纳-米-材-料-概-述

纳米材料概述,content,纳米（nm）实际上是一种长度单位，1纳米仅等于十亿分之一米，人的一根头发丝的直径相当于6万个纳米。纳米小得可爱，却威力无比，它可以对材料性质产生影响，并发生变化，使材料呈现出极强的活跃性。科学家们说，纳米这个“小东西”将给人类生活带来的震憾，会比被视为迄今为止影响现代生活方式最为重要的计算机技术更深刻、更广泛、更持久。1m=1000mm1mm=1000m1m=1000nm,纳米材料概述,纳米块,4,纳米纤维,2,纳米粉末,1,纳米膜,3,纳米材料的分类,纳米粉末：又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。,纳米铁粉,纳米铜粉,纳米铝粉,纳米纤维：指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。,二氧化钛纳米纤维的电子显微镜照片,Ultra-Web纳米纤维电镜照片,纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。,纳米块：是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。,纳米技术的发展,第一阶段,第二阶段,第三阶段,第四阶段,第五阶段,第一阶段的发展重点是要准确地控制原子数量在100个以下的纳米结构物质。这需要使用计算机设计制造技术和现有工厂的设备和超精密电子装置。,第二个阶段是生产纳米结构物质。在这个阶段，纳米结构物质和纳米复合材料的制造将达到实用化水平。其中包括从有机碳酸钙中制取的有机纳米材料，其强度将达到无机单晶材料的3000倍。,在第三个阶段，大量制造复杂的纳米结构物质将成为可能。这要求有高级的计算机设计制造系统、目标设计技术、计算机模拟技术和组装技术等。,纳米计算机将在第四个阶段中得以实现。,在第五阶段里，科学家们将研制出能够制造动力源与程序自律化的元件和装置。,纳米超微粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性能的变化。,具有很高的化学活性.利用这一特性可制得具有高催化活性和产物选择性的催化剂。,表面效应,Part2纳米材料的特性纳米效应,微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，吸收光谱向短波方向移动，这种现象称为量子尺寸效应。,量子尺寸效应,隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。,宏观量子隧道效应,1.光学性质2.热学性质3.磁学性质4.力学性质,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。,小尺寸效应,机械球磨法,冷冻干燥法,微乳液放应,化学沉淀法,Part3纳米材料制备技术与方法,真空冷凝法,喷雾法,水热合成法,气相沉积法,物理方法,化学方法,模板合成法应,3.1物理方法,真空冷凝法,用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等粒子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。,通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。,物理粉碎法,机械球磨法,采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。,气相沉积法,化学沉淀法,水热合成法,利用化合物蒸气的化学反应来合成纳米微粒的方法。,优点：表面清洁，粒子大小可控制，无黏结，粒度分度均匀。适合于单质、无机化合物和复合材料纳米微粒的制备过程。,共沉淀法、均匀沉淀法、多元醇沉淀法、沉淀转化法,优点：工艺简单，适合于制备纳米氧化物粉体。缺点：纯度较低，颗粒粒径较大。,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。,可直接得到分散且结晶良好的粉体，不需做高温灼烧处理，避免了可能形成的粉体硬团聚；可通过实验条件的调节来控制纳米颗粒的晶体结构与晶粒纯度。,3.2化学方法,微乳液法,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。,将纳米微粒置于分子筛的笼中，可以得到尺寸均匀，在空间具有周期性构型的纳米材料。,微乳液通常是由表面活性剂、助表面活性剂(通常为醇类)、油类(通常为碳氢化合物)组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系。微乳液中，微小的“水池”为表面活性剂和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒，其大小在几至几十个纳米间，这些微小的“水池”彼此分离，就是“微反应器”。它拥有很大的界面，有利于化学反应。这显然是制备纳米材料的又一有效技术。,微乳法制备的粒子不易聚结，大小可控，分散性好。,Part4纳米材料的结构与性能,纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。,结构特点,磁学性能,烧结性能,力学性能,电学性能,热学性能,光学性能,由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。,由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。,纳米粒子的粒径（10100nm）小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。,纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。高的扩散率对蠕变、超塑性等力学性能有明显的影响，同时可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的金属形成新的合金相；纳米材料的高扩散率，可使其在较低的温度下被烧结。,性能,高温、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题，纳米结构材料的硬度（或强度）与粒径成反比。,当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要的影响。,5,纳米材料的分析与表征方法,一般情况下，TEM还会装配High-ResolutionTEM（高分辨率透射电子显微镜）、EDX（能量弥散X射线谱）和SAED（选区电子衍射）。High-ResolutionTEM用于观察纳米材料的晶面参数，推断出纳米材料的晶型；EDX一般用于分析样品里面含有的元素，以及元素所占的比率；SAED用于实现晶体样品的形貌特征与晶体学性质的原位分析。,TEM,TEM为透射电子显微镜，分辨率为0.10.2nm，放大倍数为几万百万倍，用于观察超微结构，即小于0.2微米、光学显微镜下无法看清的结构。TEM是一种对纳米材料形貌、粒径和尺寸进行表征的常规仪器，一般纳米材料的文献中都会用到。,（c）Ag-TiO2nanofibers（d）ahigh-resolutionAg-TiO2nanofibers,SEM,SEM表示扫描电子显微镜，可以获取被测样品本身的各种物理、化学性质的信息，如形貌、组成、晶体结构和电子结构等等。SEM也是一种对纳米材料形貌、粒径和尺寸进行表征的常规仪器，一般纳米材料的文献中都会用到。,SEM一般会装配EDX，用于分析材料的元素成分及所占比率。,AFM是指原子力显微镜，原子力显微镜的优点是在大气条件下，以高倍率观察样品表面，可用于几乎所有样品（对表面光洁度有一定要求），而不需要进行其他制样处理，就可以得到样品表面的三维形貌图象。,AFM,动态光散射，DLS技术测量粒子粒径，具有准确、快速、可重复性好等优点，已经成为纳米科技中比较常规的一种表征方法。随着仪器的更新和数据处理技术的发展，现在的动态光散射仪器不仅具备测量粒径的功能，还具有测量Zeta电位、大分子的分子量等的能力。,DLS,BET测试法是BET比表面积测试法的简称，主要可以看出纳米材料的氮气吸附曲线和孔径分布图。,BET测试法氮气吸附/解吸分析,ICP-AES是指电感耦合等离子体原子发射光谱法，主要用来测定岩石、矿物、金属等样品中数十种元素的含量。AAS是指原子吸收分光光度计，也可以用来测定样品中的元素含量。所以这两个仪器一般用于对于纳米材料的掺杂量的估算。,ICP-AESorAAS,ESR是电子自旋共振的缩写，电子顺磁共振谱仪的主要应用：一是研究矿物中顺磁性杂质离子(浓度低于1%)，如过度元素离子和稀土元素离子的类质同像置换、有序-无序、化学键及晶格参量和局域对称；二是研究于点缺陷有关的电子-空穴中心的类型、浓度、性质等。,ESR,光生空穴和电子产生之后，空穴被电解液捕获，而电子转移到后接触点，因而产生光电流。因此对光电流的测定可以估计电荷的分离效率以及空穴电子对的复合效率，光电流的增强说明空穴电子对分离效率高并且存在更少的复合。,光电流的测定,纳米材料的应用,Part,6,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上。,陶瓷领域,纺织工业在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料，经抽丝、织布，可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装，可用于制造抗菌内衣、用品，可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。,机械工业采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理，可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。,微电子领域纳米电子学,家电用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可用处作电冰箱、空调外壳里的抗菌除味塑料。,电子计算机和电子工业可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。计算机在普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电脑”。,纳米技术与医学,研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱滋病、高血压、癌症等都将迎刃而解，从而将使医学研究发生一次革命。,检查体内疾病