第1章 纳米材料概述

纳米材料

课程基本情况

面向全校本科学员开设的、自然科学与工程技术系列本科公共选修课；关于纳米材料的入门课程。

纳米材料是当今材料科学的研究前沿和热点，内涵丰富，应用潜力大，知识更新速度快，有必要进行系统讲授。通过学习纳米材料相关知识，可了解其在武器装备中的应用前景，拓展知识面，激发对科技前沿领域的兴趣，培养创新意识。

参考教材

刘漫红, 等. 纳米材料及其制备技术. 北京: 冶金工业出版社,2014.08；

林志东. 纳米材料基础与应用. 北京: 北京大学出版社,2010.08；

张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京: 科学出版社,2001.02.

第1章纳米材料概述

要求：掌握纳米尺度、纳米材料的概念与内涵，熟悉常见纳米材料及其应用前景，了解纳米科技发展。

1.1 纳米尺度概念

（1）1纳米是多少

纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm，1 nm=10-9 m=10 ?；换一种方式：1 m=103 mm=106μm=109 nm。

头发直径：50-100 m，1 nm相当于头发的1/50000-1/100000。

氢原子的直径为1 ?，1 nm等于10个氢原子排起来的长度。

（2）人类对世界和物质的认识层次

宇观(Cosmoscopic) ：星系等天体系统，距地球最远星系约220 亿光年；可直接观测但不能以物质手段加以影响和变革的时空区域。包括星团、星系、星系团、超星系团、总星系团及遍布宇宙空间的射线和引力场所构成的物质系统。宇观世界的运动需用广义相对论、宇宙电动力学和星系力学描述。

宏观(Macroscopic)：人类肉眼所涉及的空间范围；

介观(Mesoscopic)：包括从微米、亚微米到纳米尺寸的范围；

微观(Microscopic)：以原子为最大起点，下限是无限的领域。

（3）纳米尺度

纳米尺度正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，称为介观世界。

纳米尺度范围：0.1~100 nm。

1.2 纳米科技发展

（1）纳米科技概念

纳米科学：研究与发现纳米尺度(0.1~100 nm)物质运动和变化的规律。

纳米技术：将纳米尺度的新研究发现应用于实际的方法和途径。

纳米科学与技术，简称纳米科技(nano-ST)：是研究由尺寸在0.1~100 nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

（2）纳米科技主要研究领域

纳米科技按照学科领域可划分为以下学科分支：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等。

纳米科技按照研究对象可划分为以下主要研究领域：纳米材料（基础）、纳米器件（目标）、纳米尺度的检测与表征（前提）。

（3）纳米科技主要研究任务

创造和制备优异性能的纳米材料；（基础）

制备各种纳米器件和装置；（目标）

探测和分析纳米区域的性质和现象。（前提）

（4）纳米科技的重要意义

纳米科技将促使人类认知的革命;

纳米科技将引发一场新的产业革命;

纳米科技是一门综合性的交叉学科，带动相关学科发展。

（5）纳米科技的起源与发展

1861年，胶体化学建立，人们开始研究1~100 nm的颗粒；

1959年，费曼预言提出；

1982年，扫描隧道显微镜研制成功；

1985年，C60富勒烯被发现；

1989年，单原子操纵实现；

1990年，第一届纳米科技会议召开。

历史错过的机遇：1861年，科学家发现了一种新的现象—胶体, 建立了化学学科的一个新的分支：胶体化学。英国化学家格雷哈姆最早使用胶体术语。但是当时的化学家们并没有意识到在这样的一个尺度范围是人们认识世界的一个新的层次，历史就此错过。

费曼的幻想点燃纳米科技之火：1959年，费曼作了一次演说“最底层大有发展空间”。他指出“倘若我们能按意愿操纵一个个原子，将会出现什么奇迹？”他说“我想谈的是关于操纵和控制原子尺度上的物质的问题，这方面确实大有发展潜力——我们可以采用切实可行的方式进一步缩小器件的尺寸”。他不仅预测了纳米技术将会崛起，而且在30年后变成了现实。

“看”得见原子的显微镜：长期以来人类就有一个幻想：希望直接“看”到原子。1982年，IBM瑞士苏黎士实验室的比尼格(Gerd. Binnig)和罗勒尔(Heinrich. Rohrer)研制出世界上第一台扫描隧道显微镜（STM），使人类第一次可以实时观测单个原子的行为。

1985年，英国萨塞克斯大学的克罗托与美国莱斯大学的斯莫利和和科尔合作，采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、用质谱仪分析，发现了金刚石和石墨之外的第三种稳定的碳单质，富勒烯C60。C60由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体，直径0.71nm，其60个顶角各有一个碳原子。

单原子操纵的实现：1989年，美国加州的IBM研究室依格勒(Donald M. Eigler)等人利用STM在4K和超真空环境中，在Ni的表面上将35个氙原子排布成最

小的IBM商标。这张放大了的照片登在《时代》周刊上，被称为当年最了不起的公司广告。人类迈向纳米技术的征途真正开始了。

纳米科技诞生的标志—第一届国际纳米科技会议：1990年在美国东海岸的巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术会议。会上美、日、英等国提出了各国发展纳米科技计划。虽然只有半天的会议日程，但会议给人以深刻的印象：这个纳米小世界里大有文章。

（6）我国纳米科技的发展

1988年4月12日，白春礼主持的中国第一台计算机控制的扫描隧道显微镜研制成功。

中科院于1994年，以STM为手段，在Si重构表面上开展了原子操纵的研究，取得了世界水平的成果。在室温下，用STM的针尖，并通过针尖与样品之间的相互作用，把硅晶体表面的原子拨出，从而在表面上形成一定规则的图形，如“中国”等字样，这些沟槽的线宽平均为2 nm，是当时在室温时，人们在Si表面“写”出的最小汉字。

1995年，我国召开“材料中的前沿问题研讨”香山科学会议，纳米材料的制备为主题之一。

1997年，我国召开纳米化学香山科学会议，研讨我国的纳米化学的发展。2000年，中共中央明确提出将新材料和纳米科学的进展作为“十五”规划中科技进步和创新的重要任务。

2001年成立国家纳米科技指导协调委员会。

建立了国家纳米科学中心（北京）、国家纳米技术与工程研究院（天津）、纳米技术及应用国家工程研究中心（上海）、国家纳米技术国际创新园（苏州）。

1.3 纳米材料内涵

1.3.1 什么是纳米材料

三维外观尺度中至少有一维处于纳米尺度的物质，以及以这些物质为主要结构单元所组成的材料，称为纳米材料。纳米尺度：0.1~100 nm范围的几何尺度。

1.3.2 纳米材料类型

根据上述定义，纳米材料包括两种类型：

具有纳米尺度外形的材料，简称为纳米尺度材料，即狭义“纳米材料”。主要包括：原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米管、纳米薄膜等；

以纳米结构单元为主要结构组分所构成的材料，即具有纳米结构的材料，简称为纳米结构材料，主要包括纳米固体材料、纳米多孔材料、纳米复合材料等。

纳米尺度材料，从三维外观尺度又可将其分为：零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料。

零维纳米材料：三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性。主要包括：

原子团簇：几个至几百个原子的聚集体。

纳米颗粒：纳米尺度的固体粒子。

一维纳米材料：单向延伸，两维尺度为纳米级，第三维尺度不限。主要包括：纳米棒、纳米线、纳米带、纳米管等。

二维纳米材料：一维尺度为纳米级，面状分布。主要包括：纳米片、纳米薄膜、单原子层材料：石墨烯等。

纳米结构材料：包含纳米结构单元、三维尺寸均超过纳米尺度的材料，又称三维纳米材料，主要包括：

纳米固体材料：由纳米晶粒或颗粒凝聚而成的三维块体，如纳米金属、纳米陶瓷等；

纳米多孔材料（气凝胶等）；

纳米复合材料：由不同类型低维纳米材料或低维纳米材料与常规材料复合形成的固体。

1.3.3 碳纳米材料

在过去约三十年的时间里，从零维的富勒烯，一维的碳纳米管，到二维的石墨烯不断被发现，新型碳纳米材料不断吸引着世界的目光。

1985年，英国萨塞克斯大学的克罗托与美国莱斯大学的斯莫利和和科尔合作，采用激光轰击石墨靶，并用甲苯来收集碳团簇、用质谱仪分析，发现了金刚石和石墨之外的第三种稳定的碳单质，富勒烯C60。C60由20个正六边形和12个正五边形组成的球状32面体，直径0.71nm，其60个顶角各有一个碳原子。

2015年，牛津大学碳材料设计公司以2.2万英镑的价格卖出了第一批“内嵌富勒烯”材料，总重量为200微克。计算下来，每1克的价格为1亿英镑（约人民币10亿元）。堪称世界上最昂贵的材料，可用来制作原子钟。

1991年，日本饭岛澄男(Sumio Iijima)在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法制备的富勒烯中发现了多壁纳米碳管，这些碳纳米管为多层同轴管，也叫巴基管(Bucky tube）。1993年又制备出了单壁碳纳米管。

碳纳米管的基本性质：（1）高机械强度：钢100倍强度，1/6重量；（2）高长径比: 103数量级；（3）高比表面: 400-3000m2/g；（4）热性能：热量沿着长度方向传递，各向异性热传导；（5）强的吸附性能，优异的储氢特性；（6）电性能：根据结构在导体，半导体，绝缘体间变化。

富勒烯、碳纳米管的发现可以说是“意外之美”，然而石墨烯的发现却很曲折；科学家经过热力学计算得出二维碳晶体热力学不稳定，无法稳定存在，但是科学家却从未放弃对其探索的努力。

传统理论认为，石墨烯只能是一个理论上的结构，不会实际存在。完美二维晶体结构无法在非绝对零度稳定存在。1934年，朗道(L.D. Landau)和佩尔斯(R. E. Peierls) 指出准二维晶体材料由于其自身的热力学不稳定性，在常温常压下会迅速分解。1966年，大卫·莫明(David Mermin)和赫伯特·瓦格纳(Herbert Wagner)提出Mermin-Wagner理论，指出表面起伏会破坏二维晶体的长程有序。

从理论上对石墨烯的预言到实验上的成功制备，经历了近60年时间。1947年，

菲利普 华莱士(Philip Wallace)就开始研究石墨烯的电子结构。

1956年，麦克鲁(J. W. McClure)推导了相应的波函数方程。

1960年，林纳斯·鲍林(Linus Pauling，诺贝尔化学奖、和平奖得主)曾质疑过石墨烯的导电性。

1984年，谢米诺夫(G. W. Semenoff)得出与波函数方程类似的狄拉克(Dirac)方程。1987年，穆拉斯(S. Mouras)才首次使用“graphene”这个名称来指代单层石墨片(石墨烯)。

实验物理学家及材料学家与理论物理学家不同，不喜欢被理论所束缚。美国德克萨斯大学奥斯汀分校(University of Texas at Austin)的罗德尼·鲁夫(Rodney Rouff，当时在华盛顿大学)曾尝试着将石墨在硅片上摩擦，并深信采用这个简单的方法可获得单层石墨烯，但很可惜他当时并没有对产物的厚度做进一步的测量。

美国哥仑比亚大学(Columbia University)的菲利普·金(Philip Kim)也利用石墨制作了一个“纳米铅笔”，在一个表面上划写，并得到了石墨薄片，层数最低可达10层。他们离石墨烯的发现仅一步之遥，诺贝尔奖的史册有极大可能会因他们的进一步工作而改写。命运之神最终没有眷顾他们，而是指向了大洋彼岸的英国曼彻斯特大学的两位俄裔科学家。2010年10月5日，瑞典皇家科学院在斯德哥尔摩宣布，将2010年诺贝尔物理学奖授予英国曼彻斯特大学的两位科学家：安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，以表彰他们在石墨烯材料方面的卓越研究。

2004年，两位科学家通过使用胶带反复剥离石墨的方法在绝缘基底上获得了单层或少层的石墨烯并研究其电学性能，发现其具有特殊的电子特性以及优异的电学、力学、热学和光学性能，从而掀起了石墨烯应用研究的热潮。

“二维结构”从想象到现实。石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化连接形成的单原子层二维晶体，其厚度为0.335 nm，碳原子规整的排列于蜂窝状点阵结构单元之中。电子显微镜下观测的石墨烯片，相邻碳原子间距仅0.142 nm。

为什么石墨烯会从石墨上被成功剥离出来而稳定存在呢？石墨烯层片上存在大量波纹结构，振幅大约为1 nm。石墨烯通过调整其内部碳-碳键长以适应热波动。因此，无论是独立自由存在，还是沉积在基底上，石墨烯其实都并不是一个百分之百平整的完美平面。石墨烯是通过在表面形成褶皱或吸附其他分子来维持自身的稳定性。纳米量级的表面微观粗糙度可能是二维晶体具有较好稳定性的根本原因。

1.3.4 纳米材料应用

（1）自然中的应用

莲花为什么出淤泥而不染？叶面上存在着非常复杂的多重微米和纳米级的超微结构。

自然界里具有“自清洁”能力的植物除了荷叶之外，还有水稻、芋头之类的植物以及鸟类的羽毛。这种“自清洁”效应除了保持表面的清洁外，对于防止病原体的入侵还有特别的意义。因为即使有病原体到了叶面上，一沾水也就被冲走了。所以象荷花这样的植物即使生长在很“脏”的环境中也不容易生病，很重要的原因就是这种自清洁能力。

人们知道荷叶自清洁效应已经很多年了，但是很长的时间内却无法做出荷叶那样的表面来。通过对自然界中典型的超疏水性表面——荷叶的研究发现，在低表面能的固体表面构建具有特殊几何形状的粗糙结构对超疏水性起重要的作用。基于这些原理，科学家们就开始模仿这种表面。现在，关于超疏水粗糙表面的研制已有相当多的报道。

蜜蜂如何找到回家的路？在驱磁细菌、家鸽、蜜蜂、海龟等动物体内天然存在着纳米磁性颗粒，如Fe3O4。能够感受地球磁场，从而进行导航。

螃蟹的横行。螃蟹原先并不像现在这样“横行”运动，而是前后运动，亿万年前的螃蟹第一对触角里有几颗用于定方向的纳米微粒，就像几只小指南针。螃蟹的祖先靠这种“指南针”堂堂正正地前进后退，行走自如。后来，由于地球的磁场发生了多次剧烈的倒转，使螃蟹体内的小磁粒失去了原来的定向作用，于是使它失去了前后行动的功能，变成了横行。

海龟通常在佛罗里达海边上产卵，幼小的海龟为了寻找食物通常要到大西洋的另一侧靠近英国的小岛附近海域生活，从佛罗里达到这个岛屿的海面再回到佛罗里达来回的路线不一样，相当于绕大西洋一圈，需要5~6年的时间，这样准确无误地航行靠什么导航(为什么海龟迁移的路线总是顺时针的)？美国科学家发现海龟的头部有磁性的纳米微粒，它们就是凭借这种纳米微粒准确无误地完成几万里的迁

壁虎为什么能够飞檐走壁？精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。

水黾为什么能够在水面行走？通过对其腿部微观结构的观察，发现水黾的这种优异的水上特性是利用其腿部特殊的微纳米结构与其表面油脂的协同效应实现的。（2）历史上的应用

古代利用松枝燃烧收集炭黑作为墨的原料(中国古代字画历经千年而不褪色)，纳米炭黑是最早的纳米材料之一。

古代铜镜表面形成氧化锡晶状纳米薄膜。纳米氧化锡薄膜是惰性物质，即与酸碱很难发生作用，因而有很好的防锈蚀性能。

在2000多年前的希腊——罗马时期，古埃及人掌握了一种把头发染黑的技术，其机理是通过原位反应的方式，在头发的皮质层及表层形成了平均粒径约5 nm 的方铅矿纳米粒子。

制造于公元4世纪古罗马的莱格拉斯雕花玻璃酒杯（Lycurgus Cup），在反光下呈现出绿色，在透射光下呈现出红色，这种奇妙的颜色变化就源于玻璃杯内层形成了微量的金、银纳米颗粒。

（3）当代社会中的应用

日常生活、信息、环境保护、能源、医学与健康、航空和航天、军事

日常生活：纳米颗粒与树脂结合用于紫外线屏蔽。

防晒霜中加入TiO2、ZnO等纳米颗粒，可反射或散射紫外线，减少紫外线对皮肤的接触，防止紫外线对皮肤的侵害。但同时可透过可见光，涂后皮肤显得自然。

健康：防雾霾口罩。

纳米纤维：重量轻、比表面积大、孔隙率高、内部孔隙的连通性好、容易与纳米级的化学物质相结合。针对悬浮细颗粒物PM2.5的去除和收集具有独特优势。

军事：隐身战机。

纳米颗粒尺寸远小于雷达波波长；纳米颗粒材料的比表面积大。降低雷达反射信号，很难被探测到，从而起到了隐身作用。

军事：纳米“侦察兵”。

基于纳米材料开发的各种微型飞行器和机器人具有信息处理，导航和通信能力。部署到敌方武器系统内部或附近，可监视敌方，同时可对敌方雷达、通信等电子设备实施干扰，而且很难被敌方常规雷达发现。

军事：单兵综合系统。

纳米材料的概述

“纳米材料”—开启微观世界之门 1.纳米材料及纳米技术 纳米技术界定为：在1nm～100nm尺度空间内研究电子、原子和分子运动规律和特性，通过直接操纵原子、分子或原子团和分子团使其形成所需要的物质的新技术。 纳米材料(nanometer material)是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10～100个原子紧密排列在一起的尺度。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。2.纳米材料的发展 人类对物质的认识分为两个层次：一个是宏观，另一个是微观。人们对宏观物质的研究已经很深人，研究的历史也较悠久。对于微观物质的研究，到20世纪60年代出现了团簇科学，成为凝聚态物理研究的热点。在团簇物理研究中，人们在团簇和亚微米体系之间又发现了一个十分令人注目的新体系，即纳米体系。这个体系通常研究的范畴为1～100nm，其中典型的代表是纳米粒子。由于纳米粒子的尺寸小、比表面积大和量子尺寸效应使其具有不同于常规固体的新特性，而成为材料科学、物理学和化学等学科的前沿焦点。 1959年著名的美国物理学家理查德?费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲，预言说：“我不怀疑，如果我们对物质微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物质得到大量的可能的特性。”虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。1974年，日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。 1981年格尔德?宾宁（Gerd Binnig）和海因里希?罗雷尔Heinrich Rohrer 发明了扫描隧道显微镜，它使科学家第一次可以观察并操纵单个原子。 1984年Gleiter 首次采用气体冷凝的方法，成功地制备了Fe纳米粉。随后，美国、西德和日本先后研制成纳米级粉体及块体材料。 1985年赖斯大学的研究人员发现了富勒烯（fullerenes）（更为人熟知的名称是“布基球（buckyballs），由著名未来学家，多面网格球顶的发明人巴克明斯特?富勒（R. Buckminster Fuller）命名，它可以被用来制造碳纳米管，是如今使

材料概论

第二章 1 普通的混凝土中有几种相？请分别写出各种相的名称。若在其中加入钢筋，则钢筋起到什么作用？此时又有几种相？ 答：3相；砂子、碎石、水泥浆；增强作用；4。 2 比较晶体与非晶体的结构特性，了解晶体的结构不完整性有哪些类型？并区分三大材料的结构类型与比较其各自的特点。 答：晶体结构的基本特征是原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地排列,即存在长程的几何有序。 结构的不完整性：实际上，极大多数晶体都有大量的与理想原子排列的轻度偏离存在，依据其几何形状而分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 金属材料的结构：一般都是晶体。金属键无方向性，晶体结构具有最致密的堆积方式。体心立方、面心立方和紧密堆积六方结构，金刚石结构。 无机非金属材料的结构：金刚石型结构；硅酸盐结构; 玻璃结构; 团簇及纳米材料 高分子材料的结构包括高分子链的结构及聚集态结构 各自的特点： 3 高分子材料其聚集态结构可分为：晶态和非晶态(无定形)两种，与普通的晶态和非晶态结构比较有什么特点？ 答：晶态有序程度远小于小分子晶态，但非晶态的有序程度大于小分子物质液态。 4 如何区分本征半导体与非本征半导体材料？ 答：本征半导体：材料的电导率取决于电子-空穴对的数量和温度的材料。 非本征半导体：通过加入杂质即掺杂剂而制备的半导体，杂质的多少决定了电荷载流子的数量。

5 极大多数晶体实际上都存在有种种与理想原子排列的轻度偏离，依据结构不完整性的几何形状可分为哪几种缺陷类型？按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，固溶体可分成哪几种类型？ 答：依据其几何形状而分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，固溶体可分成： 置换型固溶体(或称取代型)：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子取代所形成的固溶体。原子A同B的大小要大致相同。 填隙型固溶体(也称间隙型)：在溶剂A的晶格间隙内有溶质B的原子填入(溶入)所形成的固溶体。B原子必须是充分小的，如C和N等是典型的溶质原子。 6 比较热塑性高分子材料和热固性高分子材料的结构特点，并说明由于结构的不同对其性能的影响。 答：线型结构的高分子化合物：在适当的溶剂中可溶胀or溶解，升高温度时则软化、流动，∴易加工，可反复加工使用，并具有良好的弹性和塑性。(热塑性) 交联网状结构高分子：性能特点：较好的耐热性、难溶剂性、尺寸稳定性和机械强度，但弹性、塑性低，脆性大。∴不能进行塑性加工，成型加工只能在网状结构形成前进行，材料不能反复加工使用。(热固性) 7 聚二甲基硅氧烷的结构式为？其柔顺性怎么样？ 答：非常好 8 何为材料的力学强度？影响力学强度的主要因素有哪些？按作用力的方式不同，材料的力学强度可分为哪几种强度？ 答：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性变形或破坏的最大能力。 通常材料中缺陷越少、分子间键合强度越大，材料的强度也越高。 按作用力的方式不同，可分为：拉伸强度；压缩强度；弯曲强度；冲击强度；疲劳强度等。 9 区分高分子材料的大分子之间的相互作用中的主价力和次主价力，比较两者对其性能的影响。 答：大分子链中原子间、链节间的相互作用是强大的共价键这种结合力称为主价力，大小取决于链的化学组成→键长和键能。对性能，特别是熔点、强度等有重要影响。 大分子之间的结合力是范德华力和氢键，称为次价力，比主价力小得多(只有主价力1-10％)，但对高分子化合物的性能影响很大。如乙烯呈气态，而聚乙烯呈固态并有相当强度，∵后者的分子间力较前者大得多。 10 按电阻率的大小，可将材料分成哪几类？何谓超导性？ 答：按电阻率的大小，可将材料分：超导体；导体；半导体；绝缘体。 超导性：一旦T< Tc(超导体临界T)时，电阻率就跃变为零。Tc依赖于作用于导体的磁场强度。

碳纳米材料概述

碳纳米材料概述 名字：唐海学号：1020560120 前言 纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。 近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。 分类 (1)碳纳米管碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。 (2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。 (3)碳球根据尺寸大小将碳球分为：(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构，直径在2—20nm之间)，如C60，C70等；(2)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm 一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。 碳纳米材料的性质及相关应用 1.力学 (1)超强纤维碳纳米管具有弹性高、密度低、绝热性好、强度高、隐身性优越、红外吸收性好、疏水性强等优点，它可以与普通纤维混纺来制成防弹保暖隐身的军用装备。 (2)材料增强体用于增强金属、陶瓷和有机材料等。并且结合碳纳米管的导热导电特性，能够制备自愈合材料。

《纳米材料概论》教学大纲

《纳米材料概论》教学大纲 课程名称：纳米材料概论 英文名称：Introduction to nanomaterials 课程编号： 课程学时：36 课程学分：2 课程性质：专业选修课 适用专业：应用化工技术、环境监测与治理技术、材料加工技术等 大纲执笔人：王晓华 一、课程的性质、任务与基本要求 1.本课程的性质与任务 纳米材料学科是近年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。该课程是材料学、材料物理与化学或材料加工工程等专业学生的一门专业选修课程。本课程的目的是通过课堂教学、课堂讨论使学生了解、掌握纳米材料的概念、分类及其特点；了解纳米材料的物理性能和化学性能；了解纳米材料的主要制备方法及其原理、工艺过程和适用范围；掌握纳米材料粒度、成分、结构、形貌的测试和表征方法；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及研究进展。培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合能力。 2.课程的基本内容和要求 本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。 3.教学环节与学时分配

课堂教学：32学时（包括课堂讨论等教改环节） 实验：4学时 总计：36学时 二、教学内容与教学计划 绪论1学时 纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法 第一章纳米材料的基本概念与性质7学时（一）教学内容与学时 1、纳米材料的基本概念1学时 2、纳米微粒的基本性质3学时 （1）电子能级的不连续性 （2）量子尺寸效应 （3）小尺寸效应 （4）表面效应 （5）宏观量子隧道效应 3．纳米微粒的物理特性3学时 （1）纳米微粒的结构与形貌 （2）纳米微粒的热学性质 （3）纳米微粒的磁学性质 （4）纳米微粒的光学性质 （二）重点与难点 1．重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为先导的。微观粒子具有二象性，既具有粒子性，又具有波动性。量子效应：原子和分子中的电子等粒子的能量量子化是电子受到原子核和其它电子所产生的力场的束缚而产生的，这些粒子可以存在多种运动状态，粒子分布呈现波动性。由N个原子组成的固体材料，当原子间距缩小时，每个原子中的电子就会受到邻近原子中的电子和原子核的作用，其结果是每个分立的电子能级分裂成N个彼此相隔很小的能级，形成近似连续的密集的能量范围叫能带。K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态。久保理论。 2．难点：量子尺寸效应、久保理论。 （三）习题：习题1、习题2、习题3 第二章纳米粒子的制备方法8学时 （一）教学内容与学时

纳米材料导论期末复习重点

名词解释： 1、纳米：纳米是长度单位，10-9米，10埃。 2、纳米材料：指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 3、原子团簇：由几个乃至上千个原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体（原子团簇尺寸一般小于20nm）。 4、纳米技术：指在纳米尺寸范围内,通过操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。 5、布朗运动：悬浮微粒不停地做无规则运动的现象。 6、均匀沉淀法：利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来，再与沉淀组分发生反应。 7、纳米薄膜材料：指由尺寸在纳米量级的颗粒构成的薄膜材料或纳米晶粒镶嵌与某种薄膜中构成的复合膜且每层厚度都在纳米量级的单层或多层膜。 8、真空蒸镀：指在高真空中用加热蒸发的方法是源物质转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。 9、超塑性：超塑性是指在一定应力下伸长率≥100％的塑性变形。 10、弹性形变：指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体又恢复原状。 11、塑性形变：指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体不会恢复原状。 HAII-Petch公式： σ－－强度；H－－硬度；d－－晶粒尺寸；K－－常数 纳米复合材料：指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。 14、蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。 15、热塑性：物质在加热时能发生流动变形，冷却后可以保持一定形状的性质。 大题： 纳米粒子的基本特性？ （1）小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会造成颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸的变小，所导致的颗粒宏观物理性质的改变称为小尺寸效应。 （2）表面效应：纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而显著增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，物理化学性质发生变化。（粒度减小，比表面积增大；粒度减小，表面原子所占比例增大；表面原子比内部原子具有更高的比表面能；表面原子比内部原子具有更高的活性） （3）量子尺寸效应：当金属粒子的尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的能级由准连续变为离散能级或能隙变宽的现象。 （4）宏观量子隧道效应：宏观物理量具有的隧道效应。 纳米陶瓷具有较好韧性的原因？ （1）纳米陶瓷材料有纳米相，具有纳米材料相关的性能，而纳米材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移，从而表现出优良的韧性，因而纳米陶瓷也具有较好的韧性； （2）纳米级弥散相阻止晶粒长大，起到细晶强化作用，使强度、硬度、韧性都得到提高；（3）纳米级粒子的穿晶断裂，并由硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化。

纳米材料研究及检测.

纳米材料研究及检测 【摘要】纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术。文章简要地 概述了纳米技术，纳米材料的结构和特殊性质以及纳米纳米材料各方面的性能在实际中的应用，并展望了纳米材料的应用前景。本文以纳米材料为主要研究对象,阐述了其分析使用的分析方法。 【关键词】纳米技术；纳米材料；结构；性能；分析方法；表征 前言 纳米材料具有许多优良的物理及化学特性以及一系列新异的力、光、声、热、电、磁及催化特性，被广泛应用于国防、电子、化工、建材、医药、航空、能源、环境及日常生活用品中，具有重大的现实与潜在的高科技应用前景。纳米科技是未来高科技的基础, 而适合纳米科技研究的仪器分析方法是纳米科技中必不可少的实验手段。因此, 纳米材料的分析和表征对纳米材料和纳米科技发展具有重要的意义 和作用。 分析科学是人类知识宝库中最重要、最活跃的领域之一, 它不仅是研究的对象, 而且又是观察和探索世界特别是微观世界的重要手段。随着纳米材料科学技术的发展, 要求改进和发展新分析方法、新分析技术和新概念, 提高其灵敏度、准确度和可靠性, 从中提取更多信息, 提高测试质量、效率和经济性。 纳米材料主要性质有:小尺寸效应[、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应。目前表征纳米材料的技术很多，采用各种不同的测量信号形成了各种不同的材料分析方法，大体可以分为以下

几种方法。 1.纳米科学和技术 1.1 纳米科技的定义 纳米科技是20世纪80年代末诞生并正在崛起的新科技，是一门在0.1~ 100 nm尺度空间内，研究电子、原子和分子运动规律和特性的高技术学科。其涵义是人类在纳米尺寸（10-9--10-7m）范围内认识和改造自然，最终目标是通过直接操纵和安排原子、分子而创造特定功能的新物质。纳米科技是现代物理学与先进工程技术相结合的基础上诞生的，是一门基础研究与应用研究紧密联系的新兴科学技术。其中纳米材料是纳米科技的重要组成部分。 1.2 纳米科技的内容 纳米科技主要包含：纳米物理学；纳米电子学；纳米材料学；纳米机械学；纳米生物学；纳米显微学；纳米计量学；纳米制造学…… 1.3 纳米科技的内涵 第一：纳米科技不仅仅是纳米材料的问题。目前科技界普遍公认的纳米科技的定义是：在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及如何利用这些特性和相互作用的具有多学科交叉性质的科学和技术。纳米科技与众多学科密切相关，它是一门体现多学科交叉性质的前沿领域。现在已不能将纳米科技划归任何一个传统学科。如果将纳米科技与传统学科相结合，可产生众多的新的学科领域，并派生出许多新

纳米材料导论复习题

《纳米材料导论》复习题2013.12 第一章 1、纳米材料有哪些危害性？ 答：纳米技术对生物的危害性：1）在常态下对动植物体友好的金，在纳米态下则有剧毒；2）小于100nm的物质进入动物体内后，会在大脑和中枢神经富集，从而影响动物的正常生存；3）纳米微粒可以穿过人体皮肤，直接破坏人体的组织及血液循环。 纳米技术对环境的危害性：美国研究人员证明，足球烯分子会限制土壤细菌的生长，而巴基球则对鱼类有毒，这说明纳米技术对生态平衡和生态安全都有一定的破坏性。 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：纳米级结构材料简称为纳米材料，是指组成相或晶粒结构的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。纳米材料有两层含义： 其一，至少在某一维方向，尺度小于100nm，如纳米颗粒、纳米线和纳米薄膜，或构成整体材料的结构单元的尺度小于100nm，如纳米晶合金中的晶粒;其二，尺度效应：即当尺度减小到纳米范围，材料某种性质发生神奇的突变，具有不同于常规材料的、优异的特性量子尺寸效应。 纳米结构：以纳米尺度的物质为单元按一定规律组成的一种体系。 3、什么是纳米科技？ 答：纳米科技是研究在千万分之一米(10-7)到十亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的技术。 4、什么是纳米技术的科学意义？ 答：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域，也是一片新的研究疆土在宏观和微观的理论充分完善之后，再介观尺度上有许多新现象、新规律有待发现，这也是新技术发展的源头；纳米科技是多学科交叉融合性质的集中体现，我们已不能将纳米科技归为任何一门传统的学科领域而现代科技的发展几乎都是在交叉和边缘领域取得创新性的突破的，在这一尺度下，充满了原始创新的机会因此，对于还比较陌生的纳米世界中尚待解释的科学问题，科学家有着极大的好奇心和探索欲望。 5、纳米材料有哪 4种维度？举例说明 答：零维：团簇、量子点、纳米粒子 一维：纳米线、量子线、纳米管、纳米棒 二维：纳米带、二维电子器件、超薄膜、多层膜、晶体格 三维：纳米块体 6、名词解释：STM、AFM、SEM、TEM 答：STM扫描隧道显微镜AFM原子力显微镜 SEM扫描电子显微镜XRFX射线荧光分析 TEM透射电子显微镜 7、简述STM和AFM的工作原理及对纳米技术的影响 答：STM工作原理：扫描隧道显微镜是一种利用量子力学的隧道效应的非光学显微镜它主要是利用一根非常细的钨金属探针，针尖电子会跳到待测物体表面上形成穿隧电流，同时，物体表面的高低会影响穿隧电流的大小，针尖随着物体表面的高低上下移动以维持恒定的电流，依此来观测物体表面的形貌 STM对纳米技术的影响：它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率此外扫描隧道显微镜在

纳米材料导论

1、纳米粒子表面原子的排列，其活性高的原因是什么？ 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大 的比例． 表面原子数增多、原子配位不足及高的表面能，使这些表面原 子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。例如： 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。 如图，近邻配位的“A“原子，像“A”这样的表面原子极不 稳定，很快跑到“B”位置上，这些表面原子一遇见其他原子， 很快结合，使其稳定化，这就是活性高的原因。 2、冷冻干燥法 冷冻干燥法为溶剂挥发分解法的一种 冷冻干燥法的基本原理是：先使干燥的溶液喷雾在冷冻剂中冷冻，然后在低温低压下真空干燥，将溶剂升华除去，就可以得到相应物质的纳米粒子。如果从水溶液出发制备纳米粒子，冻结后将冰升华除去，直接可获得纳米粒子。如果从熔融盐出发，冻结后需要进行热分解，最后得到相应纳米粒子。 主要特点是：（i）生产批量大，适用于大型工厂制造超微粒子 （ⅱ）设备简单、成本低； （ⅲ）粒子成分均匀 冻结干燥法分冻结、干燥、焙烧三个过程 3、纳米颗粒的分散和团聚的解决方法 为了解决这一问题，无论是用物理方法还是用化学方法制备纳米粒子经常采用分散在溶液中进行收集． 即使在这种情况下，由于小微粒之间库仑力或范德瓦耳斯力团聚现象仍可能发生． 如果团聚一旦发生，通常用超声波将分散剂(水或有机试剂)中的团聚体打碎。 为了防止小颗粒的团聚可采用下面几种措施： (1) 加入反絮凝剂形成双电层 (2) 加表(界)面活性剂包裹微粒 4、纳米材料性能的解释 ①超顺磁性 超顺磁性是指当磁性粒子的粒径小于某一临界尺寸(如Fe3O4<30nm)后,在有外加磁场存在时，表现出较强的磁性。但当外磁场撤消时,无剩磁,不再表现出磁性 超顺磁状态的原因： 在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟的时候，磁化方向就不再固定在一个易磁化的方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。 不同种类的纳米磁性微粒呈现超顺磁的临界尺寸是不相同的。 ②蓝移 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。 例如 A：纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰值红外吸收频率分别是814cm-1和794 cm-1．纳米SiC颗粒的红外吸收频率较大块固体蓝移了20 cm-1． B：纳米氮化硅颗粒和大块Si3N4固体的峰值红外吸收频率分别是949 cm-1和935 cm-1，纳米氮化硅颗粒的红外吸收频率比大块固体蓝移了14 cm-1． 蓝移的解释：1、量子尺寸效应，由于尺寸下降能洗变宽，这就导致光吸收带移向

纳米科学技术概述

纳米科学技术概述 一、历史背景 在20世纪90年代的科技报刊上，经常出现“纳米材料”和“纳米技术”这种名词。什么是“纳米材料”呢？通俗一点说，就是用尺寸只有几个纳米的极微小的颗粒组成的材料。1纳米为10亿分之一米，用肉眼根本看不见。但用纳米颗粒组成的材料却具有许多特异性能。因此，科学家又把它们称为“超微粒”材料和“21世纪新材料”。而纳米材料并非完全是最近才出现的。最原始的纳米材料在我国公元前12世纪就出现了，那就是中国的文房四宝之──墨，墨中的重要成分是烟。实际上，烟是由许多超微粒炭黑形成的，而制造烟和墨的过程中就包含了所谓的纳米技术。 1984年，一位德国科学家格莱特（Gleiter）把一些极其细微的肉眼看不见的金属粉末用一种特殊的方法压制成一个小金属块，并对这个小金属块的内部结构和性能做了详细的研究。结果发现这种金属竟然呈现出许多不可思议的特异的金属性能和内部结构。他制出的这种材料的特殊性在于，一般的物理概念认为晶体的有序排列为物质的主体，而其中的缺陷、杂质是次要的，要尽力除去。格莱特把物质碾成极小微粒再组合起来，实际上是把界面上的缺陷作为物质的主体，由微小颗粒压制成的金属块是一种双组元材料，有晶态组元和界面组元，界面组元占50％，在晶态组元中原子仍为

原来的有序排列，而在界面组元中，界面存在大量缺陷，原子的排列顺序发生变化，当把双组元材料制到纳米级时，这种特殊结构的物质就构成了纳米材料，由此开始了对纳米材料及纳米科学技术的研究。 1987年，德国和美国同时报道制备成功二氧化钛纳米陶瓷（颗粒大小为12纳米），这种陶瓷比单晶体和粗晶体的二氧化钛陶瓷的变形性能和韧性好得多。例如，纳米陶瓷在180℃下能经受弯曲变形而不产生裂纹，纳米陶瓷零件即使开始时带有裂纹，在经受一定程度的弯曲变形后，裂纹也不会扩大。1989年，美国商用机器公司（IBM）的科学家用80年代才发明的扫描隧道显微镜（STM）移动氙原子，用它们拼成IBM 三个字母，接着又用48个铁原子排列组成了汉字“原子“两字。1990年，首届纳米科学技术大会在美国成功举行，标志着一个把微观基础理论与当代高科技紧密结合的新型学科 ──纳米科学技术正式诞生了。1991年，IBM的科学家制成了速度达每秒200亿次的氙原子开关。2019年，IBM设在苏黎世的研究所又研制出世界上最小的“算盘”，这种“算盘”的算珠只有纳米级大小，由著名的“碳”巴基球C60制成。 二、发展现状 纳米技术的发展现状十分乐观，世界各国纷纷制定发展纳米科学技术的战略，纳米科技成为世界科技竞争的一个热点领

纳米材料及其应用前景

纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于界面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用 变弱的结果。因此在储热材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面 有其广泛的应用前景。例如Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。

纳米材料综述

纳米材料综述 目录 1引言 (2) 2 应用现状与应用前景 (2) 2.1纳米材料各方面的性能在实际中的应用归纳如下： (2) 2.2 应用前景 (3) 2.2.1 微电子和光电子领域 (3) 2.2.2 陶瓷领域 (4) 2.2.3生物医学中的纳米技术应用 (4) 3 纳米材料的概述 (4) 3.1 纳米材料的定义 (4) 3.2 纳米材料的分类 (5) 3.3 纳米材料的特性 (6) 3.4 纳米材料的制备 (7) 3.4.1物理制备方法 (7) 3.4.2化学制备方法 (8) 4 国内发展情况 (9)

1引言 一纳米等于十亿分之一米，相当于人的头发丝直径的八万分之一。纳米材料被誉为“21一世纪最具有前途的材料”，与信息技术和生物技术并成为21世纪社会经济发展的三大支柱之一和战略制高点。材料的结构决定材料的性质，纳米材料的特殊结构决定它具有一些特异性质，从而纳米材料具有常规材料没有的性质，从而使纳米材料得到更广泛的应用。纳米材料在化工、工程材料、信息、生物医学、军事等领域都得到了充分的应用。 在充满生机的21世纪，信息、生物技术、能源、环境、先进制造技术和国防的高速发展必然对材料提出新的需求，元件的小型化、智能化、高集成、高密度存储和超快传输等对材料的尺寸要求越来越小。新产品的创新是未来10年对社会发展、经济振兴、国力增强最有影响力的战略研究领域，纳米材料将是起重要作用的关键材料之一。纳米材料和纳米结构是当今新材料研究领域最富有活力、对未来经济和社会发展有着十分重要影响的研究对象，也是纳米科技最为活跃、最接近应用的重要组成部分。顾研究纳米材料对我国未来的发展具有重要作用。 2 应用现状与应用前景 2.1纳米材料各方面的性能在实际中的应用归纳如下：

我眼中的纳米材料与纳米技术的未来

《纳米材料》课程论文 我眼中的纳米材料与纳米技术的未来 学院： 专业： 班级： 学号： 姓名： 指导老师： 日期：

我眼中的纳米材料与纳米技术的未来 摘要:21世纪，纳米材料与纳米技术在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了我了解的纳米材料，包括其基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米技术的未来。 关键词：纳米材料；性能；应用；纳米技术； 一、纳米材料 1.1纳米材料 纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 对于纳米材料的研究包括两个方面： 一是系统地研究纳米材料的性能、微结构和光谱学特征，通过和常规材料对比，找出纳米材料特殊的规律，建立描述和表征纳米材料的新概念和新理论； 二是发展新型纳米材料，包括新型纳米材料合成方法的探索和对常规材料的纳米修饰与改性。目前，在纳米材料的应用中所遇到的关键技术问题是：在大规模制备的质量控制中，如何做到均匀化、分散化、稳定化。 1.2、材料分类 纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。 （1）纳米陶瓷 利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是利用纳米粉体对现有陶瓷进行改性，通过往陶瓷中加入或生成纳米级颗粒、晶须、晶片纤维等，使晶粒、晶界以及他们之间的结合都达到纳米水平，使材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁光学等性能产生重要影响，为代替工程陶瓷的应用开拓了新领域。

纳米科学概述

纳米科学技术概述 1．研究报告 纳米科技的前景（积极）及可能存在的问题（健康及环境威胁）2. 2008年九大纳米产品简介 啤酒瓶纳米复合材料（食品包装）、纳米防弹衣（军事安全）、纳米电池（电化学）、DNA测试（医学）、纳米等级汽车光泽剂（清洁）、纳米太阳能电池（能源）、金纳米微粒女性试孕纸（生活）、纳米网球（运动）、纳米止血绷带（卫生） 3．介观领域概念 广义及狭义介观领域 4. 纳米科学技术基本概念与内涵 1）纳米：是单位也是思维方式； 2）纳米科学、纳米技术概念； 3）纳米科技的主要研究内容（三个方面）及分支学科； 4）纳米材料含义、分类（按结构、按组成、按应用）及新性质（表、界面效应及影响及其它：见教材Page4-5） 5）纳米科技最终目标； 6）纳米材料与传统材料差别； 7）纳米科技分类： a、纳米材料：主要类型、研究的两个方面

b、纳米器件：含义、特点、纳米技术与微电子技术区别及制造纳米产品技术路线（top-down/bottom up） c、纳米尺度的检测与表征：含义及研究内容、STM及应用实例 5. 纳米科学技术的发展史 1）纳米材料及纳米技术的自然存在： 牙釉质、天体陨石碎片、海洋亚微米胶体粒子；蜜蜂、磁性细菌、鸽子、海龟及螃蟹的磁体微粒；壁虎飞檐走避、莲花效应、蝴蝶翅膀的光子晶体； 2）纳米技术的人工造就： a、无意识的造就 中国墨、古铜镜面、2000年前古希腊及罗马染发及现代模拟、b、有意识的制作 There’s Plenty of Room at the Bottom——Richard Feynman 1861胶体粒子及胶体化学、1932透射电子显微镜TEM、铂超微颗粒催化剂、金属或金属氧化物颗粒的制备及表征（X射线、电子显微镜） c、自觉地（理论）研究 1950-1960电子波函数相干现象、1961久保理论——超微粒子的量子限域理论、1963气体蒸发冷凝法制得纳米微粒及其表征、1973年半导体超晶格及半导体隧道效应 d、系统研究（久保理论日臻完善） 70年代末80年代初，金属颗粒费米面附近电子能及状态的久保

纳米材料导论复习材料

纳米材料导论复习大纲 第一章纳米和纳米材料 1、掌握基本概念 纳米科学技术：纳米科技(英文：Nanotechnology)是一门应用科学，其目的在于研究纳米尺寸时，物质和设备的设计方法、组成、特性以及应用。 纳米材料：纳米材料是指在材料三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由它们作为基本单元构成的材料。 2、纳米材料的分类，并举例说明。 纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。 第二章纳米材料制备方法 1、纳米材料制备研究发展的三个阶段及纳米材料制备技术的分类。 三个阶段： 第一阶段（1990年以前）主要是在实验室探索各种手段制备纳米颗粒粉体，合成纳米块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料的特殊性能。研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。 第二阶段：（1990-1994年）关注的热点是设计纳米复合材料。纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合、纳米复合薄膜。 第三阶段（从1994年到现在）纳米组装体系研究。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。 纳米材料制备方法的分类： 1 按学科分类： 物理方法、化学方法和综合法。 2 根据制备状态的不同，分为： 气相法、液相法和固相法。 3 按反应物状态分为干法和湿法。 2、物料的基本粉碎方式 方法：机械粉碎、高压气流粉碎、电火花爆炸；包括破碎和粉磨 3、蒸发凝聚法、高能球磨法、物理气相沉积法、化学气相沉积法、水热法、溶剂热法、溶胶凝胶法、微乳液法、模板法、自组装法的定义。

蒸发凝聚法：是将纳米粒子的原料加热、蒸发，使之成为原子或分子；再使许多原子或分子凝聚，生成极微细的纳米粒子。 高能球磨法：机械力化学(mechanochemistry ,又称高能球磨high - energy ball milling)。制备超细材料的一种重要途径。机械化学法的基本原理是利用机械能来诱发化学反应或诱导材料组织、结构和性能的变化, 以此来制备新材料。 物理气相沉积法：用物理方法(如蒸发、溅射等)，使镀膜材料汽化在基体表面，沉积成覆盖层的方法。 化学气相沉积法：用化学方法使气体在基体材料表面发生化学反应并形成覆盖层的方法。 水热法：是在高压釜里的高温、高压反应环境中，采用水作为反应介质，使得通常难溶或不溶的物质溶解，反应还可进行重结晶。 溶剂热法：用有机溶剂（如：苯、醚）代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。 溶胶凝胶法：金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。 微乳液法：两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。 模板合成法：利用基质材料结构中的空隙作为模板进行合成。结构基质为多孔玻璃、分子筛、大孔离子交换树脂等。 自组装法：自组装法所谓自组装,一般是指原子、分子或纳米材料在底物上自发地排列成一维、二维甚至三维有序的空间结构 4、MBE法制备纳米薄膜材料的基本原理及其生长特点。 分子束外延是一种新的晶体生长技术，简记为MBE。其基本原理：在超高真空条件下，精确控制原材料的分子束强度，吧分子束射入被加热的底片上而进行外延生长。 生长特点：1、MBE系统真空高达8-10Pa，系统内残余分子数目要小得多。有利于获得原子级厚度和平整度的外延膜，而且厚度可以精确控制。 2、MBE的衬底温度一般比VPE和LPE的衬底温度低，MBE外延层界面清晰，可以形成界面处突变的超精细结构。 3、可以根据需要在喷射室内安装多个喷射炉、分别调至各个组分的分子束流，同时可以精确生长层的厚度、组分和掺杂分布。 4、MBE生长是一个动力学过程，可以用来生长按照普通热平衡生长方法难以得到的薄膜。 5、MBE是在超高真空环境下进行的，而且衬底与分子束源相隔较远，因此可用多种表面分析一起实时观察生长面上的成分‘结晶结构和生长过程，进行生长机制的研究和实现实时监控和检测。 5、非晶晶化法制备纳米晶块体材料的工艺过程及其特点。 通常由非晶态固体的获得和晶化两个过程组成。用急冷法将熔融体制成非晶态合金条带，然后在不同温度下进行退火，使非晶完全晶化，非晶态合金条带成为由纳米晶构成的条带 特点：成本低、产量大、界面清洁致密 第三章纳米材料的表征 1、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜的工作原理 透射电子显微镜（TEM）：是以电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种具有高放大倍率、高放大倍数的电子光学仪器。光路原理是由电子枪发射出的在高加速电压的作用下，以极快的速度射出，通过聚光镜将电子聚成很细的电子束，入射到样品上。电子束经过样品后进入物镜，然后通过中间镜、透射镜几级放大，在荧光屏上得到高配图像。可以直接观察原子象

第1章 纳米材料概述

纳米材料 课程基本情况 面向全校本科学员开设的、自然科学与工程技术系列本科公共选修课；关于纳米材料的入门课程。 纳米材料是当今材料科学的研究前沿和热点，内涵丰富，应用潜力大，知识更新速度快，有必要进行系统讲授。通过学习纳米材料相关知识，可了解其在武器装备中的应用前景，拓展知识面，激发对科技前沿领域的兴趣，培养创新意识。 参考教材 刘漫红, 等. 纳米材料及其制备技术. 北京: 冶金工业出版社,2014.08； 林志东. 纳米材料基础与应用. 北京: 北京大学出版社,2010.08； 张立德, 牟季美. 纳米材料和纳米结构. 北京: 科学出版社,2001.02. 第1章纳米材料概述 要求：掌握纳米尺度、纳米材料的概念与内涵，熟悉常见纳米材料及其应用前景，了解纳米科技发展。 1.1 纳米尺度概念 （1）1纳米是多少 纳米(nanometer)是一个长度单位，简写为nm，1 nm=10-9 m=10 ?；换一种方式：1 m=103 mm=106μm=109 nm。 头发直径：50-100 m，1 nm相当于头发的1/50000-1/100000。 氢原子的直径为1 ?，1 nm等于10个氢原子排起来的长度。 （2）人类对世界和物质的认识层次 宇观(Cosmoscopic) ：星系等天体系统，距地球最远星系约220 亿光年；可直接观测但不能以物质手段加以影响和变革的时空区域。包括星团、星系、星系团、超星系团、总星系团及遍布宇宙空间的射线和引力场所构成的物质系统。宇观世界的运动需用广义相对论、宇宙电动力学和星系力学描述。 宏观(Macroscopic)：人类肉眼所涉及的空间范围； 介观(Mesoscopic)：包括从微米、亚微米到纳米尺寸的范围； 微观(Microscopic)：以原子为最大起点，下限是无限的领域。 （3）纳米尺度 纳米尺度正好处于以原子、分子为代表的微观世界和以人类活动空间为代表的宏观世界的中间地带，称为介观世界。 纳米尺度范围：0.1~100 nm。 1.2 纳米科技发展 （1）纳米科技概念 纳米科学：研究与发现纳米尺度(0.1~100 nm)物质运动和变化的规律。 纳米技术：将纳米尺度的新研究发现应用于实际的方法和途径。 纳米科学与技术，简称纳米科技(nano-ST)：是研究由尺寸在0.1~100 nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。

三维纳米材料概述

三维纳米材料概述 1 定义 所谓纳米材料，指的是具有纳米量级（1~100nm）的晶态或非晶态超微粒构成的固体物质。纳米材料真正纳入材料科学殿堂应是德国科学家Gleiter等于1984年首用惰性气体凝聚成功地制备了铁纳米微粒，并以它作为结构单元制成纳米块体材料。1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术会议，标志着纳米科学技术的正式诞生.此后，一些发达国家都投入了大量的资金开展研究工作。我国也先后多次召开了全国纳米晶固体材料学术讨论会，并于1992年创办了纳米材料国际性刊物。由于独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。 三维纳米结构（3D nanostructure）是指由零维、一维、二维中的一种或多种基本结构单元组成的复合材料，其中包括：横向结构尺寸小于100nm的物体；纳米微粒与常规材料的复合体；粗糙度小于100nm的表面；纳米微粒与多孔介质的组装体系等。 2 分类 三维纳米材料主要包括：纳米玻璃、纳米陶瓷、纳米介孔材料、纳米金属和纳米高分子。 2.1 纳米陶瓷 纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米量级水平，包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与缺陷尺寸等都是纳米级。试验证明，纳米晶陶瓷材料不仅保持了传统陶瓷材料的优点，而且具有良好的力学性能，在适当的条件下，甚至能够具有超塑性质。 2.2 纳米玻璃 纳米玻璃属于无机非晶质材料，它是指在透明玻璃连续相中周期排列着纳米尺寸的第二相(微粒子、分相、结晶或气孔)的玻璃材料。 2.3 纳米介孔材料 1992年美国Mobile公司的科学家们首次运用表面活性剂作为模板合成出介孔二氧化硅，命名为MCM—41。这是继微孔沸石分子筛之后的又一类分子筛材料。按照国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）的定义，孔径大于50nm的孔称为大孔，小于2nm的孔称为微孔，孔径为2—50nm的多孔材料称为介孔（中孔）材料。介孔材料按照化学组成分类，可分为硅基和非硅基组成介孔材料

《纳米材料概论》教学规范

《纳米材料概论》教学规范 课程类别：专业课课程性质：选修课 面向专业：材料科学与工程学院无机非金属材料方向 一、课程的性质、任务与基本要求 1.本课程的性质与任务 《纳米材料概论》是无机非金属材料专业的一门专业课。在学习这门课程时，应具备有《工程化学》、《普通物理》、《无机材料物理性能》、《材料测试方法》等基础课程和专业基础课程的知识。纳米科学技术是20世纪80年代末期兴起的,是物理学、化学、材料学、生物学及电子学等学科交叉的新的分支学科。课程的目的是使学生掌握纳米材料的基本概念与性质、各种纳米材料的制备工艺和纳米材料的应用等。 2.课程的基本内容和要求 本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。 3.教学环节与学时分配 课堂教学：32学时（包括课堂讨论等教改环节） 实验：4学时 总计：36学时 二、教学内容与教学计划 绪论 1学时 纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法 第一章纳米材料的基本概念与性质 7学时（一）教学内容与学时 1．纳米材料的基本概念 1学时 2．纳米微粒的基本性质 3学时（1）电子能级的不连续性 （2）量子尺寸效应 （3）小尺寸效应 （4）表面效应 （5）宏观量子隧道效应 3．纳米微粒的物理特性 3学时（1）纳米微粒的结构与形貌

（2）纳米微粒的热学性质 （3）纳米微粒的磁学性质 （4）纳米微粒的光学性质 （二）重点与难点 1．重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为先导的。微观粒子具有二象性，既具有粒子性，又具有波动性。量子效应：原子和分子中的电子等粒子的能量量子化是电子受到原子核和其它电子所产生的力场的束缚而产生的，这些粒子可以存在多种运动状态，粒子分布呈现波动性。由N个原子组成的固体材料，当原子间距缩小时，每个原子中的电子就会受到邻近原子中的电子和原子核的作用，其结果是每个分立的电子能级分裂成N个彼此相隔很小的能级，形成近似连续的密集的能量范围叫能带。K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态。久保理论。 2．难点：量子尺寸效应、久保理论。 （三）习题：习题1、习题2、习题3 第二章纳米粒子的制备方法 8学时 （一）教学内容与学时 1．纳米粒子制备方法评述 1学时 2．制备纳米粒子的物理方法 3学时 1）机械粉碎法 2）蒸发凝聚法 3）离子溅射法 4）冷冻干燥法 5）其它方法 3．制备纳米粒子的化学方法 3.5学时 1）气相化学反应法 2）沉淀法 3）水热合成法 4）喷雾热解法 5）溶胶－凝胶法 4．制备纳米粒子的综合方法 0.5学时 （1）激光诱导气相化学反应法 （2）其它综合方法 （二）重点与难点 1．重点：物理方法制备纳米粒子的粉碎法和构筑法；蒸发法制备纳米粒子，按加热蒸发的不同，可以分为电阻蒸发、等离子体蒸发、激光束加热蒸发、电子束加热蒸发、电弧放电加热蒸发、高频感应电流加热蒸发、太阳炉加热蒸发等；简述以Y(NO3)3、Ba(NO3)2和Cu(NO3)2为原料用冷冻干燥法制备Y-Ba-Cu-Y体系的超导纳米粒子的工艺过程。比较制备纳米粒子的化学方法，并分析其各自特点。