新材料課件講義整理

納米材料的神奇物理特性納米材料的神奇物理特性1納米的有關(guān)概念納米材料及技術(shù)的發(fā)展納米材料的神奇物理特性納米材料：納米的有關(guān)概念納米材料：2納米的有關(guān)概念納米（nanometer）是一個極小的長度單位：1nm=10-9m,1納米是1米的十億分之一，相當(dāng)于十個氫原子一個挨—個排起來的長度，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)6萬個納米。物質(zhì)結(jié)構(gòu)的最小單元是原子，一納米相當(dāng)于五個原子并排起來的長度。納米材料是納米科技的重要組成部分，由尺寸為1-100nm的超微粉組成的固態(tài)或液態(tài)材料?？煞譃閮蓚€層次，即納米微粒和納米固體或液體。納米的有關(guān)概念納米（nanometer）是一個極小的長度單位3納米材料及技術(shù)的發(fā)展1.自然中存在及人工最早制備的納米材料

在廣博的自然界、生物界中早已充滿了納米科學(xué)的內(nèi)涵。在堅硬的牙齒的外表面排列著納米尺寸的微晶。廣義地說，動植物按最微基準(zhǔn)來定義，就是納米機器的組合體。蜜蜂、螃蟹、海龜?shù)捏w內(nèi)具有納米磁性粒子。中國古代利用燃燒的蠟燭的煙霧制成碳黑作為墨的原料，用于著色的染料等。1861年膠體化學(xué)出現(xiàn)，并隨之人們逐漸對直徑為1-100nm的微粒進行研究。70年代末80年代初，人們對納米微粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進行了較為系統(tǒng)的研究。納米材料及技術(shù)的發(fā)展1.自然中存在及人工最早制備的納米材料42.納米科技的誕生納米科技的誕生是以掃描隧道顯示儀(ScanningTunnelingMicrosocopy)發(fā)明為先導(dǎo)的。該儀器是1981年由美國的IBM公司在蘇黎世實驗室的教授G.Binning和H.Rohrer博士發(fā)明的。這是目前為止進行表面分析最精密的儀器，可以直接觀察到原子，橫向分辨率為0.1nm,縱向分辨率為0.01nm。1990年7月在美國巴爾基摩召開了國際第一屆納米科學(xué)技術(shù)會議。這次會議標(biāo)志著納米科技領(lǐng)域的正式形成。1992年9月在墨西哥召開了國際第一屆納米結(jié)構(gòu)材料會議。正式把納米材料作為材料科學(xué)的一個新分支公布于世。每兩年召開一次，1994年在德國召開了第二屆，第三屆在美國的夏威夷召開，1998年在瑞典召開第四屆，2000年在日本的仙臺召開第五屆。2.納米科技的誕生納米科技的誕生是以掃描隧道顯示儀5

表面效應(yīng)：表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減少而大幅度地增加，比表面積（表面積/體積）增大，粒子的表面能和表面張力也會隨之增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。由于表面活性高，利用它的表面活性特點，金屬超微粒子可以做成新一代的高效環(huán)境友好催化劑和儲氫材料。在火箭發(fā)射的固體燃料推進劑中添加約1%（質(zhì)量）的超微鋁或鎳，燃料燃燒熱增加約1倍。納米ZnO、TiO2等半導(dǎo)體納米粒子的光催化作用在環(huán)保健康方面有廣泛的應(yīng)用。利用它的大表面比作成敏感材料，如氣、濕、光敏器件。納米材料的幾種物理特性表面效應(yīng)：表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子6小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減少，在一定的條件下會引起材料的宏觀物理化學(xué)性質(zhì)的變化，稱為小尺寸效應(yīng)。納米材料的幾種物理特性超微材料的做的鋼材料及油箱蓋小尺寸效應(yīng)：當(dāng)超微顆粒尺寸不斷減少，在一定的條件下會引7對力學(xué)性質(zhì)的影響：傳統(tǒng)陶瓷呈現(xiàn)出脆性，由納米超微粉制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。由于超微粉具有大的界面，界面原子排列相當(dāng)混亂，原子在外力變形條件下容易遷移，因此表現(xiàn)出很好的韌性與一定的延展性。納米材料的幾種物理特性對力學(xué)性質(zhì)的影響：傳統(tǒng)陶瓷呈現(xiàn)出脆性，由納米超微粉制成的納米8特殊的熱學(xué)性質(zhì)：由于在納米尺寸下，可以說材料的空間維數(shù)減少，表面能增大，金屬納米材料的熔點減少。塊狀金的熔點為1064℃，當(dāng)變成10nm時，為1037℃，2nm時為327℃。銀的熔點可由690℃降到100℃。因此，銀超細粉制成的導(dǎo)電漿料可在低溫下燒結(jié)。這樣元件基片不必采用耐高溫的陶瓷，而可采用塑料。這種漿料做成膜既均勻、覆蓋面大，又省料、質(zhì)量好。納米材料的幾種物理特性特殊的熱學(xué)性質(zhì)：由于在納米尺寸下，可以說材料的空間維數(shù)減少，9特殊的光學(xué)性質(zhì)：金屬超微粉對光的反射率很低，一般低于1%，幾乎所有的金屬材料在細到小于光波的波長時（幾千個埃）會失去原有的金屬光澤，呈現(xiàn)黑色。尺寸越小，顏色越黑。利用此特性可以做高效的光熱，光電轉(zhuǎn)換材料，同時，還可以做防紅外，防雷達的隱身材料，例如，用納米鐵氧體微粒制成的吸收波材料在國防軍事上有很大的應(yīng)用，美國已在這方面將此實用化了，1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國的隱身戰(zhàn)斗攻擊機F-117A共執(zhí)行任務(wù)1270次，無一損傷。納米材料的幾種物理特性特殊的光學(xué)性質(zhì)：金屬超微粉對光的反射率很低，一般低于1%，幾10特別的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大塊材料強許多倍。20nm的磁性氧化物的矯頑力是大塊鐵的1000倍，但當(dāng)尺寸再減少的時候，其矯頑力反而又降低了成為超順磁性。利用超微粒子具有的高的矯頑力的性質(zhì)，已做成了高儲存密度的磁記錄粉，用于磁帶、磁盤、磁卡及磁性鑰匙等。如果磁光盤一旦進入納米級，它的信息儲存量將為現(xiàn)有光盤的106倍。納米材料的幾種物理特性特別的磁性能：小尺寸的超微粒子的磁性比大塊材料強許多倍。211量子效應(yīng)：孤立原子的能級是分立的，能量是量子化的。當(dāng)原子形成固體之后，由于晶體周期場的影響，分離的能級形成能帶。后來日本科學(xué)家在研究金屬粒子理論時發(fā)現(xiàn)由于超微粒子中原子數(shù)的減少，電子能級類似孤立原子中的能級,變?yōu)椴贿B續(xù),能帶中能級間隔加大。當(dāng)能隙大于它具有的熱能、電磁能時，超微粒子就會呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的性質(zhì)，稱之為量子尺寸效應(yīng)。金屬導(dǎo)體可能變成半導(dǎo)體甚至絕緣體。對半導(dǎo)體材料來說，由于尺寸的減少，價帶和導(dǎo)帶之間的能隙增大，光吸收或者發(fā)光帶的特征波長也不同于傳統(tǒng)材料。尺寸減少，發(fā)光帶的波長向短波移動，這種現(xiàn)象稱為“藍移”。納米材料的幾種物理特性量子效應(yīng)：孤立原子的能級是分立的，能量是量子化的。當(dāng)原子形成12量子隧道效應(yīng)：電子具有粒子性也具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。近年來科學(xué)家發(fā)現(xiàn)納米顆粒也具有隧道效應(yīng)，屬于宏觀量子隧道效應(yīng)。這兩個量子效應(yīng)將是未來微電子、光電子器件的基礎(chǔ)。目前，最精細的電子線路寬約為1微米，為頭發(fā)絲的1%，經(jīng)典電路的極限尺寸約為0.25um，要將電路進一步微型化就很困