纳米材料及其优异性能.ppt

1、第二节 纳米材料 及其优异性能,狭义：颗粒尺寸在纳米量级（1100nm）的超细材料，它的尺寸大于原子簇而小于通常的微粉，处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。 广义：在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。,纳米材料的定义,1）纳米粉体材料 由纳米粒子构成的松散集合体； 2）纳米块体材料 纳米粉体经过一定的压制工艺制成的具有高致密度的材料，如纳米陶瓷、纳米金属与合金等； 3）纳米薄膜材料 将纳米粒子制成薄膜或将纳米粒子分散到其他的薄膜（如有机膜）中进而形成的多层膜。 4）纳米复合材料 将纳米粒子分散到高分子、常规陶瓷或金属中。,纳米材料的分类,零维在

2、空间三维尺度均为纳米尺度， 如纳米尺度颗粒、原子团簇等； 一维在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等； 二维在三维空间中有一维在纳米尺度，如超薄膜、多层膜等纳米薄膜。,纳米材料的基本组成单元,2.1 纳米材料的综合特性,当材料的尺寸进入纳米量级时，材料就具有其原先材料所不具备的三大效应：,体积效应（小尺寸效应） 表面（或界面）效应 宏观量子隧道效应,1体积效应（小尺寸效应）,体积效应又称小尺寸效应。当纳米粒子的尺寸与传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干波长等物理尺寸相当或更小时，其周期性的边界条件将被破坏，光吸收、电磁、化学活性、催化等性质和普通材料相比发生很大变化，这就是纳米

3、粒子的体积效应。,用途： 纳米粒子的体积效应不仅大大扩充了材料的物理、化学特性范围，而且为实用化拓宽了新的领域。例如纳米尺度的强磁性颗粒可制成磁性信用卡；纳米材料的熔点远低于其原先块状材料的熔点，这为粉末治金提供了新工艺等。,2表面（或界面）效应,纳米粒子表面原子与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。,粒子半径的减小 表面积急剧变大 表面原子数迅速增加 表面原子周围缺少相邻的原子，具有不饱和性质 大大增强了纳米粒子的化学活性，纳米材料的原子扩散路径增多。,用途 纳米金属粒子室温下在空气中便可强烈氧化而发生燃烧等等。 纳米材料的许多特性是和其表面与界面的效应有关的。,3宏观

4、量子隧道效应,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，该粒子仍能穿越该势垒的能力称为隧道效应。 纳米粒子的磁化强度等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，这被称为纳米粒子的宏观量子隧道效应。,用途 纳米镍晶粒在低温下能继续保持超顺磁性。 宏观量子隧道效应限定了磁盘等对信息存储的极限，确定了现代微电子器件进一步微型化的极限。,2.2 纳米粒子及其性能,1 化学成分 无机、有机和有机无机复合粒子。 无机纳米微粒包括金属与非金属（半导体、陶瓷、铁氧体等），有机纳米微粒主要是高分子和纳米药物。 2 原子排列的对称性和有序程度 晶态、非晶态、准晶态。,3 纳米粒

5、子的形状及其表面形貌 表面有原子台阶； 壳层结构表面层结构不同于内部完整的结构（包括键态、电子态、配位数等）； 体相结构也受到尺寸制约，而不同于常规材料的结构； 结构还与制备方法有关。,4 化学结合力性质 几乎所有的纳米级材料（粒子）都部分地失去了其常规的化学结合力性质，表现出混杂性。 由于材料的结合力性质与原子间距有关，而纳米级材料（粒子）内部的原子间距与相应的常规材料不同，其结合力性质也就相应地发生变化，表现出尺寸依赖性。,5 按粒径尺寸分类 超细粉 20100nm 超微细粉 20nm 纳米粒子统称超微粉、超微颗粒。,6 纳米粒子奇异的物理化学特性及应用,1）光学性能 A 对可见光的极低反

6、射率和强吸收率。粒子尺寸越小，光的吸收越强烈。 用途：纳米金属用于制作红外线检测元件和隐身飞机的雷达波吸收材料。,B 存在蓝移现象，纳米微粒的吸收带移向短波长方向，出现了常规材料所不具备的新的发光现象。 用途：提高激光光盘的存储密度，增加光纤通信量，激光打印的清晰度，解决三原色的问题，并实现大屏幕的彩色显示。,2）热学性能 熔点显著降低，烧结温度和晶化温度也均比常规粉体低 。 热膨胀可调，因此可将具有不同热膨胀系数的材料连接 。,3）磁学性能 纳米磁性微粒具有较高的磁化率和矫顽力、较低的饱和磁矩和磁耗。纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩是普通金属的一半。 物质的磁性、磁畴结构随

7、材料几何尺寸减小发生变化。纳米微粒尺寸小到一定临界值时具有超顺磁特性，矫顽力趋于零。,用 途 纳米粒子作永久性磁体材料和磁流体，作磁记录材料则可以提高信噪比、改善图像质量。,4）化学活性 纳米粒子的比表面积大，表面原子数很多，使得纳米材料具有较高的化学活性。许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧。,用途： A 无机材料的纳米粒子做成气敏元件，对不同气体进行检测，将增进气敏元件的灵敏度。 B 化学催化剂。纳米粒子具有无细孔、无其他成份、能自由选择组份、使用条件温和、使用方便等优点。纳米复合材料可用于汽车尾气中排放出的SO2、CO的消除。,C 光催化活性是半导体纳米粒子非常独特的性能，

8、引起科技界与产业界的高度重视。半导体纳米粒子在紫外光照射下，可有效地将有机污染物完全催化氧化成二氧化碳、水、氯离子等无机物。 TiO2作为光催化剂，具有活性高、安全、无污染等优点，是最有开发前景的绿色环保催化剂之一，并正在有机废水处理、空气净化、杀菌除臭中扮演越来越重要的角色，其应用也越来越广泛。,2.3 纳米纤维,1 定义： 在材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线（管）状材料，通常是直径或管径或厚度为纳米尺度而长度较大。 2 应用： 随着微电子学和显微加工技术的发展，使纳米纤维有可能在纳米导线、开关、线路、高性能光导纤维及新型激光或发光二极管材料等方面发挥极大的作用，是未来量子计算机与

9、光子计算机中最有潜力的重要元件材料。,（1）纳米丝、纳米线、纳米棒,实心的准一维纳米材料，长度比直径通常要大得多，可以是宏观量级。纳米丝、纳米线、纳米棒三者之间的区分并不严格，通常将长径比（长度与直径的比值）较大的称为纳米丝，长径比较小的称为纳米棒，有人将分界限尺度定为1um。习惯上将半导体或金属的纳米线称为量子线。,（2）纳米碳管,由单层或多层石墨片卷曲而成的无缝纳米级管状壳层结构。管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。 性能：虽然成分和石墨一样，碳纳米管韧性很高，导电性极强，兼具金属性和半导体性。强度比钢高100倍，比重只是钢的1/

10、6。被称为“超级纤维”。,用途十分诱人：可制成极好的微细探针、导线和性能颇佳的增强材料。它使壁挂电视成为可能，并可能制成替代硅芯片的纳米芯片从而引发计算机行业革命。,（3）纳米电缆,由多种物质组成的同轴纳米线状结构。“内芯”是纳米丝，外面包覆着厚度为纳米级的绝缘层，其几何结构类似于普通的同轴电缆。 用途：纳米电缆的研制成功，将为人类制造肉眼看不见的微型器件和微型机器人发挥重要作用。,2.4 纳米薄膜,1 定义 由尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级单层或多层膜，有时也称为纳米晶粒薄膜和纳米多层膜。其性能强烈依赖于晶粒（颗粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多层膜的结构 。,2 分类 1）按薄膜的构成和致密程度，纳米薄膜可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连续薄膜。 2）按应用性能，可分为：纳米磁性薄膜、纳米光学薄膜、纳米气敏膜、纳滤膜、纳米润滑膜及纳米多孔膜等 。,2.5 纳米块体材料,1 定义 将纳米粉末高压成型或烧结或控制金属液体结晶而得到的纳米材料。,2 特性 由于大量纳米微粒在保持表（界）面清洁条件下组成的三维系统，其界面原子所占比例很高，微观结构存在长程