功能材料课件系列：纳米材料

第11章纳米材料

第11章纳米材料1到底什么是纳米（nano-）？纳米一个长度计量单位，1纳米=10-9米。InGreek,“nano”meansdwarfHowsmallis1nanometer?到底什么是纳米（nano-）？纳米一个长度计量单位，1纳米2纳米材料的定义三维尺度至少有一个维度处于纳米级水平(1-100nm)的材料或由其作为基本单元所构成的材料；纳米技术:在纳米尺度上对物质和材料进行研究处理的技术称为纳米技术。其最终目的是实现用单个原子、分子制造物质。纳米材料的定义三维尺度至少有一个维度处于纳米级水平(1-103纳米材料的分类按其定义可将其分为4类：维度指非纳米尺度的维度。纳米材料的分类按其定义可将其分为4类：维度指非纳米尺度的维度4纳米科技的意义（1）纳米科学对基础理论的完善作用我们已经确定，材料的组成、结构和性能为其三要素，三者存在某种联系；过去很长一段时间，为了探究材料结构理论及其内部机理，科研人员总是尽可能的制备、寻求理想材料(低缺陷的，纯净的材料)，其目的是使结构缺陷接近为零，从而忽略缺陷对材料性能的影响，使理论模型简单化(缺陷为零，相当于少了一个影响因素)；为此制备工艺常需要超真空、超高(低)温、失重等条件。实际材料结构当中必然是有缺陷的，因此过去的研究无疑是在寻求一种极端的条件，现在人类的研究开始向另一个极端转变：纳米材料

纳米结构可看成完全的缺陷态，研究该状态下材料的结构性能，有利于完善缺陷和材料性能的理论。纳米科技的意义（1）纳米科学对基础理论的完善作用5

(2)纳米技术的应用必将引发一场新的革命纳米技术的应用使人们认识、改造微观世界的水平提高到了一个新的高度。1）可以将国会图书馆的信息都存储在一块方糖大小的存储器上。

2）可以检测出几个癌细胞。

-------克林顿很显然这些我们已经实现，并比这做的还要好。(2)纳米技术的应用必将引发一场新的革命6许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么实际意义。但我确信纳米科技现在已具有与此同时150年前微米科技所具有的希望和重要意义。150年前,微米成为新的精确标准,并成为工业革命的技术基础,最早和最好学会并使用微米技术的国家都在工业发展中占据了巨大的优势。同样,未来的技术将属于那些明智地接受纳米作为新标准,并首先学习和使用它的国家。我们应当记住,微米技术曾同样被认为对使用牛耕地的农民无关紧要。的确,微米与牛毫无关系,但它却改变了耕作方式,带来了拖拉机。

---H.Rohrer,IBM苏黎世实验室,1993年。许多人认为纳米科技仅仅是遥远的未来基础科学的事情,而没有什么7二、纳米材料的奇异性能结构决定性能，而材料结构又取决于工艺四大特点:尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大四大效应:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。二、纳米材料的奇异性能结构决定性能，而材料结构又取决于工艺8小尺寸效应小尺寸效应9当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透10纳米粒子的表面原子所占的比例随粒径变小而急剧增大，比表面积显著增加，表面原子因具有不饱和键结构而具有很高的活性，表面能很高，致使颗粒具有与宏观块体材料不一样的性能。表面效应拐点纳米粒子的表面原子所占的比例随粒径变小而急剧增大，比表面积显11比表面积：物体的表面积与体积之比，该数据对纳米材料的性质具有重要影响。比表面积与粒径：随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分比将会显著增加。例如，直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，而当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分比急剧增长。甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应不能忽略。1g粉笔磨成纳米粉体，可把我们的教室全部涂白比表面积：物体的表面积与体积之比，该数据对纳米材料的性质具有12纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级，而半导体材料的能隙将变宽。量子尺寸效应纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准13宏观量子隧道效应隧道：明明有障碍物无法通行，但却可以忽略障碍物通行无阻。宏观量子隧道效应隧道：明明有障碍物无法通行，但却可以忽略障碍14隧道效应：又称势垒贯穿，是由微观粒子的波动性所确定的量子效应。粒子运动时遇到一个高于粒子能量的势垒，按照经典力学，是不可能越过势垒的；按照量子力学则除了在势垒处的反射外，还有透过势垒的波函数，这表明在势垒的另一边，粒子具有一定的概率，粒子贯穿势垒。隧道效应：又称势垒贯穿，是由微观粒子的波动性所确定的量子效应15理论计算表明，对于能量为几个电子伏的电子，方势垒的能量也是几电子伏，当势垒宽度为1埃时，粒子的透射概率达零点几；而当势垒宽度为10埃时，粒子透射概率减小到10-10，已微乎其微。可见隧道效应是一种微观世界的量子效应，对于宏观现象，实际上不可能发生。近年来，人们发现纳米器械中的一些宏观物理量，如磁化强度、磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。理论计算表明，对于能量为几个电子伏的电子，方势垒的能量也是几16由四大效应引起的奇特物理性能特殊的光学性质特殊的热学性能特殊的力学性能特殊的磁学性能由四大效应引起的奇特物理性能特殊的光学性质17光学性能当黄金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，所有的金属在超微颗粒状态都呈黑色。尺寸越小，颜色愈黑。原因：超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于1％，大约几微米的厚度就能完全消光。吸收带蓝移现象由量子尺寸效应可知，金属纳米颗粒的能带由连续向离散态转变，半导体的禁带宽度变宽。所以吸收的能量变高，谱线向短波方向移动－蓝移。光学性能当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富18热学性能固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后却发现其熔点将显著降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。例如，银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃；原因：纳米颗粒高的表面能决定的。热学性能固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化19磁学性能小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80安／米，而当颗粒尺寸减小到2×10-2微米以下时，其矫顽力可增加1千倍，若进一步减小其尺寸，大约小于6×10-3微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。原因：外場产的磁取向力太小而无法抵抗热扰动的干扰，致其磁化性质与顺磁体相似。热能为玻耳兹曼常数与温度的乘积，热能随温度升高而增强；而磁能的大小取决于磁力大小和粒子体积，由于使用材料一定，磁力就一定，因此磁性颗粒的磁能将随粒度的缩小而降低。若继续降低磁性颗粒的体积，以至于磁能低于热能，则室温下就可以让磁性颗粒的极性从有序变成无序，导致小磁极的整体极性消失。

磁性颗粒变成超順磁性的临界尺寸与温度有关，室温时铁粒的临界大小为12.5纳米，而在4.2K时半径为2.2纳米的铁粒还是铁磁性的。磁学性能小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁20力学性能陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而纳米陶瓷却具有良好的韧性。因为纳米材料具有大的界面，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，从而导致应力扩散，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性质。力学性能陶瓷材料在通常情况下呈脆性，而纳米陶瓷却具有良好的韧21美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。人的牙齿之所以具有很高的强度，且不容易掰断，也是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。美国学者报道氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯22纳米材料

之一：碳纳米管分类：单层多层(同心管状结构)结构：层内结构与石墨相似，呈六元环；管径为纳米级，管长可达毫米级；制备：多为激光轰击石墨而得；可能机理：石墨在特殊刺激下，平面结构卷曲成核而得。性能：导电性强、强度高、韧度好。纳米材料

之一：碳纳米管分类：单层23碳纳米管的应用－弹簧

莫斯科大学的研究人员为了研究纳米管的受压强度，将少量纳米管置于1900Kpa的水压下(相当于水深18000米)做实验。不料未到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形状。应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震装置，可大大减轻车辆的重量。碳纳米管的应用－弹簧莫斯科大学的研究人员为了24碳纳米管应用：场发射显示器优点：与CRT比：体积小电压低能耗低与LCD比：无需背光亮度高无视角问题应答速度快使用温度广(-40～80℃)碳纳米管应用：场发射显示器优点：25碳纳米管应用：人造卫星拖绳绳系卫星：灵感源泉来于放风筝，收放自如。拖绳：用于连接飞行器和卫星的绳索。太空发电：飞行器绕地心飞行，导体的拖绳切割地磁场磁力线，可成为一台发电机，不仅可为卫星供电，还可以耐受很高的温度而不被烧毁。碳纳米管应用：人造卫星拖绳绳系卫星：26碳纳米管储氢H2物理吸附储氢吸附量与表面积成正比关系可达到很高的储氢密度6.5Wt％碳纳米管储氢H2物理吸附储氢27结构：中空球体，类似足球，故名足球烯，由五边形和六边形构成。制备：石墨经激光、电弧等强高温加热，或在一定的催化剂(铁基和镍基)下，碳原子能形成C60分子。纳米材料之二：碳纳米球结构：中空球体，类似足球，故名足球烯，纳米材料之二：碳纳米28碳60的超导性C60为绝缘体，但引入碱金属、碱土金属原子后，可得到各向同性的超导性，为有机超导体。临界温度仅有8K，但却开辟了超导材料的一个新领域－有机超导材料有机分子结构复杂，可变性高，故专家预言高温超导材料有望在有机材料中实现。碳60的超导性C60为绝缘体，但引入碱金属、碱土金属原子后，29纳米材料之三

纳米陶瓷韧性陶瓷(纳米陶瓷)指显微结构具有纳米数量级水平的陶瓷材料，包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等都是纳米量级。性能特点纳米陶瓷晶粒细化，有助于晶间的滑移，从而导致了超塑性，大大改善陶瓷的脆性；材料中的气孔和其他缺陷尺寸减小，当这些尺寸小到一定程度时，对宏观特性的影响就很小，因此纳米陶瓷可实现少缺陷甚至无缺陷的陶瓷，其力学性能高出一筹；颗粒细小，晶界及表面能大，使得陶瓷的烧成温度大大降低。纳米材料之三

纳米陶瓷韧性陶瓷(纳米陶瓷)30纳米材料之四

纳米塑料定义即工程塑料，只有纳米材料完全分散到塑料中成为纳米相形态并产生出相应效应的材料才叫纳米塑料。纳米材料之四

纳米塑料定义31其他纳米结构及其应用纳米微粒型催化剂催化性能显著增强量子海市蜃楼其他纳米结构及其应用纳米微粒型催化剂催化性能显著增强32经光的折射形成的“幻象”海市蜃楼经光的折射形成的“幻象”海市蜃楼33数十个钴原子在金属铜表面排列成椭圆形的“栅栏”，后将一个磁性钴原子置于该椭圆“栅栏”的一个焦点，另一焦点处空余；实验中却发现，在第二个焦点处铜表面电子的电子态产生了变化，仿佛该位置上也存在一个真正的磁性钴原子。这可看作在第二个焦点上出现了另一焦点磁性钴原子的“海市蜃楼”。他们比喻说，这一效应有点类似回音壁，在