納米材料研究及制備技術進展

張叢睿

摘要：納米材料在現代社會生產中十分常用，而相對于發達國家，我國納米技術的研究起步較晚，發展還十分有限，本文主要從我國納米技術的研究情況、納米材料的種類以及應用范圍、納米材料的制備技術以及我國納米材料研究技術的展望幾個方面進行研究，希望有效推進我國納米材料研究步伐。

關鍵詞：納米材料;研究;制備技術;進展

前言

由于我國納米材料研究起步較晚，雖然經過幾年的發展，取得一些成績，但是，相對于發達國家來說，依然比較落后，一些主要技術依然要依靠技術引進。本文主要對我國納米材料研究的情況以及相應的制備技術進行研究，希望能給廣大研究人員一些啟發，進而有效地推進我國納米材料相關領域的研究。

1我國納米技術的研究現狀

在我國，納米技術的研究已經成為了一個十分熱門的專業，據不完全統計，國內已經先后成立了60多個研究小組，從事納米材料制備和應用研究的人員也在逐年增加。現有的納米材料生產線先后采用了化學、物理等多種方式制備出了氧化物、合金與金屬、碳化物、氮化物等多種納米粉體材料[1]。同時，建立了相應的生產體系，制作成了納米塊料、納米薄膜等材料，成功研制出了具有較高性能、形狀更加復雜、高致密度的納米陶瓷材料。

但是需要注意的是，我國的納米材料生產并沒有實現產業化，很多的技術都還處于研發的過程中。要想將研究成果轉化成生產力，還需要加強努力。要想做好我國的納米技術研究工作，技術人員可以嘗試從以下的幾個方面著手：首先，要做好納米技術的基礎研究工作以及應用方面的研究工作。其次，要鼓勵不同學科的研究人員參與到納米技術的研究中，大家在各自的領域中交叉創新，并實現技術的集成。此外，要重視應用納米技術來改變傳統的產品，提升產品的技術含量。最后，要重點關注納米生物學、納米醫學、納米電子學等領域的研究。

2納米材料的種類及主要的應用范圍

2.1納米材料的種類

納米材料的種類有很多，主要包括：納米纖維、納米粉末、納米復合材料、納米膜、納米結構、納米塊體等[2]。其中，納米粉末開發耗費的時間最長，相關技術也最成熟，同時納米粉末也是其他納米材料制備的前提。

納米纖維的制備中，主要采用的是產度較長且具備納米尺度的線狀材料，納米纖維材料可以用于新興激光材料、微導線、發光二極管材料、微光纖材料的制作中。

納米粉末又被稱作是超細粉或是超微粉，多數情況下指的都是粒度在100納米以下的顆粒或是粉末，是一種處于分子、宏觀物體、原子之間的固體顆粒材料。

納米復合材料主要指的是不同類型的納米微粒的復合，納米薄膜和納米微粒的復合，常規塊體與納米微粒的復合，也包括不同材質的納米薄膜自身的復合。這些化學材料都有屬于自己的化學性能和物理性能，包括納米復合陶瓷材料、納米微晶稀土材料等已經受到了人們廣泛的關注。

納米膜包括致密膜與顆粒膜兩種。其中，顆粒膜制備的主要原理就是將顆粒黏在一起，兩層薄膜之間一般會有十分細小的間隙，相對于顆粒膜來說，致密膜之間的層致比較緊密，主要可以用于制作過濾器材、光敏材料等。

納米結構主要是將納米尺度的物質按照一定的順序排列在一起，其主要包括三維的體系、二維的體系、一維的體系，屬于納米材料中一個十分特殊的分支。

納米塊體主要是通過控制金屬液體結晶或是對納米粉末進行高壓處理得到的。

2.2納米材料的主要應用范圍

納米材料的應用范圍十分廣泛，具體包括以下的幾個方面：

首先，在磁學、光電子學、納米電子學的領域有十分廣泛的應用。納米粒子有較強的宏觀隧道效應，其能夠最大限度地縮小微電子器件的體積。1997年，美國科學家成功研制出了移動單電子，其存儲容量和速度相對于傳統的材料來說都有了大幅度的提升，在這一研究成果的指導下，成功發明了量子計算機[3]。2001年，荷蘭科學家成功研制出了單電子納米碳管晶體管。以上這些發明，都給人們的生活帶來了巨大的變化。

其次，在生物學和納米醫學領域的應用。相對于我們體內的紅血球、細胞的體積來說，納米微粒的體積要小很多，這也為醫學研究做出了巨大的貢獻，現在已經得到了十分廣泛的應用。借助SO2微粒成功實現了人體細胞的分離，納米微粒新型藥物給廣大患者帶來了新的福音，局部定向治療使癌癥的治愈成為了可能。同時，生物芯片的研制也開始被廣泛的應用于人類遺傳診斷、藥物開發、臨床診斷等領域中。

此外，納米材料的使用也很好地推動了國防科技領域的發展，例如：納米電子元件就經常被作為虛擬戰場上的實時聯系工具使用，同時利用納米微機械系統制作的小型機器人可以幫助我軍完成危險性較大的打擊任務，借助一枚小型運載火箭就可以發射千萬顆衛星，同時，在隱身術的研究上，納米材料也有非常好的表現。

另外，納米材料也被廣泛地應用于陶瓷材料的生產中。韌性較強的陶瓷材料在強腐蝕、高溫等惡劣的工作環境中能夠發揮其他材料所無法取代的重要作用。對于傳統的陶瓷材料來說，脆性是一個一直都無法克服的缺點。納米陶瓷材料就能很好地解決傳統陶瓷材料脆性較強。容易損壞的問題，納米材料具備和金屬材料相似的超塑性，這也是在我國納米材料研究領域，專家們一直在重點關注的一個問題。例如：符合納米氧化鈦陶瓷在180攝氏度的高溫環境下，可以實現100%的塑性形變，及時是在室溫的條件下，也可以實現塑性形變。

除了以上提到的應用途徑之外，由于納米顆粒材料具備表面反應活性高、表面積大、催化效率高、表面活性中心多、吸收能力較強等優勢，因此，在化工催化領域有著十分優異的表現。例如：在火箭固體燃料中，將納米鎳粉主臥主要的催化反應劑，其燃燒效率可以增強至傳統催化材料的100倍。北京大學李飛孝教授就成功借助液相納米組裝技術研制出了第四代燃油添加劑，使燃油的燃燒效率得到了大幅度的提升。

3納米材料的制備方式的發展

3.1使用氣相法進行制備

氣相法主要指借助各種手段將不同的物質變為氣體，使材料能在氣體狀態下產生化學反應或是物理變化，最后將得到的氣體進行冷卻，得到需要的納米微粒。氣相法又可以分為化學氣相濺射法、化學氣相凝聚法、化學氣相反應法、氣體中蒸發法等。其中，借助氣體中蒸發法，科研人員已經制備出了30多種納米合金以及金屬材料、氧化物、納米陶瓷粉體等。

化學氣相反應法技術也已經十分成熟，現已被廣泛的應用于原子反應堆、特殊材料的制作、微電子材料的研制等領域[4]。同時，此項技術還可以用于金屬材料的制備，包括金屬氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等，通過化學氣相反應法制備的材料顆粒大小均勻，具有較好的分散性和較高的純度，化學反應活性要優于其他材料，工藝上可以進行控制，同時具有過程連續的優點。

3.2使用液相法進行制備

稀土納米氧化物的主要制備方式就是液相法。其中，以沉淀法應用最多，其出發點主要是均相的溶液，通過多種方式將溶劑與溶質分離，溶質會逐漸形成相應大小和形狀的顆粒，進而得到需要粉末的前驅體，將得到的粉末前驅體進行熱解操作，就可以得到納米微粒，經常使用的制備方式主要包括溶膠—凝膠法、沉淀法、輻射化學合成法、水解法、乳液法、噴霧法、氧化還原法、溶劑法、蒸發溶劑熱解法、溶劑法等。液相法在實驗室和工業生產中的應用十分廣泛，其主要具有生產運料容易取得、生產設備簡單、粉質均勻等優點，在超微粉的制備中應用十分普遍。

3.3使用固相法進行制備

固相法在制備粉體的過程中，主要是通過固相到固相的方式實現的，在實際的制備過程中，還會出現液相到固相、氣相到固相的狀態變化，其主要包括球磨法、熱分解法、溶出法、固相反應法、活法放電法等。我國的納米技術研究人員還成功的使用固相法制作出了納米氧化鈰，同時也有研究人員通過這種方式制備出了納米陶瓷的粉體。

作為一種傳統的制粉方式，固相法主要被用于粗顆粒的微細化工作中，由于其具有生產成本低、制備工藝簡單、產量高等優點，加之近幾年我國納米研究領域中氣流粉碎、高能球磨等方式的出現，固相法在對顆粒度以及純度要求不高的領域依然廣泛適用。但是，固相法普遍存在效率低、能耗大、研磨過程中容易出現雜質等問題，固相法主要可以分成化學法和物理法兩種。

4納米材料研究前景的展望

由于納米材料具備特殊光、磁、電、聲、熱、生物學、化學等方面的性能，因此被廣泛的應用于國防工程、宇航、計算機工程、磁記錄設備、生物工程、環境保護、化工、核工業等領域。不僅有效地推動了我國高科技領域的發展，同時，也給傳統產業的發展注入了新的活力[5]。可以預見，隨著納米材料制備技術的不斷發展以及納米材料應用范圍的不斷拓寬，其必將會對其他產業以及化學工業的發展帶來重大的影響。

在國際市場上，很多納米材料已經開始進入到了工業生產的領域，很多國際上大型的化學公司也紛紛將納米材料引入到自己的生產中。在日本、德國、美國等一些發達國家，還出現了很多專業考法納米材料的公司，其中，日本的高技術陶瓷應用研究始終在行業的前沿。在未來，納米材料的應用范圍也會更加廣泛，甚至有人曾經預言過：“一旦科研人員掌握了制造納米級材料裝置的技術，世界就會進入到納米新時代。”

我國研究人員已經將納米材料合成技術作為納米研究領域的一項重點內容來對待。現階段，我國已經擁有了專業的超微細粉體材料的生產單位，例如：鋁粉的生產已經初具規模，另外，碳酸鈣、氧化鋯、氧化硅、氧化鈦等材料的生產也應經有了非常好的發展。但是在我國，真正意義上的納米材料合成技術還處于研究與探索的階段，主要的納米材料合成技術研究還局限于高校以及具備研究條件的科研院所。近幾年，我國在納米材料的生產中，很多技術還主要依靠國外引進，但是，隨著研究的深入，一旦我們掌握了將普通化學材料轉化成納米材料的核心技術，經濟效益十分可觀，同時具有十分可觀的市場前景。

可以預見，在不久的將來，我國納米材料制備技術的研究也將出現新的突破，納米材料在工業生產中也將得到更加廣泛的應用，同時，對于此項技術的研究，也希望相關單位能夠給予高度的重視，為相關領域的研究提供更多的支持。

結語

綜上所述，諾貝爾獎羅雷爾在接受采訪時曾經提出過自己的觀點：“在70年代，大力開展微米技術研究的國家現在都已經躋身發達國家的行列，而納米技術的出現也給發展中國家的發展帶來了新的機遇，做好納米技術的研究工作，現在的發展中國家就可能是未來的發達國家。”雖然納米技術的研究還存在很多的問題，但是做好納米技術研究成果的轉化工作，將是我國社會發展不可多得的一個機遇。

參考文獻：

[1]陸靜蓉，朱炳龍，李靜，秦恒飛，岳喜龍，童霏，吳娟，樊紅杰，周全法.納米金材料的制備技術及應用研究進展[J].江蘇理工學院學報，2018，24（06）：33-37.

[2]趙春榮，楊娟玉，盧世剛.一維SiC納米材料制備技術研究進展[J].稀有金屬，2014，38（02）：320-327.

[3]郭衛凡.納米金屬材料研究與制備技術新進展[J].科技信息，2013（25）：71+88.

[4]陳亞芳，王保國，陳晉芳.納米復合材料的制備技術及應用進展[J].山西化工，2010，30（02）：27-30+61.

[5]翟旭東，徐政.利用生物技術制備納米材料的研究新進展[J].中國粉體技術，2010，16（02）：76-82.