納米材料--簡介.ppt

1、走進納米材料世界,化學工藝 王莉娜,內(nèi) 容,第一部分、納米材料概述 第二部分、納米材料的結(jié)構(gòu)與性能 第三部分、典型納米材料的應用,一、納米科技的誕生 二、納米技術(shù)與納米材料的概念 三、納米科技研究的重要性 四、納米材料的分類,第一部分、概 述,一、納米科技的誕生,著名物理學家、諾貝爾獎獲得者理查德費曼憧憬說：“如果有一天可以按人的意志安排一個個原子，將會產(chǎn)生怎樣的奇跡？”小尺寸大世界,費曼納米科技之父,一、納米科技的誕生,費曼預言，人類可以用小的機器制作更小的機器，最后將變成根據(jù)人類意愿逐個地排列原子，制造“產(chǎn)品”，這是關于納米技術(shù)最早的夢想。 七十年代，科學家開始從不同角度提出有關納米科技的

2、構(gòu)想。,1990年美國國際商用機器公司在鎳表面用35個氙（xian）原子排出“IBM” 。 中國科學院北京真空物理實驗室自如地操縱原子成功寫出“中國”二字，標志著我國開始在國際納米科技領域占有一席之地。,納米算盤 C60每10個一組，在銅表面形成世界上最小的算盤。,硅表面,C601985年Smalley（2005.10去世）與英國的Kroto等人在瑞斯(Rice)大學的實驗室采用激光轟擊石墨靶，并用甲苯來收集碳團簇、通稱為C60。,二、納米材料的概念 納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍(1-100nm)或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料的單晶體或多晶體，由于晶粒細小，使其晶界上的原

3、子數(shù)多于晶粒內(nèi)部，產(chǎn)生高濃度的晶界。,How small is 1 nanometer?,Human Hair,一納米有多??？,10 納米,空間尺度的劃分,宇觀(Cosmoscopic) 宏觀(Macroscopic) 人的肉眼可見的物體為最小物體開始為下限，上至無限大的宇宙天體； 介觀(Mesoscopic)或納米觀(Nanoscopic): 1100nm 1nm=10-9m，氫原子的直徑為1埃 微觀(Microscopic) 以分子原子為最大起點，下限是無限的領域。,血液中的紅血球大小為200300nm。病毒 幾十個nm所以納米粒子小于紅血球，與病毒大小相當。,例,原子分子 原子團簇 納米

4、粒子 納米材料 宏觀物體 微觀 宏觀,介觀,物質(zhì)大小,空間尺度,三、納米科技研究的重要性,納米科學和納米技術(shù)是21世紀最具發(fā)展前景和國際競爭力的高新產(chǎn)業(yè)之一，在21世紀將改變幾乎每一件人造物體的特性。材料性能的重大改變和制造模式方法的改變，將引發(fā)一場工業(yè)革命。,它從誕生起就迅速引起世界各國尤其是大國的重視和投資研究。,納米技術(shù)是跨世紀的新學科，是國際科學界工程技術(shù)界關注的熱點，是20世紀末興起的一個高科技領域。 納米技術(shù)將對面向21世紀的信息技術(shù)、生命科學、分子生物學、新材料等領域具有重大意義，它將會是一項重大的技術(shù)革命，必將引起21世紀的又一次產(chǎn)業(yè)革命。,納米科技的戰(zhàn)略地位,美國：1998,

5、 克林頓總統(tǒng)主持內(nèi)閣會議，訂立國家納米發(fā)展規(guī)劃； 日本：1999， 森喜朗首相主持內(nèi)閣會議，訂立國家納米發(fā)展規(guī)劃； 中國：2000，朱镕基總理召見中科院副院長白春禮院士，成立國家納米發(fā)展協(xié)調(diào)領導小組。,制定階段,90年代初期，美國正式把納米技術(shù)列為“國家關鍵技術(shù)”，新世紀伊始，又發(fā)布了納米技術(shù)：要引發(fā)下一場工業(yè)革命。在其后的十年間相繼成功研發(fā)了各種新型納米粉體、納米芯片、納米傳感器等眾多具有代表性的產(chǎn)品； 歐洲在1993年提出的9項未來發(fā)展關鍵中，4項涉及納米技術(shù)；,三、納米科技研究的重要性,實施階段,日本也大力積極參與到納米研究中，提出納米技術(shù)將作為重振日本經(jīng)濟的“立國之本”。 中國作為國際

6、上為數(shù)不多的率先開展納米技術(shù)研究的國家，在納米領域取得了許多舉世矚目的成就。2001年，我國制定了納米產(chǎn)品標準及技術(shù)標準，2005年批準并發(fā)布了七項納米技術(shù)標準。一項項的成果表明我國納米技術(shù)的研究和發(fā)展均處于世界前列，這也為我國納米技術(shù)的后續(xù)研究發(fā)展奠定了堅實的基礎。,三、納米科技研究的重要性,四、納米材料的分類,按結(jié)構(gòu)可分為 （1）零維納米材料：指空間三維尺度均在納米尺度以內(nèi)的材料，如納米粒子、原子團簇等。 （2）一維納米材料：有一維處于納米尺度的材料，如納米線、納米管。 （3）二維納米材料：在三維空間有二維在納米尺度的材料，如超薄膜。 （4）三維納米材料：納米固體材料，超微顆粒，組裝納米材

7、料。,納米顆粒（0D）,納米線（1D）,扭曲的納米線 （1D）,多孔納米線（1D）,納米膜（2D） 尺寸在納米量級的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級的單層或多層膜。,納米帶（2D）,納米花（2D）,陣列狀納米棒、線,納米管,(3D),納米花（3D）,顆粒、線、塊、花,奇妙的碳納米管,這是石墨中一層或若干層碳原子卷曲而成的籠狀“纖維”，內(nèi)部是空的，外部直徑只有幾到幾十納米，長度可達數(shù)微米甚至數(shù)毫米。,碳納米管本身有非常完美的結(jié)構(gòu)，意味著它有好的性能。它在一維方向上的強度可以超過鋼絲強度，它還有其他材料所不具備的性能：非常好的導電性能、導熱性能和電性能。,碳納米管尺寸盡管只有頭發(fā)絲的

8、十萬分之一，但它的導電率是銅的1萬倍，它的強度是鋼的100倍而重量只有鋼的六分之一。它像金剛石那樣硬，卻有柔韌性，可以拉伸。它的熔點是已知材料中最高的。,納米碳管和苯分子構(gòu)成的齒輪,納米碳管儲氫,高質(zhì)量的碳納米管能儲存大 量氫氣，從而可以實現(xiàn)用氫 氣為燃料驅(qū)動無污染汽車。,H2原子和C納米管,碳納米管 轉(zhuǎn)子納米馬達,納米機器人在清理血管中的有害堆積物,納米秤,能稱量億億萬分之 二百克的單個病毒,DNA納米鑷子,第二部分、納米材料的結(jié)構(gòu),一、表面效應 二、小尺寸效應 三、量子尺寸效應 四、宏觀量子隧道效應,一、表面效應,定義 固體表面原子和內(nèi)部原子多處于不同環(huán)境下，當粒子直徑比原子直徑大時，表面

9、能可以忽略，當粒子直徑逐漸接近原子直徑時，表面原子的數(shù)目及作用不能忽略，這時粒子的比表面積、表面能、表面結(jié)合能都發(fā)生很大的變化。由此引起的種種特殊效應稱為表面效應。 特性 粒子小，比表面積急遽變化增大，表面原子數(shù)增多，表面能高，原子配位不足，使得表面原子具有高活性，不穩(wěn)定，易結(jié)合。,粒子的大小與表面原子數(shù)的關系,表面效應,納米顆粒的表面效應活性,高活性 超微顆粒的表面具有很高的活性，在空氣中有些金屬顆粒會迅速氧化而燃燒。如果將金屬銅或鋁做成幾個納米的顆粒，一遇到空氣就會產(chǎn)生激烈的燃燒，發(fā)生爆炸。 應用 用納米顆粒的粉體做成火箭的固體燃料將會有更大的推力，可以用作新型火箭的固體燃料，也可用作烈性

10、炸藥。,例,二、小尺寸效應,當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長以及超導態(tài)的相干長度或透射深度等物理特征尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件將被破壞；非晶態(tài)納米微粒的顆粒表面層附近原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應。,條件,結(jié)果,現(xiàn)象,二、小尺寸效應的體現(xiàn),特殊的光學性質(zhì)顏色加深 超微納米顆粒的不穩(wěn)定性 納米微粒的熔點降低,三、量子尺寸效應,定義 當粒子尺寸下降到某一值時，金屬費米能級附近的電子能級由準連續(xù)變?yōu)殡x散能級的現(xiàn)象和納米半導體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應。,粗晶下的難以發(fā)光的間隙半導

11、體材料Si、Ge等，粒徑減小到納米級時表現(xiàn)出明顯的發(fā)光現(xiàn)象，粒徑越小光強越強. 細晶強化效應 材料硬度和強度隨著晶粒尺寸的減小而增大，導電性改變。,例,四、宏觀量子隧道效應,定義 宏觀量子隧道效應是基本的量子現(xiàn)象之一，即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時，該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應，稱為宏觀的量子隧道效應。,經(jīng)典理論和量子理論的差別,納米材料的性能,一、力學性能 二、電學性能 三、磁學性能 四、熱學性能 五、化學性能,一、力學性能,力學性能 （1）晶界結(jié)構(gòu)缺陷、晶界滑移、位錯運動 （2）楊氏模量減小，硬度提高 納

12、米材料晶界原子間隙的增加，使其楊氏模量減小，硬度提高 (楊氏模量是表征在彈性限度內(nèi)物質(zhì)材料抗拉或抗壓的物理量，在物體的彈性限度內(nèi)，應力與應變成正比，比值被稱為材料的楊氏模量 ) 。 （3）強度和硬度高 晶粒減小到納米級，材料的強度和硬度比粗晶材料提高4-5倍。,二、電學性能,晶界上原子體積分數(shù)增加，納米材料的電阻高于同類粗晶材料。 納米材料在磁場中材料電阻減小的現(xiàn)象十分明顯。磁場中粗晶電阻僅下降1%-2%,納米材料可達50%-80%，這個性質(zhì)很重要。,三、磁學性能,超順磁狀態(tài) 納米粒子尺寸小到一定臨界值時，進入超順磁狀態(tài)。 例如：20nm的純鐵粒子的矯頑力是大塊鐵的1000倍；但當尺寸再減小時

13、，其矯頑力而有時下降到零，表現(xiàn)出超順磁性。,三、磁學性能,納米材料隨著晶粒尺寸的減小，樣品的磁有序狀態(tài)將發(fā)生改變。粗晶狀態(tài)下為鐵磁性的材料，當顆粒尺寸小于某一臨界值時，矯頑力趨向于0，轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾艩顟B(tài)。 這是由于納米材料中晶粒取向是無規(guī)則的，因此，各個晶粒的磁距也是混亂排列的，當小晶粒的磁各向異性能減小到與熱運動能基本相等時，磁化方向就不再固定在一個易磁化方向而作無規(guī)律變化，結(jié)果導致超順磁性的出現(xiàn)。,三、磁學性能,磁熱性質(zhì) 在非磁或弱磁基體中包含很小的磁微粒。當其處于磁場中，微粒的磁旋方向與磁場相匹配，增加了磁有序性，降低了系統(tǒng)的熵，若過程絕熱，樣品溫度將升高。,四、熱學性能,比熱大 納米材料

14、中，界面原子排列混亂，原子密度低，原子間耦合較弱，導致納米材料的比熱比粗晶大。 納米微粒的熔點、燒結(jié)溫度、晶化溫度比常規(guī)粉體低得多（納米材料的表面性質(zhì)決定）。 例如：通常大尺寸金屬的熔點是固定的，超細化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點顯著降低，當顆粒小于10nm量級時尤為顯著。,五、化學性能,化學活性高 納米材料比表面積大，界面原子數(shù)多，界面原子區(qū)域原子擴散系數(shù)高，原子配位不飽和性，使得納米材料具有較高的化學活性。 催化活性提高到幾十倍到上百倍。,第三部分、納米材料的應用,第三部分、納米材料的應用,一、納米二氧化鈦 二、納米二氧化硅 三、納米氧化鋅 四、納米碳化硅,納米二氧化鈦及其復合氧化物,應用 （1）光催化

15、劑： TiO2SnO2 復合氧化物較單一級 純TiO2 有較高的光催化活性。 （2）紫外吸收劑（化妝品） （3）其他用途（光過濾等） （4）環(huán)境保護（降解有機物、農(nóng)藥、垃圾）,中國科學院首次打造出的“納米皇冠”,納米TiO2在可見光照射下對碳氫化合物(包括油污、細菌等)有催化作用，使其進一步氧化成氣體或者是很容易被擦掉的物質(zhì)。 在玻璃、陶瓷和瓷磚的表面涂上一層納米TiO2薄層，使其具有自清潔作用。,國家大劇院用的自清潔玻璃,TiO2車用空氣清凈機,二、納米二氧化硅,1、優(yōu)勢 納米二氧化硅是極其重要的高科技超微細無機新材料之一，因其粒徑很小，比表面積大，表面吸附力強，表面能大，化學純度高、分散性

16、能好、熱阻、電阻等方面具有特異的性能，以其優(yōu)越的穩(wěn)定性、補強性、增稠性和觸變性，在眾多學科及領域內(nèi)獨具特性，有著不可取代的作用。,2、應用 納米二氧化硅俗稱“超微細白炭黑”，廣泛用于各行業(yè)作為添加劑、催化劑載體，石油化工，脫色劑，消光劑，橡膠補強劑，塑料充填劑，油墨增稠劑，金屬軟性磨光劑，絕緣絕熱填充劑，高級日用化妝品填料及噴涂材料、醫(yī)藥、環(huán)保等各種領域。,二、納米二氧化硅,納米SiO2催化劑,利用納米SiO2可以進行細胞分離,三、納米氧化鋅,1、優(yōu)勢 納米氧化鋅(ZnO)粒徑介于1-100 nm之間，是一種面向21世紀的新型高功能精細無機產(chǎn)品，表現(xiàn)出許多特殊的性質(zhì)，如非遷移性、熒光性、壓電性

17、、吸收和散射紫外線能力等。,三、納米氧化鋅,2、應用 利用其在光、電、磁、敏感等方面的奇妙性能，可制造氣體傳感器、熒光體、變阻器、紫外線遮蔽材料、圖像記錄材料、壓電材料、壓敏電阻、高效催化劑、磁性材料和塑料薄膜等。,納米氧化鋅輪胎,氧化鋅納米線,納米氧化鋅激光器,四、納米碳化硅,應用 碳化硅纖維與金屬或陶瓷制成的復合材料 （1）用作航天工業(yè)材料。碳化硅纖維復合樹脂用于制作飛機的主體和機翼，其重量減輕23；用于制作火箭的外殼，不僅重量輕、強度高，而且熱膨脹系數(shù)也大大減少。 （2）用作體育器材。由于該材料質(zhì)輕、強度高、耐熱性能好，可以廣泛用于制造賽艇、賽車、摩托車和輕快自行車；也可制造網(wǎng)球拍、跳桿

18、等。,五、納米碳化硅,應用 （3）用作醫(yī)療器材。由于該材料的X射線透過性強、材質(zhì)強度高，用于制造X光機的部件和人造關節(jié)。 （4）用于特殊的地下電纜、輸水管道、橋梁等的工程材料。 （5）用于高科技領域。,火箭筒納米涂層,小型火箭,納米依星通訊系統(tǒng),可仿生出汗的航天飛機,隱身戰(zhàn)斗機,謝 謝 ！,補充內(nèi)容,四、納米材料的分類,2、按組成可分為 （1）金屬納米材料 （2）半導體納米材料 （3）有機和高分子納米材料 （4）復合納米材料：無機粒子與有機高分子復合材料，無機半導體的核殼結(jié)構(gòu)。,四、納米材料的分類,3、 按材料物性可分為 （1）納米半導體 （2）納米磁性材料 （3）納米非線性光學材料 （4）納

19、米鐵電體 （5）納米超導材料 （6）納米熱電材料,四、納米材料的分類,4、按應用領域可分為 （1）納米電子材料 （2）納米光電子材料 （3）納米生物醫(yī)藥材料 （4）納米敏感材料 （5）納米儲能材料,四、納米材料的分類,5、按化學組分可分為 （1）納米金屬 （2）納米晶體 （3）納米陶瓷 （4）納米玻璃 （5）納米高分子 （6）納米復合材料,小尺寸效應的體現(xiàn),若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒（直徑2nm）進行觀察，發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體，十面體、二十面體等），它既不同于一般固體，有不同于液體，是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿

20、佛進入了沸騰狀態(tài)，尺寸大于10nm后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性。,超微納米顆粒的不穩(wěn)定性,熔點降低 Au1064 2nmAu327 Cu327 20nmCu39 Ag900 納米Ag100,例,三、量子尺寸效應,產(chǎn)生量子效應的原因 對于宏觀物體包含無限個原子，N，于是0，即宏觀物體的能級間距幾乎為零。而納米微粒包含的原子數(shù)有限，N值很小，能級間距將發(fā)生分裂，這就導致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導電性與宏觀特性不同，從而產(chǎn)生量子尺寸效應。 例如，溫度為1K時，直徑小于14nm 的銀納米顆粒會變成絕緣體。,STM具有空間的高分辨率(橫向可達0.1nm，縱向可達001nm)，能直接觀察到物質(zhì)

21、表面的原子結(jié)構(gòu)，把人們帶到了微觀世界。它的基本原理是基于量子隧道效應和掃描。它是用一個極細的針尖(針尖頭部為單個原子)去接近樣品表面，當針尖和表面靠得很近時(1nm)，針尖頭部原子和樣品表面原子的電子云發(fā)生重迭，若在針尖和樣品之間加上一個偏壓、電子便會通過針尖和樣品構(gòu)成的勢壘而形成隧道電流。通過控制針尖與樣品表面間距的恒定并使針尖沿表面進行精確的三維移動，就可把表面的信息；(表面形貌和表面電子態(tài))記錄下來。由于STM具有原子級的空間分辨率和廣泛的適用性，國際上掀起了研制和應用STM的熱潮，推動了納米科技的發(fā)展。,STM針尖 掃描隧道顯微鏡工作原理示意圖,水熱合成法,1、定義 在特制的密閉反應容

22、器里（高壓釜），采用水溶液作為反應介質(zhì)，通過對反應容器加熱，創(chuàng)造一個相對高溫（100-1000）、高壓（1-100MPa）的反應環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶，從而進行無機合成與材料處理的一種有效方法。 高溫高壓下一些氫氧化物在水中的溶解度大于對應的氧化物在水中的溶解度，氫氧化物溶于水中同時析出氧化物。,水熱合成法,2、水熱反應高壓反應釜 高壓釜是進行高溫高壓水熱與溶劑熱合成的基本設備，研究的內(nèi)容和水平在很大程度上都取決于反應釜的性能和效果。 在高壓容器的材料選擇上，要求機械強度大、耐高溫、耐腐蝕和易加工，高壓容器一般用特種不銹鋼制成,釜內(nèi)襯有化學惰性材料，如Pt、Au等貴金屬和聚

23、四氟乙烯等耐酸堿材料 。,簡易高壓反應釜實物圖,水熱合成法,3、工藝流程,水熱合成法,水熱合成法,4、水熱法特點 （1）水熱條件下物質(zhì)的物理性質(zhì)和化學反應性與通常的條件相比有較大的改變，反應物反應性能改變、活性提高，水熱條件下的反應在通常條件下難于發(fā)生。 （2）水熱條件下易于生成中間態(tài)、介穩(wěn)態(tài)及特殊相，能夠合成和開發(fā)出具有特種介穩(wěn)結(jié)構(gòu)、特種凝聚態(tài)的新產(chǎn)物。,水熱合成法,（3）能夠使低熔點化合物、高蒸汽壓且不能在熔體中生成的物質(zhì)、高溫分解相在水熱低溫條件下晶化生成。 （4）水熱條件，有利于生長極少缺陷、取向好、完美的晶體，產(chǎn)物結(jié)晶度高，而且易于控制產(chǎn)物晶體的粒度。 （5）水熱條件下的環(huán)境氣氛易于

24、調(diào)節(jié)(隔絕空氣)， 因此易于制得低價態(tài)、中間價態(tài)和特殊價態(tài)的化合物，還能夠進行均勻地摻雜。,水熱合成法,5、優(yōu)點 所得產(chǎn)物純度高，分散性好、粒度易控制。 如在無機合成反應中，有一些反應從熱力學角度分析，認為是可以進行的反應，但在常溫常壓下實際的反應速度卻極慢，甚至喪失其實用價值。而在水熱條件下，情況則立即得到明顯改善，有可能得到人們所需要的超細粉。 水熱條件(高溫高壓)下可以加速水溶液中的離子反應和促進水解反應，有利于原子、離子的再分配和重結(jié)晶等，因此具有很廣的實用價值。,水熱合成法,6、局限 該法適用于氧化物功能材料或少數(shù)對水不敏感的化合物的制備與處理，而對其他一些對水敏感（與水反應、水解、分解或不穩(wěn)定）的化合物就不太適用。,第三節(jié)、納米材料的制備方法,一、納米材料的基本制備方法 二、典型納米化合物的制備,納 米 粒 子 制 備 方 法,物理法,化學法,粉碎法 構(gòu)筑法,沉淀法 水熱法 溶膠凝膠法 冷凍干燥法 噴霧法,干式粉碎 濕式粉碎,氣體冷凝法 濺射法 氫電弧等離子體法,共沉淀法 均相沉淀法 水解沉淀法,納 米 材料的制備 方法分類,氣相反應法 液相反應法,氣相分解法 氣相合成法 氣固反應法,其它方法(如球磨法),納 米 粒 子 制 備 方 法,氣相法,液相法,沉淀法 水熱法 溶膠凝膠法 冷凍干燥法 噴霧法,氣體冷凝法 氫電弧等離子體法 濺