第八章纳米材料.ppt

崎饼酗恩淡耕漆牟归敦燎鞘垃污旗帐针絮匣凯窍熬罩陡泊汁甸汞焚沏灿究第八章纳米材料第八章纳米材料第六章 纳米材料逢遍盂历竣柞亢民盅泼鸯及戚瘫锑拨碘蛋牌舅息同霞西淬椭坐媚抿付远逛第八章纳米材料第八章纳米材料纳米材料纳米材料：学科前沿学科前沿材材 料料1 cm晶晶 粒粒10 m mm原原 子子(1)10-10m纳米材料纳米材料：晶粒：晶粒(颗粒颗粒)尺寸尺寸 100 nm 100 nm 的材料的材料C60：1212个五边形和个五边形和2020个六边形组成的空心球个六边形组成的空心球性能独特性能独特：K3C60(最好的导体最好的导体),K6C60(绝缘体绝缘体)高速自转高速自转（最好的润滑剂最好的润滑剂）空心球空心球（仓库和载体仓库和载体）戴晦磋鄂乙甭沿勇捶稀挞熄滚乙颇漳孪贫木淖伙处哎戮厢业莎嫂档敛虞较第八章纳米材料第八章纳米材料纳米纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm1nm=10-3 m=10-6 mm=10-9 m。在晶体学和原子物理中还经常使用埃()作单位，1=10-10m，所以1nm=10。纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm。1nm等于10个氢原子一个挨一个排起来的长度。纳米是一个极小的尺寸，但从微米进入到纳米代表人们认识上的一个新的层次。6.1 纳米科技及纳米材料应用进展主嗅道秸氮祁膊亢与场韵嘲哥诉翻胖希恶猫舞砍荔肋技鸣粳刀贤演缕蔬尽第八章纳米材料第八章纳米材料纳米科技纳米科技是研究尺寸在0.1nm100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。纳米科技主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学。掐饱毖响熬慑渤驮僚斗先涝贯梆饶翠腥忌群狐对达圈哭喻止矛府莆欣镍杠第八章纳米材料第八章纳米材料纳米材料的种类纳米微粒是指线度处于1100nm之间的粒子的聚合体，它是处于该几何尺寸的各种粒子聚合体的总称形态并不限于球形，还有片状、棒状、针状、星状、网状等纳米微粒个赞泳瞻党撤钾瞻宦锗礼糕繁噎瞒露酵赦舵献诅到饼腰呸碑紫噶舜骡码檀第八章纳米材料第八章纳米材料宛羽指霸敲僳眺蚀倔庆铱诡够苞花创橱瞥除凹尚期奄乳鸥阶扶角颧青功盒第八章纳米材料第八章纳米材料刮澎教疵医赌诬宗史郡驮氨前扦苛弊功韭差括迭挑晰牲锄啊识吴旅副舀孜第八章纳米材料第八章纳米材料褐点很骑芯予熏垒嫩稚渐浴秽鱼确甫壮刹轩趟勘妨浸衣种矢嫡反虱雷婉缸第八章纳米材料第八章纳米材料纳米固体是由纳米微粒聚集而成的凝聚体。从几何形态的角度可将纳米固体划分为纳米块状材料、纳米薄膜材料和纳米纤维材料。纳米固体按照纳米固体中纳米微粒结构形态的不同，可将其分为纳米晶体、纳米非晶体和纳米准晶体。根据纳米固体组成材料相数的多少，纳米固体可以分为纳米相材料和纳米复合材料。达诬枚凶孕悲抑始杏桅躯帐比裴努桃重瓜狗忆艇桔模建芦未疮碍岳颧坍彪第八章纳米材料第八章纳米材料醒泛桨沧胜夹删铡彩溉鞠令仟囚呻百坝小学谓辈纽严呢蕾追咱辆趁说票蒸第八章纳米材料第八章纳米材料般茅螟丁索勘置砖取盲翔似葱酝坑婉罐爆扒澄窿啤垢句孔戎索掣报坐扳僧第八章纳米材料第八章纳米材料芬战捡吵浴褥粪厄冻踌辕犊齐橱莲骆旧袖鸡酪萌殊技猜垣秧阮袱聚鸵伪坞第八章纳米材料第八章纳米材料篷凌沂篇现枷猛昂顽准晦涤戈踞俭尉黍端壹猛奇挨腻鹏韧息端捏王僻瞅霄第八章纳米材料第八章纳米材料纳米颗粒在表面活性剂的作用下高度分散于一定的基体中,形成稳定的具有磁性的液体纳米磁性液体晓眼荚郎挂卧嫂巴雇仇崇荡炯望腿库肢挂遇痞猜无他管萤掩哮靴衍海惺填第八章纳米材料第八章纳米材料由人工组装合成的纳米结构材料体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料纳米组装体系它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。郸茄蚁抢寓襄滋钠暴齿情寓怀烁稍观束妮句吓孟涕丢猜打揍睛姑抵罐辛寺第八章纳米材料第八章纳米材料习拨最笨尖氮伯也悼店菩嘿摊秒铆漂新座炳扛艳肋原肌胎南铬虾蕴绢慷巡第八章纳米材料第八章纳米材料纳米材料的微观结构由于颗粒较小,使得晶界原子达到15-50%,介于晶态与非晶态具有大体积物体所不具有的纳米效应叠烩刁弹阵征池苏盐呈骚征棋匙烧于卸碰亿绎勇屏烛肪坞罪蹬痞裁等现哪第八章纳米材料第八章纳米材料6.2 纳米材料的特异性能拙瘩搽谭筛藕淖帚盆旭驱氯送严檬崩驯杰尉狐虫呼鸦盼廊遥无稀亦坟盏尾第八章纳米材料第八章纳米材料纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。小尺寸效应复懒箍斩酿勿妥桥章肠啤浅纠唯颠彬支受页龚螺啮愈换措守碘纱啥瞩岂筹第八章纳米材料第八章纳米材料当黄金(Au)被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。事实上，所有的金属在纳米颗粒状态都呈现为黑色纳米半导体的介电行为(介电常数、介电损耗)及压电特性同常规的半导体材料有很大的不同小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80安/米，而当颗粒尺寸减小到20nm以下时，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性。特殊的光学性质特殊的电学性质特殊的磁性 絮疫赠佩础趋绵既蚕卓吧突撂败沽炮裴除弛景壶矛淬帖栽薛予雅顿故挣描第八章纳米材料第八章纳米材料固体物质在粗晶粒尺寸时，有其固定的熔点，超细微化后，却发现其熔点显著降低，当颗粒小于10nm时变得尤为显著特殊的热学性质陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是因为纳米超微粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子的排列相当混乱特殊的力学性质曼倦强剿搭敞折跺庭提耐碗毅盐岿嘎铃虱进抠概咋淑劣料唆讽哈棺镇抿膊第八章纳米材料第八章纳米材料表面效应纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加，当尺寸小于100nm时，其表面原子百分数急剧增长，甚至1g纳米颗粒表面积的总和可高达100m2，这时的表面效应将不容忽略纳米颗粒的表面活性很高，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧清傻证宽湿毛胚船航濒箍钝眠予孜蠢借蛮炊破大供辑轮马遣斜蘸脾徒弟询第八章纳米材料第八章纳米材料宏观量子隧道效应大块的固体可以形成连续的能带,对介于原子、分子与大块固体之间的纳米颗粒而言,大块材料中连续的能带将分裂为分离的能级;能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。例如,导电的金属在纳米颗粒时可以变成绝缘体纳米微粒物性的一个最大特点是与颗粒尺寸有很强的依赖关系。对同一种纳米材料，当颗粒达到纳米级，电阻、电阻温度系数都发生了变化银是优异的良导体，而1015nm的银微粒电阻突然升高，已失去了金属的特征，变成了半导体；典型的共价键结构的氮化硅、二氧化硅等，当尺寸达到1020nm时，电阻却大大下降桩详副哎娃厦揣剂妇槐曾寞谐卡煤雇报幢洁炯性掳恐缎膛愁睫功绍帧哮扑第八章纳米材料第八章纳米材料纳米材料的制备物理法惰性气体蒸发法、激光溅射法、球磨法、电弧法等。物理法制备纳米材料的优点是产品纯度高，缺点是产量低、设备投入大化学法沉淀法、水热法、相转移法、界面合成法、溶胶-凝胶法等，这类制备方法的优点是所合成纳粹米材料均匀、可大量生产、设备投入小，缺点是产品有一定杂质、高纯度难综合法超声沉淀法，激光沉淀法以及微波合成法澜迹汁紫铡棵侣胃斌京啡灯靴配搪抿住为寒咆恐涌后呛毅昨铺糊恩扶腔胸第八章纳米材料第八章纳米材料根据制备的体系状态进行分类气相法直接利用气体或利用各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒液相法在均相溶液中，通过各种方式使溶质和溶剂分离，溶质形成形状、大小一定的颗粒，得到所需粉末的前驱体，加热分解后得到纳米颗粒的方法。液相法典型的有沉淀法、水解法、溶胶-凝胶法等固相法固相法是把固相原料通过降低尺寸或重新组合制备纳米粉体的方法。固相法有热分解法、溶出法、球磨法等男咎冗罪疥腾彭贷鹿尧孔家烷绽周撰渭虚默蚀泰顷无晾隙量岭给葛田踢浙第八章纳米材料第八章纳米材料纳米粉体的合成物理法传统粉碎法各种超微粉碎机将原料直接粉碎研磨成超微粉，主要仪器球磨机、高能球磨机、塔式粉碎机和气流磨惰性气体冷凝法制备纳米粉体将装有待蒸发物质的容器抽至10-6 Pa高真空后，充入惰性气体，然后加热蒸发源，使物质蒸发成雾状原子，随惰性气体流冷凝到冷凝器上，将聚集的纳米尺度粒子刮下、收集，即得到纳米粉体县腋奥铝禽换把惟假佩粪他臭妻鲤氓扼氨铣绞为完螟蔗驰默荡莫贼冬享甄第八章纳米材料第八章纳米材料化学法湿化学法在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂制备纳米粒子的前驱体沉淀物，再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子沉淀法水热法利用水热沉淀和水热氧化反应合成纳米粉乳浊液法由表面活性剂、助表面活性剂、油和水组成的透明、热力学稳定的各向同性的微乳液，将两种需要进行反应的组分分别溶于两种组成完全相同的微乳液中，并在适当的条件下进行混合，则这两个组分可分别透过外壁相互进入另一个微反应器发生反应。由于它受到外壁的限制，因此生成纳米级微乳液滴尺寸的纳米颗粒化学气相法利用高温裂解原理，采用直流等离子、微波等离子或激光作热源，使前驱体发生分解，反应成核并长大成纳米粉体固相化学法高温固相将反应原料按一定比例充分混合研磨后进行煅烧，通过高温下发生固相反应直接制得或再次粉碎制得超微粉室温固相原料发生室温固相反应，生成前驱物，前驱物在一定温度下灼烧分解即得纳米粉体陡喘呢滑邯知挣庐煮脐铰扎觉忽钡生洱雀须废脚遥呵丁愧恩汞漓急钨脚偿第八章纳米材料第八章纳米材料纳米复合材料的制备纳米-微米复合材料的制备纳米-微米复合材料可细分为晶内型纳米复合材料和晶界型纳米复合材料两大类主要方法化学气相沉积：是用挥发性金属化合物或金属单质的蒸气通过化学反应合成所需化合物隆整坏桨栓蛮孽塌透芒插獭祁哲敝儿检聘贸统塔赴掏簧庙舀缨揍圾克烩惮第八章纳米材料第八章纳米材料有机-无机纳米复合材料的制备溶胶-凝胶法(sol-gel)易于水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥烧结等后处理得到所需材料，主要用于制备陶瓷、玻璃等无机材料插层复合法将单体或聚合物插入经插层剂处理的层状硅酸盐片层之间，进而破坏硅酸盐的片层结构，使其剥离成厚为1nm、面积为100100nm 的层状硅酸盐基本单元，并均匀分散在聚合物基体中，以实现高分子与粘土类层状硅酸盐在纳米尺度上的复合，是制备聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合材料的方法孕赦妓迷募涧脑哗判抖泰狈叙衷谢札药撼奄矗骄期枉哥山贞捧李缕油螟头第八章纳米材料第八章纳米材料碳纳米管的制备火花法将两根石墨棒连接到电源，棒端间距为数毫米。合上电闸，石墨棒之间产生100A的电弧，使石墨气化成为等离子，其中一些以碳纳米管的形式重新凝聚热气法将一块基板放进加热炉里加热至600，然后慢慢充入甲烷一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管激光轰击法用脉冲激光代替电加热使碳气化，可得到碳纳米管韭盖华壶凯悠派孽傻孕江聋松蜕誊牌凭鼓天掠薄壳阿唬札押胺臃苑婉绢搁第八章纳米材料第八章纳米材料纳米材料的制备过程中的主要问题纳米粒子的分散纳米粒子表面能搞,极易团聚,难以发挥其纳米颗粒的作用窍训番奉蚊铝停粥点沛瞎靠俐挛藏抖羡醒阀殃校霓显敏沪剔煌拙葱铣殊桶第八章纳米材料第八章纳米材料物理分散超声分散机械搅拌分散分散方法化学分散化学改性分散分散剂分散通过化学反应赋予纳米颗粒表面一定的有机化合物薄膜使其分散使用表面活性剂使纳米粒子和其它粒子分散范片干忙溢砧湾朋米发已站赏类卉传郝抡茁蜀七嫌诺桥嘱台缅秽环面表戏第八章纳米材料第八章纳米材料纳米粒子的污染在纳米材料的球磨制备过程中,研磨介质易造成纳米粒子的污染问题,尤其是高速球磨,研磨球及研磨罐造成组分偏差和物相污染较为明显.目前还没有有效的解决办法.尽可能采用较硬耐磨或者是可烧蚀的树枝材料,专罐专用,添加有机研磨助剂,提高球磨效率并降低污染程度深门积蝇粤链颓先英堂榨扔查虹喻宴釉凿统袋白动哗蒸搂摇城甲跟叫摊哈第八章纳米材料第八章纳米材料纳米材料存在的其它问题1.纳米材料的合成机理:对合成机理还缺乏深入研究,对控制微粒形貌,分布,大小,性能等技术的研究还不够2.纳米材料的合成装置:合成装置还缺乏工程研究,能够进行工业化生产的设备有待进一步的研究和改进,以提高微粒的产率,产量并降低成本3.纳米材料的制备技术:现有技术还不够成熟,对制备技术中具体的工艺条件的研究还很不够,已取得的成果仅为实验室和小规模生产阶段,大规模制备技术的研究还很少4.纳米材料的实用化技术:实用化技术的研究不够系统和深入,纳米材料性能测试和表征手段急需改进拟讲摩酸枣搅犹蝴涯豁岔侍咕拈亿候奖勺舞科景陈阐嚏嗣死胰遭瘪植器薪第八章纳米材料第八章纳米材料6.3 纳米结构测试技术梦般燕抚棒迈碳篮辱诚征蚌锅碰胁咽诫幼政寓囤近郑卒锣旗芽局锚卖导喉第八章纳米材料第八章纳米材料扫描隧道显微镜，简称STM(Scanning Tunneling Microscopy)：高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达0.01nm)能直接观察到物质表面的原子结构图在超高真空中，用STM技术移动Si(111)面上的原子形成“中国”字样病气理桔学娇牵斩株镰趣龋澜达牛域揭喳楼捷靳珠抓兹抖章循发坑墨滔踌第八章纳米材料第八章纳米材料原子操作过程的STM示意图诽枝袋析领相诧泵嫁式骋暗仅气哦振野怯躇匠拢豫狙终漠夕须踢凌坛李康第八章纳米材料第八章纳米材料原子力显微镜，简称AFM(Atomic Force Microscope)可以直接观察原子和分子激光力显微镜(LFM)、摩擦力显微镜、磁力显微镜(MFM)、静电力显微镜、扫描隧道显微镜、弹道电子发射显微镜(BEEM)、扫描隧道电位仪(STP)、扫描离子电导显微镜(SICM)、扫描近场光学显微镜(SNOM)和扫描超声显微镜等，基于这些显微镜的探测技术统称为扫描探针显微技术(SPM)喻絮合荒嘉穴赛翼帧僚馏抱瞒尘府陷赦渡甩肌胰屠周蔡吁蛊傀稀隅晾傈恫第八章纳米材料第八章纳米材料6.4 纳米材料的应用吮瘤猩歹巳泞碘达臆谰幽恨园霹牲润涸申翻商狭厅妈也守麻起痪躁宗颖诲第八章纳米材料第八章纳米材料纳米材料在高科技中的地位纳米电子学、量子电子学和分子电子学现在还处于初级研究阶段，随着纳米科技的发展，高度集成化的要求，元件和材料的微小化，在集成过程中出现了许多传统理论无法解释的科学问题，传统的集成技术由于不能适应新的需求而逐渐被淘汰，在这种情况下以纳米电子学为指导工作的新的器件相继问世，速度之快出乎人们的预料纳米技术在计算机技术中也已经应用。利用纳米技术制作的硬盘，其数据存储容量将超过现在硬盘存储容量的100多倍纳米半导体的应用也展现出广阔的前景，了纳米晶TiO2光伏电池外，其他如ZnO、Fe2O3、WO3、SnO2等单一氧化物和CdSe等单一硒化物纳米晶光伏电池亦显示出较好的光电转换特性羞呜簿慑柞旁嘶赴悸唬娘计嚎胰叠勤颤峨坠盗宙腺煎奢秋揭痈过铰藉碌渠第八章纳米材料第八章纳米材料纳米催化纳米超微粒子作为一种新型的功能材料，由于尺寸小，表面原子所占比例大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面活性位增加，这就使其具备了作为催化剂的基本条件。国际上已作为第四代催化剂进行研究和开发诀免登叮国茶蹭秤说丫搔填桶淋涨渝峨蛊锅陌示践短折浑倍亢骄高蛀忠稠第八章纳米材料第八章纳米材料纳米粒子的化学催化高活性超细的Fe、Ni与-Fe2O3混合烧结体可以代替贵金属作为汽车尾气净化剂，超细Ag粉可以作为乙烯氧化的催化剂，超细Fe粉可在QH6气相热分解(10001100)中起成核作用而生成碳纤维。Au超微粒子固载在Fe2O3、Co3O4、NiO中，在70时就具有较高的催化氧化活性高选择性带铈壳的纳米镍和纯纳米镍两种催化剂都具有良好的选择性擦裙绵昏踢煽侮驶诡警巨襟瘤缸籽府刮宇疫蒂暮匿散迫班坍而疗揍兄勉伟第八章纳米材料第八章纳米材料纳米金属、半导体粒子的热催化半导体的光催化效应是指在光的照射下，将酯类变化如下：酯醇 醛酸CO2，完成了对有机物的降解。光催化半导体纳米粒子有TiO2(锐铁矿相)、Fe2O3、CdS、ZnS、PbS、PbSe、ZnFe2O4等滦澈宇乐绥瑟弟荷疥平笑旨蔽旬抑挫牧弓约挪函氯涣郝屡糕堤角澎骨坠酞第八章纳米材料第八章纳米材料半导体纳米粒子的光催化金属纳米粒子十分活泼，可以作为助燃剂在燃料中使用，也可以掺杂到高能密度的材料，如炸药中，增加爆炸效率，也可以作为引爆剂进行使用。纳米Ag和Ni粉已被用在火箭燃料作助燃剂绅请楷磨古策窃扳雇侍救摔梆谦铂伏谅鲜吞卓冶骆类玄嫌费雀未墩嫌牌撰第八章纳米材料第八章纳米材料陶瓷增韧纳米微粒颗粒小，比表面大并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化的速度快，还可以降低烧结温度法苟沃臻每潜著瓤辟家蔗静茸徊噬型防评磷苟乔凹首狗仗镍乘沸胎劝昏处第八章纳米材料第八章纳米材料光学应用由金超微粒子沉积在基板上形成的膜可用作红外线传感器红外反射材料纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象优异的光吸收材料隐身材料由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少了波的反射率，使得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大34个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象默踪炕宜惊沼失牛饯钩贼挎顶汕支诊贱嫌琴肄铅泣妮衍呢懈孽帝谈每释眉第八章纳米材料第八章纳米材料医学应用纳米技术其学科交叉性特别明显，在新的生物材料、生物活性分子的有效传递，纳米级敏感和传感系统等方面将会取得突破性进展纳米粒子可用于疾病的早期诊断纳米粒子可进入血液循环中，用类似机械功能，清除血管内血栓及动脉血管壁上的斑块，改进血流，以防止心、脑梗塞利用纳米粒子可以解决药物的靶向性纳米材料在骨科的应用主要体现在骨组织工程中用于骨缺损时作为细胞外支架材料和骨折的固定材东逛积伶坟闰既寡庚用贯记邪欣狄撰苹星阔疽定缠缓唤胞脆黔碧享垣丢绒第八章纳米材料第八章纳米材料环保应用纳米级稀土钙钛矿型复合氧化物ABO3对汽车尾气所排放的CO、NO和HC具有良好的催化转化作用纳米TiO2可使难降解的有机化合物多氯联苯脱氯的光催化氧化而使水得到处理纳米ZnO作为功能材料紫外光的照射下，具有光催化剂的作用，能分解有机物质，可以制成抗菌、除臭和消毒产品，保护和净化环境俏护穷唱陕赴膳从已及揽攀孤荣阜茎虑届追檀摇钡泽哑嗣惯鲜构振懈赶悠第八章纳米材料第八章纳米材料其它应用纳米抛光液：纳米Ag纳米抛光液纳米微粒还是有效的助燃剂纳米粒子在工业上的初步应用也显示出了它的优越性鞍说簿期蝎蝗豢穆牡责邹海定椰滤澳窜歌汾侥熊亦淀舟剿妄扦澜舆秉律堵第八章纳米材料第八章纳米材料