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1、纳米材料讲义本讲稿第一页，共五十二页5.6超导材料超导材料5.6.3高高Tc材料材料超导材料研究进展超导材料研究进展高高Tc材料研究大致进展如右。材料研究大致进展如右。从超导技术发展的历程来看，新的更高从超导技术发展的历程来看，新的更高Tc材材料的发现和制造工艺技术突破都有可能。目前料的发现和制造工艺技术突破都有可能。目前高温超导材料正从高温超导材料正从研究阶段向应用发展阶段转研究阶段向应用发展阶段转变变，未来的十年可能会是市场发展和高，未来的十年可能会是市场发展和高Tc材材料产业化的十年。料产业化的十年。目前世界上已形成每年约目前世界上已形成每年约20亿美元的超导亿美元的超导产业市场，主要是

2、低温超导材料。据近几年国产业市场，主要是低温超导材料。据近几年国际超导工业高峰会议预测，到际超导工业高峰会议预测，到2000年及年及2010年世界超导工业市场将分别达到年世界超导工业市场将分别达到76亿美元及亿美元及370亿美元亿美元/年。人们有理由相信，再过年。人们有理由相信，再过15年，年，即超导体发现即超导体发现100年的时候，将会在年的时候，将会在高温超导高温超导机制机制，更，更高高Tc超导体探索超导体探索以及以及高温超导应用高温超导应用等方等方面取得重大进展。面取得重大进展。本讲稿第二页，共五十二页5.6超导材料超导材料5.6.4MxC60超导体超导体C60的分子结构的分子结构Haw

3、kins等人通过实验证实了等人通过实验证实了C60是由是由12个五元环和个五元环和20个六元个六元环围成的环围成的中空笼状的碳原子簇中空笼状的碳原子簇，是最对称的分子。，是最对称的分子。众所周知，碳元素有两种同素异形体金刚石、石众所周知，碳元素有两种同素异形体金刚石、石墨。墨。1970年，日本科学家小泽预言，自然界中碳元年，日本科学家小泽预言，自然界中碳元素还应该有第三种同素异形体存在。经过世界上各素还应该有第三种同素异形体存在。经过世界上各国科学家国科学家15年的不懈努力和艰苦探索终于在年的不懈努力和艰苦探索终于在1985年年由美国由美国Rice大学的大学的Kroto等人在激光汽化石墨实验中

4、等人在激光汽化石墨实验中首次发现首次发现含有含有60个碳原子的原子簇命名为个碳原子的原子簇命名为C60及及含有含有70个个碳原子的原子簇命名为碳原子的原子簇命名为C70，C60及及C70均具有笼形结构，均具有笼形结构，在物理及化学性质上可看作在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物三维的芳香化合物，本讲稿第三页，共五十二页5.6超导材料超导材料5.6.4MxC60超导体超导体C60可以形成面心立方结构，也可以形成六方结构。可以形成面心立方结构，也可以形成六方结构。X射线衍射分射线衍射分析表明，掺入到面心立方结构析表明，掺入到面心立方结构C60中的金属元素位于其四面体和中的金属元素位于其四面体和

5、八面体两种间隙位上。八面体两种间隙位上。研究较多的是研究较多的是K3C60。MxC60其超导转变温度先随其超导转变温度先随x由由0增加而上增加而上升，当升，当x3时达到时达到最大值，尔后却随最大值，尔后却随x的继续增加而下降，至的继续增加而下降，至x6时变为绝缘体。时变为绝缘体。C60分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌人分子本身是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后，分子之间的空隙后，C60与碱与碱金属的系列化合物将转变为超导体，如金属的系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界即为超导体，且具有很高的超导临界温度。与氧化物超导体比较，温度。与氧

6、化物超导体比较，C60系列超导体具有完美的系列超导体具有完美的三维超导性三维超导性，电流密度大、，电流密度大、稳定性高、易于展成线材，是一类极具价值的新型超导材料。稳定性高、易于展成线材，是一类极具价值的新型超导材料。本讲稿第四页，共五十二页5.6超导材料超导材料5.6.5应用应用超导电缆超导电缆本讲稿第五页，共五十二页5.6超导材料超导材料5.6.5应用应用热绝缘结构电缆基本结构示意图热绝缘结构电缆基本结构示意图 冷绝缘结构电缆基本结构示意图冷绝缘结构电缆基本结构示意图 超导电缆超导电缆2003年年4月月23日耐克森获得了美国电力部价值日耐克森获得了美国电力部价值3千万美元的高温超导电缆（千

7、万美元的高温超导电缆（HTS）和低）和低温绝缘系统的合同。这根温绝缘系统的合同。这根610米的高温超导电缆将安装在长岛电力局的输电网中，这是世米的高温超导电缆将安装在长岛电力局的输电网中，这是世界上在现用的输电网中安装的界上在现用的输电网中安装的首根高温超导电缆。首根高温超导电缆。本讲稿第六页，共五十二页第第十十一一讲讲材料化学导论材料化学导论-第六章第六章纳米材料纳米材料ANonometer Materials Nonometer Materials A A本讲稿第七页，共五十二页DNA开关开关v利用利用DNA自我自我组合原理，制组合原理，制造出分子大小造出分子大小的电子电路，的电子电路，使

8、未来的计算使未来的计算机体积更小、机体积更小、运算速度更快运算速度更快存储密度可达每平方厘米存储密度可达每平方厘米10万亿万亿字节字节纳米存储器纳米存储器本讲稿第八页，共五十二页v中国北京大学科学家利用中国北京大学科学家利用AFM探针，在探针，在Au-Pd薄膜上雕刻出唐朝孟浩然的诗句，每字大小约薄膜上雕刻出唐朝孟浩然的诗句，每字大小约为为1.5m纳米陶瓷纳米陶瓷纳米雕刻纳米雕刻本讲稿第九页，共五十二页主要内容：主要内容：6.1 6.1 纳米材料概述纳米材料概述 6.2 6.2 纳米材料的制备纳米材料的制备 6.3 6.3 纳米材料的应用纳米材料的应用本讲稿第十页，共五十二页6.1 概 述一、纳

9、米科技的诞生二、纳米材料相关概念三、纳米材料的特性四、几种典型的纳米材料本讲稿第十一页，共五十二页一、纳米科技诞生原子排成的原子排成的“原原子子”字字样样v当科学探索由宏观领域延伸到超视界的微观领域时当科学探索由宏观领域延伸到超视界的微观领域时,知性知性的科学思维遭遇了前所未有的挑战。的科学思维遭遇了前所未有的挑战。纳米科技纳米科技就是在这一就是在这一科学思维过程中产生的科学思维过程中产生的。v19591959年，著名物理学家、诺贝尔奖年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德获得者理查德 费曼预言，人类可以费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将用小的机器制作更小的机器，最后将变成根据

10、人类意愿，逐个地排列原子，变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造制造“产品产品”，这是关于纳米技术最早，这是关于纳米技术最早的梦想。的梦想。七十年代，科学家开始从七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想。不同角度提出有关纳米科技的构想。本讲稿第十二页，共五十二页一、纳米科技诞生v1991年，碳纳米管被人类年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却积钢的六分之一，强度却是钢的是钢的10成为纳米技术研成为纳米技术研究的热点。诺贝尔化学奖究的热点。诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维米碳管将是未来最佳纤维

11、的首选材料，也将被广泛的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等。以及纳米级电子线路等。本讲稿第十三页，共五十二页一、纳米科技诞生l1993年，继年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团年美国斯坦福大学搬走原子团“写写”下斯坦福大学英下斯坦福大学英文名字、文名字、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出个氙原子排出“IBM”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，标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。二字，

12、标志着我国开始在国际纳米科技领域占有一席之地。本讲稿第十四页，共五十二页一、纳米科技诞生1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在这种技术可望在20年后研制成功速度和存贮容量比现在提年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；高成千上万倍的量子计算机；1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的上最小的“秤秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于于个病毒的重量；个病毒的重量；此后不久，德国科

13、学家研制出能称量单个原子重量的秤，此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录。本讲稿第十五页，共五十二页一、纳米科技诞生v2000年年4月，美国能源部桑地亚国家实验室运用月，美国能源部桑地亚国家实验室运用激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀激光微细加工技术研制出智能手术刀，该手术刀可以每秒扫描可以每秒扫描10万个癌细胞，并将细胞所包含的万个癌细胞，并将细胞所包含的蛋白质信息输入计算机进行分析判断。蛋白质信息输入计算机进行分析判断。v2001年纽约斯隆年纽约斯隆-凯特林癌症研究中心的戴维凯特林癌症研究中心的戴

14、维.沙因沙因贝格尔博士报道了把放射性同位素锕贝格尔博士报道了把放射性同位素锕-225的一些原的一些原子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种子装入一个形状像圆环的微型药丸中，制造了一种消灭癌细胞的靶向药物。消灭癌细胞的靶向药物。v这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十这些研究表明纳米技术应用于医学的进展是十分迅速的。分迅速的。本讲稿第十六页，共五十二页一、纳米科技诞生到到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品年，纳米技术逐步走向市场，全年纳米产品的营业额达到的营业额达到500亿美元。亿美元。近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨近年来，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，

15、投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心下一次工业革命的核心总之，纳米技术将成为总之，纳米技术将成为2121世纪新技术革命世纪新技术革命的主导中心的主导中心本讲稿第十七页，共五十二页v2.纳米材料纳米材料是指是指纳米颗粒纳米颗粒和由它构成和由它构成的的纳米薄膜和固体纳米薄膜和固体。1100nm范围范围广义广义:是指在三维空间中是指在三

16、维空间中至少有一维至少有一维处于纳米尺度范围处于纳米尺度范围或由它们或由它们作为基本单元构成的材料。作为基本单元构成的材料。二、纳米材料相关概念v1.纳米技术纳米技术纳米科技是纳米科技是90年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它年代初迅速发展起来的新的前沿科研领域。它是指在是指在1-100nm尺度范围内，研究电子、原子和分子运动规律、尺度范围内，研究电子、原子和分子运动规律、特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接特性的高新技术学科。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。操纵单个原子、分子，制造出具有特定功能的产品。本讲稿第十八页，共五

17、十二页3.纳米材料的分类纳米材料的分类按结构：按结构：零维纳米材料：零维纳米材料：纳米颗粒、原子簇纳米颗粒、原子簇一维纳米材料：一维纳米材料：如纳米线如纳米线(量子线量子线)、纳米管、纳米管二维纳米材料：二维纳米材料：薄层薄层纳米孔材料：纳米孔材料：如介孔分子筛如介孔分子筛。二、纳米材料相关概念按组成：按组成：金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米金属纳米材料、半导体纳米材料、有机和高分子纳米材料、复合纳米材料材料v无机纳米粒子与有机高分子复合材料；无机纳米粒子与有机高分子复合材料；v无机半导体的核壳结构；无机半导体的核壳结构；v量子阱量子阱(超晶格超晶格)材料；材料；v

18、本讲稿第十九页，共五十二页三、纳米材料的特性v1.表面效应表面效应v2.小尺寸效应小尺寸效应v3.量子尺寸效应量子尺寸效应v4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应本讲稿第二十页，共五十二页1.表面效应表面效应三、纳米材料的特性随着纳米尺随着纳米尺寸减小，表寸减小，表面原子与总面原子与总原子熟比例原子熟比例剧增，比表剧增，比表面积、表面面积、表面能、表面张能、表面张力快速增大。力快速增大。颗粒尺寸，颗粒尺寸，nmnm本讲稿第二十一页，共五十二页2.小尺寸效应小尺寸效应三、纳米材料的特性l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。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

19、颗由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为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小尺寸效应。l对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从对超微颗粒而言，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。而产生如下一系列新奇的性质。（1）特殊的光学性质特殊的光学性质（2）特殊的热学性质特殊的热学性质（3）特殊的磁学性质特殊的磁学性质（4）特殊的力学性质特殊的力学性质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。性以及化学性能等方面。本讲稿第二十二页，共五十二页3.量子

20、尺寸效应量子尺寸效应三、纳米材料的特性l微粒尺寸下降到一定值时，费米微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由能级附近的电子能级由准连续准连续能级能级变为变为分散能级分散能级，吸收光，吸收光谱阙值向短波方向移动，这谱阙值向短波方向移动，这种现象称为种现象称为量子尺寸效应量子尺寸效应。l对超微颗粒，在低温下必须对超微颗粒，在低温下必须考虑量子效应，原有的宏观考虑量子效应，原有的宏观规律已不再成立。规律已不再成立。v=(4/3)(EF/N)V-1,相临相临电子能级间距；电子能级间距；N，粒子内，粒子内总导电电子数；总导电电子数；EF，费米，费米能级；能级；V，粒子体积。，粒子体积。v当粒子为

21、球形时，当粒子为球形时，1/d3金属能级的不连续和半金属能级的不连续和半导体能级间隙变宽导体能级间隙变宽本讲稿第二十三页，共五十二页4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应三、纳米材料的特性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，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为应，他们可以

22、穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子宏观量子隧道效应隧道效应。Ec=e2/2C充入一个电子所需要的能量也称充入一个电子所需要的能量也称库仑堵塞能库仑堵塞能这种小体系中单电子输运行为称为这种小体系中单电子输运行为称为库仑堵塞效应库仑堵塞效应。本讲稿第二十四页，共五十二页4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应三、纳米材料的特性通常，在第一个量子点上所加的电压必须克服通常，在第一个量子点上所加的电压必须克服Ec，电子才能隧穿，电子才能隧穿，VEc但对于低温纳米尺寸材料，电子能量小于但对于低温纳米尺寸材料，电子能量小于Ec也能隧穿。量子尺寸效也能隧穿。量子尺寸效应、隧道效应确立了微电子器件进一

23、步微型化的极限。应、隧道效应确立了微电子器件进一步微型化的极限。本讲稿第二十五页，共五十二页四、几种典型纳米材料纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料纳米固体材料纳米固体材料纳米膜材料纳米膜材料纳米磁性液体材料纳米磁性液体材料碳纳米管碳纳米管本讲稿第二十六页，共五十二页1.纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料l纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料也称纳米粉末，一般指也称纳米粉末，一般指粒度在粒度在100nm以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，以下的粉末或颗粒。由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。常规固体的新特性。四、几种典型纳米材料本讲稿第二十七页

24、，共五十二页1.纳米颗粒型材料纳米颗粒型材料四、几种典型纳米材料v用途：用途：v高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光微芯片导热基与布线材料、微电子封装材料、光电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高电子材料、电池电极材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷效催化剂、高效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。材料、人体修复材料和抗癌制剂等。本讲稿第二十八页，共五十二页2.

25、纳米固体材料纳米固体材料l纳米固体材料纳米固体材料通常指由尺寸小于通常指由尺寸小于15纳米纳米的超微颗粒在高压力下压的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型理工序后所生成的致密型固体材料。固体材料。四、几种典型纳米材料Fe-BFe-B纳米棒纳米棒本讲稿第二十九页，共五十二页3.纳米薄膜材料纳米薄膜材料l纳米薄膜材料纳米薄膜材料是指尺寸在纳米量级的是指尺寸在纳米量级的晶粒（或颗粒）构成的晶粒（或颗粒）构成的薄膜以及每层厚度在纳薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。米量级的单层或多层膜。四、几种典型纳米材料本讲稿第三十页，共五十二页4.纳米磁性液

26、体材料纳米磁性液体材料l磁性液体磁性液体是由超细微粒包覆一层长键的有是由超细微粒包覆一层长键的有机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而机表面活性剂，高度弥散于一定基液中，而构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁构成稳定的具有磁性的液体。它可以在外磁场作用下整体地运动，因此具有其它液体所场作用下整体地运动，因此具有其它液体所没有的磁控特性。没有的磁控特性。四、几种典型纳米材料本讲稿第三十一页，共五十二页5.碳纳米管碳纳米管l碳纳米管碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料它在一维方向上的强度可

27、以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。所不具备的性能：非常好的导电性能、导热性能和电性能。四、几种典型纳米材料本讲稿第三十二页，共五十二页5.碳纳米管碳纳米管l碳纳米管碳纳米管是是1991年由年由日本电镜学家饭岛教授日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数长度可达数微

28、米甚至数毫米。毫米。四、几种典型纳米材料本讲稿第三十三页，共五十二页5.碳纳米管碳纳米管l碳纳米管碳纳米管尺寸尽管只尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的它的导电率是铜的1万倍，万倍，它的强度是钢的它的强度是钢的100倍而重倍而重量只有钢的七分之一。它像量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。材料中最高的。四、几种典型纳米材料本讲稿第三十四页，共五十二页5.碳纳米管碳纳米管l碳纳米管碳纳米管正是由于碳纳米管自身的独特性能，决定了这种新型材正是由于碳纳米管自身的独

29、特性能，决定了这种新型材料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在料在高新技术诸多领域有着诱人的应用前景。在电子方面电子方面，利用碳纳米，利用碳纳米管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集管奇异的电学性能，可将其应用于超级电容器、场发射平板显示器、晶体管集成电路等领域。在成电路等领域。在材料方面材料方面，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复，可将其应用于金属、水泥、塑料、纤维等诸多复合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优合材料领域。它是迄今为止最好的贮氢材料，并可作为多类反应的催化剂的优良载体。在良载体。在军事方面军事方面，可利用

30、它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广，可利用它对波的吸收、折射率高的特点，作为隐身材料广泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在泛应用于隐形飞机和超音速飞机。在航天领域航天领域，利用其良好的热学性能，添加到火，利用其良好的热学性能，添加到火箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。箭的固体燃料中，从而使燃烧效率更高。四、几种典型纳米材料本讲稿第三十五页，共五十二页5.碳纳米管碳纳米管l碳纳米管碳纳米管果做绳索，是唯一可以从果做绳索，是唯一可以从月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断月球挂到地球表面，而不被自身重量所拉断的绳索。如果用它做成地球的绳索。如果用它做成地球-月球乘人的电月球乘人的电梯，人们

31、在月球定居就很容易了。纳米碳管梯，人们在月球定居就很容易了。纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造成几厘米厚的壁挂式电视屏，这是电视制造业的发展方向。业的发展方向。四、几种典型纳米材料本讲稿第三十六页，共五十二页5.碳纳米管碳纳米管四、几种典型纳米材料把碳把碳纳米纳米管用管用作转作转子的子的纳米纳米马达马达图像图像本讲稿第三十七页，共五十二页5.碳纳米管碳纳米管四、几种典型纳米材料然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工业应用。然而，碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十年，却尚未得到工

32、业应用。超高的成本使国际市场超高的成本使国际市场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10002000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美元克，远远高出黄金的价格。美元克，远远高出黄金的价格。我国清华我国清华我国清华我国清华南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米南风纳米粉体产业化工程中心，一直致力于碳纳米管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产

33、规管在工业化生产上的科技攻关，是目前世界上已知生产规模最大的碳纳米管生产基地。模最大的碳纳米管生产基地。模最大的碳纳米管生产基地。模最大的碳纳米管生产基地。本讲稿第三十八页，共五十二页6.2 纳米材料的制备技术纳米材料的制备技术“纳米材料纳米材料”这一概念在这一概念在20世纪世纪80年代初正年代初正式形成，它现已成为材料科学和凝聚态物理式形成，它现已成为材料科学和凝聚态物理领域的研究热点，而其制备科学在当前的纳领域的研究热点，而其制备科学在当前的纳米材料研究中占据着极为关键的地位。人们米材料研究中占据着极为关键的地位。人们一般将纳米材料的制备方法划分为一般将纳米材料的制备方法划分为物理方法物理

34、方法和和化学方法化学方法两大类。两大类。本讲稿第三十九页，共五十二页l纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛纳米材料其实并不神密和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已米微粒构成的。人工制备纳米材料的实践也已有有1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是雾制成碳黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的人工纳米材料。另外，中国古代铜镜表最早的人工

35、纳米材料。另外，中国古代铜镜表面的防锈层经检验也已证实为纳米面的防锈层经检验也已证实为纳米SnO2颗粒颗粒构成的薄膜。构成的薄膜。本讲稿第四十页，共五十二页l然而，人们自觉地将纳米微粒作为研究对象，而用人工然而，人们自觉地将纳米微粒作为研究对象，而用人工方法有意识地获得纳米粒子则是在方法有意识地获得纳米粒子则是在20世纪世纪60年代。年代。1963年，年，RyoziUyeda等人用气体蒸发（或等人用气体蒸发（或“冷凝冷凝”）法）法获得了较干净的超微粒，并对单个金属微粒的形貌和获得了较干净的超微粒，并对单个金属微粒的形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。198

36、4年，年，Gleiter等人用同样的方法制备出了纳米相材料等人用同样的方法制备出了纳米相材料TiO2。本讲稿第四十一页，共五十二页1.真空冷凝法真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。一、物理方法2.物理粉碎法物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

37、但产品纯度低，颗粒分布不均匀。3.机械球磨法机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。本讲稿第四十二页，共五十二页1.化学沉淀法化学沉淀法v共沉淀法共沉淀法v均匀沉淀法均匀沉淀法v多元醇沉淀法多元醇沉淀法v沉淀转化法沉淀转化法二、化学方法本讲稿第四十三页，共五十二页2.化学还原法化学还原法v水溶液还原法水溶液还原法v多元醇还原法多元醇还原法v气相还原法气相还原法v碳热还原法碳热还原法二、化

38、学方法本讲稿第四十四页，共五十二页3.溶胶凝胶法溶胶凝胶法溶胶凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。溶胶凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥物在一定条件下水解成溶胶，再制成凝胶，经干燥纳米材料热处理后制得所需纳米粒子。纳米材料热处理后制得所需纳米粒子。溶胶凝胶法可以大大降低合成温度。用溶胶凝胶法可以大大降低合成温度。用无机盐作原料，价格相对便宜。无机盐作原料，价格相对便宜。二、化学方法本讲稿第四十五页，共五十二页4.水热法水热法水热法是在高压釜里的高温、

39、高压反应环境中，采用水作为反应介质，水热法是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。水热技术具有两个特点，一是其相对低的温度，二是在封闭容器中进行，避免了有两个特点，一是其相对低的温度，二是在封闭容器中进行，避免了组分挥发。水热条件下粉体的制备有水热结晶法、水热合成法、水热组分挥发。水热条件下粉体的制备有水热结晶法、水热合成法、水热分解法、水热脱水法、水热氧化法、水热还原法等。近年来还发展出分解法、水热脱水法、水热氧化法、水热还原法等。近年来还发展出电化学水热法以及微波水

40、热合成法。前者将水热法与电场相结合，而电化学水热法以及微波水热合成法。前者将水热法与电场相结合，而后者用微波加热水热反应体系。与一般湿化学法相比较，水热法可直后者用微波加热水热反应体系。与一般湿化学法相比较，水热法可直接得到分散且结晶良好的粉体，不需作高温灼烧处理，避免了可能形接得到分散且结晶良好的粉体，不需作高温灼烧处理，避免了可能形成的粉体硬团聚。成的粉体硬团聚。二、化学方法本讲稿第四十六页，共五十二页5.溶剂合成法溶剂合成法v用有机溶剂代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳用有机溶剂代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。非水溶剂代替水，不仅扩大了水热技术的应用范围，米微粉

41、。非水溶剂代替水，不仅扩大了水热技术的应用范围，而且能够实现通常条件下无法实现的反应，包括制备具有亚而且能够实现通常条件下无法实现的反应，包括制备具有亚稳态结构的材料。稳态结构的材料。v苯由于其稳定的共轭结构，是溶剂热合成的优良溶剂，最苯由于其稳定的共轭结构，是溶剂热合成的优良溶剂，最近成功地发展成苯热合成技术，溶剂加压热合成技术可以在相对近成功地发展成苯热合成技术，溶剂加压热合成技术可以在相对低的温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制得的、在超高低的温度和压力下制备出通常在极端条件下才能制得的、在超高压下才能存在的亚稳相。压下才能存在的亚稳相。二、化学方法本讲稿第四十七页，共五十二页6.微

42、乳液法微乳液法v微乳液通常是有表面活性剂、助表面活性剂微乳液通常是有表面活性剂、助表面活性剂(通常为醇类通常为醇类)、油类、油类(通常为碳氢化通常为碳氢化合物合物)组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系。微乳液中，微小的组成的透明的、各向同性的热力学稳定体系。微乳液中，微小的“水池水池”为表面活性剂和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒，其大小在几为表面活性剂和助表面活性剂所构成的单分子层包围成的微乳颗粒，其大小在几至几十个纳米间，这些微小的至几十个纳米间，这些微小的“水池水池”彼此分离，就是彼此分离，就是“微反应器微反应器”。它拥有很。它拥有很大的界面，有利于化学反应。这显然是制备纳

43、米材料的又一有效技术。大的界面，有利于化学反应。这显然是制备纳米材料的又一有效技术。v与其它化学法相比，微乳法制备的粒子不易聚结，大小可控，分散性好。运用微与其它化学法相比，微乳法制备的粒子不易聚结，大小可控，分散性好。运用微乳法制备的纳米微粒主要有以下几类：乳法制备的纳米微粒主要有以下几类：(1)金属，如金属，如Pt，Pd，Rh，Ir，Au,Ag,Cu等；等；(2)硫化物硫化物CdS，PbS，CuS等；等；(3)Ni,Co,Fe等与等与B的化合物的化合物；(4)氯化物氯化物AgCl，AuCl3等；等；(5)碱土金属碳酸盐，如碱土金属碳酸盐，如CaCO3，BaCO3，SrCO3；(6)氧化物氧

44、化物Eu2O3，Fe2O3，Bi2O3及氢氧化物及氢氧化物Al(OH3)等。等。二、化学方法本讲稿第四十八页，共五十二页6.微乳液法微乳液法二、化学方法微乳液微乳液法制备法制备Fe2O3示意图示意图本讲稿第四十九页，共五十二页7.高温燃烧合成法高温燃烧合成法二、化学方法v利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应，体系局部发生反应利用外部提供必要的能量诱发高放热化学反应，体系局部发生反应形成化学反应前沿形成化学反应前沿(燃烧波燃烧波)，化学反应在自身放出热量的支持下快速，化学反应在自身放出热量的支持下快速进行，燃烧波蔓延整个体系。反应热使前驱物快速分解，导致大量气进行，燃烧波蔓延整个体系。反应热

45、使前驱物快速分解，导致大量气体放出，避免了前驱物因熔融而粘连，减小了产物的粒径。体系在瞬体放出，避免了前驱物因熔融而粘连，减小了产物的粒径。体系在瞬间达到几千度的高温，可使挥发性杂质蒸发除去。间达到几千度的高温，可使挥发性杂质蒸发除去。v例如，以硝酸盐和有机燃料经氧化还原反应制备例如，以硝酸盐和有机燃料经氧化还原反应制备Y掺杂的掺杂的10nmZrO2粒子，采用柠檬酸盐粒子，采用柠檬酸盐/醋酸盐醋酸盐/硝酸盐体系，所形成的凝胶硝酸盐体系，所形成的凝胶在加热过程中经历自点燃过程，得到超微在加热过程中经历自点燃过程，得到超微La0.84Sr0.16MnO3粒子。粒子。在合成氮化物、氢化物时，反应物为

46、固态金属和气态在合成氮化物、氢化物时，反应物为固态金属和气态N2、H2等，反等，反应气渗透到金属压坯空隙中进行反应。如采用钛粉坯在应气渗透到金属压坯空隙中进行反应。如采用钛粉坯在N2中燃烧，获中燃烧，获得的高温来点燃镁粉坯合成出得的高温来点燃镁粉坯合成出Mg3N2。本讲稿第五十页，共五十二页8.模板合成法模板合成法二、化学方法利用基质材料结构中的空隙作为模板进行合成。结构基质为多孔利用基质材料结构中的空隙作为模板进行合成。结构基质为多孔玻璃、分子筛、大孔离子交换树脂等。例如将纳米微粒置于分子玻璃、分子筛、大孔离子交换树脂等。例如将纳米微粒置于分子筛的笼中，可以得到尺寸均匀，在空间具有周期性构型

47、的纳米材筛的笼中，可以得到尺寸均匀，在空间具有周期性构型的纳米材料。料。Herron等将等将Na-Y型沸石与型沸石与Cd(NO3)溶液混合，离子交换后形溶液混合，离子交换后形成成Cd-Y型沸石，经干燥后与型沸石，经干燥后与N2S气体反应，在分子筛八面体沸石气体反应，在分子筛八面体沸石笼中生成笼中生成CdS超微粒子。南京大学采用气体输运将超微粒子。南京大学采用气体输运将C60引入引入13X分分子筛与水滑石分子层间，并可以将子筛与水滑石分子层间，并可以将Ni置换到置换到Y型沸石中去，观察到型沸石中去，观察到C60Y光致光谱由于光致光谱由于Ni的掺入而产生蓝移现象。的掺入而产生蓝移现象。本讲稿第五十

48、一页，共五十二页9.电解法电解法二、化学方法此法包括水溶液电解和熔盐电解两种。用此法可制得很多用通常方法此法包括水溶液电解和熔盐电解两种。用此法可制得很多用通常方法不能制备或难以制备的金属超微粉，尤其是负电性很大的金属粉末。不能制备或难以制备的金属超微粉，尤其是负电性很大的金属粉末。还可制备氧化物超微粉。采用加有机溶剂于电解液中的滚筒阴极电解还可制备氧化物超微粉。采用加有机溶剂于电解液中的滚筒阴极电解法，制备出金属超微粉。滚筒置于两液相交界处，跨于两液相之中。法，制备出金属超微粉。滚筒置于两液相交界处，跨于两液相之中。当滚筒在水溶液中时，金属在其上面析出，而转动到有机液中时，金当滚筒在水溶液中时，金属在其上面析出，而转动到有机液中时，金属析出停止，而且已析出之金属被有机溶液涂覆。当再转动到水溶液属析出停止，而且已析出之金属被有机溶液涂覆。当再转动到水溶液中时，又有金属析出，但此次析出之金属与上次析出之金属间因有机中时，又有金属析出，但此次析出之金属与上次析出之金属间因有机膜阻隔而不能联结在一起，仅以超微粉体形式析出。用这种方法得到膜阻隔而不能联结在一起，仅以超微粉体形式析出。用这种方法得到的粉末纯度高，粒径细，而且成本低，适于扩大和工业生产。的粉末纯度高，粒径细，而且成本低，适于扩大和工业生产。本讲稿第五十二页，共五十二页