专题五纳米材料精品文稿.ppt

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1、专题五纳米材料第1页，本讲稿共19页第2页，本讲稿共19页第3页，本讲稿共19页 1990 1990年年7 7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。举办，标志着纳米科学技术的正式诞生。19911991年，年，碳纳米管碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积的钢的被人类发现，它的质量是相同体积的钢的六分之一，强度却是钢的六分之一，强度却是钢的1010倍，成为纳米技术研究的热点。倍，成为纳米技术研究的热点。单层碳纳米管单层碳纳米管多层碳纳米管多层碳纳米管 第4页，本讲稿共19页 1993 1993年，继美国斯坦福大

2、学搬动原子团年，继美国斯坦福大学搬动原子团“写写”下斯坦福大学英文、下斯坦福大学英文、美国国际商用机器公司在镍表面用美国国际商用机器公司在镍表面用3636个氙原子排出个氙原子排出“”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出出“中国中国”二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域二字，标志着我国开始开始在国际纳米科技领域占有一席之地；占有一席之地；图图2-70在镍表面用在镍表面用36个氙原个氙原子排出的子排出的“”第5页，本讲稿共19页第6页，本讲稿共19页二、纳米材料及其分类二、纳米材料及其分类（一）纳米材料定义（一）纳米材

3、料定义 当物质加工到当物质加工到100100纳米以下时，往往产生既不同于微观原纳米以下时，往往产生既不同于微观原子、分子，又不同于宏观物质的超常规特性，具有这种特性子、分子，又不同于宏观物质的超常规特性，具有这种特性的材料称为纳米材料。的材料称为纳米材料。纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。第7页，本讲稿共19页（二）纳米材料分类（二）纳米材料分类 纳米材料大致可分为纳米材料大致可分为:1 1、一维纳米材料（纳米微粒）；、一维纳米材料（纳米微粒）；2 2、二维纳米材料（纳米涂层和纳米管）；、二维纳米材料（纳米涂层和纳米管）；3 3、三维纳米材料（纳米陶瓷）；、三维纳米材料（纳米陶瓷）；

4、4 4、纳米催化剂、纳米催化剂第8页，本讲稿共19页三、几种重要的纳米材料几种重要的纳米材料（一）纳米微粒（一）纳米微粒 纳米微粒又称纳米粉末、超微粒子。其实就是普通金属或金属化合物的粒子，不过更细小而已。比如蒸馒头用的面粉可以说是很细的粉末了，而超微粒子比面粉还细得多，其粒子直径仅为纳米级别，必须用电子显微镜才能看到它的真面目。图图2-71显微镜下的纳米微粒显微镜下的纳米微粒 第9页，本讲稿共19页纳米微粒的出色本领来自本身的结构特点。纳米微粒的出色本领来自本身的结构特点。1 1由于它的颗粒非常小，就决定了表面积特点大。由于它的颗粒非常小，就决定了表面积特点大。1 1克克纳米微粒的表面积的总

5、和可达几千甚至几万平方米，这就为纳米微粒的表面积的总和可达几千甚至几万平方米，这就为它进行磁化、加速化学反应等提供了充分的用武之地。它进行磁化、加速化学反应等提供了充分的用武之地。2 2它的表面承受的拉力特别大，从而使它的性格非常活泼，它的表面承受的拉力特别大，从而使它的性格非常活泼，喜欢与其他物质进行化学反应。喜欢与其他物质进行化学反应。3 3它的熔点低，这就有可能在很低的温度下对金属、合金等的粒它的熔点低，这就有可能在很低的温度下对金属、合金等的粒子进行冶炼和烧结。例如：银的熔点为子进行冶炼和烧结。例如：银的熔点为960960摄氏度，而它的纳米微粒的摄氏度，而它的纳米微粒的熔点却只有熔点却

6、只有100100摄氏度，用开水就能将它熔化。摄氏度，用开水就能将它熔化。4 4纳米微粒的耐热、耐腐蚀性好，所以常用来制造火箭纳米微粒的耐热、耐腐蚀性好，所以常用来制造火箭发动机的喷气口。发动机的喷气口。5 5可作为良好的导热材料。可作为良好的导热材料。第10页，本讲稿共19页（二）二维纳米材料（二）二维纳米材料 新型纳米复合涂层具有多方面的应用：新型纳米复合涂层具有多方面的应用：（1 1）纳米材料涂层可以提高基体的防腐蚀能力，达到表面修纳米材料涂层可以提高基体的防腐蚀能力，达到表面修饰、装饰目的。饰、装饰目的。在油漆或涂料中加入纳米颗粒，可进一步提高其在油漆或涂料中加入纳米颗粒，可进一步提高其

7、防护能力，能够耐大气、紫外线防护能力，能够耐大气、紫外线 侵害，从而实现防降解、防变色侵害，从而实现防降解、防变色等功效；另外，还可以在建材产品，如卫生洁具、等功效；另外，还可以在建材产品，如卫生洁具、内墙、用具等内墙、用具等中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果。中运用纳米材料涂层，产生杀菌、保洁效果。第11页，本讲稿共19页（2 2）纳米材料涂层具有多种优良的光学性能。纳米多层组合涂层）纳米材料涂层具有多种优良的光学性能。纳米多层组合涂层经过处理后经过处理后 在可见光范围内出现荧光，用于多种光学应用需要，在可见光范围内出现荧光，用于多种光学应用需要，如传感器等器件如传感器等器件.改变纳米涂

8、层的组成和特性，改变纳米涂层的组成和特性，即具有光致变色、即具有光致变色、温致变色、电致变色等效应，可作为特殊的防伪、识别手段。温致变色、电致变色等效应，可作为特殊的防伪、识别手段。（3 3）经过纳米复合的涂层具）经过纳米复合的涂层具有优异的电磁性能，利用纳米有优异的电磁性能，利用纳米粒子涂料形成的涂层具有良好粒子涂料形成的涂层具有良好的吸波能力，能用于隐身涂层。的吸波能力，能用于隐身涂层。图图2-72纳米涂层使镜子不结雾纳米涂层使镜子不结雾第12页，本讲稿共19页2.2.纳米管纳米管 纳米管是原子的二维晶体线片。最早的纳米管是1991年日本科学家发现的碳纳米管，它揭开了纳米管研究的序幕。这次

9、制得的碳纳米管是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。图图2-73碳纳米管实物碳纳米管实物 第13页，本讲稿共19页图图2-74碳纳米管模型碳纳米管模型 这个像用铁丝网卷成的空心圆这个像用铁丝网卷成的空心圆柱就是碳纳米管。它的质量是相柱就是碳纳米管。它的质量是相同体积的钢的六分之一，而强度同体积的钢的六分之一，而强度却是钢的却是钢的1010倍，抗拉强度和韧性倍，抗拉强度和韧性也是目前材料中最强的。碳纳米也是目前材料中最强的。碳纳米管中空的结构可以存储高密度的管中空的结构可以存储高密

10、度的氢气，为未来环保汽车提供源源氢气，为未来环保汽车提供源源不断的清洁能源。不断的清洁能源。第14页，本讲稿共19页（三）纳米陶瓷（三）纳米陶瓷 1 1纳米陶瓷的定义纳米陶瓷的定义 所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平（都是在纳米量级的水平（1 1100nm100nm）上。这使得材料的强度、韧）上。这使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料性和超塑性大幅度提高

11、，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。工程陶瓷的应用开拓了新领域。第15页，本讲稿共19页图图2-75纳米陶瓷粉末扫描电镜图片纳米陶瓷粉末扫描电镜图片图图2-76纳米陶瓷纳米陶瓷 第16页，本讲稿共19页 2 2纳米陶瓷的特性及纳米陶瓷的特性及应用应用 纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材纳米陶瓷的特性主要在于力学性能方面，包括纳米陶瓷材料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。其优良的室温和高温力料的硬度，断裂韧度和低温延展性等。其优良的室温和高温力

12、学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。的应用前景。第17页，本讲稿共19页（四）纳米催化剂（四）纳米催化剂 纳米催化剂纳米催化剂被称为第四代催化剂，是催化剂领域未来主要被称为第四代催化剂，是催化剂领域未来主要发展趋势之一。发展趋势之一。纳米微粒由于尺寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键纳米微粒由于尺

13、寸小，表面所占的体积百分数大，表面的键态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的态和电子态与颗粒内部不同，表面原子配位不全等导致表面的活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。活性位置增加，这就使它具备了作为催化剂的基本条件。第18页，本讲稿共19页 纳米粒子常作光催化剂，它有着许多优点。首先是粒径小，比纳米粒子常作光催化剂，它有着许多优点。首先是粒径小，比表面积大表面积大,光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到光催化效率高。另外，纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。因此，电子、空穴能够到达达表面之前，大部分不会重新结合。因此，电子、空穴能

14、够到达表面的数量多，则化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质表面的数量多，则化学反应活性高。其次，纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前，荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。目前，工业上利用纳米二氧化钛工业上利用纳米二氧化钛三氧化二铁作光催化剂，用于废水三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含处理（含SO32-SO32-或或 Cr2O72-Cr2O72-体系），已经取得了很好的效果。体系），已经取得了很好的效果。第19页，本讲稿共19页