纳米材料PPT学习教案

会计学1纳米材料纳米材料2一、纳米材料的概念一、纳米材料的概念至少有一维尺寸小于至少有一维尺寸小于100nm或由小于或由小于100nm的基本单元组成的材料称为纳米材料的基本单元组成的材料称为纳米材料 定义分类纳米材料通常按照维度进行分类，原子团簇、纳米微粒称为0维纳米材料，纳米线称为一维纳米材料，纳米膜称为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料 纳米结构和纳米材料在科学内涵上既有联系又有区别，而目前在一些科学文献上也往往对这两个概念相提并论。第1页/共32页3纳米材料总观纳米材料总观纳米材料纳米材料 科科 技技纳米材料物理纳米材料物理纳米材料技术纳米材料技术制备技术制备技术应用技术应用技术纳米器件设计和加工技术纳米器件设计和加工技术表征与评价技术表征与评价技术纳米材料纳米材料纳米颗粒纳米颗粒纳米金属颗粒纳米金属颗粒纳米半导体颗粒纳米半导体颗粒纳米陶瓷颗粒纳米陶瓷颗粒纳米纤维纳米纤维纳米薄膜纳米薄膜纳米颗粒膜纳米颗粒膜纳米多层膜纳米多层膜纳米晶合金纳米晶合金纳米复合材料纳米复合材料第2页/共32页4事实上，纳米材料在自然界和工程界都不是新事物，在自然界存在大量的天然纳米结构材料。例如许多动物身体中存在的约30nm的磁性粒子用于导航的天线状或管状纳米结构，在很多候鸟和鱼的身体中都发现这种磁性粒子的存在 纳米材料的发展历史纳米材料的发展历史磁性细菌中用于导航的纳米结构磁性细菌中用于导航的纳米结构十九世纪六十年代建立起来的胶体化学即是研究十九世纪六十年代建立起来的胶体化学即是研究100nm以下的系统以下的系统 中国古代在中国古代在1000年前利用燃烧蜡烛的纳米碳黑来制墨和燃料年前利用燃烧蜡烛的纳米碳黑来制墨和燃料古铜镜的防锈层经分析证实为纳米氧化锡膜特点特点偶然性应用，属于初级阶段偶然性应用，属于初级阶段 第3页/共32页5 1959年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者年，美国物理学家、诺贝尔奖获得者Feynman发表了题为发表了题为”There is a plenty of room at the bottom”的的著名演讲。提出了很多设想，包括在原子或分子尺度上著名演讲。提出了很多设想，包括在原子或分子尺度上制造材料和器件、将百科全书储存在针尖大的空间、计制造材料和器件、将百科全书储存在针尖大的空间、计算机的微型化等，被认为是纳米材料发展的里程碑。算机的微型化等，被认为是纳米材料发展的里程碑。纳米材料学成为相对独立的学科纳米材料学成为相对独立的学科 二十世纪六十年代和七十年代，日本物理学家久保提出了著名的久保理论，用量子理论解释了超细颗粒的一些特征，随后有多人对纳米结构的理论进行了研究，至二十世纪九十年代，纳米材料得到了迅猛发展三个主要标志三个主要标志纳米块体材料的出现纳米块体材料的出现扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现第4页/共32页6材料科学材料科学研究材料的结构、组织与性能之间关系的科学研究材料的结构、组织与性能之间关系的科学基本思路结构决定组织，组织决定性能结构决定组织，组织决定性能要获得一定的特殊性能，必须从研究材料的微观结构入手要获得一定的特殊性能，必须从研究材料的微观结构入手考虑。而要理解材料的性能也必需首先研究材料的结构。考虑。而要理解材料的性能也必需首先研究材料的结构。纳米材料的基本研究方法纳米材料的基本研究方法纳米材料纳米材料材料的晶粒尺寸在纳米级的材料，材料的晶粒尺寸在纳米级的材料，是近年材料科学的一个热点问题。是近年材料科学的一个热点问题。第5页/共32页7由于钠米材料中含有大量的晶界，使晶界处的原子比例远高于普通材料，这将导致纳米材料自由能的增加从而使材料处于不稳定状态，例如晶粒容易长大，材料的宏观性能发生变化等。纳米材料的基本效应纳米材料的基本效应尺寸效应当纳米材料的组成相的尺寸减小到某一临界尺寸以下时材料的性能将发生明显的变化或突变。包括力学性能、电学性能等多种性能的变化。量子效应主要涉及到金属的能带结构由准主要涉及到金属的能带结构由准连续转变为分立，能隙变宽。连续转变为分立，能隙变宽。界面效应第6页/共32页8所谓物理方法一般是通过加热使原料蒸发再将气体冷凝后得到纳米粉。这种方法的优点是颗粒的表面清洁、纯净且粒度可控，缺点是效率低、成本高、设备贵。所谓物理方法一般是通过加热使原料蒸发再将气体冷凝后得到纳米粉。这种方法的优点是颗粒的表面清洁、纯净且粒度可控，缺点是效率低、成本高、设备贵。纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术纳米材料包括超微颗粒、薄膜、纤维和块材，每种不同类型的纳米材料都有多种制备方法纳米粉的制备纳米粉的制备有物理方法和化学方法第7页/共32页9目前大部分纳米粉是采用化学方法制备的，该方法易实现多种成分的共生，成分可控，生产效率高且设备投资小。缺点是表面易产生污染、洗涤和脱水过程中易团聚，一般需进行特殊的后续处理 化学化学法法固相法固相法液相法液相法气相法气相法机械合金化机械合金化直接沉淀法直接沉淀法均相沉淀法均相沉淀法共沉淀法共沉淀法氧化还原法氧化还原法溶胶凝胶法溶胶凝胶法超重力法超重力法水热法水热法激光化学气相合成激光化学气相合成等离子化学气相合成等离子化学气相合成加氨水加氨水AlCl3水溶液水溶液得到得到Al(OH)3沉淀沉淀水洗、醇洗、脱水、烘干水洗、醇洗、脱水、烘干700煅烧、煅烧、Al(OH)3分解分解得到得到AlAl2 2O O3 3纳米粉体纳米粉体直接沉淀法示意图直接沉淀法示意图第8页/共32页10大塑性变形法示意图大塑性变形法示意图粉末冶金法示意图粉末冶金法示意图第9页/共32页11 纳米膜主要是采用物理气相沉积法（纳米膜主要是采用物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（）和化学气相沉积法（CVD）来制备。二者的区别在于沉积过程中是否有化学反应发生。）来制备。二者的区别在于沉积过程中是否有化学反应发生。纳米膜的制备纳米膜的制备第10页/共32页12纳米晶块体材料的制造纳米晶块体材料的制造一个材料科学的前沿课题，有很多相关的研究报道一个材料科学的前沿课题，有很多相关的研究报道，例如电解沉积法、粉末冶金法、非晶晶化法等，例如电解沉积法、粉末冶金法、非晶晶化法等电解沉积法电解沉积法可控制成分及晶粒尺寸但生产效率低非晶晶化法工艺过程复杂，需要先制备非晶工艺过程复杂，需要先制备非晶粉末冶金法粉末冶金法晶粒的长大难以控制，晶粒尺寸差异较晶粒的长大难以控制，晶粒尺寸差异较大大第11页/共32页13特殊性能展示纳米纯铜在室温下所获得的超塑延展纳米纯铜在室温下所获得的超塑延展性性中科院金属所中科院金属所 SCIENCE（2000）0204060800100200300400500600700 6*10-5/s 6*10-4/s 6*10-3/s 6*10-2/s 1.8*103/sTrue stress(MPa)True strain(%)1E-61E-51E-41E-30.010.11101001000 1000010000001020304050607080cg Cunc Cu Strain-to-fracture(%)Strain rate(s-1)cg Cunc CuStrain rate:6 10-1 s-1Strain rate:6 10-5 s-1Original sample42 mm第12页/共32页14通过机械变形或热处理使材料表层形成纳米结构。表层纳米化后，可以大幅度降低材料表面能，还可以提高材料的化学反应活性。例如，将纯铁表面进行纳米化后可以使渗氮的温度从500降低至300，从而使表面氮化技术的适用面大大拓宽。2002年1月31日出版的Science周刊刊登了此项研究成果 表层纳米化用涂层或沉积技术使得材料表层纳米化用涂层或沉积技术使得材料表层纳米化涂层或沉积法涂层或沉积法表面自生纳米化第13页/共32页15纳米复合材料：复合体系中至少有一相为纳米尺寸纳米复合材料：复合体系中至少有一相为纳米尺寸不仅可以改善材料的室温力学性能，而且可不仅可以改善材料的室温力学性能，而且可以改善材料的高温性能。同时可具有切削加以改善材料的高温性能。同时可具有切削加工性和超塑性，其显微结构特征如下：工性和超塑性，其显微结构特征如下：特点特点第14页/共32页16成功例子：用化学气相沉积法制备出成功例子：用化学气相沉积法制备出Si3N4/TiN复合纳米材料，其中复合纳米材料，其中TiN以以5nm左右的尺寸分布于基体晶粒内。但不适合于大规模生产左右的尺寸分布于基体晶粒内。但不适合于大规模生产问题：科学上的可能与生产上的可能是有很大差异的，但科学上的可能是首要前提。科学家的一项重要任务即是变科学上的可能为生产上的可能。问题：科学上的可能与生产上的可能是有很大差异的，但科学上的可能是首要前提。科学家的一项重要任务即是变科学上的可能为生产上的可能。室温性能的改善室温性能的改善第15页/共32页17本人目前正在从事陶瓷颗粒增强金属基复合材料方面的研本人目前正在从事陶瓷颗粒增强金属基复合材料方面的研究，采用的方法是粉末冶金法，目前已在实验室中制造出究，采用的方法是粉末冶金法，目前已在实验室中制造出铝基和铜基的纳米复合材料。与同成分的传统材料相比，铝基和铜基的纳米复合材料。与同成分的传统材料相比，其硬度提高三至四倍，强度提高其硬度提高三至四倍，强度提高50-80%，其中铝基复合材，其中铝基复合材料有望在航空航天工业、能源及汽车工业方面得到应用，料有望在航空航天工业、能源及汽车工业方面得到应用，而铜基纳米复合材料有望成为一种良好的电接触材料。而铜基纳米复合材料有望成为一种良好的电接触材料。本人的研究工作本人的研究工作第16页/共32页18碳纳米材料碳纳米材料随后，又有多种类似结构的分子被发现，这一类物质被命名为富勒烯，为纪念建筑师随后，又有多种类似结构的分子被发现，这一类物质被命名为富勒烯，为纪念建筑师Buckminster Fullerence设计的圆穹形屋顶并为解开设计的圆穹形屋顶并为解开C60分子结构之谜提供了帮助。分子结构之谜提供了帮助。碳纳米材料在纳米材料中占有重要地位，这一方面是由于这种材料优良的性能，另一方面则是由于这种材料的发现在科学上让人们对材料的结构认识有了进一步的深入。这其中代表性的是碳纳米材料在纳米材料中占有重要地位，这一方面是由于这种材料优良的性能，另一方面则是由于这种材料的发现在科学上让人们对材料的结构认识有了进一步的深入。这其中代表性的是C60和纳米碳管。和纳米碳管。C60是一种足球结构，这种结构以前人们是从来没发现的，1985年，英国Sussex大学化学家Kroto和美国Rice大学化学物理学家Smalley及Curl等人发表文章宣布发现了C60分子第17页/共32页19 C60分子比较稳定，升华温度为分子比较稳定，升华温度为673K，可与很多金属形，可与很多金属形成金属间化合物，金属原子位于成金属间化合物，金属原子位于C60分子的笼子中，如分子的笼子中，如LaC60,符号符号表示包裹关系。表示包裹关系。C60的性质的性质C C6060晶体是面心立方晶体结构，其四面体和八面体间晶体是面心立方晶体结构，其四面体和八面体间隙可以掺入碱金属原子，隙可以掺入碱金属原子，19911991年美国贝尔实验室研究年美国贝尔实验室研究人员发现人员发现K K3 3C C6060具有超导性，其临界温度为具有超导性，其临界温度为18K18K。目前。目前关于富勒烯的形成机制与潜在应用研究是材料学科的关于富勒烯的形成机制与潜在应用研究是材料学科的一个前沿课题。一个前沿课题。现已制成裹有现已制成裹有La,K,Na,Cs,Sc,Ti,Y,Zr,Sm,Eu,Gd,Tb,Ho,Th,U等金属原子的富勒烯。而等金属原子的富勒烯。而HeC60是极为罕见的与惰性气体的反应。是极为罕见的与惰性气体的反应。第18页/共32页20在众多的纳米材料中，碳纳米管普遍被人们看好，并称之为纳米材料中的“乌金”。碳纳米管1991年被日本学者发现，由于它具有非常奇异的物理化学性能，如独特的金属和半导体导电性、极高的机械强度、贮氢能力、吸附能力、较强的微波吸收能力，在众多领域，特别是高科技领域具有广泛的应用前景。碳纳米管尺寸只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万倍，它的强度是钢的100倍而重量只有钢的六分之一。90%高纯度的碳纳米管价格高达高纯度的碳纳米管价格高达1000-2000美元美元/克，一般纯度的碳纳米管价格也在克，一般纯度的碳纳米管价格也在60美元美元/克，远远高出了黄金的价格克，远远高出了黄金的价格 纳米碳管纳米碳管第19页/共32页21碳纳米管的形貌碳纳米管的形貌第20页/共32页22碳纳米管的制备碳纳米管的制备电弧放电时在阳极石墨不断蒸发，根据放电条件的不同可形成不同形态的碳，包括单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、碳纳米颗粒、无定型碳、石墨、电弧放电时在阳极石墨不断蒸发，根据放电条件的不同可形成不同形态的碳，包括单壁纳米碳管、多壁纳米碳管、碳纳米颗粒、无定型碳、石墨、C60等。等。激光蒸发法主要形成单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。化学气相沉积法与制备碳纤维的方法类似，成本低、产量大，适合于大批量生产。激光蒸发法主要形成单壁纳米碳管和多壁纳米碳管。化学气相沉积法与制备碳纤维的方法类似，成本低、产量大，适合于大批量生产。主要有电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法，由于其形成过程中总伴有其它无定型碳的产生，因此要获得纯度在80%以上的碳纳米管是十分困难的，而单壁纳米管的制备尤其困难。第21页/共32页23激光蒸发法制备的单壁纳米管束的激光蒸发法制备的单壁纳米管束的TEM照片照片CVD法制备碳纳米管装置示意图法制备碳纳米管装置示意图CVD法制备的碳纳米管法制备的碳纳米管第22页/共32页24定向多壁碳纳米管定向多壁碳纳米管第23页/共32页25 扫描电镜下拉伸单根纳米管的过程扫描电镜下拉伸单根纳米管的过程 a)多壁纳米管针尖多壁纳米管针尖 b)a的局部放大图的局部放大图 c)拉伸前拉伸前 d)断裂后上部断裂后上部 e)断裂后下部断裂后下部 f)开始加载开始加载 g)最外层因拔出而弯曲最外层因拔出而弯曲第24页/共32页26单壁纳米碳管作为原子力显微镜的探针单壁纳米碳管作为原子力显微镜的探针第25页/共32页27Co原子在的原子在的Cu（111）面形成的人工点阵）面形成的人工点阵C60组成的最小算盘组成的最小算盘量子栅栏的量子栅栏的STM图像图像Ge原子在原子在Si基体上组装形成的金字塔基体上组装形成的金字塔STM图像图像人类对微观世界的操纵人类对微观世界的操纵第26页/共32页28烧结温度可以大大降低；高温下具有超塑性因此可以制造比较复杂的形状；强度和韧性均有所提高。烧结温度可以大大降低；高温下具有超塑性因此可以制造比较复杂的形状；强度和韧性均有所提高。纳米材料的应用纳米材料的应用以性能特征来分类介绍纳米材料的应用（1）以力学性能为特征的应用）以力学性能为特征的应用纳米碳管纳米碳管目前发现的最高强度和比强度的材料目前发现的最高强度和比强度的材料纳米增强增韧陶瓷纳米增强增韧陶瓷19861986年德国科学家首先在实验室中发现原位压制而成的纳米氧化钛陶瓷材料具有常温下的韧性和塑性，在全世界引起轰动。科学家预言，纳米技术可能是解决陶瓷脆性问题最有希望的途径。年德国科学家首先在实验室中发现原位压制而成的纳米氧化钛陶瓷材料具有常温下的韧性和塑性，在全世界引起轰动。科学家预言，纳米技术可能是解决陶瓷脆性问题最有希望的途径。主要困难主要困难由于纳米颗粒的流动性差、难以消除烧结过程中的微小缺陷，因此限制了强度和韧性水平的提高。由于纳米颗粒的流动性差、难以消除烧结过程中的微小缺陷，因此限制了强度和韧性水平的提高。已经显示出的效果已经显示出的效果第27页/共32页29利用其光吸收特性可用于制造高效光热和光电转换材料从而在太阳能利用方面取得突破。（2）以表面活性为特征的应用）以表面活性为特征的应用纳米催化剂纳米催化剂由于巨大的表面活性，比传统的催化剂更加优良纳米催化剂由于巨大的表面活性，比传统的催化剂更加优良的催化性能，国际上已将纳米催化剂称为第四代催化剂。的催化性能，国际上已将纳米催化剂称为第四代催化剂。（3）以光学性能为特征的应用）以光学性能为特征的应用某些纳米材料具有特别强的光吸收特性和电磁波吸收特性，在军事上可用于制造隐身材料某些具有强紫外吸收能力的纳米材料可用于制造防晒产品某些具有强紫外吸收能力的纳米材料可用于制造防晒产品第28页/共32页30可以在较低的温度下快速熔化并焊接，可以制成常规条件下得不到的非平衡合金，为新合金的研制提供了新途径。可以在较低的温度下快速熔化并焊接，可以制成常规条件下得不到的非平衡合金，为新合金的研制提供了新途径。（4）以磁学性能为特征的应用）以磁学性能为特征的应用纳米微晶软磁材料纳米微晶软磁材料具有更高的饱和磁化强度和更优良的高频特性纳米晶永磁材料具有更高的矫顽力，纳米磁记录材料可以使磁记录密度大为提高，且可降低噪声，提高信噪比具有更高的矫顽力，纳米磁记录材料可以使磁记录密度大为提高，且可降低噪声，提高信噪比科学家提出将纳米磁性材料注入人体的肿瘤中，外加一个交变磁场，使纳米磁性颗粒升温至45可以将癌细胞杀死。（5）以热学性能为特征的应用）以热学性能为特征的应用纳米材料的比热容比常规材料大很多，可以作为更好的热交换材料纳米材料的比热容比常规材料大很多，可以作为更好的热交换材料可以在比常规材料低得多的温度下烧结，对陶瓷的制备有重要意义第29页/共32页31纳米材料的研究还处于刚刚开始阶段，很多优异性能还有待于进一步开发和认识，在二十一世纪，纳米材料必成为人类认识自然改造自然的又一个有利武器，而人类的历史也很可能再次用材料来命名，这就是纳米材料时代（6）以电学性能为特征的应用）以电学性能为特征的应用可大幅度提高充电和放电效率纳米同轴电缆高性能电极材料高性能电极材料可用于高密度集成器件的连接，在微型机器人中有重要的应用前景可用于高密度集成器件的连接，在微型机器人中有重要的应用前景单电子晶体管可以使功耗降低一千倍，从而在根本上解决超大规模集成电路的升温问题（7）以生物医学为特征的应）以生物医学为特征的应用用骨水泥和牙填充材料能与原骨头与牙齿更紧密结合能与原骨头与牙齿更紧密结合纳米抗菌材料具有优异的杀灭细菌的能力将药物加工成纳米级可大幅度提高药效将药物加工成纳米级可大幅度提高药效结语第30页/共32页32第31页/共32页