题目：铜、镍、镍-磷微纳米金属材料生物约束加工成型及性能研究

微生物来源广，形状规则多样，利用微生物形体为模板，采用生物约束成型技术制备微纳米材料是一种经济、简便的新型微纳米材料的制备方法。本文以微生物菌体的可控培养为基础，利用诺卡氏菌和芽孢杆菌形体为模板，用化学沉积的方法对菌体表面进行金属化处理，制备Cu、Ni-P和Ni微纳米金属材料。并以此为基础，采用真空热处理，制备空心微纳米金属材料，采用扫描电子显微镜（scanning electron microscope, SEM）、环境扫描电子显微镜（environment scanning electron microscope, ESEM）和透射电子显微镜（transmission electron microscopy, TEM）、傅立叶红外变换（Fourier transform infrared spectroscopy, FR-IR）和X-射线衍射仪（X-ray diffraction, XRD）等测试手段对金属杆/管材料进行表征，并对金属杆/管材料的磁学性能、电磁性能、微波吸收性能和力学性能进行研究。主要研究内容及所得结论如下：1 对细菌生长规律、形状及分散进行研究，成功获得菌体生长的可控技术。采用恒化培养方式培养诺卡氏菌和芽孢杆菌，通过生物显微镜、SEM、ESEM、TEM研究了两种菌在不同培养条件下的生长特性、繁殖方式；用平板法测定了细菌的生长曲线，并对细菌团聚后的分散效果进行探讨。细菌在生长过程中，长度随生长时间的增加而增加，当生长进入衰减期后，长度反而变小。细菌的生长情况同培养条件有关，在相同温度不同振荡速度下，两种细菌的生长周期不同；对于同一种细菌，振荡速度较低时，细菌生长较慢，最大长度较大，转速较高时，细菌生长快，但最大长度变小。在100rpm、30℃条件下培养细菌，诺卡氏菌的稳定生长期可以持续12天左右，芽孢杆菌则维持5天左右。采用吐温作为分散剂，可以将团聚的菌体再次分散开。使用戊二醛固定后，细菌形貌未发生改变，保持原有杆状。2 在菌体表面沉积Cu金属化层，首次成功获得具有微生物形体的Cu金属杆材料的最佳制备工艺，并研究了该材料的微观力学性能。采用化学沉积方法在菌体表面沉积了金属Cu纳米晶粒，得到具有Cu金属化层的微纳米金属材料。真空干燥处理后得到具有微生物形体的Cu金属管材料。研究了主盐、络合剂、还原剂浓度以及pH值、镀覆时间对金属化层形貌的影响。结果发现，主盐、络合剂、还原剂浓度为20g/L、100 g/L和0.4％时，可以得到合适的镀速，获得表面光滑均匀的样品。镀覆时间为60分钟时，Cu金属化层的厚度约为200nm，Cu晶粒大小约为20nm。该金属管材料的硬度和弹性模量比原菌体大大提高。3 制备具有微生物形体的Ni－P实心微纳米金属材料，获得具有光滑均匀金属化层的工艺条件，研究金属化层相结构的变化规律，并对该材料的性能进行探讨。采用化学沉积方法成功制备了以诺卡氏菌为模板，以Ni－P合金为金属化层的微纳米金属杆材料。研究了不同的胶态钯溶液、硫脲的添加和化学沉积时间对Ni-P金属化层形貌的影响，研究了镀液中pH值对金属化层相结构的影响。结果表明酸性较强、浓度较大的胶态钯溶液和添加硫脲对于形成完整致密均匀的金属化层非常有利。沉积初期，菌体表面即可形成连续的厚度为纳米级的金属化层，随着沉积时间增加，金属化层厚度增加，但沉积时间过长金属化层表面会有少量结瘤。随着pH值增加，金属化层相结构的转变为非晶→非晶+微晶→微晶→微晶+晶态。Ni-P金属化材料属于电损耗性材料。4 成功地对Ni－P实心微纳米金属材料进行空心化，首次制备了具有微生物形体的Ni-P空心微纳米金属管材料，探讨了材料的空心化机理，并研究对比了材料空心化前后相结构及性能的变化。空心化后，材料的磁性能和力学性能大大提高。以Ni－P实心微纳米杆状材料为基础，采用真空热处理方式，成功制备了以Ni－P合金为金属化层的球－壳型微纳米空心金属管材料，对该材料的表面形貌、截面形貌和相结构转变进行了研究，探讨了空心材料的形成机理。结果表明400℃真空加热1.5小时即可实现Ni－P金属化菌体材料的空心化，得到金属管材料。空心化后，材料的相结构由原来的Ni微晶+Ni－P饱和固溶体转变为晶粒较大的Ni晶体和Ni3P晶粒。材料空心化过程中，蛋白质先灰化，然后气化，最后通过扩散离开材料内部。空心化后材料的饱和磁化强度、剩磁和矫顽力均比空心化前提高，材料的电磁损耗也大大提高。空心化后得到的材料的硬度和弹性模量较空心化前大大提高。5 成功制备了具有微生物形体的Ni空心微纳米金属管材料，获得最佳制备工艺，首次研究了Ni空心材料的形成过程和Ni在菌体表面的沉积机理，研究了该材料的性能。采用化学沉积方法制备了以诺卡氏菌为模板，以纯Ni为金属化层的空心微纳米金属管材料，研究了沉积时间对金属化层形貌的影响。Ni空心材料的形成包括外部金属化层的形成过程和内部蛋白质的消失过程，随着化学沉积时间增加，Ni金属化层的厚度和致密度增加，Ni晶粒也逐渐长大。细菌内部细胞核破裂，细胞质从中心向西周减少，最后几乎完全贴在细胞壁上，形成中空的金属材料。该材料的磁性能、电磁性能比空心化前后的Ni－P金属化菌体材料大大提高。在有无外加磁场作用下，均可实现可控定向排列。纯Ni金属化菌体的硬度和弹性模量比细菌本身大大提高，说明金属化层具有一定的力学承载能力。