專題五納米材料

關(guān)于專題五納米材料第2頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天第3頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天

1990年7月，第一屆國(guó)際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議在美國(guó)巴爾的摩舉辦，標(biāo)志著納米科學(xué)技術(shù)的正式誕生。

1991年，碳納米管被人類發(fā)現(xiàn)，它的質(zhì)量是相同體積的鋼的六分之一，強(qiáng)度卻是鋼的10倍，成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)。單層碳納米管多層碳納米管

第4頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天1993年，繼美國(guó)斯坦福大學(xué)搬動(dòng)原子團(tuán)“寫”下斯坦福大學(xué)英文、美國(guó)國(guó)際商用機(jī)器公司在鎳表面用36個(gè)氙原子排出“ＩＢＭ”之后，中國(guó)科學(xué)院北京真空物理實(shí)驗(yàn)室自如地操縱原子成功寫出“中國(guó)”二字，標(biāo)志著我國(guó)開始開始在國(guó)際納米科技領(lǐng)域占有一席之地；圖2-70在鎳表面用36個(gè)氙原子排出的“ＩＢＭ”第5頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天第6頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、納米材料及其分類

（一）納米材料定義當(dāng)物質(zhì)加工到100納米以下時(shí)，往往產(chǎn)生既不同于微觀原子、分子，又不同于宏觀物質(zhì)的超常規(guī)特性，具有這種特性的材料稱為納米材料。納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。第7頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（二）納米材料分類

納米材料大致可分為:1、一維納米材料（納米微粒）；2、二維納米材料（納米涂層和納米管）；3、三維納米材料（納米陶瓷）；4、納米催化劑第8頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、幾種重要的納米材料

（一）納米微粒

納米微粒又稱納米粉末、超微粒子。其實(shí)就是普通金屬或金屬化合物的粒子，不過(guò)更細(xì)小而已。比如蒸饅頭用的面粉可以說(shuō)是很細(xì)的粉末了，而超微粒子比面粉還細(xì)得多，其粒子直徑僅為納米級(jí)別，必須用電子顯微鏡才能看到它的真面目。圖2-71顯微鏡下的納米微粒

第9頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天納米微粒的出色本領(lǐng)來(lái)自本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

1．由于它的顆粒非常小，就決定了表面積特點(diǎn)大。1克納米微粒的表面積的總和可達(dá)幾千甚至幾萬(wàn)平方米，這就為它進(jìn)行磁化、加速化學(xué)反應(yīng)等提供了充分的用武之地。

2．它的表面承受的拉力特別大，從而使它的性格非?；顫?，喜歡與其他物質(zhì)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。

3．它的熔點(diǎn)低，這就有可能在很低的溫度下對(duì)金屬、合金等的粒子進(jìn)行冶煉和燒結(jié)。例如：銀的熔點(diǎn)為960攝氏度，而它的納米微粒的熔點(diǎn)卻只有100攝氏度，用開水就能將它熔化。

4．納米微粒的耐熱、耐腐蝕性好，所以常用來(lái)制造火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的噴氣口。

5．可作為良好的導(dǎo)熱材料。第10頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（二）二維納米材料

新型納米復(fù)合涂層具有多方面的應(yīng)用：（1）納米材料涂層可以提高基體的防腐蝕能力，達(dá)到表面修飾、裝飾目的。在油漆或涂料中加入納米顆粒，可進(jìn)一步提高其防護(hù)能力，能夠耐大氣、紫外線侵害，從而實(shí)現(xiàn)防降解、防變色等功效；另外，還可以在建材產(chǎn)品，如衛(wèi)生潔具、內(nèi)墻、用具等中運(yùn)用納米材料涂層，產(chǎn)生殺菌、保潔效果。第11頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）納米材料涂層具有多種優(yōu)良的光學(xué)性能。納米多層組合涂層經(jīng)過(guò)處理后在可見光范圍內(nèi)出現(xiàn)熒光，用于多種光學(xué)應(yīng)用需要，如傳感器等器件.改變納米涂層的組成和特性，即具有光致變色、溫致變色、電致變色等效應(yīng)，可作為特殊的防偽、識(shí)別手段。（3）經(jīng)過(guò)納米復(fù)合的涂層具有優(yōu)異的電磁性能，利用納米粒子涂料形成的涂層具有良好的吸波能力，能用于隱身涂層。圖2-72納米涂層使鏡子不結(jié)霧第12頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天

2.納米管

納米管是原子的二維晶體線片。最早的納米管是1991年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的碳納米管，它揭開了納米管研究的序幕。

這次制得的碳納米管是由石墨碳原子層卷曲而成的碳管，像鐵絲網(wǎng)卷成的一個(gè)空心圓柱狀“籠形管”。它非常微小，5萬(wàn)個(gè)并排起來(lái)才有人的一根頭發(fā)絲寬，實(shí)際上是長(zhǎng)度和直徑之比很高的纖維。圖2-73碳納米管實(shí)物

第13頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-74碳納米管模型

這個(gè)像用鐵絲網(wǎng)卷成的空心圓柱就是碳納米管。它的質(zhì)量是相同體積的鋼的六分之一，而強(qiáng)度卻是鋼的10倍，抗拉強(qiáng)度和韌性也是目前材料中最強(qiáng)的。碳納米管中空的結(jié)構(gòu)可以存儲(chǔ)高密度的氫氣，為未來(lái)環(huán)保汽車提供源源不斷的清潔能源。第14頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天

（三）納米陶瓷

1．納米陶瓷的定義

所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料，也就是說(shuō)晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級(jí)的水平（1～100nm）上。這使得材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的許多不足，并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，為替代工程陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。第15頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖2-75納米陶瓷粉末掃描電鏡圖片圖2-76納米陶瓷

第16頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天

2．納米陶瓷的特性及應(yīng)用

納米陶瓷的特性主要在于力學(xué)性能方面，包括納米陶瓷材料的硬度，斷裂韌度和低溫延展性等。其優(yōu)良的室溫和高溫力學(xué)性能、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性，使其在切削刀具、軸承、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)部件等諸多方面都有廣泛的應(yīng)用，并在許多超高溫、強(qiáng)腐蝕等苛刻的環(huán)境下起著其他材料不可替代的作用，具有廣闊的應(yīng)用前景。第17頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天（四）納米催化劑

納米催化劑被稱為第四代催化劑，是催化劑領(lǐng)域未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)之一。

納米微粒由于尺寸小，表面所占的體積百分?jǐn)?shù)大，表面的鍵態(tài)和電子態(tài)與顆粒內(nèi)部不同，表面原子配位不全等導(dǎo)致表面的活性位置增加，這就使它具備了作為催化劑的基本條件。

第18頁(yè),共20頁(yè)，2024年2月25日，星期天

納米粒子常作光催化劑，它有著許多優(yōu)點(diǎn)。首先是粒徑小，比表面積大,光催化效率高。另外，納米粒子生成的電子、空穴在到達(dá)表面之前，大部分不會(huì)重新結(jié)合。因此，電子、空穴能夠到達(dá)表面的數(shù)量多，則化學(xué)反應(yīng)活性高。其次，納米粒子分散在介質(zhì)中往往具有透明性，容易運(yùn)用光學(xué)手段和方法來(lái)觀察界面間的電荷轉(zhuǎn)移、質(zhì)子轉(zhuǎn)移、半導(dǎo)體能級(jí)結(jié)構(gòu)與表面態(tài)密度