专题五纳米材料

关于专题五纳米材料第2页,共20页，2024年2月25日，星期天第3页,共20页，2024年2月25日，星期天

1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。

1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积的钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点。单层碳纳米管多层碳纳米管

第4页,共20页，2024年2月25日，星期天1993年，继美国斯坦福大学搬动原子团“写”下斯坦福大学英文、美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“ＩＢＭ”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“中国”二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地；图2-70在镍表面用36个氙原子排出的“ＩＢＭ”第5页,共20页，2024年2月25日，星期天第6页,共20页，2024年2月25日，星期天二、纳米材料及其分类

（一）纳米材料定义当物质加工到100纳米以下时，往往产生既不同于微观原子、分子，又不同于宏观物质的超常规特性，具有这种特性的材料称为纳米材料。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。第7页,共20页，2024年2月25日，星期天

（二）纳米材料分类

纳米材料大致可分为:1、一维纳米材料（纳米微粒）；2、二维纳米材料（纳米涂层和纳米管）；3、三维纳米材料（纳米陶瓷）；4、纳米催化剂第8页,共20页，2024年2月25日，星期天三、几种重要的纳米材料

（一）纳米微粒

纳米微粒又称纳米粉末、超微粒子。其实就是普通金属或金属化合物的粒子，不过更细小而已。比如蒸馒头用的面粉可以说是很细的粉末了，而超微粒子比面粉还细得多，其粒子直径仅为纳米级别，必须用电子显微镜才能看到它的真面目。图2-71显微镜下的纳米微粒

第9页,共20页，2024年2月25日，星期天纳米微粒的出色本领来自本身的结构特点。

1．由于它的颗粒非常小，就决定了表面积特点大。1克纳米微粒的表面积的总和可达几千甚至几万平方米，这就为它进行磁化、加速化学反应等提供了充分的用武之地。

2．它的表面承受的拉力特别大，从而使它的性格非常活泼，喜欢与其他物质进行化学反应。

3．它的熔点低，这就有可能在很低的温度下对金属、合金等的粒子进行冶炼和烧结。例如：银的熔点为960摄氏度，而它的纳米微粒的熔点却只有100摄氏度，用开水就能将它熔化。

4．纳米微粒的耐热、耐腐蚀性好，所以常用来制造火箭发动机的喷气口。

5．可作为良好的导热材料。第10页,共20页，2024年2月25日，星期天

（二）二维纳米材料

新型纳米复合涂层具有多方面的应用：（1）纳米材料涂层可以提高基体的防腐蚀能力，达到表面修饰、装饰目的。在油漆或涂料中加入纳米颗粒，可进一步提高其防护能力，能够耐大气、紫外线侵害，从而实现防降解、防变色等功效；另外，还可以在建材产品，如卫生洁具、内墙、用具等中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果。第11页,共20页，2024年2月25日，星期天（2）纳米材料涂层具有多种优良的光学性能。纳米多层组合涂层经过处理后在可见光范围内出现荧光，用于多种光学应用需要，如传感器等器件.改变纳米涂层的组成和特性，即具有光致变色、温致变色、电致变色等效应，可作为特殊的防伪、识别手段。（3）经过纳米复合的涂层具有优异的电磁性能，利用纳米粒子涂料形成的涂层具有良好的吸波能力，能用于隐身涂层。图2-72纳米涂层使镜子不结雾第12页,共20页，2024年2月25日，星期天

2.纳米管

纳米管是原子的二维晶体线片。最早的纳米管是1991年日本科学家发现的碳纳米管，它揭开了纳米管研究的序幕。

这次制得的碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。图2-73碳纳米管实物

第13页,共20页，2024年2月25日，星期天图2-74碳纳米管模型

这个像用铁丝网卷成的空心圆柱就是碳纳米管。它的质量是相同体积的钢的六分之一，而强度却是钢的10倍，抗拉强度和韧性也是目前材料中最强的。碳纳米管中空的结构可以存储高密度的氢气，为未来环保汽车提供源源不断的清洁能源。第14页,共20页，2024年2月25日，星期天

（三）纳米陶瓷

1．纳米陶瓷的定义

所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平（1～100nm）上。这使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。第15页,共20页，2024年2月25日，星期天图2-75纳米陶瓷粉末扫描电镜图片图2-76纳米陶瓷

第16页,共20页，2024年2月25日，星期天

2．纳米陶瓷的特性及应用

纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。第17页,共20页，2024年2月25日，星期天（四）纳米催化剂

纳米催化剂被称为第四代催化剂，是催化剂领域未来主要发展趋势之一。

纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，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的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。

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纳米粒子常作光催化剂，它有着许多优点。首先是粒径小，比表面积大,光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，电子、空穴能够到达表面的数量多，则化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度