纳米材料讲稿课件

2022/11/181Outline

纳米技术的发展1.

纳米材料的类型2.

纳米材料制备3.4.纳米材料的应用5.结束语

2022/11/111Outline纳米技术的发展2022/11/1821.纳米的发展大致分为3个阶段

第一阶段(1990年即在召开“Nano1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。第二阶段第三阶段(从1994年至今)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的研究。(1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料。2022/11/1121.纳米的发展大致分为3个阶段

第一2022/11/1833维纳米材料

——

纳米块体Addyourtext2.纳米材料分类2维纳米材料（量子面）——

纳米薄膜。电子在一个方向的运动受到约束。1维纳米材料（量子线）——

纳米线。电子在两个方向的运动受到约束。0维纳米材料（量子点）——

纳米微粒和原子团簇。电子在三一个方向的运动受到约束纳米复合材料——不同化学成分复合而成或不同维度纳米单元而成（如1-2维，1-3维，2-3维等2022/11/1133维纳米材料——纳米块体Add2022/11/184(按物态分类)气相法液相法固相法蒸发-冷凝法化学气相反应法溶胶-凝胶法沉淀法喷雾法非晶晶化法机械粉碎(高能球磨)法固态反应法各种方法有各自的特点和适用范围3.纳米材料的制备2022/11/114气相法液相法固相法蒸发-冷凝法化学气相2022/11/1853.1气相法制备纳米材料蒸发-冷凝法此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热金属，使其蒸发汽化,然后在气体介质中冷凝后形成5-100nm的纳米微粒。即通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。右图为该方法的典型装置。液氮蒸发源漏斗蒸发源真空泵隋性气体真空室2022/11/1153.1气相法制备纳米材料蒸发-冷2022/11/1863.2液相法制备纳米材料1、化学沉淀法包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀刘(如OH-、C2O42-，CO32-等)后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物从溶液中析出，并将溶液中原有的阴离子洗去，经热分解即得到所得的氧化物粉料。2、喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得纳米粒子的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程包括溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理，其特点是颗粒分布比较均匀，具体的尺寸范围取决于制备工艺和喷雾的方法。压缩气体2022/11/1163.2液相法制备纳米材料1、化2022/11/1873、溶胶—凝胶法包括以下几个过程：(1)溶胶的制备。有两种方法制备溶胶：其一.先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒，因这种原始颗粒的大小一般在溶胶体系中胶核的大小范围，因而可制得溶胶；另一种方法是由同样的盐溶液出发，通过对沉淀过程的仔细控制，使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀，从而直接得到溶胶。(2)溶胶—凝胶转化。溶胶中含大量的水，凝胶化过程中，使体系失去流动性，形成一种开放的骨架结构。实现胶凝作用的途径有两个：一是化学法，通过控制溶胶中的电解质浓度来实现胶凝化；二是物理法，迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现胶凝化。(3)凝胶干燥。在一定条件下(如加热)使溶剂蒸发，得到粉料。干燥过程中凝胶结构变化很大。2022/11/1173、溶胶—凝胶法包括以下几个过程：(22022/11/1883.3固相法制备纳米材料高能球磨法是将粗粉体和硬球(钢球、陶瓷球、或玛瑙球)按比例放进球磨机的密封容器内,利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。一.机械粉碎(高能球磨)法滚动球磨搅拌球磨振动球磨2022/11/1183.3固相法制备纳米材料高2022/11/189二．非晶晶化法非晶晶化法:采用快速凝固法将液态金属制备非晶条带,再将非晶条带经过热处理使其晶化获得纳米晶条带的方法。用非晶晶化法制备的纳米结构材料的塑性对晶粒的粒径十分敏感、只有晶粒直径很小时，塑性较好．否则材料变得很脆。因此，对某些成核激活能很小，晶粒长大激活能大的非晶合金采用非晶晶化法，才能获得塑性较好的纳米晶合金。特点﹕工艺较简单,化学成分准确。液态金属非晶条带热处理2022/11/119二．非晶晶化法液态金属非晶条带热处理2022/11/1810三．直接淬火法这是近年来刚刚研制成功的一种新的制备方法，其原理足控制液体合金的淬火速度，获得纳米晶材料。这种方法适用于制备纳米合金大块材料。最近英国、法国、印度和我国利川这种方法已成功地镍等原子Ni—Ti合金加Si的体系中获得了Ti2Ni纳米晶材料。淬火速率的控制是本方法的关键．直接淬火法2022/11/1110三．直接淬火法直接淬火法2022/11/1811

1、防紫外线

太阳能对人体有伤害的紫外线主要在300—400nm波段，纳米TiO2、ZnO、Fe2O3和纳米云母等都有在这个波段吸收紫外线的特征，将少量纳米微粒添加到化学纤维中，就会产生紫外线吸收现象，从而可以有效保护人体免受紫外线的损伤。右图为抗紫外线的伞及衣服4.1在日常生活中的应用4.纳米材料的应用2022/11/11111、防紫外线4.1在日常生2022/11/18122、防电磁辐射电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如纳米氧化铁，纳米氧化镍等能强烈吸收电磁辐射从而对人体起到防护作用。防辐射孕妇装2022/11/11122、防电磁辐射防辐射孕妇装2022/11/18134.2

纳米在陶瓷方面的应用

纳米陶瓷纳米陶瓷陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。(1)陶瓷增韧2022/11/11134.2纳米在陶瓷方面的应用2022/11/1814(2)降低烧结温度纳米颗粒表面能高，表面原子数多。这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此纳米颗粒熔化时所需的内能较小，使其熔点急剧下降，一般为块体材料熔点的30-50%。纳米微粒粒径小，比表面积大，并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快，还可以降低烧结温度。将纳米粉末作为陶瓷的原料，只需不高的温度即可将其熔化并烧结成耐高温的元件。导电浆料是电子工业重要的原料：用纳米Ag代替微米Ag制成导电胶，节省Ag粉50%，用这种导电胶焊接金属和陶瓷，涂层无需太厚，而且表面平整，可以在低温下烧结，此时基片不一定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以采用塑料等低温材料。2022/11/1114(2)降低烧结温度纳米颗粒表面2022/11/1815（3）下一代电脑芯片

纳米陶瓷材料由于具有超高纯度、好的热导性和长久的耐干扰性能，可以使微处理器集成化程度更高，运算速度更快。美国各地的实验室还在制造原子级或分子级计算机电路。这个热点领域就是“纳米技术”，可以预见未来的人类可能会拥有被嵌入到钢笔、衣服、眼睛甚至身体中的，与网络相连接的计算机。（4）磁性应用

磁铁的强弱可以用矫顽磁力和饱和磁化强度衡量，这些参数随晶粒的减小和表面积的增大而提高。由纳米陶瓷材料可制成发动机、陆地动力发生装置、超敏感分析仪器和医学分析磁共振等装置上。（5）高灵敏传感器

传感器本身的灵敏度依赖于制造传感器材料的化学、物理和机械性能。由纳米陶瓷材料制成的传感器具有较高的敏感性，其典型应用有烟雾检测器、飞机机翼上的冰层检测器和汽车发动机性能传感器等。2022/11/1115（3）下一代电脑芯片（4）磁性应用2022/11/18164.3在纳米电子器件方面的应用在纳米尺度上单个电子运动会受到限制，并且可以控制其流动，即所谓库仑阻塞效应，利用它可制成单电子晶体管。1.纳米单电子晶体管单电子晶体管示意图

纳米单电子晶体管示意图

2022/11/11164.3在纳米电子器件方面的应用2022/11/1817Intel公司2000年12月公布，他们用最新纳米技术研制成功30nm硅晶体管芯片。新芯片运算速度达10GHz，是目前运算速度最快的Pentium4芯片运算速度2.4GHz的4倍。Intel公司2001年又宣布又研制成功20nm硅晶体管芯片，其中门的绝缘体只有0.8nm厚(约三个原子的厚度)，每秒开关变换次数极高。基于这种20nm硅晶体管，可以制造含10亿个晶体管的硅晶体管芯片和计算机微处理器，其运行速度可高达20GHz，比2000年研制成功30nm硅晶体管芯片，性能又提高很多。2纳米芯片放大一万三千倍的集成电路芯片,连接导线的宽度已经达到纳米尺度2022/11/1117Intel公司2000年12月公布，2022/11/18184.4在环境保护方面的作用1纳米TiO2与环境保护由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。纳米二氧化钛的SEM图像2022/11/11184.4在环境保护方面的作用12022/11/18192自洁作用2022/11/11192自洁作用2022/11/18204.5在光学方面的应用1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3-4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。美国F117隐形轰炸机机2022/11/11204.5在光学方面的应用12022/11/18212优异的光吸收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。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力，主要由纳米粒子的尺寸和树脂中纳米粒子的掺加量和组分来决定。2022/11/11212优异的光吸收材料纳米微粒的量2022/11/18224.6在生物工程上的应用如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。英国《自然》杂志上报告说，他们用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料”

控制这种镊子反复开合。1纳米镊子2022/11/11224.6在生物工程上的应用如果有2022/11/18232纳米条型码

量子点条形码

2022/11/11232纳米条型码量子点条形码2022/11/1824

3纳米药物输运

纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革，已经获得越来越多的认同。利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里，而不会引起任何免疫反应。树形聚合物（dendrimers）就是提供此类输送的良好候选材料。由于它是非生物材料，不会诱发病人的免疫反应，没有形成排异反应的危险，所以可以作为药物的纳米载体，携带药物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥的条件下，发挥治病的效果。这种技术用于糖尿病和癌症治疗是很有希望的。作为药物载体的树状型聚合物分子2022/11/11243纳米药物输运纳米医学将给医学2022/11/18255纳米卫星4.7在军事领域中的应用2022/11/11255纳米卫星4.7在军事领2022/11/18262022/11/11262022/11/1827结束语

纳米材料科学的发展不仅为化学、物理学、材料学、生物学等学科的交叉发展提供新的机遇，而且为人们提供了崭新的思维方式，即在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃，来满足更高层次的要求

。

纳米材料科学应称为“纳米科学”，它并不局限于某一个领域，而应是包含多个学科交叉的横断学科。国际纳米科技会议将其细分为六个主要分支，即纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米测量学目前纳米科学的研究正处于重大突破的前夜，它所取得的一系列成果已使全人类为之震动，并引起全世界关心未来发展的科学家的思索。我国科学家钱学森曾精辟地预言“纳米左右和纳米以下结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将引起2l世纪又一次产业革命”。

2022/11/1127结束语纳米材料科学的2022/11/1828Outline

纳米技术的发展1.

纳米材料的类型2.

纳米材料制备3.4.纳米材料的应用5.结束语

2022/11/111Outline纳米技术的发展2022/11/18291.纳米的发展大致分为3个阶段

第一阶段(1990年即在召开“Nano1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。第二阶段第三阶段(从1994年至今)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的研究。(1990年～1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料。2022/11/1121.纳米的发展大致分为3个阶段

第一2022/11/18303维纳米材料

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纳米块体Addyourtext2.纳米材料分类2维纳米材料（量子面）——

纳米薄膜。电子在一个方向的运动受到约束。1维纳米材料（量子线）——

纳米线。电子在两个方向的运动受到约束。0维纳米材料（量子点）——

纳米微粒和原子团簇。电子在三一个方向的运动受到约束纳米复合材料——不同化学成分复合而成或不同维度纳米单元而成（如1-2维，1-3维，2-3维等2022/11/1133维纳米材料——纳米块体Add2022/11/1831(按物态分类)气相法液相法固相法蒸发-冷凝法化学气相反应法溶胶-凝胶法沉淀法喷雾法非晶晶化法机械粉碎(高能球磨)法固态反应法各种方法有各自的特点和适用范围3.纳米材料的制备2022/11/114气相法液相法固相法蒸发-冷凝法化学气相2022/11/18323.1气相法制备纳米材料蒸发-冷凝法此种制备方法是在低压的Ar、He等惰性气体中加热金属，使其蒸发汽化,然后在气体介质中冷凝后形成5-100nm的纳米微粒。即通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米粉体。右图为该方法的典型装置。液氮蒸发源漏斗蒸发源真空泵隋性气体真空室2022/11/1153.1气相法制备纳米材料蒸发-冷2022/11/18333.2液相法制备纳米材料1、化学沉淀法包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀刘(如OH-、C2O42-，CO32-等)后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物从溶液中析出，并将溶液中原有的阴离子洗去，经热分解即得到所得的氧化物粉料。2、喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得纳米粒子的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程包括溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理，其特点是颗粒分布比较均匀，具体的尺寸范围取决于制备工艺和喷雾的方法。压缩气体2022/11/1163.2液相法制备纳米材料1、化2022/11/18343、溶胶—凝胶法包括以下几个过程：(1)溶胶的制备。有两种方法制备溶胶：其一.先将部分或全部组分用适当沉淀剂先沉淀出来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒，因这种原始颗粒的大小一般在溶胶体系中胶核的大小范围，因而可制得溶胶；另一种方法是由同样的盐溶液出发，通过对沉淀过程的仔细控制，使首先形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀，从而直接得到溶胶。(2)溶胶—凝胶转化。溶胶中含大量的水，凝胶化过程中，使体系失去流动性，形成一种开放的骨架结构。实现胶凝作用的途径有两个：一是化学法，通过控制溶胶中的电解质浓度来实现胶凝化；二是物理法，迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现胶凝化。(3)凝胶干燥。在一定条件下(如加热)使溶剂蒸发，得到粉料。干燥过程中凝胶结构变化很大。2022/11/1173、溶胶—凝胶法包括以下几个过程：(22022/11/18353.3固相法制备纳米材料高能球磨法是将粗粉体和硬球(钢球、陶瓷球、或玛瑙球)按比例放进球磨机的密封容器内,利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。一.机械粉碎(高能球磨)法滚动球磨搅拌球磨振动球磨2022/11/1183.3固相法制备纳米材料高2022/11/1836二．非晶晶化法非晶晶化法:采用快速凝固法将液态金属制备非晶条带,再将非晶条带经过热处理使其晶化获得纳米晶条带的方法。用非晶晶化法制备的纳米结构材料的塑性对晶粒的粒径十分敏感、只有晶粒直径很小时，塑性较好．否则材料变得很脆。因此，对某些成核激活能很小，晶粒长大激活能大的非晶合金采用非晶晶化法，才能获得塑性较好的纳米晶合金。特点﹕工艺较简单,化学成分准确。液态金属非晶条带热处理2022/11/119二．非晶晶化法液态金属非晶条带热处理2022/11/1837三．直接淬火法这是近年来刚刚研制成功的一种新的制备方法，其原理足控制液体合金的淬火速度，获得纳米晶材料。这种方法适用于制备纳米合金大块材料。最近英国、法国、印度和我国利川这种方法已成功地镍等原子Ni—Ti合金加Si的体系中获得了Ti2Ni纳米晶材料。淬火速率的控制是本方法的关键．直接淬火法2022/11/1110三．直接淬火法直接淬火法2022/11/1838

1、防紫外线

太阳能对人体有伤害的紫外线主要在300—400nm波段，纳米TiO2、ZnO、Fe2O3和纳米云母等都有在这个波段吸收紫外线的特征，将少量纳米微粒添加到化学纤维中，就会产生紫外线吸收现象，从而可以有效保护人体免受紫外线的损伤。右图为抗紫外线的伞及衣服4.1在日常生活中的应用4.纳米材料的应用2022/11/11111、防紫外线4.1在日常生2022/11/18392、防电磁辐射电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如纳米氧化铁，纳米氧化镍等能强烈吸收电磁辐射从而对人体起到防护作用。防辐射孕妇装2022/11/11122、防电磁辐射防辐射孕妇装2022/11/18404.2

纳米在陶瓷方面的应用

纳米陶瓷纳米陶瓷陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。(1)陶瓷增韧2022/11/11134.2纳米在陶瓷方面的应用2022/11/1841(2)降低烧结温度纳米颗粒表面能高，表面原子数多。这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此纳米颗粒熔化时所需的内能较小，使其熔点急剧下降，一般为块体材料熔点的30-50%。纳米微粒粒径小，比表面积大，并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快，还可以降低烧结温度。将纳米粉末作为陶瓷的原料，只需不高的温度即可将其熔化并烧结成耐高温的元件。导电浆料是电子工业重要的原料：用纳米Ag代替微米Ag制成导电胶，节省Ag粉50%，用这种导电胶焊接金属和陶瓷，涂层无需太厚，而且表面平整，可以在低温下烧结，此时基片不一定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以采用塑料等低温材料。2022/11/1114(2)降低烧结温度纳米颗粒表面2022/11/1842（3）下一代电脑芯片

纳米陶瓷材料由于具有超高纯度、好的热导性和长久的耐干扰性能，可以使微处理器集成化程度更高，运算速度更快。美国各地的实验室还在制造原子级或分子级计算机电路。这个热点领域就是“纳米技术”，可以预见未来的人类可能会拥有被嵌入到钢笔、衣服、眼睛甚至身体中的，与网络相连接的计算机。（4）磁性应用

磁铁的强弱可以用矫顽磁力和饱和磁化强度衡量，这些参数随晶粒的减小和表面积的增大而提高。由纳米陶瓷材料可制成发动机、陆地动力发生装置、超敏感分析仪器和医学分析磁共振等装置上。（5）高灵敏传感器

传感器本身的灵敏度依赖于制造传感器材料的化学、物理和机械性能。由纳米陶瓷材料制成的传感器具有较高的敏感性，其典型应用有烟雾检测器、飞机机翼上的冰层检测器和汽车发动机性能传感器等。2022/11/1115（3）下一代电脑芯片（4）磁性应用2022/11/18434.3在纳米电子器件方面的应用在纳米尺度上单个电子运动会受到限制，并且可以控制其流动，即所谓库仑阻塞效应，利用它可制成单电子晶体管。1.纳米单电子晶体管单电子晶体管示意图

纳米单电子晶体管示意图

2022/11/11164.3在纳米电子器件方面的应用2022/11/1844Intel公司2000年12月公布，他们用最新纳米技术研制成功30nm硅晶体管芯片。新芯片运算速度达10GHz，是目前运算速度最快的Pentium4芯片运算速度2.4GHz的4倍。Intel公司2001年又宣布又研制成功20nm硅晶体管芯片，其中门的绝缘体只有0.8nm厚(约三个原子的厚度)，每秒开关变换次数极高。基于这种20nm硅晶体管，可以制造含10亿个晶体管的硅晶体管芯片和计算机微处理器，其运行速度可高达20GHz，比2000年研制成功30nm硅晶体管芯片，性能又提高很多。2纳米芯片放大一万三千倍的集成电路芯片,连接导线的宽度已经达到纳米尺度2022/11/1117Intel公司2000年12月公布，2022/11/18454.4在环境保护方面的作用1纳米TiO2与环境保护由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。纳米二氧化钛的SEM图像2022/11/11184.4在环境保护方面的作用12022/11/18462自洁作用2022/11/11192自洁作用2022/11/18474.5在光学方面的应用1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3-4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。美国F117隐形轰炸机机2022/11/11204.5在光学方面的应用12022/11/18482优异的光吸收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。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，