，在加热的过程中，具有速度快、效率高的优点，而且能够提高产品的质量。总体来说，新型的技术具有高质、低耗、高效等特点，是以后发展的目标和方向，并且这些特点也是传统的热处理技术很难达到的。

3.结束语

在当今社会，国际竞争比较激烈，能否在技术领域有所开拓是衡量一个国家综合国力的一大方面。我国作为最早使用热处理技术的国家之一，在金属材料和热处理技术领域取得了很大的成就，当然在以后的竞争中还面临着许多挑战。随着一些新材料、新设备的发明和使用，期待着我国在热处理技术方面有更大的突破和发展。

参考文献：

[1]陈晓洪.金属材料及热处理技术[J].工业技术，2012（9）

金属纳米材料制备技术的研究进展 篇4

金属掺杂多孔硅薄膜的制备及荧光光谱研究

用电化学方法对多孔硅薄膜进行了金属掺杂.用荧光分光光度计分析了样品的光致发光特性,结果表明,适量的金属掺杂增强了多孔硅的红光发射,氧化性金属掺杂还增强了多孔硅的蓝光发射,还原性金属掺杂却无此现象.红外吸收谱表明,金属掺杂多孔硅后Si-O-Si键振动增强.XRD谱表明,氧化性金属掺杂后多孔硅的无定形程度增强.对分析结果的.解释为:红光增强是金属掺杂引入新的缺陷和硅、氧、金属间新的键态Si-Metal,Metal-O,Metal-Metal所致,而蓝光增强是无定形程度增强,应力增大和进一步氧化所致.

作 者：孙小菁 马书懿 魏晋军 徐小丽 SUN Xiao-jing MA Shu-yi WEI Jin-jun XU Xiao-li 作者单位：西北师范大学,物理与电子工程学院,甘肃,兰州,730070刊 名：西北师范大学学报(自然科学版) ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF NORTHWEST NORMAL UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)年，卷(期)：200743(6)分类号：O469 TB383关键词：金属掺杂多孔硅 电化学 光致发光 X射线衍射 红外吸收

金属纳米材料制备技术的研究进展 篇5

2. 开展新型船舶材料应用技术研究与试验验证，通过先进的材料应用技术与优良的实验验证结果，推动新材料的发展与应用。

3. 开展新型船舶材料实船应用与推广研究，通过实船应用验证其上船效果，寻求契机进行推广应用等。

“低”――船舶材料技术一如既往向低成本化的方向发展

未来船舶材料技术低成本化的发展趋势主要为：

1. 研究、建立一套较为完善的、可满足工程实际应用的衡量、评估船舶材料经济性的基础理论、指标体系。

2. 船舶材料经济性评估(计算)方法研究。

3. 船舶材料经济性设计指导性文件(标准)研究、编制等。

（来源：中国有色金属报）

材料制备原理与技术-教学大纲 篇6

《材料制备原理与技术》是研究无机非金属材料的合成与制备、组成与结构、性能、使用效能之间的关系与规律的科学。本课程由陶瓷工艺原理、晶体生长技术和气相沉积技术三部分组成。

第一部分

陶瓷工艺原理

第一章

晶体结构以及晶体结构缺陷

化学键的种类，和电负性的关系；14种布拉菲点阵，晶向指数，晶面指数，密堆方式，四面体间隙和八面体间隙，基本AB结构，钙钛矿结构，硅酸盐晶体结构类型。

点缺陷的种类和表示方法，Schottky缺陷，Frenkel缺陷，定比化合物，非定比化合物，布氏矢量，位错的种类，晶界。

第二章

熔融态和玻璃态

掌握熔体的结构与性质，特别是性质部分。

玻璃性质，玻璃结构，并了解其内在规律性。重点为玻璃结构，特别是玻璃结构学说，玻璃通性及晶体性质的区别。

晶体、非晶体和玻璃，玻璃转变温度，晶子模型，不规则网络模型，网络形成体，网络改变体，网络中间体。

第三章

相平衡（相图）

热力学基本定律，自由能、成份和相平衡，单元相图，二元相图基本类型，三元相图的杠杆定律、成份三角形、连线法则、切线法则等基本规则和原理。

要求会应用、分析、计算相图。第四章

扩散

扩散定律和简单解，离子型晶体的主要扩散机理，扩散系数，扩散系数和温度的关系。要求掌握扩散方程，扩散机理和扩散系数，无机固体材料中的扩散，了解影响扩散的因素如温度，杂质等等，固体中扩散，影响扩散的因素。

第五章

固相反应

固相反应分类，固相反应热力学，杨德尔方程，金斯特林格方程，温度、颗粒度、矿化剂、压力对固相反应的影响。

综合掌握固相反应的类型及反应原理，固相反应的动力学方程，影响的固相反应因素。第六章

烧结

烧结的定义，烧结过程的推动力，固相烧结传质机理，烧结应力模型，晶粒生长与二次 再结晶，影响烧结的因素，常见烧结方法。

掌握液相、固相烧结原理，影响烧结的因素。重点为液、固相烧结机理、模型，影响烧结的因素。

第二部分

晶体生长技术

第一讲：导论及晶体生长热力学 第二讲：晶体生长动力学

晶体生长界面微观结构，晶体生长界面原子的沉积方式，晶体生长速率，晶体的平衡形貌，实际晶体生长形态的影响因素。

第三讲：熔体生长

籽晶提拉法（Czochralski法），坩埚下降法（Bridgman法），泡生法，焰熔法，区域熔融法（区熔法）。

第四讲：溶液生长

溶液的性质，溶液生长驱动力，生长速度，溶液生长方法，溶剂的选择，对流效应。第五讲：气相生长

气相生长概念与原理，气相生长的主要方法，控制参数，气相生长的界面原子过程。第六讲：II-VI族化合物单晶生长原理与技术

第三部分 气相沉积技术

第一讲：蒸发技术

物质的热蒸发，蒸发源（电阻蒸发源，电子束蒸发源，电弧加热蒸发源，激光加热蒸发源），分子束外延技术（MBE）。

第二讲：溅射技术

辉光放电与等离子体，溅射现象，溅射方法（直流溅射，射频溅射，反应溅射，磁控溅射）。

第三讲：离子镀

气体放电等离子体离子镀，空心阴极放电离子镀（HCD，Hollow Cathode Deposition）。第四讲：化学气相沉积（CVD）

CVD的一般原理，CVD基本技术（开管气流法，封管法），低压CVD，等离子体增强CVD（PCVD），CVD的发展。

主要参考书目

第一部分

陶瓷工艺原理

1、樊先平，无机非金属材料科学基础，浙江大学出版社

2、周玉，陶瓷材料学（第一版），哈尔滨工业大学出版社

3、周玉，陶瓷材料学（第二版），科学出版社

4、陆佩文，无机材料科学基础（硅酸盐物理化学）重排本，武汉理工大学出版社

5、陆佩文，硅酸盐物理化学，东南大学出版社

6、叶瑞伦，无机材料物理化学，北京：中国建筑工业出版社，1984。

7、浙江大学，武汉建材学院，上海化工学院，华南工学院，硅酸盐物理化学，北京：中国建筑工业出版社，1980

8、南京化工学院，陶瓷物理化学，北京：中国建筑工业出版社，1981

第二部分

晶体生长技术

1、闵乃本，晶体生长的物理基础，上海：上海科学技术出版社，1982

2、张克从，晶体生长科学与技术，北京：科学出版社，1997

3、朱世富，材料制备科学与技术，北京：高等教育出版社，2006

第三部分

气相沉积技术

金属纳米材料制备技术的研究进展 篇7

离子液体作为一种新型的绿色溶剂,制备简单,环境友好且可循环使用;具有选择性溶解能力,对一些金属纳米粒子有很好的溶解能力;具有电子效应和位阻效应,可以作为金属纳米粒子的一类新型的稳定剂,有效地阻止金属纳米粒子间的团聚;同时离子液体具有很高的离子化能力,可以作为溶剂制备特殊性能的金属纳米粒子。由此可见,离子液体可以同时作为制备金属纳米粒子的溶剂和稳定剂,为稳定金属纳米粒子提供了一条新途径。

离子液体在制备金属纳米粒子方面的优势,受到了越来越多研究人员的关注。本文就近几年国内外有关用离子液体制备和稳定纳米金属粒子及其催化作用的研究进展加以综述。

1 离子液体稳定的金属纳米粒子

离子液体稳定的金属纳米粒子是指纳米粒子通过常规的化学还原方法或其他方法在离子液体中制得,离子液体作为稳定剂或溶剂可以防止金属纳米粒子之间发生团聚。金属纳米粒子可以与反应介质形成均相或液-液两相催化体系,该催化体系既有均相催化剂高活性、高选择性等优点,又有多相催化剂易分离、回收的优点。国内外研究小组在离子液体中制备金属纳米粒子方面做了大量研究工作。

1.1 贵金属纳米粒子

1.1.1 Ir纳米粒子

Dupont等[5]在离子液体[BMIm]PF6中用氢气还原前驱物[IrCl(cod)]2(cod=1,5-环辛二烯)获得了Ir纳米粒子。该粒子可以对1-己烯、苯乙烯、环己烯等多种烯烃进行催化加氢反应且表现出很高的活性,转化率都接近100%;此外,该体系比传统的Crabtree催化剂有着更好的重复使用性能,在第5次使用时仍能保持活性基本不变;该粒子还可以对苯、二甲苯、苯乙酮和苯甲醚等多种芳烃进行高效催化加氢反应,表现出多相催化剂的特性[6,7];他们还深入研究了该体系催化加氢反应的机理及动力学,结果表明反应机理为单分子层吸附机理,动力学方程为:v=kcK[S]/(1+K[S]),反应常数为:K=1.32±0.20 M-1[8]。Ott等[9]在此基础上研究了咪唑类离子液体中Ir纳米粒子稳定存在的原因,发现离子液体和Ir纳米粒子瞬间反应形成了金属卡宾配合物,从而起到稳定纳米粒子的作用。

1.1.2 Ru纳米粒子

Silveira研究小组[10]于2004年分别在离子液体[BMIm]BF4、[BMIm]PF6和[BMIm]CF3SO3中加热分解有机钌的化合物[Ru(cod)(cot)](cod=1,5-环辛二烯,cot=1,3,5-环辛三烯)制得Ru纳米粒子,并将其用于催化烯烃及苯加氢反应。制得的Ru纳米粒子对催化烯烃具有很好的活性,但在催化苯加氢制环己烯的反应中效果不理想,收率只有2%,环己烯的选择性小于39%。为提高催化剂的活性,该研究小组又以RuO2为前驱物,在上述离子液体中采用氢气还原法制备出Ru纳米粒子,该纳米粒子在空气中不易氧化,温和条件下催化1-己烯加氢制备正己烷获得了很好的效果。其中在离子液体[BMIm]PF6中制备的Ru纳米粒子活性最高,转换频率达到943 h-1(以总Ru计),并且催化剂循环使用17次后活性没有明显下降[11]。2005年,该研究小组采用类似的方法制备出Ir、Rh和Ru纳米粒子,并研究了它们在催化反应中的动力学,发现反应常数与反应物侧链烷基的位阻有很大关系,并且位阻因素与其它因素是独立的,侧链烷基位阻越大,催化效果越差[12]。Gutel等[13]研究发现离子液体中制备的Ru纳米粒子粒径的大小与离子液体的阴阳离子结构有关,阴阳离子体积小则制备的Ru纳米粒子粒径小,反之粒径则大。国内学者王金波[14]等采用水溶性三(间-磺酸钠苯基)膦(TPPTS)作稳定剂,在离子液体[BMIM]BF4)或[BMIm]CF3SO3中用氢气还原RuCl3·3H2O制得Ru纳米粒子,该催化剂体系在最佳反应条件下,催化苯乙酮不对称加氢转化率达100%,对映体选择性为79.1%。该粒子循环使用时,对映体选择性变化不大,但转化率有明显下降。催化活性降低的原因主要是由手性修饰剂的流失而引起的,此外水溶性TPPTS在空气氛围中的氧化也可能导致该纳米粒子催化活性的下降。

1.1.3 Rh纳米粒子

Dupont研究小组在离子液体中用氢气还原前驱物RhCl3·3H2O制得了Rh纳米粒子,其催化芳烃加氢也取得了较好的结果。Bruss等[15]在咪唑类离子液体中制备了Rh纳米粒子,然后用配体对其进行改性后用于催化1-烯烃的氢甲酰化反应。结果表明,经配体改性的Rh纳米粒子催化反应的选择性比未经改性的Rh纳米粒子的催化反应的选择性高出25%,这可能是由于配体的修饰改变了Rh纳米粒子的粒径所致,且5 nm以上的Rh金属纳米粒子比5 nm以下的Rh金属纳米粒子的催化反应的选择性大很多。

1.1.4 Pd纳米粒子

Huang[16]等将Pd(CH3CO2)2和Phen·H2O溶解在离子液体[Bmim]PF6中,采用氢气化学还原法制得纳米钯粒子,用于催化烯烃加氢,催化剂具有良好的活性和高选择性。纳米粒子及离子液体能够重复利用,且纳米粒子催化活性无明显降低。Umpierre等[17]在离子液体[BMIM]PF6和[BMI]BF4中,用氢气还原前驱物Pd(acac)2制得Pd纳米粒子,其对烯烃及二烯烃的催化加氢表现出很高的活性和选择性,转化率达99%,选择性达72%以上。Calo等[18,19,20]在离子液体四丁基铵溴化物中,以醋酸钯为前驱物,于90 ℃搅拌下得到醋酸钯分解的Pd纳米粒子,其催化芳烃、氯代芳烃及CC耦合反应具有很好的效果,收率均大于99%,但该纳米粒子在循环使用中活性有所下降,原因可能在于部分Pd纳米粒子从离子液体中流失。

1.1.5 Pt纳米粒子

Scheeren等[21,22]在离子液体[BMIm]BF4和[BMIm]PF6中加热分解有机铂的化合物前躯体Pt2(dba)3(dba=二苄基乙酰基)制得Pt纳米粒子,并对离子液体中Pt纳米粒子的形成及其对环己烯催化加氢机理进行了详细研究,如图1所示。也有报道以Na2Pt(OH)6为前驱物在硫醇离子液体中化学还原制备出面心立方紧密堆积的铂(2.0～3.2 nm)纳米粒子[23]。

1.1.6 Au纳米粒子

Kim等[24]以HAuCl4为前驱物在具有硫醇功能团的咪唑基离子液体中合成出面心堆积的金纳米粒子(2.0～3.5 nm);该研究小组又在醇离子液体[HEMMor]BF4中一步合成出金纳米粒子,离子液体同时作为还原剂和保护剂,简化了金纳米粒子的制备过程[25]。Itoh等在具有硫醇官能团的咪唑基离子液体中合成出直径为5 nm的离子液体改性的金纳米粒子,通过改变离子液体的阴离子结构,即可改变离子液体的憎水性和亲水性,经离子液体改性的纳米粒子的光学特性也随之发生变化。上述研究结果表明离子液体在金纳米粒子的形成过程中起着介质作用,而且金纳米粒子粒径的大小和均匀程度取决于离子液体中硫醇基团的数量和位置。Jin等[26]采用超生化学法在具有硫醇官能团的咪唑基离子液体中以过氧化氢为还原剂制备了粒径为(2.7±0.3)nm的金纳米粒子,研究发现金原子与离子液体中的硫醇基团之间的摩尔比对金纳米粒子粒径的大小和分散程度有很大影响。Schrekker等[27]在含酯基咪唑类离子液体中用联氨还原HAuCl4获得Au纳米粒子,离子液体在Au纳米粒子之间起着空间位阻作用,阻止了Au纳米粒子的团聚,确切地说是离子液体中的咪唑阳离子起着电子体阻隔稳定化作用。

1.2 非贵金属纳米粒子

目前,关于离子液体中制备非贵金属纳米粒子的研究报道主要集中在Ni纳米粒子。Migowski等[28]在离子液体([C1CXIm]·NTf2,X=4,8,10,14,16)中通过加热分解有机镍的化合物双(1,5-环辛二烯)镍制得Ni纳米粒子,该纳米粒子在相对温和条件下可作为催化烯烃加氢反应的高活性催化剂。该研究小组又在离子液体[BMIm]BF4、[BMIm]PF6和[BMIm]CF3SO3中制备了5.0～6.0 nm的Ni纳米粒子,离子液体起稳定剂的作用,XRD表征显示这些纳米粒子被离子液体包裹从而阻止了纳米粒子凝聚,EXAFS结果表明由于Ni纳米粒子与离子液体相互之间的空间位阻及静电作用而被离子液体以帽层的形式环绕,TEM和SAXS结果也证实了它们之间的相互作用[29]。Larionova[30]报道了在离子液体[BMIm]BF4与金属铬络合物的共同作用下制备出Ni纳米粒子,其制备过程如图2所示。结果发现离子液体不但作为制备Ni纳米粒子的溶剂,同时起到了稳定剂的作用。离子液体和Ni纳米粒子之间形成很强的氢键,从而很好地稳定了Ni纳米粒子。

2 负载型离子液体-金属纳米粒子

利用离子液体基团和载体之间较强的相互作用和离子液体对金属纳米粒子的稳定作用,研究人员制备了各类负载型离子液体金属纳米粒子。与非负载的离子液体-金属纳米粒子体系相比,负载型离子液体-金属纳米粒子催化剂为固态,在催化反应时与反应介质形成固-液两相,具有更好的分离优势。

2.1 高分子负载的离子液体-金属纳米粒子

Mu研究小组[31]用聚(N-乙烯基-2-吡咯烷酮)(PVP)作稳定剂,以醇为氢源还原前驱物金属氯化物,制备了Pd、Pt和Rh纳米粒子,然后将这些纳米粒子溶于离子液体[BMIm]PF6中,用于催化烯烃加氢反应,取得了非常好的效果,多次循环使用后,活性基本没有下降。在此催化反应体系中离子液体只起溶剂作用。后来该研究小组又先后在N-乙烯基-2-吡咯烷酮和1-乙烯基-3-丁基咪唑氯化物的复合物(如图3)中,采用RhCl3为前驱物,用氢气还原制备了Rh纳米粒子,用于催化苯加氢的反应中,经5次总转化数循环就超过20000,是目前纳米簇催化苯加氢记录的5倍多[32,33];该纳米粒子用于催化烷基取代的芳烃、苯酚、4-正丙基苯酚等底物加氢也取得了较好的效果。Rh纳米粒子是在咪唑离子液体和新型吡咯烷酮修饰的“类离子液体(ionic liquid like)”的共同作用下获得的,而单独使用离子液体或者聚合物时制备的纳米粒子在相同条件下基本无活性,这说明此种铑催化剂的高度稳定性和高活性源于离子液体和吡咯烷酮聚合物的共同作用。

张季春等[34]以1-甲基-3-(-乙烯基苯甲基)咪唑氯化物(PMVBIC)离子液体为聚合物前驱物,用NaBH4还原HAuCl4制备了稳定的金纳米粒子,表征发现PMVBIC能有效地稳定纳米金粒子,而且PMVBIC和NaBH4的浓度对金纳米粒子的粒径、形状和分散性具有明显影响。

2.2 无机载体负载的离子液体-金属纳米粒子

Huang[35]等合成了以分子筛为载体、用离子液体四甲基胍乳酸盐(TMGL)稳定的金属钯纳米粒子催化剂。该催化剂在相对温和条件下,对环己烯、环己二烯及1-己烯的催化氢化反应表现出很高的催化活性,转化率接近100%,单次转换频率分别为28.3 h-1、65.3 h-1、66.7 h-1。离子液体被分子筛负载分散,大大提高了反应的界面,克服了离子液体对氢气的低溶解性,使氢气更容易接近催化剂钯的活性中心。TMGL与钯较强的配位作用,使纳米金属钯催化剂非常稳定,并没有随催化反应进行发生聚集而失活,从而保证了催化剂的高活性和长寿命。后来他们在SBA-15分子筛上负载的离子液体TMGL中,以RuCl3为前驱物用还原法制备了Ru纳米粒子[36],其催化环己烯加氢的活性也很高,转换频率达到3644 h-1,其催化活性接近甚至超过Ru纳米簇催化活性。Miao等[37,38]以同样的方法在蒙脱土和绿坡缕石上负载的离子液体TMGL中制备了Ru纳米粒子,其催化环己烯加氢也表现出很高的活性。相信用同样的方法也可以制备出其它金属纳米粒子。

3 结论与展望

离子液体以其良好的物理化学特性,为无机纳米材料的合成开拓了一条崭新的途径,并且在离子液体中制备出了许多具有高催化性能的金属纳米粒子。制备离子液体稳定的金属纳米粒子的关键是选择适宜的离子液体,能有效地阻止金属纳米粒子间发生团聚;有时还需要其它稳定剂与离子液体共同作用制备金属纳米粒子,更有效地防止金属纳米粒子的流失,以期获得更好的催化效果。由于离子液体稳定的金属纳米粒子在催化反应时与反应介质形成均相或液-液两相体系,在催化剂的分离回收方面存在一定局限性。为克服此问题,一种行之有效的方法是将离子液体-纳米粒子体系进行负载化。制备负载型离子液体-金属纳米粒子的关键是合成具有一定功能化的离子液体,使其能和载体之间形成强的键合作用,同时要对金属纳米粒子具有较强的溶解能力。目前,离子液体中制备金属纳米粒子方面的研究工作还处于初期阶段,离子液体在金属纳米粒子制备中所起的作用及纳米粒子的形成机理及其催化作用机理还有待于进一步深入研究。

摘要：离子液体作为一种新型的绿色溶剂和稳定剂,已成功应用于制备金属纳米粒子。与传统的溶剂和稳定剂相比,它具有许多独特的物理化学性质和鲜明的优势,已引起越来越多研究者的关注。本文对近年来国内外在离子液体中制备金属纳米粒子及其催化作用的研究进行综述,并对该领域的研究前景作了展望。

金属纳米材料制备技术的研究进展 篇8

[摘 要]光电材料制备与加工技术是光电材料专业的必修课，该课程涉及内容广泛和实践性很强。结合新型的教学技术和实际教学情况，提出在教学过程中引入微课教学和创新实验教学等新型教学方式，提高学生的学习热情和学习效率，改善教学质量，实现光电功能材料专业人才培养，提高学生就业和创业的竞争力。

[关键词]光电材料；微课教学；创新实验教学

[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 2095-3437（2016）02-0123-02

信息、能源和材料是目前国民经济的三大支柱，尤其自20世纪90年代末开始，世界各国积极发展光电市场，极大促进了光电产业的发展。光电产业以光电技术为核心，光电材料制备为基础，实现光电器件的生产与制造，光电产业涵盖发光二极管、光伏发电、光通信、激光等各领域。光电产业作为一门新兴的高新技术产业，自2004以来一直快速稳步增长，据预计2015年其产值将达9631亿美元。光电产业将成为21世纪最大产业，各个国家对于该产业发展及其人才培养都投入了大量的人力物力，例如美国率先在亚利桑那大学建立“美国光谷”，我国也在武汉也建立“中国光谷”。光电产业被认为是21世纪全球经济发展的“战略性行业”之一。目前，发达国家光电产业非常完备，已进入大规模商业化阶段。而我国光电产业尚在起步阶段，光电技术及光电人才的不足极大影响了光电产业的发展。光电产业的发展急需大量的具有扎实的半导体物理、光电技术和材料制备技术等基础知识的综合性人才，尤其是偏重于光电材料及其制备方面的工程类人才极度欠缺。为了迎合光伏产业发展的需求，各高校积极培养光电材料方向的创新性技术人才。辽宁工业大学材料科学和工程学院开设了光电材料和器件方向专业，积极培养光电材料方向人才。光电材料制备与加工技术是光电材料与器件专业的必修课，介绍了各种光电器件的基本结构、工作原理和各种制备工艺，着重从材料制备和性能的角度出发，主要阐述了光电材料的制备技术以及材料的成分、结构及缺陷和对各种光电器件的影响。由于该课程开课时间较晚，课程内容较新，如何讲授好光电材料加工与制备技术这门课仍然在探索过程中。

一、教学中存在的问题

1.光电材料制备与加工技术课程的综合性较强，几乎涵盖了信息、能源和材料三大领域，因此教学内容比较广泛而且抽象，使学生难以理解，各个知识点也比较分散，课程学习的连续性差。一般课程安排只有40学时内，因此很难在规定的学时内将所有内容讲授清楚，尤其对于材料科学与工程学院的学生，半导体物理方面知识比较薄弱，对于光电器件的理解不够透彻，更增加了讲授难度。

2.该课程涉及的制备及加工技术部分的实践性较强，很多的生产设备及其工艺过程很难用简单的示意图来表达清楚，单纯的理论教学不能满足学生对光电材料的直观认识，导致教学效果不佳。如果能够带领学生到半导体企业和光电器件生产企业参观实习，较为理想，但是受多数高校条件限制，无法满足学生实习需求，例如：辽宁工业大学所处区域范围内的半导体企业较少，异地实习所需时间较长，花费较大，难以满足学生需求。

3.光电材料制备与加工技术也是一门创新性较强的学科，光电材料发展非常迅速，相对而言，其教材教学内容相对滞后，如何使学生紧跟学科前沿，了解最新学科动态，培养认识事物探索知识能力，成为创新性技术人才是另一难题。

针对以上提出的教学难题，本论文提出几种教学方案，通过引入微课教学和创新实践教学，提高学生学习热情，进而提高光电材料制备与加工技术课程教学质量。

二、微课教学的引入

微课教学概念是在当前通信技术发展的基础上出现的一种新型的教学手段，以其直观可视、短小精悍、重点突出等特点，在高等教学界受到教育工作者的极大重视，并应用到教学中，取得十分理想的效果。微课教学是以视频教学为主要载体，围绕某个知识点开展的简短、完整的教学活动。这种教学视频，学生可以随时随地的通过各种移动终端的接受设备，比如手机、手提电脑等加以展示，利用自己零散的碎化时间来快速学习自己想要了解的知识点和教师在课堂上的教学内容。

光电材料制备与加工技术这门课程所包含的光电材料及器件较多，知识点比较分散。光电器件包括各种太阳能电池、光电倍增管、发光二极管、摄像管和光电二极管等；光电材料包括光伏材料、光电子发射材料、光电导材料、透明导电薄膜材料和光电显示材料等。然而由于课程学时限制，无法将所有器件和材料情况一一阐述，例如，本课程的第三章太阳能电池制备，主要介绍各种太阳能电池的工作原理、结构以及电池工艺过程，其中所涉及的电池种类繁多，知识点零散，无法利用课堂有限时间将所有电池的工作原理和结构一一阐述。在本课程引入微课教学，将部分太阳能电池的结构和光电转换通过视频的形式展示出来，而且每个视频包含一个知识点，授课目的明确，充分发挥多媒体教学的优势，学生通过直观观察可以更好的理解，达到教学目的。

光电材料制备与加工技术课程涉及的制备及加工技术部分的实践性较强，很多的生产设备及其工艺过程难以用文字和简单图形表达清楚，导致学生理解困难，失去学习兴趣，无法达到教学目的。例如，在讲授单晶硅光电材料制备工艺流程时，单晶硅的制备包括：籽晶的制作、原料的清洗与处理、装料、多晶硅熔融、种晶、缩颈、放肩、等径以及收尾等多步工序，工艺过程繁琐，仅从简单的工艺流程图很难讲述清楚。而利用微课教学模式，可以通过模拟单晶硅现场的工艺过程将整个单晶硅制备流程视频展示出来，学生可以通过观看生动的视频，进而了解单晶硅生产的整个过程，该种教授形式直观、生动，便于理解，解决了学生无法现场实习的问题。

微课教学作为一种新型的教学模式，教学形式灵活、授课时间短，不再局限于课堂，学生的注意力集中，提高了学习效率。微课教学充分利用学生的课外时间，进行知识传授，可以很好解决课时不足的问题，拓展了学生的知识面，具有重要的意义。

三、创新实验教学引入

培养创新性的人才是目前光电材料学科的关键问题，也是难题之一。相对于光电科学发展的速度，课堂内的教学受时间限制，教学内容相对滞后。为了使学生了解最新光电材料发展动态，应调动学生学习热情，拓展学生视野，进而提高学生创新能力。本文提出在光电材料制备与加工技术的教学环节中引入创新性的实验，将先进光电材料生长设备和光电检测设备引入课堂，开展一系列的光电材料制备和器件性能测试实验，让学生掌握各种光电材料的制备流程，熟悉光电器件的工作原理，起到事半功倍的作用，同时还可以让学生在实验过程中不断思考和探索一些前瞻性的科学研究问题。例如，磁控溅射制备光电薄膜材料实验，通过现场操作和原理讲解，使得学生能够深刻理解光电薄膜的生长过程、生长原理，引导学生思考如何提高光电薄膜材料质量等问题，培养学生的创新思维。此外，可以在教学过程中将教学和科研统一起来，引导学生参与教师的科研工作，形成对科研工作的感性认识，进而培养学生的创新精神。

四、结语

光电材料制备与加工技术是一门综合性和实践性较强的新兴学科，课程几乎涵盖了信息、能源和材料三大领域，要求光电材料方向人才不仅具有较广泛的基础知识，也要具有较强的创新能力。在教学过程中，引入微课教学和创新实验教学，微课教学形式灵活、授课时间短，不再局限于课堂，提高了学习效率，可以很好解决课时不足的问题，拓展了学生的知识面。创新实验教学不仅能拓展学生视野，还能培养其探索事物的能力，提高其创新的能力，使他们成为创新性技术人才。

[ 参 考 文 献 ]

[1] 谢卫红.科研促进教学的途径[J].中国冶金教育，2007（2）：75-77.

[2] 胡铁生，黄明燕，李民.我国微课发展的三个阶段及其启示[J].远程教育杂志，2013（6）：36-42.

[3] 朱晓东.材料专业物理化学教学改革探索[J].教育与教学研究，2011（12）：90-92.

氧化锌纳米材料制备及应用研究 篇9

摘要：综合叙述了以纳米ZnO半导体光催化材料的研究现状。主要包括纳米光催化材料的制备、结构性质以及应用，同时结合纳米ZnO的应用和光催化的优势阐述了后续研究工作的主要的研究方向。

关键词：纳米；光催化；应用

1.1 ZnO光催化材料的研究进展

纳米氧化锌的制备技术国内外有不少研究报道，国内的研究源于20世纪90年代初，起步比较晚。目前，世界各国对纳米氧化锌的研究主要包括制备、微观结构、宏观物性和应用等四个方面，其中制备技术是关键，因为制备工艺过程的研究与控制对其微观结构和宏观性能具有重要的影响[1]。综合起来，纳米氧化锌的化学制备技术大体分为三大类：固相法、液相法和气相法。1.1.1固相法

固相法又分为机械粉碎法和固相反应法两大类，前者较少采用，而后者固相反应法，是将金属盐或金属氧化锌按一定比例充分混合，研磨后进行燃烧，通过发生固相反应直接制得超细粉或再次粉碎的超细粉。固相配位化学反应法是近几年刚发展起来的一个新的研究领域，它是在室温或低温下制备可在较低温度分解的固相金属配合物，然后将固相产物在一定温度下热分解，得到氧化物超细粉。运用固相法制备纳米氧化锌具有操作和设备简单安全，工艺流程短等优点，所以工业化生产前景比较乐观，其不足之处是制备过程中容易引入杂质，纯度低，颗粒不均匀以及形状难以控制。

王疆瑛等人[2]以酒石酸和乙二胺四乙酸为原料，采用固相化学反应法在450℃热分解4h得到具有纤锌矿结构的ZnO粉体，通过X射线衍射及透射电镜结果分析，合成的产物粒径均小于100nm，属于纳米颗粒范围，而且颗粒大小均匀，粒径分布较窄，并采用静态配气法对气敏特性的研究发现，对乙醇气体表现了良好的灵敏性和选择性。1.1.2气相法

气相法是直接利用气体或通过各种手段将物质变为气体并使之在气体状态下发生物理或化学变化，最后在冷却过程中凝聚长大形成超微粉的方法。气相法包括溅射法、化学气相反应法、化学气相凝聚法、等离子体法、激光气相合成法、喷雾热分解法等。运用气相法能制备出纯度高、分散性好的纳米氧化锌粉体，但是其工艺复杂，设备昂贵，一般需要较高的温度和能耗。

赵新宇等[3]利用喷雾热解技术，以二水合醋酸锌为前驱体通过研究各操作参数对粒子形态和组成的影响，在优化的工艺条件下制得20-30nm粒度均匀的高纯六方晶系ZnO粒子。研究发现，产物粒子分解程度随反应温度的提高、溶液浓度和流量程度的降低而增大，随压力的升高先增大后略有减小，粒子形态与分解程度密切相关，只有当分解程度高于90%以上，才能获得形态规则、粒度均匀的产物粒子，并且由理论计算和实验结果的比较推断出喷雾热解过程超细ZnO粒子的形成机理为一次粒子成核-分裂机理。

1.1.3液相法

液相法制备纳米微粒是将均相溶液通过各种途径使溶质和溶剂分离，溶质形成一定形状和大小的颗粒，得到所需粉末的前驱体，热解后得到纳米微粒。液相法是目前实验室和工业广泛采用的制备纳米粉体的方法。与其他方法相比，该法具有设备简单，原料容易获得，纯度高，均匀性好，化学组成控制准确等优点，主要用于氧化物超微粉的制备。因此本课题也就是基于此来研究几种液相法制备纳米级氧化锌粉体的机理及其工艺。液相法包括沉淀法、水解法、水热法、微乳液法、溶胶-凝胶法等。

(1)沉淀法。

沉淀法是液相化学合成高纯纳米粒子采用的最广泛的方法。它是把沉淀剂加入金属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物加热分解，得到所需的最终化合物产品的方法。沉淀法可分为直接沉淀法和均匀沉淀法。直接沉淀法优点是容易制取高纯度的氧化物超微粉，缺点是易于产生局部沉淀不均匀。为避免直接添加沉淀剂产生局部浓度不均匀，可在溶液中加入某种物质使之通过溶液中的化学反应，缓慢的生成沉淀剂，即均匀沉淀法，此法可获得凝聚少、纯度高的超细粉，其代表性的试剂是尿素。

祖庸等[4]以硝酸锌为原料，尿素为沉淀剂，采用均匀沉淀法分别制得了粒径为8-60nm的球形六方晶系ZnO粒子，粒度均匀、分散性好。并且为了考察小试数据的可靠性和进一步给中试提供数据，进行了28倍和168倍放大试验，产品收率达89%，为进一步工业化打下良好的基础。

(2)溶胶-凝胶法。

溶胶-凝胶法是将金属醇盐(如醋酸锌等)溶解于有机溶剂(如乙醇)中，并使醇盐水解，聚合形成溶胶，溶胶陈化转变成凝胶，经过高温锻烧制得ZnO纳米粉体。也可在真空状态下低温干燥，得到疏松的干凝胶，再进行高温锻烧处理。该法制备的氧化物粉末粒度小，且粒度分布窄，可以通过控制其水解产物的缩聚过程来控制聚合产物颗粒的大小。但由于金属醇盐原料有限，因此也出现了一些应用无机盐为原料制备溶胶的方法。

丛昱等[5]以草酸锌为原料、柠檬酸为络合剂，通过溶胶-凝胶法对Zn(OH)2凝胶在400℃下锻烧2h获得结晶型圆球状六方晶型纳米级ZnO超细粉，纯度为99.25%(wt)，平均粒径为30nm，粒径分布范围窄。曹建明[6]分别以草酸、柠檬酸和柠檬酸为络合剂，利用溶胶-凝胶法制备了ZnO超细粉体。通过实验摸索出制备小粒径ZnO的最佳工艺条件为：草酸浓度0.3mol/L，乙酸锌浓度0.2mol/L，它们之间的摩尔比为3:1，经分析此时所得ZnO微粉为六方晶型，平均晶粒尺寸在 15.3nm左右，从激光散射测试结果得知，ZnO纳米颗粒在水溶液中存在着软团聚，团聚体最小尺寸为79.4nm，并且对丁烷气体表现出良好的敏感性，可用于制备丁烷传感器。

(3)微乳液法。

微乳液法是两种互不相容的溶剂，在表面活性剂作用下形成乳液，在微泡中经成核、凝结、团聚、热处理后得到纳米微粒。与其他化学法相比，微乳液法具有微粒不易聚结，大小可控且分散性好等优点。

崔若梅等[7]以无水乙醇作辅助表面活性剂，Zn(CH3COO)2·2H2O为原料，添加到十二烷基苯磺酸钠、甲苯、水和吐温80、环己烷、水自发生成的两种不同的微乳液体系中制备出平均粒径位25nm和30nm的超细ZnO粒子，粒度分布均匀，样品纯度也较高。冯悦兵等[8]也采用不同的微乳体系合成了粒径在10-30nm之间的超细ZnO球形粒子,粒度均匀，分散性好，与普通氧化锌相比，粒径减小了一个数量级，并具有特殊的光学性能，即在可见光区有良好的透光率，在紫外区表现出强的宽带吸收，特别是长波紫外线有很强的吸收能力。杨华等[9]采用双微乳液混合法制备了纳米ZnO粉体，经研究分析，所得产物为球形六方晶系结构，平均粒径27nm，粒径尺寸分布范围较窄，99%的颗粒在纳米级范围。另外，还有人用超声辐射沉淀法、水解加热法、超临界流体干燥法等液相法也制得了纳米氧化锌粉体。

随着纳米材料科学技术的进一步发展，新的制备合成工艺被不断的提出并得到利用。国外对纳米氧化锌的研究相对已比较成熟，许多厂家已将先进的技术实现了产业化，制造出高品质的纳米氧化锌产品。目前，山西丰海纳米科技有限公司作为全国最大的纳米氧化锌专业生产企业，现生产能力己达5000 t/a，二期工程正在扩建阶段，完成后生产能力将达到30000 t/a。成都汇丰化工厂开发出纯度大于99.7%、平均粒径为20nm的高纯度纳米级氧化锌，并建成500 t/a的生产线。该厂生产的高纯纳米级氧化锌成本仅有进口的1/10，可广泛用于防晒化妆品、抗菌自洁卫生洁具、压敏及其它功能陶瓷、冰箱空调微波炉用抗菌剂、高级船舶用涂料、高级汽车面漆、气体传感器、光催化剂以及航天航空领域 [10]。

1.2 ZnO的结构和性质

ZnO 晶体具有四种结构：纤锌矿相（四配位，六角结构，B4）、闪锌矿相（也是四配位，但和 B4 相原子排列不同）、NaCl 结构（也叫岩盐结构，B1）和 CsCl 结构（B2）。通常情况下，ZnO 以纤锌矿结构存在，当外界压强增大，大约是 9.6GPa 时向岩盐结构转变，当外界压强增大到 200 GPa 时，向 B2 相转变，而闪锌矿是在生长时形成的亚稳态结构。ZnO 的纤锌矿结构如图1.1 所示，有三个结晶面：(0001)、(10-10)和(11-20)，其相应表面能量密度分别为 0.99、0.123 和 0.209 eV/A2,(0001)面的表面自由能最小[11]。

ZnO 属于宽带隙半导体材料，室温下其禁带宽度为 3.37 eV，激子束缚能高达60meV，ZnO 具有较高的热稳性，无毒、无臭，是一种两性氧化物，能溶于强酸和强碱溶液，不溶于水和乙醇。纳米级的 ZnO 是一种人造粉体材料，由于其表面效应和体积效应，使其在磁性、光吸收与催化等方面具有奇异的性质。

各种形貌的 ZnO 材料可以采用不同的合成方法制得，例如棱镜型、椭圆型、笼型、球型、管、空心管、针状、笔状、花状、哑铃型、纳米丝、纳米竿和纳米束等[12]。在这些纳米构型中，一维（1D）ZnO 如纳米丝和纳米杆备受关注，尤其是溶液合成法制得的产品，因为此方法可以在低温下进行，且简单又经济实用。一方面因为一维纳米结构具有特殊的电子转移特性，常用于电子器件；另一方面由于 ZnO 独特的六方型晶体特征使其易于生成一维结构。由溶液合成法得到的延长 ZnO 材料同时具有极性和非极性，通常情况下，ZnO 核原子容易沿极性方面聚集而成一维结构（轴向生长），但是，如果加入成核改良物质使极性纯化，轴向生长受到抑制而易得到扁平结构如薄片或平板状 ZnO（横向生长），因此选择合适的改良剂，可以选择性的得到不同结构型貌的 ZnO晶体，以便开发新的用途[13]。

图.1.1 ZnO 的晶体结构-具有三个取向面(0001)、(10-10)和(11-20)的纤维矿结构

晶格常数为a=3.25A , c=5.2A, Z=2.最近，二维（2D）多孔 ZnO 纳米薄片因其同时具有薄层形貌和多孔结构，可以显著地提高其在光致发光和气敏元件应用方面的性质而备受瞩目，相对于低维（1D 和 2D）结构，三维（3D）结构更易具有特殊的性质，是目前研究的热点[14]。

1.3纳米ZnO粉体的应用

纳米氧化锌是由极细晶粒组成、特征维度尺寸为纳米数量级(1-100nm)的无机粉体材料，与一般尺寸的氧化锌相比，纳米尺寸的氧化锌具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等，因而它具有许多独特的或更优越的性能，如无毒性、非迁移性、荧光性、压电性、吸收散射紫外能力等[15]。这些特性的存在进一步推广了氧化锌的应用，例如用作气体传感器、变阻器、紫外屏蔽材料、高效光催化剂等。1.3.1气敏材料[16]

环境污染目前是在全球范围内广受关注的问题。由于可挥发有机物(VOCs)广泛应用于染料、药物、塑料、橡胶、室内装修等行业，与人们的日常工作和生活有着密切的关系。人吸入过量的VOCs，会导致或加重过敏、哮喘、癌症、肺气肿等症状的发生。特别是近年来，由于室内装修空气质量不合格而导致住户死亡的报道屡见不鲜，人们对VOCs的检测提出了新的更高的要求。纳米材料的发展和应用已成为气敏材料的研究热点，这是因为纳米材料具有特殊的结构和效应，使其显示出良好的气敏特性。ZnO是最早使用的气敏材料，与广泛使用的SnO2相比，工作原理相同，检测灵敏度较SnO2低，除此之外，其它性能并不逊色，而且还具有价格便宜，适宜制备等优点。所以目前国内外在这方面的研究很多。ZnO气敏元件主要有烧结型、厚膜型、薄膜型三种。虽然目前薄膜型ZnO的研究非常活跃，但烧结型和厚膜型元件具有制作简单、价格便宜和检测方便等优点，易于使用化，有很好的应用前景，而这类元件都是以颗粒状ZnO为基础的，所以制备出纳米级ZnO颗粒是制备气敏元件的第一步。

新疆大学应用化学研究所沈茹娟等人以酒石酸和乙二胺甲基酸为原料，通过固相反应法制备的气敏材料氧化锌，测试了材料在不同工作温度下对乙醇、氨气、液化石油气的灵敏度。实验结果表明，所合成的纳米氧化锌具有工作温度低、对乙醇气体灵敏度高的特点。1.3.2光催化污水处理材料[17]

随着我国工业的飞速发展，一些化工厂、印染厂、造纸厂、洗涤剂厂、食品厂等工厂的有机物废水排放越来越受到环境保护法规的制约，而目前常用的有机物废水处理技术难以达到有效的治理。物理吸附法、混凝法等非破坏性的处理技术，只能将有机物从液相转移到固相，不能解决二次污染问题。而化学、生化等处理技术除净度低，废水中有机物含量仍远远高于国家废水排放标准。半导体多相光催化是近20年发展起来的新兴领域，许多有机化合物如烃、卤代烃、有机酸类、多环芳烃、取代苯胺、杂环化合物、表面活性剂、酚类、农药、细菌等都能有效地进行光催化降解反应生成无机小分子。因反应体系在催化剂作用下将吸收的光能直接转化为化学能，使许多难以实现的反应在温和的条件下顺利进行，能量消耗低，不会产生二次污染，应用范围相当广泛，对解决日益严重的农药废水污染问题极具有实用和推广价值。目前，人们对纳米TiO2催化剂进行广泛的研究，主要集中在水中污染物的光催化降解中，如降解苯酚、有机磷农药、染料等。由于纳米TiO2成本比较高、设备投资大等缺点，其应用受到限制，而纳米ZnO作为一种新型的功能材料，由于成本低廉，在光催化领域将具有很好的应用前景。

纳米ZnO是一种很好的光催化剂，在紫外光的照射下，能分解有机物质，能抗菌和除臭。水中的有害有机物质如有机氯化物、农药、界面活性剂、色素等，用目前的水处理技术充分去除是困难的。近年来广泛进行了把这些物质用光催化剂分解处理的尝试，已经召开了几届有关这方面的国际会议。其中重要的光催化剂包括氧化钛和氧化锌等。氧化锌作为光催化剂可以使有机物分解，研究表明，纳米氧化锌粒子的反应速度是普通氧化锌粒子100-1000倍，而且与普通粒子相比，它几乎不引起光的散射，且具有大的比表面积和宽的能带，因此被认为是极具应用前景的高活性光催化剂之一。1.3.3抗菌自洁陶瓷材料[18]

随着科技的进步，社会的发展和人民生活水平的提高，健康的生存环境日益成为人类的追求目标，环境保护问题已不可避免的越来越受到重视。抗菌(杀菌)陶瓷是一种保护环境的新型功能材料，是抗菌剂、抗菌技术与陶瓷材料结合的产物，也是材料科学与微生物学相结合的产物，是利用高科技抑制和杀灭细菌，使传统的产品增加科技含量的典型例证。它在保持陶瓷制品原有使用功能和装饰效果的同时，增加消毒、杀菌及化学降解的功能，即它具有抗菌、除臭、保健等功能，从而能够广泛用于卫生、医疗、家庭居室、民用或工业建筑，有着广阔的市场前景，已成为高技术产品研究的热点之一。现今用于陶瓷制品的抗菌材料主要是无机抗菌材料，按照抗菌材料的不同，抗菌陶瓷主要分为载银抗菌陶瓷和光触媒抗菌陶瓷，纳米光催化抗菌陶瓷具有抗菌持久、杀菌彻底、无毒健康、环境友好等优点，是传统银系抗菌陶瓷的换代产品。

纳米光催化抗菌陶瓷制品在色釉、形貌及力学性质上与传统的卫生陶瓷和建筑陶瓷相同，只需在未烧成的卫生陶瓷釉面上喷涂一定厚度的涂层并与卫生陶瓷上的釉形成混合层，干燥，高温烧结而成。纳米ZnO抗菌陶瓷就是将一定量的ZnO、Ca(OH)

2、AgNO3等制成涂层，由以下三种方法制成：(1)将含纳米ZnO釉涂在陶瓷坯釉面上而后烧成；(2)将含纳米氧化锌抗菌釉与传统釉料混匀后涂在陶瓷坯上烧成；(3)将氧化锌抗菌陶瓷釉直接涂在陶瓷坯面上烧成。但是目前光触媒应用于抗菌陶瓷最多的还是TiO2，关于纳米ZnO抗菌陶瓷的报道还很少。1.3.4半导体材料

作为重要氧化物半导体，纳米ZnO由于良好的光电性能早就引起人们的重视。研究表明，纳米ZnO存在很强的紫外及蓝光发射，可用于新型发光器件。

目前，人们已研制出ZnO纳米线、纳米管、纳米带，这些纳米材料表现出许多特异的性质。美国亚特兰大佐治亚理工学院王中林等在世界上首次获得了具有压电效应的半导体纳米带结构，进而又研制出了具有压电效应的纳米环。这种新型结构可用于微、纳米机电系统，是实现纳米尺度上机电藕合的关键材料，在微/纳米机电系统中有重要的应用价值，利用这种纳米带(环)的压电效应，可以设计研制各种纳米传感器、执行器、以及共振藕合器、甚至纳米压电马达。利用其优秀的光电性能，纳米ZnO半导体在纳米光电器件领域具有广阔的应用前景，如纳米尺度的激光二极管、紫外激光探测器等。利用ZnO的紫外发光特性，可以做成超小型的激光光源。杨培东[19]等在只有人类头发丝千分之一的纳米导线上制造出世界上最小的激光器—纳米激光器。这种激光器不仅能发射紫外光，经过调整后还能发射从蓝光到深紫外的光。室温下，纳米导线中的纯氧化锌晶体被另一种激光激活时，纯氧化锌晶体可以发射出波长只有17nm的激光。这种氧化锌纳米激光器是当今世界上最小的激光器，而且是从纳米技术诞生以来的第一项实际的应用，最终可能被用于鉴别化学物质、提高计算机磁盘和光子计算机的信息存储量。1.3.5磁性材料[20]

磁性材料是电子信息产业发展的基础，工业上广泛使用的锰锌铁氧体(Mn1-xZnx)Fe2O4，其化学成分的比例为Fe2O3:MnO:ZnO=(52.6:35.4:12.0)mol=(70.65:1.13:8.22)wt%，这是一种软磁性材料，具有很好的磁性能(如导磁率可达4000等)，该磁性材料的制造工艺极为复杂，需在1300℃下进行烧结。如果采用纳米ZnO作原料，不仅可以简化制造工艺(如不需球磨加工就能达到粒度要求直接配料等)，而且还可以提高产品的均一性和导磁率，减少产品在烧制过程中破裂的损失，降低烧结温度，使产品质量显著提高。1.3.6橡胶及涂料材料

在橡胶工业，纳米氧化锌是一种重要的无机活性材料，其不仅可降低普通氧化锌的用量，还可以提高橡胶产品的耐磨性和抗老化能力，延长使用寿命，加快硫化速度，使反应温度变宽。在不改变原有工艺的条件下，橡胶制品的外观平整度、光洁度、机械强度、耐磨度、耐温性、耐老化程度等性能指标均得到显著提高。

纳米氧化锌能大大提高涂料产品的遮盖力和着色力，还可以提高涂料的其它各项指标，并可应用于制备功能性纳米涂料。在涂料应用中，纳米氧化锌的紫外屏蔽性能是其中最大的开发点之一。以往常用的抗紫外剂多为有机化合物，如二甲苯酮类、水杨酸类等，其缺点是屏蔽紫外线的波段较短，有效作用时间不长，易对人体产生化学性过敏，存在有不同程度的毒性。金属氧化物粉末对光线的遮蔽能力，在其粒径为光波长的1/2时最大。在整个紫外光区(200-400nm)，氧化锌对光的吸收能力比氧化钛强。纳米氧化锌的有效作用时间长，对紫外屏蔽的波段长，对长波紫外线(UVA，波长320-400nm)和中波紫外线(UVA，波长280-320nm)均有屏蔽作用，能透过可见光，有很高的化学稳定性和热稳定性。同时由于纳米氧化锌的导电性也使涂层具有抗静电能力，提高了涂层的自洁功能。因此，充分利用纳米氧化锌的这些特性可以制备各种纳米功能涂料。例如：将一定量的超细ZnO·Ca(OH)2·AgNO3等加入25%(wt)的磷酸盐溶液中，经混合、干燥、粉碎等再制成涂层涂于电话机、微机等表面，有很好的抗菌性能。添加纳米ZnO紫外线屏蔽涂层的玻璃可抗紫外线、耐磨、抗菌和除臭，用作汽车玻璃和建筑玻璃。在石膏中掺入纳米ZnO及金属过氧化物粒子后，可制得色彩鲜艳、不易褪色的石膏产品，具有优异的抗菌性能，可用于建筑装饰材料。舰船长期航行、停泊在海洋环境中，用纳米氧化锌作为原料，制备舰船专用的涂料，不仅可起到屏蔽紫外线的作用，还可以杀灭各种微生物，从而提高航行速度并延长检修期限。1.3.7日用化工[21]

纳米氧化锌无毒、无味、对皮肤无刺激性、不分解、不变质、热稳定性好，本身为白色，可以简单的加以着色，价格便宜。而且氧化锌是皮肤的外用药物，对皮肤有收敛、消炎、防腐、防皱和保护等功能。可用于化妆品的防晒剂，以防止紫外线的伤害。纳米ZnO还可以用于生产防臭、抗菌、抗紫外线的纤维。例如，日本帝人公司生产的采用纳米ZnO和SiO2混合消臭剂的除臭纤维，能吸收臭味净化空气，可用于制造长期卧床病人和医院的消臭敷料、绷带、尿布、睡衣、窗帘及厕所用纺织品等。日本仓螺公司将ZnO微粉掺入异形截面的聚醋纤维或长丝中，开发出世界著名的防紫外线纤维，除具有屏蔽紫外线的功能外，还有抗菌、消毒、除臭的奇异功能，除用于制造手术服、护士服外，还可制造内衣、外装、鞋、帽、袜、浴巾、帐篷、日光伞、夏日服装、农用工作服、运动服等。1.3.8其它领域应用[22]

随着人们对纳米氧化锌性能认识的深化，纳米氧化锌的应用领域在不断扩大。例如利用活性炭、多孔陶瓷、金属网等材料做载体，负载纳米ZnO光催化剂，制成空气净化材料，可以作为空气净化器的核心部件。近年来开发的片式叠层纳米氧化锌压敏电阻器具有响应时间短、电压限制特性好、受温度影响小、通流能力大等特点，因而被广泛应用在IC(集成电路)保护和互补金属氧化物半导体、场效应管器件保护及汽车线路保护等方面。此外，纳米氧化锌在电容器、荧光材料、表面波材料、图像记录材料、抗静电复合材料等方面也表现出极其广阔的应用前景。

1.4.准备开展工作

我国经济的发展，与制造业、重工业的兴旺是分布开的。然而，这些工厂的发展的同时，也带来了很严重的环境问题——废水、废气、废渣，这些影响着人们的健康。焦化、农药、医药、化工、染料、树脂等行业，范围广，数量多，是环境污染物主要制造者。由于有机类物质具有致癌、致畸形、致突变的潜在毒性，已被各国环保部门列入环境优先污染物黑名单，也是重点监测和治理的对象之一。因此，废水的处理一直是环境保护研究中倍受关注的课题。

目前国内外处理废水的常用方法主要有吸附法、化学氧化法、溶剂萃取法、液膜法、离子交换法和生化法等，各种方法都有自身的优缺点。光催化氧化法属于化学氧化法的一种类型，是近年来发展起来的一种新型技术，由于其具有高效、价廉、对环境友好、容易循环使用等优点，在实验以亚甲基蓝为例，研究水中有机物的光催化降解，其中催化的原材料就是氧化锌和二氧化钛。这两种原料都简单易得、价格便宜、无毒无害，且其纳米颗粒具有良好的光催化性能，所以研究出高催化性能的光催化材料对于水的净化处理有着不言而喻的意义。在这种指导思想下，在后续研究工作中主要采用溶剂热法，以醋酸锌为原料，制备纳米级氧化锌粉体，并确定最佳的原料配比和工艺条件，同时利用X-射线衍射，透射电子显微镜和扫描电子显微镜等方法对制备的ZnO的微观结构进行了表征。希望可以制备出的形状和尺寸控制的氧化锌微粒。

参考文献