第一章 纳米材料课件.ppt

第1章 纳米材料 1.1 纳米材料的基本概念及分类 1.2 纳米材料的特性 1.3 纳米材料的制备技术 1.4 纳米材料的应用 * * 生活中常见的“纳米产品” * * 新型聚氨酯纳米材料 纳米材料的定义 纳米是一种长度单位，是十亿分之一(10-9) 米。纳米科学是指研究 1-100 nm 范围内物质所特有的现象和功能的科学。 * 广义地，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成的材料。 * （1）零维纳米晶体，即纳米超微粒子——量子点 （2）一维纳米晶体，纳米薄膜或纳米层——量子线 （3）二维纳米晶体，纳米线或纳米棒等——量子膜 （4）三维纳米晶体，纳米固体或称纳米晶体 纳米材料的分类 10 nm 30nm 50 nm 零维——纳米颗粒、原子团簇 * 一维——纳米片、纳米薄膜 * 二维——纳米丝、纳米棒、纳米带纳米管以及纳米纤维 铋多层纳米带 纳米棒-蒲公英 * 纳米纤维 碳纳米管 * 三维：Nano-flowers 中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。 研究内容以Report形式于2005年8月5日发表在Science上。文章发表后在国际上引起了强烈的反响。Nanotechweb 和 ORF ON Science网站当天就分别以“应变的微结构形成类植物花样” 和“微观世界的花朵”作了长篇介绍。 * 纳米材料的特性 1、小尺寸效应 2、表面效应 3、 量子尺寸效应 4、宏观量子隧道效应 * 由于颗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。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。 （1） 特殊的光学性质；（2） 特殊的热学性质 （3） 特殊的磁学性质；（4） 特殊的力学性质 1、小尺寸效应 例如：块状金为1337K，2 nm 的金颗粒熔点为600K。 * 2、界面与表面效应 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。 半径 （nm） * 金属的纳米粒子在空气中会燃烧； 无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应等。 由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。 * 3、量子尺寸效应 原子能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。 当热能、电场能、或者磁场能比平均的能级间距还小时就会呈现出一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子效应。这一效应可使纳米粒子具有高的光学非线性、特异催化性和光催化性质等。 如：CdS微粒由黄色逐渐变为浅黄色，金的微粒失去金属光泽而变为黑色等。 * 4、宏观量子隧道效应  纳米粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。最近人们研究发现微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等宏观物理量也具有隧道效应，称为宏观隧道效应(MQT)。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有着重要意义。它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限。。 * 纳米材料的制备 * （1）几种典型的纳米材料 纳米颗粒型材料 纳米膜材料 纳米磁性液体材料 碳纳米管 纳米材料的应用 * 碳纳米管，是1991年由日本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉末状，是由类似石墨的碳原子六边形网格所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。????? 碳纳米管 * ? 碳纳米管尺寸尽管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倍而重量只有钢的七分之一。它像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。它的熔点是已知材料中最高的。 　　 * （1）在电子方面，利用碳纳米管奇异的电学性能，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。（2）在材料方面，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良载体。 （3）在军事方面，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。 （4）在航天领域，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。 * ? 碳纳米管作为一种新型材料被发现至今已有十多年，却尚未得到较好的工业应用。超高的成本使国际市场90％