纳米材料导论复习材料

纳米材料导论复习材料_——材料科学与工程专业

纳米材料导论复习大纲

第一章 纳米和纳米材料

1、掌握基本概念

纳米科学技术：纳米科技(英文：Nanotechnology)是一门应用科学，其目的在于研究纳米尺寸时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。

纳米材料：纳米材料是指在材料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。

2、纳米材料的分类，并举例说明。

纳米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。

第二章 纳米材料制备方法

1、纳米材料制备研究发展的三个阶段及纳米材料制备技术的分类。

三个阶段：

第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索各种手段制备纳米颗粒粉体，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。

第二阶段：（1990-1994年）关注的热点是设计纳米复合材料。纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合、纳米复合薄膜。

第三阶段（从1994年到现在）纳米组装体系研究。以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。

纳米材料制备方法的分类：

1 按学科分类：

物理方法、化学方法和综合法。

2 根据制备状态的不同，分为：

气相法、液相法和固相法。

3 按反应物状态分为干法和湿法。

2、物料的基本粉碎方式

方法：机械粉碎、高压气流粉碎、电火花爆炸； 包括破碎和粉磨

3、蒸发凝聚法、高能球磨法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、水热法、溶剂热法、溶胶凝胶法、微乳液法、模板法、自组装法的定义。

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蒸发凝聚法：是将纳米粒子的原料加热、蒸发，使之成为原子或分子；再使许多原子或分子凝聚，生成极微细的纳米粒子。

高能球磨法：机械力化学(mechanochemistry ,又称高能球磨high - energy ball milling)。制备超细材料的一种重要途径。机械化学法的基本原理是利用机械能来诱发化学反应或诱导材料组织、结构和性能的变化, 以此来制备新材料。

物理气相沉积法：用物理方法(如蒸发、溅射等)，使镀膜材料汽化在基体表面，沉积成覆盖层的方法。

化学气相沉积法：用化学方法使气体在基体材料表面发生化学反应并形成覆盖层的方法。

水热法：是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。

溶剂热法：用有机溶剂（如：苯、醚）代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。 溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。

微乳液法：两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。

模板合成法：利用基质材料结构中的空隙作为模板进行合成。结构基质为多孔玻璃、分子筛、大孔离子交换树脂等。

自组装法：自组装法所谓自组装,一般是指原子、分子或纳米材料在底物上自发地排列成一维、二维甚至三维有序的空间结构

4、MBE法制备纳米薄膜材料的基本原理及其生长特点。

分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其基本原理：在超高真空条件下，精确控制原材料的分子束强度，吧分子束射入被加热的底片上而进行外延生长。

生长特点：1、MBE系统真空高达8-10Pa，系统内残余分子数目要小得多。有利于获得原子级厚度和平整度的外延膜，而且厚度可以精确控制。

2、MBE的衬底温度一般比VPE和LPE的衬底温度低，MBE外延层界面清晰，可以形成界面处突变的超精细结构。

3、可以根据需要在喷射室内安装多个喷射炉、分别调至各个组分的分子束流，同时可以精确生长层的厚度、组分和掺杂分布。

4、MBE生长是一个动力学过程，可以用来生长按照普通热平衡生长方法难以得到的薄膜。

5、MBE是在超高真空环境下进行的，而且衬底与分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析一起实时观察生长面上的成分‘结晶结构和生长过程，进行生长机制的研究和实现实时监控和检测。

5、非晶晶化法制备纳米晶块体材料的工艺过程及其特点。

通常由非晶态固体的获得和晶化两个过程组成。用急冷法将熔融体制成非晶态合金条带，然后在不同温度下进行退火，使非晶完全晶化，非晶态合金条带成为由纳米晶构成的条带

特点：成本低、产量大、界面清洁致密

第三章 纳米材料的表征

1、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理

透射电子显微镜（TEM）：是以电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高放大倍率、高放大倍数的电子光学仪器。光路原理是由电子枪发射出的在高加速电压的作用下，以极快的速度射出，通过聚光镜将电子聚成很细的电子束，入射到样品上。电子束经过样品后进入物镜，然后通过中间镜、透射镜几级放大，在荧光屏上得到高配图像。可以直接观察原子象

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扫描电子显微镜(SEM)：利用聚焦非常细的高能电子束在试样上扫描，激发出各种物理信号。通过对这些信号的接收、放大和显示成像，获得对试样表面形貌的观察。信息深度是0.1～1微米 ，特别适合纳米粉体材料的分析。

扫描隧道显微镜(STM)：基本原理是基于量子的隧道效应。根据经典力学，当电子的能量低于势垒时，是不能穿越势垒区的；但根据量子力学，电子具有波动性，能够以一定的概率穿过势垒，这就是所谓的隧道效应。主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分析。可以达到原子量级的分辨率

原子力显微镜(AFM)：原子力显微镜工作时，探针以接触、非接触、敲击方式中的一种方式探索样品的表面。当探针的针尖接近样品时，发生微悬臂的形变，悬臂的变化由监测系统检测到后传递给反馈系统和成像系统。

2、 TEM、SEM 像衬度的来源及其类型。

TEM：像衬度来源于样品如入射电子束的散射。从根本上可以分为振幅衬度和相位衬度。振幅衬度有分为：质厚衬度和衍射衬度，分别为非晶体样品衬度很晶体样品衬度的主要来源。

SEM：用来成像的信号主要是二次电子，其次是背散射电子和吸收电子。二次电子可分为形貌衬度、成分衬度、电压衬度、磁衬度。背散射电子衬度：成分衬度、形貌衬度、磁衬度。

3、 对纳米材料进行物相结构分析的主要目的。

目的：是为了精确表征以下亚微观特征：a晶粒的尺寸、分布和形貌；b晶界和相界面的本质，c晶体的完整性和晶间缺陷；d跨晶粒和跨晶界的组成和分布；e结晶及晶界中的杂质。此外，分析的目的还在于测定纳米材料的结构特性，为建立材料结构性能之间的关系提供实验数据。

4、 列举高能入射电子束轰击样品表面从样品中激发出的各种有用的信息。

1)二次电子—被入射电子轰击出来的核外电子，它来自于样品表面100Å左右(50~500Å)区域，能量为0～50eV，二次电子产额随原子序数的变化不明显，主要决定于表面形貌。（SEM分析形貌）

2)背散射电子—指被固体样品原子反弹回来的一部分入射电子，它来自样品表层0.1~1 m深度范围，其能量近似于入射电子能量，背散射电子产额随原子序数的增加而增加。SEM

3)透射电子—如果样品足够薄(1μm以下)，透过样品的入射电子为透射电子，其能量近似于入射电子能量。它仅仅取决于样品微区的成分、厚度、晶体结构及位向等，可以对薄样品成像和微区晶相分析。TEM，ED

4)吸收电子—残存在样品中的入射电子。若在样品和地之间接入一个高灵敏度的电5)特征X射线(光子)—当样品原子的内层电子被入射电子激发或电离时，原子就会处于能量较高的激发状态，此时外层电子将向内层跃迁以填补内层电子的空缺，从而使具有特征能量的X射线释放出来。发射深度为0.5—5μm范围。EDS成份分析

6)俄歇电子—从距样品表面几个Å深度范围内发射的并具有特征能量的二次电子，能量在50～1500eV之间。俄歇电子信号适用于表面化学成份分析。AES

流表，就可以测得样品对地的信号，这个信号是由吸收电子提供的。

7)阴极荧光—入射电子束发击发光材料表面时，从样中激发出来的可见光或红外光。

8)感应电动势—入射电子束照射半导体器件的PN结时，将产生由于电子束照射而引起的电动势。

9)弹性与非弹性散射电子—弹性散射电子(被样品原子核反弹回来，散射角大于90度的入射电子，能量基本没有损失)和非弹性散射电子(入射电子和样品核外电子撞击后产生的非弹性散射，不仅方向改变，能量有不同程度损失)。

非弹性散射电子----能量损失谱。

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5、X射线衍射线宽法测纳米粒子尺寸的公式（即谢乐（Scherrer）公式）为：

Dhkl=0.89λ/(cosθ Bhkl)，试说出其中各参数代表的含义。

λ是入射X射线的波长；θ是衍射hkl的布拉格角；Bhkl是衍射hkl的半峰宽，单位为弧度。

6、 拉曼光谱的产生及其分子具备拉曼活性的必要条件。

拉曼光谱是由分子的非弹性广散射现象产生的。拉曼散射的产生原因是光子与分子之间发生了能量交换，改变了光子的能量。

具备拉曼活性的必要条件：拉曼活性需要分子有极化率的变化。

7、 粒度分析的方法。

电镜法、沉降法、光散射法、激光粒度分析法。

8、纳米材料常见表征方法的英语缩写。

X射线衍射分析（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜(TEM)、扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)。

第四章 纳米材料的物理化学性能（包含第五章中的力学性能）

1、纳米微粒四大基本效应概念：表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量子隧道效应。

表面效应：是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。

量子尺寸效应：当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。

小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。

宏观量子隧道效应：宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子隧道效应。

2、与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化，并分别解释原因。 由于界面原子的振动焓、熵和组态焓、熵明显不同于点阵原子，使纳米材料表现出一系列与普通多晶体材料明显不同的热学特性，如比热容升高、热膨胀系数增大、熔点降低等。

熔点下降的原因：由于纳米颗粒尺寸小，表面原子数比例提高，表面原子的平均配位数降低，这些表面原子近邻配位不全，具有更高的能量，活性大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时所需增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。

烧结温度降低原因：纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结过程中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的埋没。因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。 比热容升高的原因：米结构材料的界面结构原子杂乱分布，晶界体积百分数大(比常规块体)，因而纳米材料表面熵对比热的贡献比常规材料高很多。需要更多的能量来给表面原子的振动或组态混乱提供背景，使温度上升趋势减慢。

3、定性解释磁性材料矫顽力的尺寸效应。

矫顽力的尺寸效应可以用图来定性解释。晶粒直径D有三个临界尺寸。矫顽力Hc

当D>Dc时，粒子为多畴，其反磁化为畴壁位移过程，Hc相对较小； 当D<Dc时，粒子为单畴，但在dc<D<Dc时，出现非均匀转动，Hc随D的减小而增大； 当dth<D<dc时，为均匀转动区，Hc达极大值。

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当D<dth时，Hc随D的减小而急剧降低，直至达到超顺磁性。 dth dc Dc

4、超顺磁材料的特点；试解释磁性纳米颗粒尺寸小到一定临界值时出现超顺磁性的原因。

处于超顺磁状态的材料具有两个特点： 1) 无磁滞回线； 2) 矫顽力等于零。

超顺磁状态的起源可归为以下原因：当颗粒尺寸小于单畴临界尺寸，随尺寸减小，磁各向异性能(磁畴方向)减小到与热运动能相比拟，在热扰动作用下，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。因为不同材料磁各向异性能不同，不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不相同的。

5、试述纳米微粒的光学吸收带发生蓝移和红移的原因。

纳米颗粒吸收光谱的红移现象的原因

1）量子限域效应

2）粒径减小，内应力增加导致能带结构的变化

3）能级中存在附加能级，如缺陷能级(能级位于禁带内)，使电子跃迁能级间距减小

4）外加压力使能隙减小

5）空位、杂质的存在使平均原子间距R增大，导致能级间距变小。键长的变长

纳米微粒吸收带“蓝移”的解释有两个方面：

一、量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降，能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。

二、表面效应，由于纳米微粒颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。

6、表征材料介电性能的主要参数、铁电体及其特性。

1) 高介电常数;纳米材料的介电常数通常高于常规材料。且随测量频率的降低呈明显的上升趋势。在低频范围远高于常规材料。

2)在低频范围，介电常数( *)强烈依赖于颗粒尺寸: 粒径很小时，介电常数较低；随粒径增加，逐渐增大，然后又变小

3)介电损耗(tg )强烈依赖于颗粒尺寸, 损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。

4)介电常数温度谱特征:纳米TiO2块材的介电常数温度谱上存在一个介电常数峰

铁电体：在具有热释电性晶体中又有一部分晶体的自发极化方向可在外电场下改变方向的晶体。

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铁电体特性：热释电性、压电性和介电性。

7、纳米晶相块体材料的构成组元。

纳米晶相块体材料是由纳米晶粒和晶界两种组元构成的界面材料。其中晶粒组元：所有原子都位于晶粒内的格点上；晶界组元：所有原子都位于晶粒之间的界面上。

8、 尺寸效应和界面效应对纳米介电材料的介电性能的影响。

1）在外电场的作用下，在界面两侧产生较强的由空间电荷引起的界面极化，或空间电荷极化

2）介电常数或节电损耗具有较强的尺寸效应；

3）纳米材料的交流电导远大于常规电介质的电导

9、磁性液体的组成、吸附作用的类型、防止纳米粒子团聚的方法。

① 磁性液体主要三部分组成：磁性颗粒；包覆在磁性颗粒表面的表面活性剂或分散剂；基液或载液。 ② 物理吸附，吸附剂与吸附相之间是以范德瓦耳斯力之类较弱的物理力结合；化学吸附，吸附剂与吸附相之间是以化学键强结合。

③ 加入反絮凝剂形成双电层；加表(界)面活性剂包裹微粒

10、陶瓷材料具备塑性的条件及纳米晶陶瓷的特性。

条件：1）较小的粒径；2）快速的扩散途径（增强的晶格、晶界扩散能力）。

具有的高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无与伦比的优点。

11、纳米金属在不同应力状态下，塑性和韧性的差异性。定性解释纳米金属拉伸伸长率降低的原因。 ① 在拉伸和压缩两种不同的应力状态下，纳米金属的塑性和韧性显示出不同的特点。

在拉应力作用下，在晶粒小于100 nm的范围内，大多数伸长率小于5％，并且随着晶粒的减小伸长率急剧降低；晶粒小于30nm的金属基本上是脆性断裂。

在压应力状态下纳米晶金属能表现出很高的塑性和韧性。在压应力作用下金属内部的缺陷得到修复，密度提高，或纳米晶金属在压应力状态下对内部的缺陷或表面状态不敏感所致。

② 纳米金属拉伸伸长率降低的原因：

1)纳米晶金属的屈服强度的大幅度提高，使拉伸时的断裂应力小于屈服应力，因而在拉伸过程中试样来不及充分变形就产生断裂。

2)纳米晶金属的密度低，内部含有较多的孔隙等缺陷。由于屈服强度高，在拉应力状态下对这些内部缺陷以及金属的表面状态特别敏感。

3)纳米晶金属中的杂质元素含量较高，从而损伤了纳米金属的塑性。

4)纳米晶金属在拉伸时缺乏可移动的位错，不能释放裂纹尖端的应力。

12、光催化的基本原理及半导体光催化活性的影响因素。

原理：当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到导带，产生了电子—空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的OH反应生成氧化性很高的OH自由基，活泼的OH自由基可以把许多难降解的有机物氧化为CO2和水等无机物。

半导体的光催化活性影响因素：主要取决导带与价带的氧化—还原电位。价带的氧化—还原电位越正，导带的氧化—还原电位越负，则光生电子和空穴的氧化还原能力就越强，从而使光催化降解有机物的效率大大提高。

13、解释减小半导体催化剂的微粒尺寸，可以显著提高其光催化效率的原因。掺杂提高纳米TiO2的光催化效率的机制是什么？

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减小半导体催化剂的微粒尺寸，可以显著提高其光催化效率原因：

1)能隙变宽（量子尺寸效应）；主要表现在导带和价带变成分立能级，能隙变宽，价带电位变得更正，导带电位变得更负，增加了光生电子和空穴的氧化—还原能力，提高活性。

2)电子空穴分离效率高（提高电子空穴分离效率）；半径越小，光生载流子从体内扩散到表面所需的时间越短，光生电荷分离效果就越高，电子和空穴的复合概率就越小，从而导致光催化活性的提高。

3)吸附能力强 (表面效应）:纳米半导体粒子强的吸附效应允许光生载流子优先与吸附的物质反应 掺杂提高TiO2的光催化效率的机制:

(i)掺杂形成捕获中心。价态高于Ti4+的金属离子捕获电子，低于Ti4+的金属离子捕获空穴，抑制e—／h+复合。

(ii)掺杂可以形成掺杂能级，使能量较小的光子能激发掺杂能级上捕获的电子和空穴，提高光子的利用率。

(iii)掺杂导致载流子的扩散长度增大，延长了电子和空穴的寿命，抑制了复合。

(iv)掺杂可以造成晶格缺陷，形成更多的Ti3+氧化中心。

14、基本概念：压电效应；光催化；巨磁电阻效应；超顺磁；磁化率；居里温度；激子；光致发光。 压电效应；某些晶体受到机械作用(应力或应变)在其两端出现符号相反的束缚电荷的现象称为压电效应。实质上是晶体介质极化引起的。

居里点或居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度

光催化：在光的照射下，通过把光能转变成化学能，促进有机物的合成或使有机物降解的过程称作为光催化。

激子：当入射光的能量小于禁带宽度(ω< Eg)时，不能直接产生自由的电子和空穴，而有可能形成未完全分离的具有一定键能的电子-空穴对，称为激子。

巨磁电阻效应：由磁场引起材料电阻变化的现象称为磁电阻或磁阻效应。所谓巨磁电阻就是指在一定的磁场下电阻急剧减小，一般减小的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值约高10余倍。 超顺磁性：纳米微粒尺寸小到一定临界值时，热运动能对微粒自发磁化方向的影响引起的磁性，称为超顺磁性。

磁化率：磁化强度M与磁场强度H的比值称为磁化率 。磁化率 反映了材料的磁化能力或磁化难易程度。

光致发光是指在一定波长光照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃回到低能级被空穴俘获而发射出光子的现象。

第七章 纳米碳材料

1、掌握基本概念及相关常见名词的英语缩写.如（单壁、多壁）碳纳米管、富勒烯等。

富勒烯:C60 单壁碳纳米管：SWCNTS 碳纳米管：NTS 洋葱状富勒烯：OLFS

多壁碳纳米管:MWCNTS 石墨层间化合物：GICS

2、富勒烯和纳米碳管的结构和性质。

A、富勒烯的结构：由60个碳原子以20个六元环和12个五元环连接而成的具有30个碳碳双键（C=C）的足球状空心对称分子。 即每个碳原子与周围3个碳原子形成2个单键和1个双键

B、富勒烯的性质：

物理性质：黑色粉末，密度1.65g/cm3±0.05g/cm3，熔点>700℃，易溶于CS2、甲苯等，在脂肪烃中溶解度随溶剂碳原子数的增加而增大。能在不裂解情况下升华。生成热为ΔH°f (C)=2280KJ/mol，

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电离势为2.61ev±0.02ev，电子亲合势2.6ev～2.8ev，可压缩率为7.0×10-12cm3/dyn，抗冲击能力强。具有非线性光学性能，室温下是分子晶体，适当的金属掺杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。

化学性质：芳香性，倾向于得到电子，易于与亲核试剂反应。多种C60衍生物，其中金属包含于C60笼内部：M2C60；金属和C60在球外表起反应：MC60。

包括：金属的反应、氧化还原反应、自由基反应、加成反应、聚合反应

C 纳米碳管的结构：基本结构主要是由六边形碳环组成，每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。

D 、纳米碳管的性质：

a、碳纳米管的力学性能

(1)高机械强度：钢100倍强度，1/6重量 (2)高长径比: 103数量级

(3)高比表面: 400-500m2/g

b 碳纳米管的电化学性能

碳纳米管的压制体（超级双电层电容器）、金属性、半导体性

c 碳纳米管的场发射特性

碳纳米管之所以可以作为场发射材料，取决于其结构特点和力学、电学性能。

首先，电导体，载流能力特别大；其次，直径可以小到1nm左右；第三，化学性质稳定，机械强度高、韧性好。

d 碳纳米管的物理储蓄性能

3、富勒烯和纳米碳管的制备方法。

1).电弧放电法 2).催化裂解法(复合电极电弧催化法、碳氢化合物催化分解法CVD、)---化学气相沉积法 3).激光蒸发（烧蚀）法 4).等离子体法 5).增强等离子热流体化学蒸气分解沉积法PE-HF-CVD6).热解聚合物法（化学热解法） 7).离子（电子束）辐射法 8).催化裂解无基体法 9).电解法

5、CVD法生长纳米碳管的生长模式和取向机理。

依据催化剂在生成碳纳米管上的位置，可分为顶端和低端两种生长模式。

在CVD工艺条件下，碳纳米管束的取向性归结于碳管间的范德华力作用。

6、碳纳米管的结构及分类

纳米碳管的结构：基本结构主要是由六边形碳环组成，每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形平面组成的圆柱面。

碳纳米管的分类：多壁碳纳米管和单壁碳纳米管

7、单壁碳纳米管存在哪三种类型的结构，是怎么划分的？

根据单壁碳纳米管中六角形网络和碳纳米管轴之间出现的夹角可以将其分为：

锯齿形、扶手形和螺旋形三种

8、纳米洋葱状富勒烯的物理化学性能及应用前景。

洋葱状富勒烯特殊的中空笼状及同心壳层结构决定了它也有许多特殊的性质，

如可以容纳稀土类元素或金属（Fe、Co、Ni等）的原子团簇、纳米微粒或其碳化物。这些微粒的嵌

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入使这种特殊材料在力学性能、物理性能方面都具有特性。

嵌入特殊微粒的洋葱状富勒烯，在石墨层包围下具有较高的耐蚀性（不受氧化或分解的影响）及较高的抗氧化特性，可用作润滑剂。在笼状空间存在合适的金属原子、离子或其他分子时富勒烯母体和插入物间会发生电荷移动，插入物的电子转移使母体的费米能级发生变化，使整个母体材料电传导性能发生极大变化。因而洋葱状富勒烯可望制作高导体和超导体。洋葱状富勒烯内包金属微粒还可用作化学上的稳定反应团簇及性能特殊的催化剂，他还是较好的磁性材料。用洋葱状富勒烯制备的薄膜具有非线性化学性质，可用作光电子材料及磁数据记录薄膜材料。

OLFS具有特殊中空笼状及同心壳层结构，使之可以容纳金属原子团簇、纳米微粒或金属碳化物等，从而使这种材料具有许多独特的性能及广阔的应用前景。

a内嵌金属纳米微粒的OLFs，在外部石墨层的包围下，具有较好的耐腐蚀性（不受氧化或加水分解的影响），较高的抗压特性，可以作为润滑剂、橡胶的增强剂等。

b、OLFs以及富勒烯层与层之间有合适的金属原子、离子或其他分子时，由于很合轨道（如sp2、sp3及其之间的sp2.278）和π、σ电子结构的变化不同于石墨，推测母体材料导电性能有望制作成超导体材料和在电子材料应用领域发挥重要作用。

c、OLFs内修饰金属纳米微粒还可以用作化学上的稳定的反应团簇及特殊性能的催化剂。

d、用OLFs制备的薄膜具有非线性等特性，可以用作光电子材料、磁记录、光磁性记录材料和其他信息材料等

e、一些活性组成（药物、生物活性材料等）通过溶解、包裹作用进入中空的OLFs内部，形成纳米级聚合物粒子作为药物传递和控释的载体，是一种新的药物空是系统。因此，OLFs在生物医学方面具有很大的应用前景。

f、OLFs还有望成为新型的涂覆材料及表面修复材料