《纳米材料讲综述》PPT课件.ppt

2010-12-3 1纳 米 材 料 综 述组 员 ： 张 跃 杨 圣 雄 詹 先 彪 田 勇 马文 静 2010-12-3 2 Outline 纳 米 技 术 的 发 展1. 纳 米 材 料 的 类 型2. 纳 米 材 料 制 备3.4. 纳 米 材 料 的 应 用5. 结 束 语 2010-12-3 3 1. 纳 米 的 发 展 大 致 分 为 3个 阶 段第 一 阶 段(1990年 即 在 召开 “Nano 1”以 前 )主 要 是 在 实 验 室探 索 各 种 纳 米 粉体 的 制 备 手 段 研究 对 象 一 般 局 限于 纳 米 晶 或 纳 米相 材 料 。 第 二 阶 段 第 三 阶 段(从 1994年 至 今 )纳 米 组 装 体 系 研究 。 以 纳 米 颗 粒以 及 纳 米 丝 、 管等 为 基 本 单 元 在一 维 、 二 维 和 三维 空 间 组 装 排 列成 具 有 纳 米 结 构的 体 系 的 研 究 。(1990年 1994年 )人 们 关 注 的热 点 是 设 计 纳 米复 合 材 料 。 2010-12-3 4 3 维 纳 米 材 料 纳 米 块 体Add your text2.纳 米 材 料分 类 2 维 纳 米 材 料 （ 量 子 面 ） 纳 米 薄 膜 。 电子 在 一 个 方 向 的 运 动 受 到 约 束 。1 维 纳 米 材 料 （ 量 子 线 ） 纳 米 线 。 电子 在 两 个 方 向 的 运 动 受 到 约 束 。0 维 纳 米 材 料 （ 量 子 点 ） 纳 米 微 粒 和 原子 团 簇 。 电 子 在 三 一 个 方 向 的 运 动 受 到 约 束纳 米 复 合 材 料 不 同 化 学 成 分 复 合 而 成 或 不 同 维 度 纳 米 单 元 而 成 （ 如 1-2维 ， 1-3维 ， 2-3维 等 2010-12-3 5(按 物 态 分 类 ) 气 相 法液 相 法固 相 法 蒸 发 -冷 凝 法化 学 气 相 反 应 法溶 胶 -凝 胶 法沉 淀 法喷 雾 法非 晶 晶 化 法机 械 粉 碎 (高 能 球 磨 )法固 态 反 应 法各 种 方 法 有 各 自 的 特 点 和 适 用 范 围 3. 纳 米 材 料 的 制 备 2010-12-3 6 3.1 气 相 法 制 备 纳 米 材 料蒸 发 -冷 凝 法此 种 制 备 方 法 是 在 低 压 的 Ar、H e 等 惰 性 气 体 中 加 热 金 属 ， 使其 蒸 发 汽 化 , 然 后 在 气 体 介 质 中冷 凝 后 形 成 5-100 nm的 纳 米 微粒 。 液 氮蒸 发 源 漏 斗 蒸 发 源真 空 泵 隋 性 气 体真 空 室 2010-12-3 7 3.2 液 相 法 制 备 纳 米 材 料1、 化 学 沉 淀 法 可 溶 性 盐 溶 液 中 ， 加 入 沉 淀 刘 (如 OH-、 C2O42-， CO32-等 )后， （ 或 使 溶 液 发 生 水 解 ， 形 成 不 溶 性 的 氢 氧 化 物 ） 从 溶 液 中 析出 ， 并 将 溶 液 中 原 有 的 阴 离 子 洗 去 ， 经 热 分 解 即 得 到 纳 米 的 氧化 物 粉 料 。 2、 喷 雾 法 将 溶 液 雾 化 获 得 纳 米 粒 子 的 一 种 化 学 与物 理 相 结 合 的 方 法 。 它 的 基 本 过 程 包 括 溶液 的 制 备 、 喷 雾 、 干 燥 、 收 集 和 热 处 理 ，其 特 点 ： 颗 粒 分 布 比 较 均 匀 ， 具 体 的 尺 寸 范 围 取 决 于 制 备 工 艺 和 喷 雾 的 方 法 。 压 缩 气 体 2010-12-3 8 3、 溶 胶 凝 胶 法 包 括 以 下 几 个 过 程 ：(1)溶 胶 的 制 备 。 有 两 种 方 法 制 备 溶 胶 ： 其 一 . 先 将 组 分 用 适 当沉 淀 剂 先 沉 淀 出 来 ， 经 解 凝 ， 使 原 来 团 聚 的 沉 淀 颗 粒 分 散 成 原始 颗 粒 ， 其 大 小 在 溶 胶 体 系 中 胶 核 的 大 小 范 围 ， 因 而 可 制 得 溶胶 ； 另 一 种 方 法 是 由 同 样 的 盐 溶 液 出 发 ， 通 过 对 沉 淀 过 程 的 仔细 控 制 ， 使 形 成 的 颗 粒 不 致 团 聚 为 大 颗 粒 而 沉 淀 ， 从 而 得 到 溶胶 。(2)溶 胶 凝 胶 转 化 。 溶 胶 中 含 大 量 的 水 ， 凝 胶 化 过 程 中 ， 使体 系 失 去 流 动 性 ， 形 成 一 种 开 放 的 骨 架 结 构 。 实 现 胶 凝 作 用的 途 径 有 两 个 ： 一 是 化 学 法 ； 二 是 物 理 法 。(3)凝 胶 干 燥 。 在 一 定 条 件 下 (如 加 热 )使 溶 剂 蒸 发 ， 得 到 粉 料 。干 燥 过 程 中 凝 胶 结 构 变 化 很 大 。 2010-12-3 9 3.3 固 相 法 制 备 纳 米 材 料 高 能 球 磨 法 是 将 粗 粉 体 和 硬 球 (钢 球 、 陶 瓷 球 、 或 玛 瑙 球 )按比 例 放 进 球 磨 机 的 密 封 容 器 内 , 利 用 球 磨 机 的 转 动 或 振 动 ， 使硬 球 对 原 料 进 行 强 烈 的 撞 击 、 研 磨 和 搅 拌 ， 把 金 属 或 合 金 粉 末粉 碎 为 纳 米 级 微 粒 的 方 法 。一 . 机 械 粉 碎 (高 能 球 磨 )法 滚 动 球 磨 搅 拌 球 磨 振 动 球 磨 2010-12-3 10 二 非 晶 晶 化 法 非 晶 晶 化 法 : 液 态 金 属 在 急 剧 降 温 获 得 非晶 条 带 ,再 将 非 晶 条 带 经 热 处 理 使 其 晶 化获 得 纳 米 晶 条 带 的 方 法 。 制 备 的 纳 米 结 构材 料 的 塑 性 对 晶 粒 的 粒 径 敏 感 ， 只 有 晶 粒直 径 很 小 时 ， 塑 性 较 好 否 则 材 料 变 得 很脆 。 特 点 工 艺 较 简 单 , 化 学 成 分 准 确 。 液 态 金 属非 晶 条 带热 处 理 2010-12-3 11 原 理 ： 控 制 液 体 合 金 的 淬 火 速 度 ，获 得 纳 米 晶 材 料 。 这 种 方 法 适 用 于 制 备纳 米 合 金 大 块 材 料 。 最 近 英 国 、 法 国 、印 度 和 我 国 利 川 这 种 方 法 已 成 功 地 原 子NiTi合 金 加 Si的 体 系 中 获 得 了 Ti2Ni纳米 晶 材 料 。 直 接 淬 火 法 2010-12-3 12 1、 防 紫 外 线 太 阳 能 对 人 体 有 伤 害的 紫 外 线 主 要 在 300400nm波 段 ， 纳 米 TiO2、ZnO、 Fe2O3和 纳 米 云 母 等都 有 在 这 个 波 段 吸 收 紫 外线 的 特 征 ， 将 少 量 纳 米 微粒 添 加 到 化 学 纤 维 中 ， 就会 产 生 紫 外 线 吸 收 现 象 ，从 而 可 以 有 效 保 护 人 体 免受 紫 外 线 的 损 伤 。4.1 在 日 常 生 活 中 的 应 用 4. 纳 米 材 料 的 应 用 2010-12-3 13 2、 防 电 磁 辐 射 电 子 产 品 的 普 及 使 得 电磁 辐 射 对 人 体 健 康 造 成 了 巨大 威 胁 ， 一 些 纳 米 微 粒 如 纳米 氧 化 铁 ， 纳 米 氧 化 镍 等 能强 烈 吸 收 电 磁 辐 射 从 而 对 人体 起 到 防 护 作 用 。 防 辐 射 孕 妇 装 2010-12-3 14 4.2 纳 米 在 陶 瓷 方 面 的 应 用 纳 米 陶 瓷 纳 米 陶 瓷 陶 瓷 材 料 在 通 常 呈 脆 性， 由 纳 米 粒 子 压 制 成 的 纳米 陶 瓷 材 料 有 很 好 的 韧 性。 因 为 纳 米 材 料 具 有 较 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 延 展 性 。(1) 陶 瓷 增 韧 2010-12-3 15 (2) 降 低 烧 结 温 度 纳 米 颗 粒 表 面 能 高 ， 表 面 原 子 数 多 。 这 些表 面 原 子 近 邻 配 位 不 全 ， 活 性 大 ， 因 此 纳 米 颗粒 熔 化 时 所 需 的 内 能 较 小 ， 使 其 熔 点 急 剧 下 降， 一 般 为 块 体 材 料 熔 点 的 30-50%。 纳 米 微 粒 粒 径 小 ， 比 表 面 积 大 ， 并 有 高 的扩 散 速 率 ， 因 而 用 纳 米 粉 体 进 行 烧 结 ， 致 密 化速 度 快 ， 还 可 以 降 低 烧 结 温 度 。 将 纳 米 粉 末 作为 陶 瓷 的 原 料 ， 只 需 不 高 的 温 度 即 可 将 其 熔 化并 烧 结 成 耐 高 温 的 元 件 。 2010-12-3 16 （ 3） 下 一 代 电 脑 芯 片 纳 米 陶 瓷 材 料 由 于 具 有 超 高 纯 度 、 好 的 热 导 性 和 长 久 的 耐 干 扰 性 能 ，可 以 使 微 处 理 器 集 成 化 程 度 更 高 ， 运 算 速 度 更 快 。 在 未 来 的 人 类 可 能 会 拥 有 被 嵌 入 到 钢 笔 、 衣 服 、 眼 睛 甚 至 身 体 中 的 芯片 ， 与 网 络 相 连 接 的 计 算 机 。（ 4） 磁 性 应 用 磁 铁 的 强 弱 可 以 用 矫 顽 磁 力 和 饱 和 磁 化 强 度 衡 量 ， 这 些 参 数 随 晶 粒的 减 小 和 表 面 积 的 增 大 而 提 高 。 由 纳 米 陶 瓷 材 料 可 制 成 超 敏 感 分 析 仪 器和 医 学 分 析 磁 共 振 等 装 置 上 。（ 5） 高 灵 敏 传 感 器 传 感 器 本 身 的 灵 敏 度 依 赖 于 制 造 传 感 器 材 料 的 化 学 、 物 理 和 机 械 性能 。 由 纳 米 陶 瓷 材 料 制 成 的 传 感 器 具 有 较 高 的 敏 感 性 ， 其 典 型 应 用 有 烟雾 检 测 器 、 飞 机 机 翼 上 的 冰 层 检 测 器 和 汽 车 发 动 机 性 能 传 感 器 等 。 2010-12-3 17 4.3 在 纳 米 电 子 器 件 方 面 的 应 用在 纳 米 尺 度 上 单 个 电 子 运 动 会 受 到 限 制 ， 并 且 可 以 控 制 其 流动 ， 即 所 谓 库 仑 阻 塞 效 应 ， 利 用 它 可 制 成 单 电 子 晶 体 管 。1. 纳 米 单 电 子 晶 体 管单 电 子 晶 体 管 示 意 图 纳 米 单 电 子 晶 体 管 示 意 图 2010-12-3 18 Intel公 司 2000年 12月 公 布 ， 他 们用 最 新 纳 米 技 术 研 制 成 功 30nm硅晶 体 管 芯 片 。 新 芯 片 运 算 速 度 达10GHz， 是 目 前 运 算 速 度 最 快 的Pentium4芯 片 运 算 速 度 2.4GHz的4倍 。 Intel公 司 2001年 又 宣 布 又 研 制 成功 20 nm硅 晶 体 管 芯 片 ， 其 中 门 的绝 缘 体 只 有 0.8nm厚 (约 三 个 原 子的 厚 度 )， 每 秒 开 关 变 换 次 数 极 高。 基 于 这 种 20 nm硅 晶 体 管 ， 可 以 制造 含 10亿 个 晶 体 管 的 硅 晶 体 管 芯片 和 计 算 机 微 处 理 器 ， 其 运 行 速度 可 高 达 20GHz， 比 2000年 研 制 成 功 30 nm硅 晶 体 管 芯 片 ， 性 能 又提 高 很 多 。 2 纳 米 芯 片 放 大 一 万 三 千 倍 的 集 成 电 路 芯 片 ,连接 导 线 的 宽 度 已 经 达 到 纳 米 尺 度 2010-12-3 19 4.4 在 环 境 保 护 方 面 的 作 用1 纳 米 TiO2与 环 境 保 护 由 于 纳 米 TiO2除 了 具有 纳 米 材 料 的 特 点 外 ，还 具 有 光 催 化 性 使 得 它在 环 境 污 染 治 理 方 面 将扮 演 极 其 重 要 的 角 色 。 纳 米 二 氧 化 钛 的 SEM图 像 2010-12-3 20 2 自 洁 作 用 2010-12-3 21 4.5 在 光 学 方 面 的 应 用1. 隐 身 材 料 (1)由 于 纳 米 微 粒 尺 寸 远 小 于 红 外 及 雷 达 波波 长 ， 因 此 纳 米 微 粒 材 料 对 这 种 波 的 透过 率 比 常 规 材 料 要 强 得 多 ， 这 就 大 大 减少 波 的 反 射 率 ， 使 得 红 外 探 测 器 和 雷 达接 收 到 的 反 射 信 号 变 得 很 微 弱 ， 从 而 达到 隐 身 的 作 用 ；(2)另 一 方 面 ， 纳 米 微 粒 材 料 的 比 表 面 积 比 常规 粗 粉 大 3-4个 数 量 级 ， 对 红 外 光 和 电 磁波 的 吸 收 率 也 比 常 规 材 料 大 得 多 ， 这 就使 得 红 外 探 测 器 及 雷 达 得 到 的 反 射 信 号 强 度 大 大 降 低 ， 因 此 很 难 发 现 被 探 测 目标 ， 起 到 了 隐 身 作 用 。 美 国 F117隐 形 轰 炸 机 机 2010-12-3 22 2 优 异 的 光 吸 收 材 料a. 纳 米 微 粒 的 量 子 尺 寸 效 应 等 使 它 对 某 种 波 长 的 光 吸收 带 有 蓝 移 现 象 。b. 纳 米 微 粒 粉 体 对 各 种 波 长 光 的 吸 收 带 有 宽 化 现 象 。 纳 米 微 粒 的 紫 外 吸 收 材 料 就 是 利 用 这 两 个 特 性 。 通 常 的 纳 米 微 粒 紫 外 吸 收 材 料 是 将 纳 米 微 粒 分 散 到树 脂 中 制 成 膜 ， 这 种 膜 对 紫 外 有 吸 收 能 力 ， 主 要 由纳 米 粒 子 的 尺 寸 和 树 脂 中 纳 米 粒 子 的 掺 加 量 和 组 分来 决 定 。 2010-12-3 23 4.6 在 生 物 工 程 上 的 应 用 如 果 有 一 种 超 微 型 镊 子 ， 能够 钳 起 分 子 或 原 子 并 对 它 们随 意 组 合 ， 制 造 纳 米 机 械 就容 易 多 了 。 英 国 自 然 杂 志 上 报 告 说， 他 们 用 DNA（ 脱 氧 核 糖 核酸 ） 制 造 出 了 一 种 纳 米 级 的镊 子 。 利 用 DNA基 本 元 件 碱基 的 配 对 机 制 ， 可 以 用 DNA为 “ 燃 料 ” 控 制 这 种 镊 子 反复 开 合 。1 纳 米 镊 子 2010-12-3 24 2 纳 米 药 物 输 运 纳 米 医 学 将 给 医 学 界 ， 诸 如 癌 症、 糖 尿 病 和 老 年 性 痴 呆 等 疾 病 的治 疗 带 来 变 革 ， 已 经 获 得 越 来 越多 的 认 同 。 利 用 纳 米 技 术 能 够 把 新 型 基 因 材料 输 送 到 已 经 存 在 的 DNA里 ， 而不 会 引 起 任 何 免 疫 反 应 。 由 于 它 是 非 生 物 材 料 ， 不 排 异 ，不 会 诱 发 病 人 的 免 疫 反 应 ， 所 以可 以 作 为 药 物 的 纳 米 载 体 ， 携 带药 物 分 子 进 入 人 体 的 血 液 循 环 ，使 药 物 在 无 免 疫 排 斥 的 条 件 下 ， 发 挥 治 病 的 效 果 。 作 为 药 物 载 体 的 树 状 型 聚 合 物 分 子 2010-12-3 25 结 束 语 纳 米 材 料 科 学 的 发 展 不 仅 为 化 学 、 物 理 学 、 材 料 学 、生 物 学 等 学 科 的 交 叉 发 展 提 供 新 的 机 遇 ， 而 且 为 人 们 提 供了 崭 新 的 思 维 方 式 。 国 际 纳 米 科 技 会 议 将 其 细 分 为 六 个 主 要 分 支 ， 即 纳 米电 子 学 、 纳 米 物 理 学 、 纳 米 化 学 、 纳 米 生 物 学 、 纳 米 机械 学 和 纳 米 测 量 学 目 前 纳 米 科 学 的 研 究 正 处 于 重 大 突 破 的前 夜 ， 它 所 取 得 的 一 系 列 成 果 已 使 全 人 类 为 之 震 动 ， 并 引起 全 世 界 关 心 未 来 发 展 的 科 学 家 的 思 索 。 我 国 科 学 家 钱 学森 曾 精 辟 地 预 言 “ 纳 米 左 右 和 纳 米 以 下 结 构 将 是 下 一 阶 段科 技 发 展 的 重 点 ， 会 是 一 次 技 术 革 命 ， 从 而 将 引 起 2 l 世纪 又 一 次 产 业 革 命 ” 。