安大陶瓷材料课件07纳米陶瓷

第七章纳米陶瓷教学基本要求了解纳米陶瓷的发展现状。掌握陶瓷的特性和制备方法。了解和掌握纳米陶瓷的应用。

7.0教学基本要求第七章纳米陶瓷一纳米材料的基本概念纳米材料的概念形成始于20世纪80年代初。近年来，对纳米材料的结构与性能，以及其应用前景等进行了广泛而深入的研究。纳米材料被誉为跨世纪的新材料。

7.1概述第七章纳米陶瓷纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超微颗粒，它的尺度大于原子簇，小于通常的颗粒。

通常，把仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”，纳米颗粒一般在1~100nm之间。

7.1概述第七章纳米陶瓷当小粒子尺寸进入纳米量级时，其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应，因而展现出许多特有的奇异特性，在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等诸多领域有十分广阔的应用前景，同时也将推动基础研究的发展。

7.1概述第七章纳米陶瓷所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米量级尺度的陶瓷材料，它包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸等均在纳米量级的水平上。

广义地将，纳米陶瓷材料包括纳米陶瓷粉体、单相和复相的纳米陶瓷、纳米-微米复相陶瓷和纳米陶瓷薄膜。

7.1概述第七章纳米陶瓷纳米陶瓷的出现，必将引起陶瓷工艺、陶瓷科学、陶瓷材料的性能和应用的变革性发展，也将促使与之相关联的其他功能陶瓷材料的研究提高到一个崭新的阶段。

7.1概述第七章纳米陶瓷纳米陶瓷无油烟锅二纳米陶瓷微粒尺寸的评估纳米微粒一般指一次颗粒（所谓一次颗粒是指含有低气孔率的一种独立的粒子）。

纳米微粒的结构可以为晶态、非晶态和准晶态。

7.1概述第七章纳米陶瓷在晶态情况下，纳米粒子可以为多晶体，当粒径小到一定值后则为单晶体。只有为单晶体时，纳米微粒的粒径才与晶粒尺寸相同。

7.1概述第七章纳米陶瓷纳米微粒和由它们构成的纳米固体材料具有四个基本效应。小尺寸效应表面与界面效应量子尺寸效应宏观量子隧道效应

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷小尺寸效应。当纳米微粒的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或穿透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，声、光、电、磁、热力学等特性均会呈现新的小尺寸效应。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷表面与界面效应。纳米微粒由于尺寸小，表面积大，表面能高，位于表面的原子占相当大比例。这些表面原子处于严重的缺位状态，因此其活性极高，极不稳定，很容易与其他原子结合，产生一些新的效应。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷量子尺寸效应。当粒子尺寸下降到最低值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。低温下电子能级是离散的，而且这种离散对材料的热力学性质有很大影响。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷例如，超微粒子的比热、磁化率明显区别于大块材料。库波（Kubo）提出了相邻电子能级间距（δ）和颗粒直径的如下关系式：（7-1）

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷式中，N：一个超微粒子的总导电电子数；EF：费米能级；V：超微粒子体积。对于宏观物体包含无限个原子，N→∞，由式（7-1）知，δ→0，能级连续。而对纳米微粒，所含的原子数有限，N很小，δ就有一定值，能级分立。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，这就导致纳米微粒的磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同，称为量子尺寸效应。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷宏观量子隧道效应。微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷宏观量子隧道效应研究对基础研究及实用都有着重要意义。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件的基础，它确立了现有微电子器件进一步微型化的极限。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述的量子效应。上述的小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应以及量子隧道效应，都是纳米微粒与纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，是出现一些“反常现象”的原因。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷由它构成的二维薄膜以及三维固体也表现出不同于常规块状材料和薄膜的性质。纳米陶瓷具有的这些优异性能在20世纪80年代一度引起人们极大的兴趣，使陶瓷材料的研究出现一个新的飞跃。

纳米材料宏观物理性能：高强度和高韧性。高热膨胀系数、高比热和低熔点。奇特磁性。极强的吸波性。高扩散性。

7.2纳米材料的特性第七章纳米陶瓷一纳米材料的化学法制备纳米粉体的湿化学法制备纳米粉体的化学气相法制备纳米薄膜的化学法制备纳米单相及复相材料的制备

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷湿化学法制备工艺主要适用于纳米氧化物粉体的制备，它无须高真空等苛刻的物理条件又能得到性能较优异的纳米粉体。湿化学法中对超微粒子团聚体形成及强度控制至关重要，采用共沸蒸馏、有机溶剂洗涤方法，可有效地控制纳米粉体的合成及硬团聚的形成。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷化学气相法主要有气相高温裂解法、喷雾转化工艺和化学气相合成法等，这些方法具有较大的适用性和实用性。

对于化学气相法，低浓度、短停留时间和快速冷却是制备无团聚超微粉体的关键。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷纳米薄膜的化学制备主要包括电化学方法和化学气相沉积法。

电化学方法可用于合成具有纳米结构纯金属、合金、金属-陶瓷复合涂层以及块状材料，包括直流电镀、脉冲电镀、无极电镀、共沉积等技术。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷电化学方法制备的纳米材料在抗腐蚀、抗磨损、磁性、催化、储氢、磁记录等方面均具有良好的应用前景。

化学气相沉积法目前较多地应用于纳米微粒薄膜材料的制备，包括常压、低压、等离子体辅助气相沉积等。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷单相与复相陶瓷材料主要通过纳米微粒加压成型，结合各种致密化手段制备合成。

纳米陶瓷的致密化手段日趋多样化，除常规的常压烧结外，还应用了真空烧结、热锻压、微波等手段。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷二纳米材料的物理法制备纳米粉体（固体）的惰性气体冷凝法制备纳米粉体的高能机械球磨法制备纳米晶体非晶晶化方法制备深度塑性变形法制备纳米晶体

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷纳米薄膜低能团簇束沉积方法（LEBCD）制备纳米薄膜物理气相沉积技术

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷目前物理方法制备清洁界面纳米粉体及固体的主要方法之一，是惰性气体冷凝法（IGC）。纳米合金可通过同时蒸发两种或数种金属物质得到。纳米氧化物的制备可在蒸发过程中或制得的团簇后，在真空室内通以纯氧使之氧化得到。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷高能机械球磨法是一个无外部热能供给的、干的高能球磨过程，是一个由大晶粒变为小晶粒的过程。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷通过晶化过程的控制，将非晶材料转变为纳米材料是目前较为常用的方法，尤其用于薄膜材料与磁性材料的研究中。

深度塑性变形法是指材料在准静态压力下发生严重的塑性变形，从而将材料的晶粒尺寸细化到亚微米或纳米量级。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷低能团簇束沉积是近年来出现的一种纳米薄膜制备技术。该技术首先将沉积材料激发成原子状态，以Ar、He作为载气使之形成团簇，同时采用电子束使团簇离化，利用飞时间质谱仪进行分离，从而控制一定质量、一定能量的团簇束沉积而形成薄膜。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷物理气相沉积方法作为一类常规的薄膜制备手段被广泛地应用于纳米薄膜的制备与研究工作，包括蒸镀、电子束蒸镀、溅射等。

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷纳米薄膜的获得主要通过两种途径：

在非晶薄膜晶化的过程中控制纳米结构的形成控制纳米结构的形成，薄膜沉积条件的控制显得特别重要。高的溅射气压、低的溅射功率条件下易于得到纳米结构的薄膜

7.3纳米材料的制备第七章纳米陶瓷纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应，使得纳米材料在磁、光、电、敏感等方面呈现一系列常规材料不具有的特性。纳米微粒在磁性材料、电子材料、光学材料、高