新材料与纳米技术.ppt

1、新材料与纳米技术,同济大学物理系,P.2/44,一、新材料技术与人类文明,1. 材料：科学技术的必要物质基础，新技术突破的前提保证；而且某些新材料的研制过程本身就是新技术的发展。,光通信-光导纤维和激光材料 计算机技术-半导体材料和磁性材料 新能源-超导材料、光电材料和贮氢材料 生物工程-生物功能材料,2. 材料事业-科学技术密集型,材料科学：在固体物理、结晶化学、结构化学、电磁学、光学、力学、热学等现代科学理论基础上，运用现代精密测试、分析技术对材料的化学组成、结合键、合成方法、结构与性能关系进行深入研究的结果。 新材料的研制：研究材料的宏观、微观和迁移现象，物质的相互作用与结合关系规律，材

2、料的组成结构特征和力学、光学、热学、电磁、声学等物理性能的关系，材料的制取生产工艺和应用等。,P.3/44,3. 材料的发展史 1) 石器材料-对自然界天然物质作简单的打、磨加工 陶器材料-人类通过加工技术以一定的工艺制造非天然物质材料的起点,新材料技术与人类文明,2) 青铜、铁器材料-加工、冶炼技术和工艺的改进,3) 20世纪末主要的新材料-塑料、合成橡胶、化纤等各种高分子材料，特种陶瓷、特种玻璃、特种水泥、光导纤维、碳纤维、硼纤维等硅酸盐和无机功能新材料，记忆合金、非晶态金属、晶须、超导材料、超塑性金属、超弹性合金等型金属材料，以及纤维增强、弥散粒子、叠层复合等新型复合材料。,4) 第四代

3、、第五代材料-超微粒子、超晶格膜、超纯材料等“极限材料”和“分子设计”材料等。,P.4/44,二、新材料技术 1. 金属材料,优点: 高纫性，延展性好，强度高，导电性好。,发展及分类: 初期：铁和钢(铁的合金) 20世纪初：以硬铝为首的铝合金 20世纪50年代：起又出现只有钢一半重、耐热性比钢好而强度不低于钢的钛合金。 现在：主要仍是钢、铝合金、钛合金，性能提高 发展：超高纯度铁、超高强度钢、超高速钢(用作刀具)、超硬合金、超塑性合金、超耐热合金、超低温材料等等。,P.5/44,新材料技术,分类: 黑色金属：铁、铬、锰等几种 有色金属：除黑色金属外的多种金属(64/103),有色金属 “家族”

4、中的“十大金刚” 铜、铝、铅、锌、锡、镍、锑、钛、镁、汞,有色金属工业-高能耗产业。近年来，采用富氧闪速熔炼工艺，使铜生产能耗大大降低，比采用传统工艺生产铜降低能耗达30%。此外，在氧化铝制备工艺上采用串联法，并开发出智能控制的大型预焙电解槽，可使能耗降低20%25%。,P.6/44,新材料技术,石墨变金刚,将石墨放在1500到2000的高温和45万个大气压的装置中，在催化剂的作用下，就能把石墨的结构“改造”成金刚石，黑黝黝的石墨摇身一变就成了光灿灿的“人造宝石”了。,P.7/44,新材料技术,超塑金属,某些坚固的金属进行特定的高温处理或添加某些元素，就可以使它们变得象“软糖”或“粘糕”样，只

5、用很小的力，就能把它们拉长几十倍、几百倍、甚至几千倍，随你加工成什么形状。人们形象地把这类金属称为“超塑金属”。例如，纯镍、铁镍铬合金、钛合金等。,超塑合金槽筒,P.8/44,新材料技术,将金属镍和钛以9:11的比例掺合在一起，如果在某一较高温度下，用这种材料做成一根笔直的金属丝，冷却后，把它随意地盘卷起来，只要用火一烧，就会立即恢复到原来的笔直形状。,记忆合金,形状记忆合金是材料家族中的一个后起之秀，由于它的奇特性能，人们已经给它派了一些恃殊用场。如航天器上体积较大的天线、新型发动机,P.9/44,新材料技术,2. 非金属材料 1) 陶瓷 优点: 强度高，收缩小，机械性能好；耐各种酸碱腐蚀，

6、耐高温，耐辐射，抗氧化。致命缺点是易脆性。,高强高温结构陶瓷强度高，机械性能好，是高温发热元件、绝热发动机和燃气涡轮机叶片、喷嘴等高温工作器件的重要材料，还可用作高温坩锅、高速切削刀具和磨具材料。,电工电子特种功能陶瓷具有特殊的声、光、电、磁、热和机械力的转换、放大等物理、化学效应，是功能材料中引人注目的新型材料。,P.10/44,新材料技术,2) 玻璃 钢化玻璃(安全玻璃),强度是平板玻璃的35倍，耐急冷急热性较好, 而且破碎后呈小粒状。常用于汽车、火车等交通工具的风挡玻璃、窗玻璃，高级宾馆的玻璃大门及隔断，玻璃桌面及许多玻璃幕墙。,夹层玻璃(另一种安全玻璃),具有良好的隔音效果，有效地降低

7、噪声(一般可降低噪声3540分贝)，被广泛地应用于机场办公室、候机大厅等需要隔音的场合。,中空玻璃,用于超高层建筑物的观光厅等重要部位。此外，列车的空调车箱和地铁车窗玻璃都是钢化中空玻璃，以提高隔热、隔音等性能。,镀膜玻璃,控制阳光的入射，减少空调能耗，而低辐射镀膜玻璃可限制室内热量向外辐射散失，在寒冷地区有显著的节能效果。,P.11/44,卫星“避火衣”,外表燃烧形成牢固多孔的碳化层，成为一种良好的隔热层，同时表面燃烧时放出大量气体，一方面把热量带走了，另一方面在回收仓外面形成了一个气膜保护层，也起到隔热作用。,“瞬时耐高温材料”，是由浸有树脂的合成纤维布或玻璃布等高分子复合材料在一定的温度

8、和压力下固化而成的。,新材料技术,P.12/44,新材料技术,航天飞机的防热盔甲,一种新型人造耐高温陶瓷材料，以纯度99.7%、直径为11.5m的石英纤维加水混合成浆状，倒入模具中脱水加压成型，然后浸胶体石英，干燥后在1290的电炉中烧成。再按要求切成外形不同、大小不等的“砖块”，最后粘贴到航天飞机的铝合金蒙皮上，把外表严严实实地封盖起来，就象给航天飞机穿上了一身防热盔甲。,P.13/44,新材料技术,“哥伦比亚”号航天飞机爆炸，原因是这架航天飞机左翼在起飞时遭到从燃料箱上脱落的泡沫绝缘材料撞击，结果造成机体表面隔热保护层出现了大面积松动和破损，形成了可让“热气进入的洞”，在返航途中因超高温空

9、气入侵而彻底解体。,P.14/44,新材料技术,3) 高分子材料 分为天然的和合成的两类，都是由大量小分子单元以化学键连接起来的，具有很高分子量的聚合物。,合成纤维,合成橡胶,合成树脂,主要品种有：聚酰胺纤维(尼龙、耐纶、锦纶)、聚丙烯腈纤维(腈纶、奥纶)、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维或简称聚酯纤维(涤纶、的确良)、聚丙烯纤维(产品名丙纶)、聚乙烯醇缩甲醛纤维(维尼纶)。它们的出现，使纺织工业大为改观。,主要品种有：丁苯橡胶、氯丁橡胶、顺丁橡胶、异戊橡胶、丁腈橡胶。现在的总产量已经超过天然橡胶的一倍以上。,除少数品种可作合成纤维以外，大量用作塑料、涂料和粘合剂的基料。,工程塑料: 有一类具有金属性

10、能，能承受一定的外力，有良好机械性能的高分子材料,P.15/44,1959年费曼在美国物理学会年会上发表了一篇题为在末端处有足够的空间的讲演 人类一旦掌握了对原子逐一实行控制的技术后，能按自己的愿望人工合成物质的那一天也就为期不远了。 只要按化学家的要求把原子放在指定的位置，所需的物质就制造出来了。,纳米技术，包括两部分： 纳米工艺 用以隔离、定位及控制原子 显微技术 把原子一个接一个按各种稳定的模式组装起来，从一个小零件直到个整体结构。,三、纳米技术,P.16/44,费曼不仅提出了问题，而且证明了它是为规律所允许的，他说：,据我所知，物理学并不排除逐个原子地对物质合成实行控制的可能性，这种想

11、法并不违反任何规律，从原则上讲它是能够做到的。,什么是纳米技术,P.17/44,CSTM9000型扫描隧道显微镜,1. 扫描隧道显微镜(STM),P.18/44,扫描隧穿显微镜,通过探测物质表面的隧道电流来分辨其表面特征,1) 工作原理,P.19/44,在大气压下或真空中均能工作； 无损探测, 可获取物质表面的三维图像； 可进行表面结构研究, 实现表面纳米(10-9m) 级加工。,扫描隧穿显微镜,P.20/44,2) 应用实例,扫描隧穿显微镜,P.21/44,扫描隧穿显微镜,1990年，美国国际商用机器公司（IBM）阿尔马登研究中心科学家，经22小时的操作，把35个氙原子移动到位，组成IBM三

12、个字母，加起来不到3nm。,P.22/44,通过移走原子构成的图形,扫描隧穿显微镜,P.23/44,2. 相关基本概念,纳米（nano meter，nm） 是一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 纳米科学（nano-science） 研究纳米尺度范围内的物质所具有的特异现象和特异功能的科学。 纳米科学技术（nano-technology） 是指用数千个分子或原子制造新型材料或微型器件的科学技术。它以现代科学技术为基础，是现代科学和现代技术结合的产物。,基本概念,P.24/44,纳米材料（nano material） 纳米技术涉及的范围很广，纳米材料只是

13、其中的一部分，但它却是纳米技术发展的基础。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。,基本概念,P.25/44,3. 纳米材料的奇异特性,球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比

14、，故其比表面积（表面积体积）与直径成反比。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数将会显著地增加。 直径大于 0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当颗粒尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的。 利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。,1) 表面效应,纳米材料的奇异特性,P.26/44,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。对超微颗粒而

15、言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。,2) 小尺寸效应,纳米材料的奇异特性,(1) 特殊的光学性质 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现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l %，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等。,P.27/44,(2) 特殊的热学性质 固态物质在其形态为大尺

16、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。超微颗粒熔点下降的性质对粉末冶金工业具有一定的吸引力。例如，在钨颗粒中附加0.1 %0.5 %重量比的超微镍颗粒后，可使烧结温度从3000降低到12001300，以致可在较低的温度下烧制成大功率半导体管的基片。,2) 小尺寸效应,纳米材料的奇异特性,(3) 特殊的磁学性质 人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒，使这类生物在地磁场导航下能辨别方向，具有回归的本领。磁性超微颗粒实质上是一个生物磁罗盘，生活

17、在水中的趋磁细菌依靠它游向营养丰富的水底。在趋磁细菌体内通常含有直径约为0.002微米的磁性氧化物颗粒。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0.002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0.0006微米时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。,P.28/44,(4) 特殊的力学性质 陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性。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，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

18、学性质。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。研究表明，人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。呈纳米晶粒的金属要比传统的粗晶粒金属硬35倍。至于金属一陶瓷等复合纳米材料则可在更大的范围内改变材料的力学性质，其应用前景十分宽广。 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。,2) 小尺寸效应,纳米材料的奇异特性,P.29/44,3) 宏观量子隧道效应,(1)量子尺寸效应 各种元素的原子具有特定的光谱线，如钠原子具有黄色的光谱线。原子模型与量子力学已用能级的概念进行了合理的解释，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒

19、而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，磁矩的大小和颗粒中电子是奇数还是偶数有关，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。因此，对超微颗粒在低温条件下必须考虑量子效应，原有宏观规律已不再成立。,纳米材料的奇异特性,P.30/44,(2) 量子隧道效应 电子具有粒子性又具有波动性，因此存在隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中

20、的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应。量子尺寸效应、宏观量子隧道效应将会是未来微电子、光电子器件的基础，或者它确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在0.25微米。目前研制的量子共振隧道晶体管就是利用量子效应制成的新一代器件。,3) 宏观量子隧道效应,纳米材料的奇异特性,P.31/44,1) 在陶瓷领域的应用 随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有像金属

21、一样的柔韧性和可加工性。许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷的烧结过程中抑制晶粒长大的技术问题，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等优点。,纳米技术的应用,4. 纳米技术的应用,2) 在微电子学上的应用 纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理信息的能力，实现信息采集和处理能力的革命性突破，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。纳米电子学将成为下世纪信息时代的核心,P.32/44,3) 在生物工程上应用 虽然分子计算机目前只

22、是处于理想阶段，但科学家已经考虑应用几种生物分子制造计算机的组件，其中细菌视紫红质最具前景。该生物材料具有特异的热、光、化学物理特性和很好的稳定性，并且，其奇特的光学循环特性可用于储存信息，从而起到代替当今计算机信息处理和信息存储的作用，它将使单位体积物质的储存和信息处理能力提高上百万倍。,纳米技术的应用,4) 在光电领域的应用 纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。,P.33/44,5

23、) 在化工领域的应用 将纳米TiO2粉体按一定比例加入到化妆品中，则可以有效地遮蔽紫外线。将金属纳米粒子掺杂到化纤制品或纸张中，可以大大降低静电作用。利用纳米微粒构成的海绵体状的轻烧结体，可用于气体同位素、混合稀有气体及有机化合物等的分离和浓缩。纳米微粒还可用作导电涂料，用作印刷油墨，制作固体润滑剂等。 研究人员还发现，可以利用纳米碳管其独特的孔状结构，大的比表面（每克纳米碳管的表面积高达几百平方米）、较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。,纳米技术的应用,P.34/44,6) 在医学上的应用 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，并在纳米材料的尺度

24、上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便，用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液，就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。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。,纳米技术的应用,P.35/44,纳米技术的应用,P.36/44,7) 在分子组装方面的应用 如何合成具有特定尺寸，并且粒度均匀分布无团聚

25、的纳米材料，一直是科研工作者努力解决的问题。目前，纳米技术深入到了对单原子的操纵，通过利用软化学与主客体模板化学，超分子化学相结合的技术，正在成为组装与剪裁，实现分子手术的主要手段。,纳米技术的应用,用STM针尖操纵，让48个Fe原子围成一个平均半径为7.13 nm的圆圈“量子围栏”，围栏中的电子形成驻波.,一氧化碳分子竖在铂表面上、高0.5nm的分子人,P.37/44,8) 在传感器方面的应用 传感器是纳米技术应用的一个重要领域。随着纳米技术的进步，造价更低、功能更强的微型传感器将广泛应用在社会生活的各个方面。比如，将微型传感器装在包装箱内，可通过全球定位系统，可对贵重物品的运输过程实施跟踪

26、监督；将微型传感器装在汽车轮胎中，可制造出智能轮胎，这种轮胎会告诉司机轮胎何时需要更换或充气；还有些可承受恶劣环境的微型传感器可放在发动机汽缸内，对发动机的工作性能进行监视。在食品工业领域，这种微型传感器可用来监测食物是否变质，比如把它安装在酒瓶盖上就可判断酒的状况等。,纳米技术的应用,P.38/44,主要有超细薄膜、碳纳米管、纳米陶瓷、金属纳米晶体和量子点线等。,1) 超细薄膜超细薄膜的厚度通常只有1纳米-5纳米，甚至会做成1个分子或1个原子的厚度。超细薄膜可以是有机物也可以是无机物，具有广泛的用途。如沉淀在半导体上的纳米单层，可用来制造太阳能电池，对开发新型清洁能源有重要意义；将几层薄膜沉淀在不同材料上，可形成具有特殊磁特性的多层薄膜，是制造高密度磁盘的基本材料。,纳米技术的主要研究项目,5. 纳米技术的主要研究项目,P.39/44,2) 碳纳米管 碳纳米管是由碳60分子经加工形成的一种直径只有几纳米的微型管，是纳米材料研究的重点之一。与其它材料相比，碳纳米管具有特殊的机械、电子和化学性能，可制成具有导体、半导体或绝缘体特性的高强度纤维，在传感器、锂离子电池、场发射显示、增强复合材料等领域有广泛应用前景，因而受到工业界的普遍重视。目前，碳纳米管虽仍处于研究阶段，但许多研究成果已显示出良好的应用前景。,纳米技术的主要研究项目,P.40/44,3) 陶瓷材料陶