纳米材料讲稿.ppt

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1、纳米材料讲稿 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望Outline纳米技术纳米技术的发展的发展1.纳米材料的类型纳米材料的类型2.纳米材料制备纳米材料制备3.4.纳米材料的应用纳米材料的应用5.结束语结束语 2022/11/1621.纳纳米的米的发发展大致分展大致分为为3个个阶阶段段第一阶段(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

2、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。2022/11/1633 3 维纳维纳米材料米材料 纳米块体纳米块体Addyourtext2.2.2.2.纳米材料纳米材料纳米材料纳米材料分类分类分类分类2 2 维纳米材料维纳米材料 （量子面）（量子面）纳米薄膜。电纳米薄膜。电子在一个方向的运动受到约束。子在一个方向的运动受到约束。1 1 维纳米材料维纳米材料 （量子线）（量子线）纳米线。电纳米线。电子在两个方向的运动受到约束。子在两个方向的运动受到约束。0 0 维纳米材料维纳米材料

3、（量子点）（量子点）纳米微粒和原纳米微粒和原子团簇。电子在三一个方向的运动受到约束子团簇。电子在三一个方向的运动受到约束纳米复合材料纳米复合材料不同化学成分复合而成或不同不同化学成分复合而成或不同维度纳米单元而成（如维度纳米单元而成（如1-2维，维，1-3维，维，2-3维维等等2022/11/164(按物态分类按物态分类)气相法气相法液相法液相法固相法固相法蒸发蒸发-冷凝法冷凝法化学气相反应法化学气相反应法溶胶溶胶-凝胶法凝胶法沉淀法沉淀法喷雾法喷雾法非晶晶化法非晶晶化法机械粉碎机械粉碎(高能球磨高能球磨)法法固态反应法固态反应法各种方法有各自的特点和适用范围各种方法有各自的特点和适用范围 3

4、.纳米材料的制备2022/11/165 3.1 气相法制备纳米材料气相法制备纳米材料蒸发蒸发-冷凝法冷凝法此此种种制制备备方方法法是是在在低低压压的的Ar、He 等等惰惰性性气气体体中中加加热热金金属属，使使其其蒸蒸发发汽汽化化,然然后后在在气气体体介介质质中中冷冷凝凝后后形形成成 5-100 nm的的纳纳米米微微粒粒。即即通通过过在在纯纯净净的的惰惰性性气气体体中中的的蒸蒸发发和和冷冷凝凝过过程程获获得得较较干干净的纳米粉体。净的纳米粉体。右图为该方法的典型装置。右图为该方法的典型装置。液氮蒸发源漏斗蒸发源真空泵隋性气体真空室2022/11/166 3.2 液相法制备纳米材料液相法制备纳米材

5、料1、化学沉淀法、化学沉淀法包含包含一一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀刘种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀刘(如如OH-、C2O42-，CO32-等等)后，或于一定温度下使溶液发生水解，形成后，或于一定温度下使溶液发生水解，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，经热分解即得到所得的氧化物粉料。去，经热分解即得到所得的氧化物粉料。2、喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行喷雾法是将溶液通过各种物理手段进行雾化获得纳米粒子的一雾化获得纳米粒子的一 种化学与物理相结种化学与物理相结合的方法。它的基本过程包括溶液的制

6、备、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，其特点是颗喷雾、干燥、收集和热处理，其特点是颗粒分布比较均匀，具体的尺寸范围取决于粒分布比较均匀，具体的尺寸范围取决于制备工艺和喷雾制备工艺和喷雾 的方法。的方法。压缩气体2022/11/1673、溶胶溶胶凝胶法包括以下几个过程凝胶法包括以下几个过程：(1)溶溶胶胶的的制制备备。有有两两种种方方法法制制备备溶溶胶胶：其其一一.先先将将部部分分或或全全部部组组分分用用适适当当沉沉淀淀剂剂先先沉沉淀淀出出来来，经经解解凝凝，使使原原来来团团聚聚的的沉沉淀淀颗颗粒粒分分散散成成原原始始颗颗粒粒，因因这这种种原原始始颗颗粒粒的的大大小

7、小一一般般在在溶溶胶胶体体系系中中胶胶核核的的大大小小范范围围，因因而而可可制制得得溶溶胶胶；另另一一种种方方法法是是由由同同样样的的盐盐溶溶液液出出发发，通通过过对对沉沉淀淀过过程程的的仔仔细细控控制制，使使首首先先形形成成的的颗颗粒粒不不致团聚为大颗粒而沉淀，从而直接得到溶胶。致团聚为大颗粒而沉淀，从而直接得到溶胶。(2)溶溶胶胶凝凝胶胶转转化化。溶溶胶胶中中含含大大量量的的水水，凝凝胶胶化化过过程程中中，使使体体系系失失去去流流动动性性，形形成成一一种种开开放放的的骨骨架架结结构构。实实现现胶胶凝凝作作用用的的途途径径有有两两个个：一一是是化化学学法法，通通过过控控制制溶溶胶胶中中的的电

8、电解解质质浓浓度度来来实实现现胶胶凝凝化化；二二是是物物理理法法，迫迫使使胶胶粒粒间间相相互互靠靠近近，克克服服斥斥力力，实实现现胶凝化。胶凝化。(3)凝凝胶胶干干燥燥。在在一一定定条条件件下下(如如加加热热)使使溶溶剂剂蒸蒸发发，得得到到粉粉料料。干燥过程中凝胶结构变化很大。干燥过程中凝胶结构变化很大。2022/11/168 3.3 固相法制备纳米材料固相法制备纳米材料高能球磨法是将粗粉体和硬球高能球磨法是将粗粉体和硬球(钢球、陶瓷球、或玛瑙球钢球、陶瓷球、或玛瑙球)按比按比例放进球磨机的密封容器内例放进球磨机的密封容器内,利用球磨机的转动或振动，使硬球利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进

9、行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎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。为纳米级微粒的方法。一一.机械粉碎机械粉碎(高能球磨高能球磨)法法滚动球磨滚动球磨搅拌球磨搅拌球磨振动球磨振动球磨2022/11/169二非晶晶化法二非晶晶化法 非非晶晶晶晶化化法法:采采用用快快速速凝凝固固法法将将液液态态金金属属制制备备非非晶晶条条带带,再再将将非非晶晶条条带带经经过过热热处处理理使使其其晶晶化化获获得得纳纳米米晶晶条条带带的的方方法法。用用非非晶晶晶晶化化法法制制备备的的纳纳米米结结构构材材料料的的塑塑性性对对晶晶粒粒的的粒粒径径十十分分敏敏感感、只只有

10、有晶晶粒粒直直径径很很小小时时，塑塑性性较较好好否否则则材材料料变变得得很很脆脆。因因此此，对对某某些些成成核核激激活活能能很很小小，晶晶粒粒长长大大激激活活能能大大的的非非晶晶合合金金采采用用非非晶晶晶晶化化法法，才才能能获获得得塑塑性较好的纳米晶合金。性较好的纳米晶合金。特点特点工艺较简单工艺较简单,化学成分准确。化学成分准确。液态金属液态金属非晶条带非晶条带热处理热处理2022/11/1610三直接淬火法三直接淬火法三直接淬火法三直接淬火法 这这是是近近年年来来刚刚刚刚研研制制成成功功的的一一种种新新的的制制备备方方法法，其其原原理理足足控控制制液液体体合合金金的的淬淬火火速速度度，获获

11、得得纳纳米米晶晶材材料料。这这种种方方法法适适用用于于制制备备纳纳米米合合金金大大块块材材料料。最最近近英英国国、法法国国、印印度度和和我我国国利利川川这这种种方方法法已已成成功功地地镍镍等等原原子子NiTi合合金金加加Si的的体体系系中中获获得得了了Ti2Ni纳纳米米晶晶材材料料。淬淬火火速速率率的的控控制是本方法的关键制是本方法的关键直接淬火法直接淬火法2022/11/1611 1、防紫外防紫外线 太阳能对人体有伤害的紫太阳能对人体有伤害的紫外线主要在外线主要在300400nm300400nm波波段，纳米段，纳米TiOTiO2 2、ZnOZnO、FeFe2 2O O3 3和纳米云母和纳米云

12、母等都有在这个等都有在这个波段吸收紫外线的特征，波段吸收紫外线的特征，将少量纳米微粒添加到化将少量纳米微粒添加到化学纤维中，就会产生紫外学纤维中，就会产生紫外线吸收现象，从而可以有线吸收现象，从而可以有效保护人体免受紫外线的效保护人体免受紫外线的损伤。损伤。右图为抗紫外线的伞及衣服右图为抗紫外线的伞及衣服4.1在日常生活中的在日常生活中的应应用用4.纳米材料的应用纳米材料的应用2022/11/16122、防、防电磁磁辐射射 电子产品的普及使得电磁辐电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如胁，一些纳米微粒如纳米氧纳米氧化铁，纳米氧化镍等化铁，纳米

13、氧化镍等能强烈能强烈吸收电磁辐射从而对人体起吸收电磁辐射从而对人体起到防护作用。到防护作用。防防辐射孕射孕妇装装2022/11/16134.2纳米在纳米在陶瓷陶瓷方面的方面的应应用用纳纳米陶瓷米陶瓷纳纳米陶瓷米陶瓷陶瓷材料在通常情况下呈陶瓷材料在通常情况下呈脆性，由脆性，由纳纳米粒子米粒子压压制成制成的的纳纳米陶瓷材料有很好的米陶瓷材料有很好的韧韧性。性。因因为纳为纳米材料具有米材料具有较较大的大的界面，界面的原子排列是界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力相当混乱的，原子在外力变变形的条件下很容易迁移，形的条件下很容易迁移，因此表因此表现现出甚佳的出甚佳的韧韧性与性与延展性。延展性。(

14、1)陶瓷增陶瓷增韧韧2022/11/1614(2)降低降低烧结烧结温度温度 纳纳纳纳米米米米颗颗颗颗粒表面能高，表面原子数多。粒表面能高，表面原子数多。粒表面能高，表面原子数多。粒表面能高，表面原子数多。这这这这些表面些表面些表面些表面原子近原子近原子近原子近邻邻邻邻配位不全，活性大配位不全，活性大配位不全，活性大配位不全，活性大，因此，因此，因此，因此纳纳纳纳米米米米颗颗颗颗粒熔粒熔粒熔粒熔化化化化时时时时所需的内能所需的内能所需的内能所需的内能较较较较小小小小，使其熔点急，使其熔点急，使其熔点急，使其熔点急剧剧剧剧下降，一下降，一下降，一下降，一般般般般为块为块为块为块体材料熔点的体材料熔

15、点的体材料熔点的体材料熔点的30-50%30-50%。纳纳纳纳米微粒粒径小，比表面米微粒粒径小，比表面米微粒粒径小，比表面米微粒粒径小，比表面积积积积大，并有大，并有大，并有大，并有高的高的高的高的扩扩扩扩散散散散速率速率速率速率，因而用，因而用，因而用，因而用纳纳纳纳米粉体米粉体米粉体米粉体进进进进行行行行烧结烧结烧结烧结，致密化速度致密化速度致密化速度致密化速度快快快快，还还还还可以降低可以降低可以降低可以降低烧结烧结烧结烧结温度。将温度。将温度。将温度。将纳纳纳纳米粉末米粉末米粉末米粉末作作作作为为为为陶陶陶陶瓷的原料，只需不高的温度即可将其熔化并瓷的原料，只需不高的温度即可将其熔化并瓷

16、的原料，只需不高的温度即可将其熔化并瓷的原料，只需不高的温度即可将其熔化并烧烧烧烧结结结结成耐高温的元件。成耐高温的元件。成耐高温的元件。成耐高温的元件。导电浆导电浆导电浆导电浆料是料是料是料是电电电电子工子工子工子工业业业业重要的原料：用重要的原料：用重要的原料：用重要的原料：用纳纳纳纳米米米米AgAg代代代代替微米替微米替微米替微米AgAg制成制成制成制成导电导电导电导电胶，胶，胶，胶，节节节节省省省省AgAg粉粉粉粉50%50%，用，用，用，用这这这这种种种种导电导电导电导电胶胶胶胶焊焊焊焊接金属和陶瓷，涂接金属和陶瓷，涂接金属和陶瓷，涂接金属和陶瓷，涂层层层层无需太厚，而且无需太厚，而

17、且无需太厚，而且无需太厚，而且表面平整，可以在低温下表面平整，可以在低温下表面平整，可以在低温下表面平整，可以在低温下烧结烧结烧结烧结，此，此，此，此时时时时基片不一基片不一基片不一基片不一定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以采用塑料定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以采用塑料定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以采用塑料定采用耐高温的陶瓷材料，甚至可以采用塑料等低温材料。等低温材料。等低温材料。等低温材料。2022/11/1615（3）下一代下一代电脑电脑芯片芯片纳纳米陶瓷材料由于具有超高米陶瓷材料由于具有超高纯纯度、好的度、好的热导热导性和性和长长久的耐干久的耐干扰扰性能，可性能，可以使微以使微处处理器

18、集成化程度更高，运算速度更快。美国各地的理器集成化程度更高，运算速度更快。美国各地的实验实验室室还还在在制造原子制造原子级级或分子或分子级计级计算机算机电电路。路。这这个个热热点点领领域就是域就是“纳纳米技米技术术”，可以，可以预见预见未来的人未来的人类类可能会可能会拥拥有被嵌入有被嵌入到到钢钢笔、衣服、眼睛甚至身体中的，与网笔、衣服、眼睛甚至身体中的，与网络络相相连连接的接的计计算机。算机。（4）磁性磁性应应用用磁磁铁铁的的强强弱可以用弱可以用矫顽矫顽磁力和磁力和饱饱和磁化和磁化强强度衡量，度衡量，这这些参数随晶粒的些参数随晶粒的减小和表面减小和表面积积的增大而提高。由的增大而提高。由纳纳米

19、陶瓷材料可制成米陶瓷材料可制成发动发动机、机、陆陆地地动动力力发发生装置、超敏感分析生装置、超敏感分析仪仪器和医学分析磁共振等装置上。器和医学分析磁共振等装置上。（5）高灵敏高灵敏传传感器感器传传感器本身的灵敏度依感器本身的灵敏度依赖赖于制造于制造传传感器材料的化学、物理和机械性能。感器材料的化学、物理和机械性能。由由纳纳米陶瓷材料制成的米陶瓷材料制成的传传感器具有感器具有较较高的敏感性，其典型高的敏感性，其典型应应用有烟用有烟雾雾检测检测器、器、飞飞机机翼上的冰机机翼上的冰层检测层检测器和汽器和汽车发动车发动机性能机性能传传感器等。感器等。2022/11/16164.3在在纳纳米米电电子器件

20、方面的子器件方面的应应用用在在纳纳米尺度上米尺度上单单个个电电子运子运动动会受到限制，并且可以控制其流会受到限制，并且可以控制其流动动，即所，即所谓库仑谓库仑阻塞效阻塞效应应，利用它可制成，利用它可制成单电单电子晶体管子晶体管。1.纳纳米米单电单电子晶体管子晶体管单电单电子晶体管示意子晶体管示意图图纳纳米米单电单电子晶体管示意子晶体管示意图图 2022/11/1617Intel公司公司2000年年12月公布，他月公布，他们们用最新用最新纳纳米技米技术术研制成功研制成功30nm硅硅晶体管芯片。晶体管芯片。新芯片运算速度达新芯片运算速度达10GHz，是目，是目前运算速度最快的前运算速度最快的Pen

21、tium4芯片芯片运算速度运算速度2.4GHz的的4倍。倍。Intel公司公司2001年又宣布又研制成年又宣布又研制成功功20nm硅晶体管芯片硅晶体管芯片，其中其中门门的的绝缘绝缘体只有体只有0.8nm厚厚(约约三个原子三个原子的厚度的厚度)，每秒开关，每秒开关变换变换次数极高。次数极高。基于基于这这种种20nm硅晶体管，可以制硅晶体管，可以制造含造含10亿亿个晶体管的硅晶体管芯个晶体管的硅晶体管芯片和片和计计算机微算机微处处理器，其运行速理器，其运行速度可高达度可高达20GHz，比，比2000年研制年研制成功成功30nm硅晶体管芯片，性能又硅晶体管芯片，性能又提高很多。提高很多。2纳纳米芯片

22、米芯片放大一万三千倍的集成放大一万三千倍的集成电电路芯片路芯片,连连接接导线导线的的宽宽度已度已经经达到达到纳纳米尺度米尺度2022/11/16184.4在在环环境保境保护护方面的作用方面的作用1纳纳米米TiO2与与环环境保境保护护由于由于纳纳米米TiO2除了具有除了具有纳纳米材料的特点外，米材料的特点外，还还具有光催化性使得它在具有光催化性使得它在环环境境污污染治理方面将扮染治理方面将扮演极其重要的角色。演极其重要的角色。纳纳米二氧化米二氧化钛钛的的SEM图图像像2022/11/16192自自洁洁作用作用2022/11/16204.5在光学方面的在光学方面的应应用用1隐隐身材料身材料由于由于

23、纳纳米微粒尺寸米微粒尺寸远远小于小于红红外及雷达波外及雷达波波波长长，因此因此纳纳米微粒材料米微粒材料对这对这种波的透种波的透过过率比率比常常规规材料要材料要强强得多，得多，这这就大大减少波的就大大减少波的反射率，使得反射率，使得红红外探外探测测器和雷达接收到器和雷达接收到的反射信号的反射信号变变得很微弱，从而达到得很微弱，从而达到隐隐身身的作用；的作用；另一方面，另一方面，纳纳米微粒材料的比表面米微粒材料的比表面积积比比常常规规粗粉大粗粉大3-4个数量个数量级级，对红对红外光和外光和电电磁波的吸收率也比常磁波的吸收率也比常规规材料大得多，材料大得多，这这就使得就使得红红外探外探测测器及雷达得

24、到的反射器及雷达得到的反射信号信号强强度大大降低，因此很度大大降低，因此很难发现难发现被探被探测测目目标标，起到了，起到了隐隐身作用。身作用。美国美国F117隐隐形形轰轰炸机机炸机机2022/11/16212优优异的光吸收材料异的光吸收材料p纳纳米微粒的量子尺寸效米微粒的量子尺寸效应应等使它等使它对对某种波某种波长长的光吸收的光吸收带带有有蓝蓝移移现现象。象。p纳纳米微粒粉体米微粒粉体对对各种波各种波长长光的吸收光的吸收带带有有宽宽化化现现象。象。n纳纳米微粒的紫外吸收材料就是利用米微粒的紫外吸收材料就是利用这这两个特两个特性。性。n通常的通常的纳纳米微粒紫外吸收材料是将米微粒紫外吸收材料是将

25、纳纳米微粒米微粒分散到分散到树树脂中制成膜，脂中制成膜，这这种膜种膜对对紫外有吸收紫外有吸收能力，主要由能力，主要由纳纳米粒子的尺寸和米粒子的尺寸和树树脂中脂中纳纳米米粒子的粒子的掺掺加量和加量和组组分来决定。分来决定。2022/11/16224.6在生物工程上的在生物工程上的应应用用如果有一种超微型如果有一种超微型镊镊子，能子，能够钳够钳起分子或原子并起分子或原子并对对它它们们随意随意组组合，制造合，制造纳纳米机械就米机械就容易多了。容易多了。英国自然英国自然杂杂志上志上报报告告说说，他他们们用用DNA（脱氧核糖核酸）（脱氧核糖核酸）制造出了一种制造出了一种纳纳米米级级的的镊镊子。子。利用利

26、用DNA基本元件碱基的配基本元件碱基的配对对机制，可以用机制，可以用DNA为为“燃料燃料”控制控制这这种种镊镊子反复开合。子反复开合。1纳纳米米镊镊子子2022/11/16232纳纳米条型米条型码码 量子点条形量子点条形码码2022/11/16243纳纳米米药药物物输输运运 纳纳米米医医学学将将给给医医学学界界，诸诸如如癌癌症症、糖糖尿尿病病和和老老年年性性痴痴呆呆等等疾疾病病的的治治疗疗带带来来变变革革，已已经经获获得得越来越多的越来越多的认认同。同。利利用用纳纳米米技技术术能能够够把把新新型型基基因因材材料料输输送送到到已已经经存存在在的的DNA里里，而不会引起任何免疫反而不会引起任何免疫

27、反应应。树树形形聚聚合合物物（dendrimers）就就是是提提供供此此类类输输送送的的良良好好候候选选材材料料。由由于于它它是是非非生生物物材材料料，不不会会诱诱发发病病人人的的免免疫疫反反应应，没没有有形形成成排排异异反反应应的的危危险险，所所以以可可以以作作为为药药物物的的纳纳米米载载体体，携携带带药药物物分分子子进进入入人人体体的的血血液液循循环环，使使药药物物在在无无免免疫疫排排斥斥的的条条件件下下，发发挥挥治治病病的的效效果果。这这种种技技术术用用于于糖糖尿尿病病和和癌癌症症治治疗疗是是很很有有希希望的。望的。作作为药为药物物载载体的体的树树状型聚合物分子状型聚合物分子2022/1

28、1/16255纳纳米米卫卫星星4.7在在军军事事领领域中的域中的应应用用2022/11/16262022/11/1627结结束束语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，即在纳米尺度上制造具有特定功能的产品，实现生产方式的飞跃，来满足更高层次的要求。纳米材料科学应称为“纳米科学”，它并不局限于某一个领域，而应是包含多个学科交叉的横断学科。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“纳纳米米左左右右和和纳纳米米以以下下结结构构将将是是下下一一阶阶段段科科技技发发展展的的重重点点，会会是是一一次次技技术术革革命命，从从而而将将引引起起2l世世纪纪又又一一次次产产业业革革命命”。2022/11/1628