纳米材料与技术-纳米陶瓷材料
第十二章纳米陶瓷材料
陶瓷材料作为材料的三大支柱之一，在日常生活及工业生产中起着举足轻重的作用。但是，由于传统陶瓷材料质地较脆，韧性、强度较差，因而使其应用受到了较大的限制。
随着纳米技术的广泛应用，纳米陶瓷随之产生，希望以此来克服陶瓷材料的脆性，使陶瓷具有象金属一样的柔韧性和可加工性。
世界著名材料学家John W. Cahn指出纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。
一、纳米陶瓷的问世背景
二、纳米陶瓷（粉体）的制备方法
三、纳米陶瓷（粉体）的应用领域
一、纳米陶瓷的问世背景
陶瓷是由晶粒和晶界组成的一种多晶烧结体。由于工艺上的关系，很难避免其中存在气孔和微小裂纹。
决定陶瓷材料性能的主要因素：化学组成、物相和显微结构。先进陶瓷采用人工合成原料，它的化学组成和杂质含量都可以有效地控制，所制备材料的一致性得以保证。
陶瓷的显微结构：主要考虑晶粒尺寸大小及其分布、晶界的组成、结晶态和其含量以及它的分布状态、气孔和微小裂纹等宏观缺陷的大小及其分布等。其中最主要的是晶粒尺寸问题。现有陶瓷材料的晶粒尺寸一般是在微米级的水平，这是由所采用的工艺所决定的。
陶瓷材料的优异性能：耐磨损、耐腐蚀、耐高温高压、硬度大、不会老化等，能够在其它材料无法承受的恶劣环境条件下正常工作。
陶瓷材料的缺点：脆性和难加工。
1. 高技术陶瓷
包括Al2O3、ZrO2、SiC、Si3N4等，具有硬度高、耐磨性好、化学性质稳定、密度小等优异性能。在各工业领域关键部件上使用，尤以SiC、Si3N4等Si基陶瓷最具优异的综合性能和广泛的工业应用前景。
2. 高技术陶瓷存在的问题
(1) 韧性待增强
目前用来增强韧强化的方法有：
i) 颗粒增韧：工艺简单，但增韧效果不大；
ii) 晶须(纤维)增韧：由于晶须在基体中难以分散均匀、工艺性不好，达不到预期效果，晶须的毒性和高价格也是不利因素。
在陶瓷微观结构中加入能量吸收单元（颗粒、晶须、片晶等）来实现：通过塑性形变来吸收能量；利用裂纹偏转和提供桥联单元来阻止裂纹的进一步扩展。
iii) ZrO2相变增韧：加入能够相变的第二相，通过相变来吸收裂纹扩展的能量。可有较好的效果，但在高温工作条件下不能达到增韧的目的。
iv) 自增韧技术：对SiC、Si3N4，原位控制组织结构形态，工艺性好、有效果，但增强的效果有待提高。 这些方法对提高陶瓷的韧性起到很大的作用，但是，想彻底解决陶瓷的脆性问题依然十分困难。
(2) 高温力学性能待增强
为提高热机效率，设计使用温度要尽量提高：美国先进高温热机材料计划和国家宇航计划的陶瓷基复合材料的研究目标，要将使用温度提高到1650?C或更高。
现有陶瓷材料的高温强度、蠕变速率、抗高温氧化性及抗高温疲劳能力都难以满足如此苛刻的要求。SiC、Si3N4有可能在1400oC-1650oC的高温结构中使用，但由于添加烧结助剂形成的晶界相在高温下软化，引起慢裂纹扩展，使其高温强度下降，限制了其使用温度的提高。
(3) 加工困难：阻碍了陶瓷的实用化
3. 纳米陶瓷
纳米陶瓷粉体和纳米复合陶瓷的问世，为解决上述问题带来了新的机遇。
1987年德国萨尔兰大学的Gleiter和美国Argon国家实验室的席格先后研制成功CaF2和TiO2纳米陶瓷。CaF2在RT下显示出良好的韧性，TiO2在180?C经受弯曲而不产生裂纹。这一突破性的进展，使那些为陶瓷增韧奋斗了将近一个世纪的材料科学家们看到了希望。
著名材料科学家卡恩(Cahn)在《Nature》上撰文说：纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。
所谓纳米陶瓷，是指显微结构中的物相具有纳米级尺度的陶瓷材料，也就是说晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在纳米量级的水平上。
要制备纳米陶瓷，这就需要解决：粉体尺寸形貌和粒径分布的控制，团聚体的控制和分散，块体形态、缺陷、粗糙度以及成分的控制。
Gleiter指出，如果多晶陶瓷是由大小为几个纳米的晶粒组成，则能够在低温下变为延展性的，能够发生100 %的范性形变。
许多专家认为，如能解决单相纳米陶瓷烧结过程中的抑制晶粒长大的技术问题，从而控制陶瓷中的晶粒尺寸在50nm以下，则它将具有高硬度、高韧性、低温超塑性、易加工等传统陶瓷无法比拟的优点。
纳米陶瓷被认为是陶瓷研究发展的第三个台阶，也就是说从现代的具有微米级尺度的先进陶瓷将步入到具有纳米级尺度陶瓷的研究阶段。这是当前陶瓷研究的三大趋向之一。
虽然纳米陶瓷还有许多关键技术需要解决，但其优良的室温和高温力学性能、抗弯强度、断裂韧性，使其在切削刀具、轴承、汽车发动机部件等诸多方面都有广泛的应用，并在许多超高温、强腐蚀等苛刻的环境下起着其他材料不可替代的作用，具有广阔的应用前景。
简而言之，纳米陶瓷刚柔并济，在具备高硬度和耐高温特性的同时还有一定的塑性，可使发动机工作在更高的温度下：汽车会跑得更快，飞机会飞得更高。
二、纳米陶瓷（粉体）的制备方法
1. 纳米陶瓷粉体的合成
2. 纳米陶瓷素坯的成型
3. 纳米陶瓷的烧结
1. 纳米陶瓷粉体的合成
纳米粉体的合成是纳米陶瓷制备的第一步，这是因为粉体的性能，如化学成分配比、粉体纯度、成分分布、粉体颗粒大小、颗粒尺度分布、团聚状态等对下一步成型、烧结及最后纳米陶瓷的性能都有极大的影响。
要求：理想陶瓷粉体的条件是粒径小、呈球型、粒度尺寸分布窄、无硬团聚、高纯度。
传统的固相反应法、碳热法、Si粉N化法等，只能获得μm、亚μm级的SiC、Si3N4陶瓷粉。
?气相反应法是制备纳米Si基陶瓷粉的主要方法，可获得粒度更小的纳米Si、SiC、Si3N4陶瓷粉。
过程：含Si的气体分子(SiH4)或液相有机Si汽化后与NH3气等在高温下发生反应，快速形核、长大，生成SiC、Si3N4、或Si-C-N复合粉等。
根据加热方式不同，可分类如下：
(1) 热管炉法：反应混合气体直接通入高温反应管。设备简单、产量大、成本低。
但反应管壁处非均匀成核(异质成核)，使粒度分布宽，呈链状团聚，同时粒径偏大。
(2) 等离子法：Plasma加热中电极材料的污染和温度梯度造成粒度不均匀。(3) 激光气相合成法
i) 形成的反应火焰不与器壁接触(无壁反应)，避免了由于反应器壁造成的污染。
ii) 反应火焰稳定、温度场分布较均匀，反应在瞬间(106 K/s)完成，粒径小(8-20nm)，粒度分布窄，形状规则。
通过调节工艺参数(激光功率密度、反应箱压、反应气体配比、流速等)，可精确控制生成粒子的粒度、化学组成、结晶状态，从而一步法合成满足理想纳米粉条件的(Si基)纳米陶瓷粉。
?气相法：包括惰性气体冷凝法、溅射法、化学气相合成法、激光诱导气相沉积法、等离子气相合成法等。
特点：所得粉体纯度较高、团聚较少，烧结性能也往往较好。
缺点：设备昂贵、产量较低，不易普及。
?固相法：包括高能机械球磨法、深度塑性变形法等。
特点：所用设备简单、操作方便。
缺点：所得粉体往往不够纯，粒度分布也较大，适用于要求比较低的场合。
?液相法：包括沉淀法、溶胶-凝胶法、水热法、喷雾热解法、微乳法等。
特点：介于气相法与固相法之间，与气相法相比，液相法具有设备简单、无需高真空等苛刻物理条件、易放大等优点，同时又比固相法制得的粉体纯净、团聚少，很容易实现工业化生产，因此最有发展前途。
2. 纳米陶瓷素坯的成型
成型：将粉体转变成具有一定形状、体积和强度的坯体的过程。
素坯的密度和显微组织的均匀性，对陶瓷在烧结过程中的致密化有极大影响。
提高素坯密度和均匀性的主要问题：
1）纳米颗粒之间很容易因London-Van der Waals吸引力而形成团聚，使素坯中颗粒堆积的不均匀性增加，降低坯体的密度。
2）由于纳米粒子小，单位体积中颗粒间的接触点大大多于普通粉，因此在成型时，每个接触点都会因摩擦力的作用而阻碍颗粒间的滑动，影响均匀化，同时还容易在素坯中留下残余应力，使坯体在烧结时破碎。
3）纳米颗粒表面吸附的杂质也对成型造成影响。
?素坯成型新进展：
1）传统的干压成型得到进一步发展，如利用包膜技术减小颗粒间的摩擦，以利于提高素坯的密度；采用连
续加压的工艺，使粉体团聚破碎、晶粒重排在不同的加压过程中完成，使素坯的密度更高。
2）提高成型压力是最主要的发展的趋势。如利用电磁脉冲等特殊手段，将成型压力提高到2-10GPa，使素坯的密度提高到60％-80％左右，比普通的等静压成型高出20％—40％。
3）湿法成型成为研究的热点。如利用离心注浆成型方法，可获得相对密度高达74％、颗粒分布极均匀的纳米Y-TZP坯体。还有如渗透固化、直接凝固注模成型(DCC)、凝胶注模成型、挤压成型、注射成型等也得到广泛研究。
?纳米陶瓷素坯的成型——冷等静压成型：
冷等静压成型是当前很常用的一种成型方法。
冷等静压成型原理：将较低压力下干压成型的坯体置于一橡皮模内密封，在高压容器中以液体为压力传递介质，使坯体均匀受压，得到的生坯密度高，均匀性好。 纳米陶瓷的冷等静压成型：一是获得较高的素坯密度；二是压碎粉体中的团聚体。由于纳米粉体颗粒细、比表面积大，很容易相互粘连形成软团聚体；这些软团聚体如果不在成型阶段压碎，将在烧结时导致差分烧结，使团聚体内部首先致密化并与基体间形成裂纹，其结果将使得烧结温度提高和晶粒长大，这对于制备纳米陶瓷极其不利。
应用冷等静压成型制备纳米陶瓷时，可以得到透明或半透明的素坯。这是因为气孔是坯体中主要的光散射中心，纳米粉体经冷等静压成功成型后显微结构均匀，素坯中的气孔比较小，比可见光波长短得多（< 光波长的1/10）的缘故。
?纳米陶瓷素坯的成型——原位成型：
一般干压、冷等静压及超高压成型都是在空气中进行，由于纳米粉体颗粒小、比表面积大，很容易吸附空气中的杂质，因此粉体不可避免地会受到一些污染，在某些情况下可能会对陶瓷的烧结和性能产生不利影响。
原位成型的特点：在真空中完成素坯的压制，确保纳米颗粒表面及烧结后陶瓷晶界的清洁。由于只有气相法才能保证粉体制备是在真空条件下进行，所以该方法一般用于气相法制备的粉体的成型。
原位成型是最早被用于纳米陶瓷成型的方法之一。
?纳米陶瓷素坯的成型——渗透固化：
在湿法成型技术中，将可流动的悬浮液固化成比较致密的陶瓷素坯是最关键的一步。现在所用的湿法成型，无论是压滤还是离心固化，都可能导致坯体密度的梯度分布和坯体开裂。
渗透固化是一种新的纳米陶瓷成型方法。
基本过程：将纳米粉体的悬浮液放在一可使液体通过、但陶瓷颗粒不能通过的半透膜袋中。将半透膜袋置于采用相同溶剂的高浓度的高分子溶液中，同时保证高分子不能透过半透膜。由于半透膜内液体的化学势比半透膜外要高得多，在化学势的作用下，半透膜中的溶剂向外渗透，在理想条件下，这种渗透要达到半透膜内外的势能相同为止。
即：μ0 = μpoly + ∏poly V m
μ0 ：纯溶剂的化学势能(近似等于陶瓷颗粒悬浮液中溶剂的化学势能)；μpoly：高分子溶液中溶剂的化学势能；∏poly是高分子溶液的渗透势能；V m是高分子溶液中溶剂的摩尔体积。化学势能可看作是对半透膜内的颗粒进行“压滤”的压力，这种压力非常大，可高达12MPa，接近于一般机械压滤的压力的极限。这样使半透膜中的陶瓷颗粒固化。
3. 纳米陶瓷的烧结
烧结：素坯在高温下的致密化过程，是陶瓷材料致密化、晶粒长大、晶界形成的过程。随着温度的上升和时间的延长，固体颗粒相互键联，晶粒长大，孔隙和晶界渐趋减少，通过物质的传递，总体积收缩，密度增加，最后成为坚硬的具有某种显微结构的多晶烧结体。烧结是陶瓷制备过程中最关键的一步。
?晶粒长大问题：由于纳米颗粒表面能大，晶粒生长迅速，即使在快速烧结的条件下或很低的温度下(如1200?C)，也很容易长到100nm以上。
控制晶粒长大的方法：1）使用性能良好的粉体、采用超高压等新型成型方法；2）选择适当的添加剂可有效地降低陶瓷烧结的温度、抑制晶粒的长大，但也可能引入不希望出现的杂相；3）采用新型的烧结方法和烧结工艺等是研究重点。
?添加剂的作用：大量实践证明，少量添加剂会明显改变烧结制度。因此使用适当的添加剂来促进坯体的致密化和控制晶粒的生长，是一种简便有效的手段。
添加剂在烧结中所起的作用：
①改变点缺陷浓度，从而改变某种离子的扩散系数；
②在晶界附近富集，影响晶界的迁移速率，从而减小晶粒长大；
③提高表面能／界面能比值，直接提高致密化驱动力；
④在晶界形成连续第二相，为原子扩散提供快速途径；
⑤第二相在晶界起钉扎作用，阻碍晶界迁移。
事实上，由于陶瓷材料烧结过程的复杂性，添加剂的作用至今未完全弄清楚。而对于添加剂在烧结机理尚不很清楚的纳米陶瓷的烧结中的作用，观点更不统一。虽
然如此，通过选择适当的添加剂并控制其含量，在适当的工艺条件下，可使纳米陶瓷烧结达到晶粒无明显长大而致密度很高。
?热压烧结：
原理：在加热粉体的同时施加一定的压力，使样品的致密化主要依靠外加压力作用下物质的迁移而完成。
分类：真空热压烧结、气氛热压烧结、连续热压烧结等。
特点：对很多微米、亚微米材料的研究表明，热压烧结与常压烧结相比，烧结温度低得多，而且烧结体中气孔率也低。另外，由于在较低温度下烧结，就抑制了晶粒的生长，所得的烧结体晶粒较细，且有较高的强度。
应用：热压烧结广泛地用于在普通无压条件下难致密化的材料的制备，近年来也在纳米陶瓷的制备中得到应用。
?烧结方法和烧结工艺：
传统烧结方式：无压烧结、热压烧结等依然得到广泛使用。
新烧结工艺：
无压烧结中的多阶段烧结、微波烧结(Microwave sintering)、等离子体烧结(Plasma sintering)、等离子活化烧结(Plasma activated sintering)、放电等离子烧结(Spark plasma sintering)等
在加压方式上的发展主要有超高压烧结(Ultra-high-pressure sintering)、冲击成型(Shock compaction)、爆炸烧结(Explosive sintering)等
三、纳米陶瓷（粉体）的应用领域
采用激光法气相合成的纳米Si、SiO2、SiC、Si3N4及Si-C-N复合粉，其粒径一般在8－30nm之间，粒径分布窄，无硬团聚，分散性好，纯度高(杂质主要是氧) ，其在高技术陶瓷制备及其它功能应用领域中，由于其高韧性、高塑性、高热强（高温强度）而日益显示出其不可替代的特点。
1. 制备纳米Si基陶瓷
(1) 高强陶瓷
激光法制得的陶瓷Si粉(100nm)，可使其氮化温度从1400oC降到1150oC以下，氮化时间从数十小时降为1小时。进而得到的Si3N4纳米固体虽然相对密度只有76%，但强度却达858Mpa，是普通反应烧结Si3N4的2.5倍，其高温强度、抗氧化能力也是普通Si3N4的5-10倍。 纳米SiC获得的烧结体在1500oC时仍有80 kg/mm2的抗弯强度，其高温下的力学性能和抗化学腐蚀的能力远高于常规烧结体。(2) 高密陶瓷
粉体尺寸降到纳米量级，烧结驱动力增加：如从10μm降到10nm，扩散速率将增大109-1012倍，从而可将烧结温度降低几百度。
如SiC在2050oC烧结30分钟，0.2μm的SiC粉只获得< 70% 的理论密度，而20nm的SiC可烧结至95%以上的密度。
?可在不添加烧结助剂的情况下，获得高纯晶界的纳米陶瓷烧结体。
如纳米Si3N4原料在1350oC下进行热压烧结，可达到98%的理论密度。在室温、4GPa压力下可达到92%的相对密度。
(3) 原位自增韧纳米陶瓷
纳米SiC、Si3N4及Si-C-N粉在烧结时，有沿某个方向择优生长成柱状晶的倾向(特点) ，可原位生长高长径比的晶须，从而可制备出原位自增韧的高性能纳米Si 基陶瓷。
利用纳米Si3N4可获得“耐热性好又与钢一样韧”的高性能陶瓷，用作发动机活塞环和排气阀等。
以纳米Si3N4或Si-C-N获得的陶瓷具有超塑性，可以热塑性成型为复杂件。
2. 陶瓷等材料的纳米复合改性剂
(1) 陶瓷基纳米复合材料
Al2O3、MgO、莫来石等氧化物陶瓷的强度、韧性较低，高温力学性能和抗热震性也较差。通过添加第二相(如颗粒、晶须、纤维、片晶等)，有望解决这些问题。
热压、无压烧结的Al2O3/SiC、Al2O3/ Si3N4、MgO/SiC、莫来石/SiC等，将纳米级的SiC、Si3N4颗粒加入Al2O3等材料中去，得到(0-3复合的)纳米复合(Nanocomposites)陶瓷，使材料的强度和韧性成倍提高：Al2O3加入5%(体积)的SiC纳米粒子后，其强度提高4.5倍，韧性提高35%，蠕变寿命提高10倍，最高使用温度从800oC提高到1200oC。
除颗粒增韧外，以激光法制备的纳米Si-C-N粉为原料，在无催化剂情况下生长出直径0.1-0.5μm、长1mm 的Si3N4晶须和直径0.5-300μm、长1-5cm的SiC晶须（晶须表面可做得光滑或粗糙），可分别满足陶瓷的复合增韧及金属、聚合物的增强。
(2) 金属、聚合物的微量高效改性剂
—少量的纳米陶瓷粉作添加剂可对轻合金产生明显的强化作用。
Al和Al中添加1%(质量)的纳米Si3N4，其拉伸强度从102MPa ?180MPa，抗弯强度从67.8MPa ?
147MPa，比微米级粉末的增强作用显著得多。
纳米SiC、Si3N4还可用于功能工程塑料、特种橡胶树脂等高聚物的增强改性，提高其吸波和耐磨等性能。
3. 纳米Si基陶瓷粉的其他应用
(1) 特有物性（量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应）
?多学科领域的功能开发潜力和应用前景
i) 微电子及量子器件的基础材料
激光法制得纳米Si基陶瓷粉粒径小且均匀、纯度高、分散性好?器件制备的优选材料
ii) 纳米级精度抛光磨料
纳米Si3N4、Si-C-N粉粒细小、均匀，可用于一些超硬材料在特殊用途下的纳米级抛光。
如蓝宝石等光学零件的纳米尺寸精度抛光等。
iii) 光学性能应用
纳米SiC、Si3N4在较宽的波数范围内对红外光波有较强的吸收，做成功能性薄膜或纤维，可用作红外吸收或滤波器件。
纳米Si3N4非晶块体具有从黄光到近红外光的选择吸收，可用于特殊窗口材料。
纳米SiO2做成的光纤对波长600nm以上的光的传输损耗小于10dB/km。
iv) 电学性能应用
纳米晶Si3N4块体的介电常数随温度而改变，并随压力而升高，其压电常数比PCM、PZT压电陶瓷高得多。此外纳米晶Si3N4还有较高的交流电导等，可用于传感器等的开发。
v) 生化性质应用
15-30nm的非晶SiO2可应用于生物医学领域的细胞分离技术：速度快捷、效果好、不污染细胞。
化工生产中，以SiO2加上纳米Ni、Rb作为甲醛氢化制取甲醇的催化剂，若SiO2达到纳米尺度，其选择性可提高5倍。
vi) 特种功能涂料
德国一研究所用纳米Si基陶瓷粉制成的特种不污染耐磨透明涂料，涂在玻璃、塑料等物体上，具有防污、防尘、耐刮、耐磨、防火等功能。
通过纳米技术的运用，使建筑物外墙涂料的耐洗刷性由原来的1000次提高到10000多次，老化时间也延长了两倍多。(2) 发展前景
十年内，以下方向将有重大技术突破，形成大规模的高新技术产业：
i) （能被市场接受的价格的）纳米基粉商业化生产技术
ii) 高性能纳米复合Si基陶瓷能在高温、磨损、腐蚀、氧化等苛刻工作条件下的制品产业化，如纳米复合陶瓷轴承、纳米复合陶瓷刀具、化工高温耐磨密封件，等等。
iii) 以Si-C-N、Si3N4为代表的高性能纳米陶瓷更低温度、超塑性实用化。
iv) 纳米Si粉作为功能材料在多种工业领域内的应用。
目前纳米陶瓷无论是理论研究还是工艺技术都还远不成熟，离实际应用还有一段距离，但作为一种新型的陶瓷材料，纳米陶瓷所显示出来的潜在优异性能是其他陶瓷所无法替代的。因此，我们有理由相信，在不远的将来，人们就可以解决现在所遇到的种种问题，制备出真正意义上的纳米陶瓷，从而开创陶瓷发展史上的新纪元。
前途是光明的，道路是曲折的
纳米陶瓷极具市场潜力
陶瓷业是我国一个比较古老的行业。近年来，世界上一些国家陶瓷产品的需求大幅度增加，国际陶瓷市场一片兴旺。目前，国际陶瓷市场需求最大的建筑陶瓷年贸易额达50亿美元，并以每年12％一15％的速度增长。
信息功能陶瓷。目前高性能的电子陶瓷材料一个重要的发展趋势是：用纳米粉体作为原材料生产诸如陶瓷电容器、压电陶瓷、高性能PTC陶瓷和铁氧体等电子产品以及导电、绝缘浆料。
基片及厚膜材料。厚膜电路是电子元件集成的重要基础，其中基片和集成电路封装材料质量的提高是当前国内厚膜电路待解决的问题之一。氧化铝基片主要用于厚膜电路和家用电器，纳米氧化铝的添加不仅可以改善基片的烧结性能，而且可以大幅度地提高氧化铝基板材料的热稳定性。
建筑卫生陶瓷。近十年来，我国陶瓷墙地砖就产量而言，已成为世界大国。但不少功能特性的品种、高档墙地砖的彩色釉料须进口；卫生陶瓷无论是结构、功能，还是造型、色调、釉面质量等方面的差距更大，高档卫生陶瓷仍大量采用进口货。纳米添加对墙地砖釉料的改性，纳米复合功能建筑卫生陶瓷的开发，将使功能性建筑卫生陶瓷得到发展，例如荧光墙地砖、氧敏变色和具有保洁、抗菌功能特性的墙地砖。
纳米材料与技术思考题2016
纳米材料导论复习题(2016) 一、填空： 1.纳米尺度是指 2.纳米科学是研究纳米尺度内原子、分子和其他类型物质的科学 3.纳米技术是在纳米尺度范围内对原子、分子等进行的技术 4.当材料的某一维、二维或三维方向上的尺度达到纳米范围尺寸时，可将此类材料称为 5.一维纳米材料中电子在个方向受到约束，仅能在个方向自由运动，即电子在 个方向的能量已量子化一维纳米材料是在纳米碳管发现后才得到广泛关注的，又称为 6.1997年以前关于Au、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是 7.纳米材料热力学上的不稳定性表现在和两个方面 8.纳米材料具有高比例的内界面，包括、等 9.根据原料的不同，溶胶-凝胶法可分为： 10.隧穿过程发生的条件为. 11.磁性液体由三部分组成：、和 12.随着半导体粒子尺寸的减小，其带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱将向方向移动，即 13.光致发光指在照射下被激发到高能级激发态的电子重新跃入低能级被空穴捕获而发光的微观过程仅在激发过程中发射的光为在激发停止后还继续发射一定时间的光为 14.根据碳纳米管中碳六边形沿轴向的不同取向，可将其分成三种结构：、和 15.STM成像的两种模式是和. 二、简答题：（每题5分，总共45分） 1、简述纳米材料科技的研究方法有哪些？ 2、纳米材料的分类？ 3、纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？ 4、简述PVD制粉原理 5、纳米材料的电导（电阻）有什么不同于粗晶材料电导的特点？ 6、请分别从能带变化和晶体结构来说明蓝移现象
7、在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？ 8、解释纳米材料熔点降低现象 9、AFM针尖状况对图像有何影响？画简图说明 1. 纳米科学技术 (Nano-ST):20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，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、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术 2、什么是纳米材料、纳米结构？ 答：纳米材料：把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料，即三维空间中至少有一维尺寸小于100nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料，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(10-8)到亿分之一米(10-9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问；同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工 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、请叙述什么是小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应、库仑堵塞效应 答：小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应 表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应 量子尺寸效应：当粒子的尺寸达到纳米量级时，费米能级附近的电子能级由连续态分裂成分立能级当能级间距大于热能、磁能、静电能、静磁能、光子能或超导态的凝聚能时，会出现纳米材料
纳米材料的制备技术及其特点
纳米材料的制备技术及其特点 一纳米材料的性能 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在各种领域具有重要的应用价值。通常材料的性能与其颗粒尺寸的关系极为密切。当晶粒尺寸减小时, 晶界相的相对体积将增加,其占整个晶体的体积比例增大,这时,晶界相对晶体整体性能的影响作用就非常显著。此外,由于界面原子排列的无序状态,界面原子键合的不饱和性能都将引起材料物理性能上的变化。研究证实,当材料晶粒尺寸小到纳米级时,表现出许多与一般材料截然不同的性能,如高硬度、高强度和陶瓷超塑性以及特殊的比热、扩散、光学、电学、磁学、力学、烧结等性能。而这些特性主要是由其表面效应、体积效应、久保效应等引起的。由于纳米粒子有极高的表面能和扩散率,粒子间能充分接近,从而范德华力得以充分发挥,使得纳米粒子之间、纳米粒子与其他粒子之间的相互作用异常激烈,这种作用提供了一系列特殊的吸附、催化、螯合、烧结等性能。 二纳米材料的制备方法
纳米材料从制备手段来分,一般可归纳为物理方法和化学方法。 1 物理制备方法 物理制备纳米材料的方法有: 粉碎法、高能球磨法[4]、惰性气体蒸发法、溅射法、等离子体法等。 粉碎法是通过机械粉碎或电火花爆炸而得到纳米级颗粒。 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击,研磨和搅拌,将金属或合金粉碎为纳米级颗粒。高能球磨法可以将相图上几乎不互溶的几种元素制成纳米固溶体,为发展新材料开辟了新途径。 惰性气体凝聚- 蒸发法是在一充满惰性气体的超高真空室中,将蒸发源加热蒸发,产生原子雾,原子雾再与惰性气体原子碰撞失去能量,骤冷后形成纳米颗粒。由于颗粒的形成是在很高的温度下完成的,因此可以得到的颗粒很细(可以小于10nm) ,而且颗粒的团、凝聚等形态特征可以得到良好的控制。 溅射技术是采用高能粒子撞击靶材料表面的原子或分子交换能量或动量,使得靶材表面的原子或分子从靶材表面飞出后沉积到基片上形成纳米材料。常用的有阴极溅射、直流磁控溅射、射频磁控溅射、离子束溅射以及电子回旋共振辅助反应磁控溅射等技术。 等离子体法的基本原理是利用在惰性气氛或反应性气氛中
纳米材料科学与技术
聚合物基纳米复合材料的研究进展 摘要:本文总结了聚合物基纳米复合材料的研究进展，主要涉及纳米复合材料的制备方法、性能介绍和应用情况等方面，对聚合物基纳米复合材料的合成技术方法、不同的类型和相应性能特点进行了重点分析。对于聚合物基纳米复合材料，纳米填料的分散性、与聚合物基体的界面性能以及基体的性质都是影响其物理、热性能、机械等性能的重要参数。最后，简要介绍了目前在聚合物基纳米复合材料研究领域存在的问题，并对中国在该领域的未来发展以及纳米复材的产业化应用提出了相关建议。 关键词：纳米复合材料；聚合物；进展 Progress in Polymer Nanocomposites Development Abstract：This article summarizes some of the highlights of newest development in polymer nanocomposites research. It focuses on the preparation, properties and applications of polymer nanocomposites. The various manufacturing techniques, analysis of kinds of polymer nanocomposites and their applications have been described in detail. In the case of polymer nanocomposites, filler dispersion, intercalation/exfoliation, orientation and filler-matrix interaction are the main parameters that determine the physical, thermal, transport, mechanical and rheological properties of the nanocomposites. Finally, the recent situation of research in polymer nanocomposites was introduced and some constructive suggestions were proposed about the industrialization of polymer nanocomposites in China. Keywords：nanocomposites; polymer; progress
纳米材料综述要点
纳米材料综述 一、基本定义 1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着 纳米科学技术的正式诞生。 1、纳米 纳米是一种长度单位，1纳米=1×10-9米，即1米的十亿分之一，单位符 号为 nm。 2、纳米技术 纳米技术是在单个原子、分子层次上对物质的种类、数量和结构形态进行 精确的观测、识别和控制的技术，是在纳米尺度范围内研究物质的特性和 相互作用，并利用这些特性制造具有特定功能产品的多学科交叉的高新技 术。其最终目标是人类按照自己的意志直接操纵单个原子、分子，制造出 具有特定功能的产品。 纳米技术的发展大致可以划分为3个阶段： 第一阶段(1990年即在召开“Nano 1”以前主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段，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年～1994年人们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(0-0复合， ?纳米微粒与常规块体复合(0-3复合， ?纳米复合薄膜(0-2复合。 第三阶段(从1994年至今纳米组装体系研究。它的基本内涵是以纳米颗粒 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的研究。 3、纳米材料 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就称为纳米 材料。纳米材料和宏观材料迥然不同，它具有奇特的光学、电学、磁学、热学和力学等方面的性质。
图1 纳米颗粒材料SEM图 二、纳米材料的基本性质 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
北京交通大学与加拿大滑铁卢大学合作举办“纳米材料与技术”专业本科教育项目
北京交通大学与加拿大滑铁卢大学合作举办 “纳米材料与技术”专业本科教育项目 1、项目介绍： 本项目是北京地区高校中第一个被教育部批准的“纳米材料与技术”专业本科教育中外合作办学项目【教外综函[2012]49号】。 2、培养目标： 专业融合两校的优势课程，引入国际先进的教育理念，充分发挥北京市纳米科技资源优势，制定与国际接轨的教学培养方案和教学质量监控体系，努力培养德智体全面发展，数理、材料与技术基础扎实，解决实际问题能力强，富有创新精神和开拓能力，有国际视野，能在科研、高校及企事业单位从事与纳米材料与技术相关研发、教学与管理工作的高端复合型人才。 3、学制模式： 纳米材料与技术专业学制4年，采取2+1+1培养模式，学生前两年和第四年在北京交通大学全日制学习，第三年赴加拿大滑铁卢大学全日制学习。专业将摈弃高校传统的大学英语教学模式，聘请滑铁卢大学教师对学生英语语言能力进行全方位培训，提高学生英语应用能力。第一学年实行双语授课，此后实施全英文教学，专业总课程和核心课程的三分之一以上由滑铁卢大学老师和外教承担，实现本土教学的国际化。 4、培养层次（学位）： 学生完成全部纳米材料与技术专业课程以及毕业设计，成绩合格获北京交通大学工学学士学位。若所修课程也达到滑铁卢大学本科毕业要求，可同时获得滑铁卢大学学士学位。 5、毕业去向： 预计75%以上毕业生深造，其中去国外、境外知名高校、科研机构继续深造学生数将达到50%，其余毕业生可在国内高校、科研机构及企事业单位等从事科学研究、技术开发、教学和管理等工作。 6、核心课程： 材料与纳米科学技术、固体物理、材料的光学及电学性能、生物材料、高分子材料、固体材料与纳米器件、纳米物理学。 7、学习费用：
纳米技术的应用与前景
纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理
纳米技术知识材料
纳米技术知识材料 一、纳米（nano meter,nm）： 一种长度单位，一纳米等于十亿分之一米，千分之一微米。大约是三、四个原子的宽度。 二、纳米科学技术（nanotechnology）： 纳米科学技术是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如纳米电子学、纳米材料学、纳米机械学等。纳米科学技术被认为是世纪之交出现的一项高科技。 三、纳米材料（nano material）与纳米粒子（nano particle）： 纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级）后，它将显示出许多奇异的特性，即它的光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。 四、几种典型的纳米材料： a) 纳米颗粒型材料： 应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒材料。被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂，利用甚高的比表面与活性可以显著得提高催化效率，例如，以微径小于微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍；超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水，超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用，从而生成碳纤维。 录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性粒子作为磁记录介质。随着社会的信息化，要求信息储存量大、信息处理速度高，推动着磁记录密度日益提高，促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。目前用金属磁粉（20）纳米左右的超微磁性颗粒）制成的金属磁带、磁盘，国外已经商品化，其记录密度可达4’106～4’107位/厘米（107～108位/英寸），即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元，与普通磁带相比，它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。
纳米材料与技术作业
纳米材料与技术作业 1.纳米材料按维度划分，可分为几类？ (1) 0维材料quasi-zero dimensional—三维尺寸为纳米级(100 nm)以下的颗粒状物质。 (2) 1维材料—线径为1—100 nm的纤维(管)。 (3) 2维材料—厚度为1 — 100 nm的薄膜。 (4) 体相纳米材料(由纳米材料组装而成)。 (5)纳米孔材料(孔径为纳米级) 2. 详细说明纳米材料有那几大特性？这几大特性的特点是什么？为什么纳米材料具有这些特性？ (1) 表面效应：我们知道球形颗粒的比表面积是与直径成反比的，故颗粒直径越小，比表面积就会越大，因此，纳米颗粒表面具有超高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧，也正是基于表面活性大的原因，纳米金属颗粒可以看成新一代的高效催化剂，储气材料和低熔点材料； (2) 小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变会引起颗粒宏观物理性质的质变。特殊的光学性质：所有的金属在超微颗粒状态都呈现为玄色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成铂黑，金属铬变成铬黑。由此可见，金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l％，大约几微米的厚度就能完全消光。利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将太阳能转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等；特殊的热学性质：固体颗粒在超微细化后其熔点将明显降低，当颗粒小于10纳米量级时尤为明显；特殊的磁学性质：超微的磁性颗粒可以使鸽子、海豚等生物在微弱的地磁场中辨别方向，利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，可以做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等；利用超顺磁性，可以将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体；特殊的力学性质：由于纳米材料具有大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很轻易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。 (3)宏观量子隧道效应：处于分子、原子与大块的固体颗粒之间的超微纳米颗粒具有量子隧道效应，例如：在知道半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子的波长时，电子就会通过隧道效应溢出器件，使器件无法正常工作。 3.半导体纳米材料光催化特性产生的原因是什么？为什么一些半导体纳米材料的光催化特性要远远好于非纳米结构的半导体材料？ (1)光催化特性是半导体具有的独特性能之一，在光的照射下，半导体价带中的电子跃迁到导带，从而价带产生空穴，导带中产生电子。空穴具有很强的氧化性，电子具有很强的还原性；(2)光激发和产生的电子和空穴可经历多种变化途径，其中最主要的分离和符合这两个相互竞争的过程，因此为了提高催化效率，需要加入电子或者空穴捕获剂，纳米半导体材料相比于一般的半导体材料具有更大的比表面积，因此具有更好的催化效果。 4.详细说明零维纳米材料具有哪些优良的物理化学特性？产
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。
纳米科学与技术
深圳大学课程教学大纲 课程编号: 23200001 课程名称: 纳米科学与技术 开课院系: 材料学院 制订(修订)人: 曹培江 审核人: 批准人： 2007年9月3日制(修)订
课程名称:纳米材料与技术 英文名称: Nano science & technology 总学时: 36 其中：实验课0 学时 学分: 2 先修课程:大学物理、普通化学、材料科学基础 教材:《纳米材料和纳米结构》—张立德，牟季美著；科学出版社 参考教材:《纳米科学与技术》—白春礼著；云南科技出版社《纳米材料制备技术》—王世敏主编；化学工业出版社《纳米技术与纳米武器》—赵冬等编著；军事谊文出版社 授课对象：非材料专业大学本科生 课程性质: 综合选修（全校公选课） 教学目标: 1. 了解纳米科技的内涵、实用目的及其终极目标。 2. 简单了解用于纳米材料制备的各种仪器。纳米微粉的科学制备分类方法应该是气相法、液相法、固相法。其中气相法包括电阻加热法、高频感应加热法、等离子体加热法、电子束加热法、激光加热法、通电加热蒸发法、流动油面上真空沉积法、爆炸丝法、热管炉加热化学气相反应法、激光诱导化学气相反应法、等离子体加强化学气相反应、化学气相凝聚法、溅射法等。其中液相法包括沉淀法、水解法、喷雾法、溶剂热法(高温高压)、蒸发溶剂热解法、氧化还原法(常
压)、乳液法、辐射化学合成法、溶胶—凝胶法等。其中固相法包括热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。 3. 了解用于纳米材料测试的各种仪器。其中了解扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和扫描隧道显微镜(STM)。 4. 了解纳米科技的国际环境及纳米材料的主要现实应用领域。 通过本门课程的学习，要求学生对纳米材料与技术所涉及的相关领域有初步认知。使学生开阔视野，拓宽知识面，改善知识结构，增强适应能力，激发学习兴趣，破除对高技术的神秘感，树立攀登科技高峰的信心。 课程简介: 纳米材料与技术是一门基础研究与应用研究紧密联系的新型学科。本课程紧跟当代纳米技术发展的最新成就和前沿，系统阐述纳米技术的有关概念、应用、国内外研究开发战略和中国的纳米产业，介绍国内外纳米行业研究开发的最新资料和信息，特别是当前国内外在纳米领域的新成果、新观点、新理论和产业化实例，具有最新实时的特点，为学生提供新思路和应用信息。 教学内容： 1.加深长度概念的理解。 （1）展示一组题为“无限”的图片(42张) （2）了解长度单位：光年、公里、米、毫米、微米、纳米、皮米、飞米等。 2. 碳纳米管
纳米材料与技术
纳米材料与技术 (2007-05-15 16:05:21) 转载 1959年，美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R．P．Feynman)曾指出：“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子，那将会产生什么奇迹?”今天，这个美好的愿望已经开始走向现实。目前，人 类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒，并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三 维纳米固体，创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特 性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。 0．2纳米材料的研究历史 人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。宏观是指研究的对象尺寸很大，并且下限有限，上限无限(肉眼可见的是最小宏观，而上限是天体、星系)。到目前为止，人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解，一些学科 领域都已建立，如力学、地球物理学、天体物理学、空间 科学等。微观指原子、分子，以及原子内部的原子核和电子，微观有上限而无法定义下限。
19世纪末到20世纪初，人类对微观世界的认识已延伸到一定层次，时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。建立了相应的理论，例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。 相对而言，在原子、分子与宏观物质的中间领域，人类的认识还相当肤浅，被誉为有待开拓的“处女地”。近20年以来，人类已经发现，在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质，也不同于微观体系的奇异现象。下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。 1 000年以前。当时，中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑，作为墨的原料或着色染料，科学家们将其誉为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜，遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。 1861年，随着胶体化学(colloidchemistry)的建立，科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。但限于当时的科学技术水平，化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次，而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。 20世纪初，有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。
纳米材料在实际生活中的应用
在现实生活中，纳米技术有着广泛的用途。 １、超微传感器传感器是纳米微粒最有前途的应用领域之一。纳米微粒的特点如大比表面积、高活性特异物性、极微小性等与传感器所要求的多功能、微型化、高速化相互对应。另外，作为传感器材料，还要求功能广、灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、选择性好、耐负荷性高、稳定可靠，纳米微粒能较好地符合上述要求。 ２、催化剂在化学工业中，将纳米微粒用做催化剂，是纳米材料大显身手的又一方面。如超细硼粉、高铬酸铵粉可以作为炸药有效催化剂；超细的铂粉、碳化钨粉是高效的氢化催化剂；超细银粉可以作为乙烯氧化的催化剂；超细的镍粉、银粉的轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极可以增大与液相或气体之间的接触面积，增加电池效率，有利于小型化。 超细微粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器，作为吸附氢气的储藏材料。还可作为陶瓷的着色剂，用于工艺美术中。 ３、医学、生物工程尺寸小于１０纳米的超细微粒可以在血管中自由移动，在目前的微型机器人世界里，最小的可以注入人的血管，它一步行走的距离仅为５纳米，机器人进行全身健康检查和治疗，包括疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物等，还可以吞噬病毒，杀死癌细胞。这些神话般的成果，可以使人类在肉眼看不见的微观世界里享用那取之不尽的财富。 ４、电子工业量子元件主要是通过控制电子波动的相位来进行工作，因此它能够实现更高的响应速度和更低的电力消耗。另外，量
子元件还可以使元件的体积大大缩小，使电路大为简化，因此，量子元件的兴起将导致一场电子技术的革命。目前，风靡全球的因特网，如果把利用纳米技术制造的微型机电系统设置在网络中，它们就会互相传递信息，并执行处理任务。不久的将来，它将操纵飞机、开展健康监测，并为地震、飞机零件故障和桥梁裂缝等发出警报。那时，因特网亦相形见绌。 5、“会呼吸”的纳米面料。 纳米是一种基于纳米材料的化学处理技术，纳米布料是用一种特殊的物理和化学处理技术将纳米原料融入面料纤维中，从而在普通面料上形成保护层，增加和提升面料的防水、防油、防污、透气、抑菌、环保、固色等功能，可广泛应用于服装、家用纺织品以及工业用纺织品。 经过纳米技术处理的布料及图示 * 将经纳米技术处理之布料覆盖在水杯口上. 将少量清水倾倒于布料表面. * 清水凝聚成水珠, 在布料表面流动. 清水不会渗入布料纤维内. 经瑞典纳米技术处理后的产品特点： 防水:未经处理的织物防水特性指标为1(完全湿透)，而经过处理的防水特性指标为5(没有沾湿)。 防油:未经过处理的织物的防油特性指标为0,而经过处理的防油特性指标为6(最高为8)。 防污:经过瑞典纳米技术处理后的织物,在污渍附著上有非常明显的降
纳米材料与技术论文
石墨烯在橡胶中的应用 摘要：石墨烯具有较强的力学性能和导电/导热性质，为发展多功能聚合物纳米材料提供了新的方向。本文简单介绍了石墨烯的制备及其功能化,并重点介绍了石墨烯/橡胶纳米复合材料的3种主要制备方法，同时分析了石墨烯/橡胶纳米复合材料的发展前景和存在问题. 关键词：石墨烯纳米复合材料制备 1 引言 橡胶在室温下具有独特的高弹性，其作为一种重要的战略性物资，泛应用于国民经济"高新技术和国防军工等领域。然而，未补强的橡胶存在强度低，模量低，耐磨差，抗疲劳差等缺陷。因此绝大数橡胶都需要补强，同时随着橡胶制品的多元化，在满足最基本的物理机械性能强度的同时，需要具有功能性的纳米填料/橡胶复合材料。石墨烯是一种有着优异性能的二维纳米填料，将石墨烯与聚合物复合是发挥其性能的重要途径，石墨烯/橡胶纳米复合材料对橡胶的力学机械性能、电学性能、导热性能和气体阻隔性能等都有很大提升，因此得到了广泛关注。 2 石墨烯的制备及其衍生物的功能化 2.1 石墨烯的制备 本文重点介绍利用氧化石墨烯（GO）的还原来制备石墨烯，该方法制备的石墨烯不能完全消除含氧官能团，还存在结构缺陷和导电性差等缺点，但是相比于其他方法，其宏量和廉价制备的特点更为突出。 2.2 氧化石墨烯的还原 目前，氧化石墨烯的还原一般分为热还原与化学还原两种方法。热还原是指GO在高温下脱除表面的含氧基团并释放大量气体，从而还原并剥离GO.化学还原法是指利用具有还原性的物质对GO进行脱氧还原。 2.3 石墨烯的功能化 对于氧化石墨烯还原之后的石墨烯，可以用非共价键改性，通过工业用燃料，荧光增白剂，表面活性剂高效稳定石墨烯。 2.4 橡胶/石墨烯复合材料的结构，性能的检测 利用红外光谱仪测定复合物的红外光谱图;用X射线衍射仪（XRD)测定复合物的衍射谱图;用发射扫描电镜(SEM)分析复合物的形貌；用电子万能试验机测试式样力学性能。 3 橡胶/石墨烯橡胶纳米复合物的制备方法 目前制备石墨烯/橡胶复合材料的制备方法主要有三种，即胶乳共混法，溶液共混法，机械混炼法。 3.1 胶乳共混法
四川大学纳米材料与纳米技术期末提纲及问题
第一章纳米技术的基本概念 1 什么是纳米？什么是纳米技术？ 纳米=10^-9米，大约等于十个氢原子并列一直线的长度。纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在纳米尺寸（0.1nm∽100nm）范围内认识和改造自然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm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。纳米技术：是20世纪80年代末期兴起的新技术，其基本含意是在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操纵和安排原子、分子而获得新结构和新材料的技术。 2 按照材料维度分，纳米材料可以分成几维？ 三维空间中,至少有一维处于纳米尺度（介于1～100 nm之间）范围内的材料，都可归属于纳米材料范畴。按维数的不同，纳米材料可分类为： 零维— 一维—(直线运动) 二维—(平面运动) 三维—纳米晶体(纳米分子筛)度中的三维中自由活动 3 纳米技术涉及的研究领域有哪些？ 纳米材料、纳米器件和纳米尺度的检测与表征 其中纳米材料是纳米科技的基础；纳米器件的研制水平和应用程度是人类是否进入纳米科技时代的重要标志；纳米尺度的检测与表征是纳米科技研究必不可少的手段和理论与实验的重要基础。 4 纳米材料涉及哪些基本效应？产生的原因是什么？ 小尺寸效应：当微粒分割到达一定程度时，其性质将会发生根本性的变化。 量子效应：电子能级由准连续变为离散能级的现象。 界面效应：纳米材料由于大量的原子存在于晶界和局部的原子结构不同于大块晶体材料，使纳米材料的自由能增加，纳米材料处于不稳定状态。 表面效应：纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子或分子所占的比例非常大。 四个特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大 5 为什么金属纳米粉呈现黑色？ 这是小尺寸效应的表现，当金属粒径小到光波波长以下，金属的反射率极低，故呈现黑色。 6 STM、AFM工作原理是什么？ STM扫描隧道显微镜就是根据量子力学中的隧道效应与原理，通过探测固体表面原子中的电子的隧道电流来分辨固体表面形貌的新型显微装置。 AFM原子力显微镜中，样品放置在扫描器上方，扫描器中的压电陶瓷管在外加电压的作用下，可以在X、Y和Z方向上独立运动。SPM探头中的激光器发出激光，照射在探针的尖端背面，经反射后，落在光斑位置检测器上。光斑位置检测器上下部分的光强差产生了上下部分的电压差，通过测量这个压差，就可以得到光斑位置的变化量。 7 纳米粉体为什么容易出现团聚现象？ 书P15第五段 8 请举例说明纳米技术的“自上而下”和“自下而上”方法。 “自上而下”是指通过微加工或固态技术，不断在尺寸上将人类创造的功能产品微型化；“针尖书写”是“自上而下”的主要技术之一。 “自下而上”最典型的例子是3维打印、基因药物。纳米科技研究的技术路线“自下而上”是指以原子、分子为基本单元，根据人们的意愿进行设计和组装，从而构筑成具有特
《纳米材料与技术》教学大纲(新)
《纳米材料与技术》课程教学大纲 课程中文名称：纳米材料与技术 课程英文名称：Nanomaterials and Nanotechnology 课程类别：全校性通识选修课 课程编号： 课程归属单位：材料与冶金工程学院 制订时间：2014年4月02日 一、课程的性质、任务 1．课程性质和任务 本课程是理工科专业的一门专业选修课，它研究了纳米材料的结构和性能及制备方法，以及纳米材料的应用以及纳米科技的新进展。本课程主要任务是使学生对纳米材料这样一种新的材料具有一个比较广泛的了解。为以后工作、学习及毕业论文实验提供必要的知识面和方法 2．教学要求 开此课前学生应已学过大学物理、无机、有机、及物理化学等基础课。 3．适用专业 本课程适用全校所有理工科专业。 4．本门课程与其它课程的关系 其先修课程是大学物理、无机、有机、及物理化学等，先修课程所讲授的物理、化学等知识是本课程讲授的基础知识。 5．学分、学时数 本课程学分数为2学分。教学总教学学时为36学时，其中理论教学36学时，实验教学0学时。 6．推荐教材 自编 7．推荐参考书 1.《纳米材料导论》哈尔滨工业大学出版社 2.《纳米材料和纳米结构》张立德，牟季美，科学出版社 3.《纳米复合材料》徐国财著化工出版版 4.《纳米材料分析》黄惠忠化工出版社 5.《纳米材料与器件》朱静清华大学出版社 8．主要教学方法和多媒体教学要求： 主要教学方法采用多媒体教学，要求有电脑、投影仪（含展示台）、屏幕等。 二、各章教学内容和要求 1、课堂讲授内容（36学时）： 第一章纳米科学与技术的概述（4学时） 1．纳米科学与技术 2．纳米科学技术的发展史
纳米材料与纳米技术的应用
考试序列号____ 论文题目：纳米材料与纳米技术的应用 课程名称：纳米材料与纳米技术 学院 专业班级 学号 姓名 联系方式 任课教师 2016年10 月29日
纳米材料与纳米技术的应用 摘要纳米材料和纳米技术在当今新材料领域中最富有活力,它们很可能成为下一世纪前20年的主导技术,纳米材料和纳米技术的应用几乎涉及现代化工业的各个领域。本文主要对纳米材料和纳米技术在各个领域的应用予以叙述。 关键词纳米材料纳米技术纳米颗粒应用 “纳米材料”这一名称出现在80年代,它特指粒径为1至100nm(1nm= 10- 9m)的颗粒。纳米技术包括纳米材料的制备技术、纳米颗粒表面的控制、改性和修饰技术,以及把纳米材料应用到各个领域和各种产品上的关键技术。事实上,世界上早就有纳米颗粒存在,只是到80年代,科学家才惊奇地发现,由几个到几千个原子组成的纳米颗粒既不同于宏观的大块物体,也不同于单个的原子和分子,而是一个颇具“个性”的奇特的群体。 此后,关于纳米材料的制备方法、性能及应用研究逐渐引起了各国科学家和政府的高度重视。在世纪交替之际,有人预言,纳米技术可能成为下一世纪的主导技术,美国科学技术委员会则把“启动纳米技术的计划看作是下一次的工业革命的核心”[1]。之所以受到如此的重视,是因为纳米材料和纳米技术的应用几乎涉及现代化工业的各个领域。 纳米材料是由纳米颗粒组成的。纳米颗粒中的电子被局限在一个十分微小的纳米空间里,电子运输受到限制,电子的平均自由程短,使电子的局域性和相干性增强。与宏观物体相比,纳米颗粒所包含的原子数大大减少,因此宏观固定的准连续能带消失,能级分裂,呈现量子化。这些实质性变化,使得纳米材料在光、电、热、磁等物理性质方面和宏观材料有很大的不同,并展现出十分广泛的应用前景。 纳米材料和纳米结构的应用将对如何调整国民经济支柱产业的布局、设计新产品、形成新的产业及改造传统产业注入高科技含量提供新的机遇。研究纳米材料和纳米结构的重要科学意义在于它开辟了人们认识自然的新层次，是知识创新的源泉。由于纳米结构单元的尺度（1～100urn）与物质中的许多特征长度，如电子的德布洛意波长、超导相干长度、隧穿势垒厚度、铁磁性临界尺寸相当，从而导致纳米材料和纳米结构的物理、化学特性既不同于微观的原子、分子，也不同于宏观物体，从而把人们探索自然、创造知识的能力延伸到介于宏观和微观物体之间的中间领域。在纳米领域发现新现象，认识新规律，提出新概念，建立新理论，为构筑纳米材料科学体系新框架奠定基础，也将极大丰富纳米物理和纳米化学等新领域的研究内涵。世纪之交高韧性纳米陶瓷、超强纳米金属等仍然是纳米材料领域重要的研究课题；纳米结构设计，异质、异相和不同性质的纳米基元（零维纳米微粒、一维纳米管、纳米棒和纳米丝）的组合。纳米尺度基元的表面修饰改性等形成了当今纳米材料研究新热点，人们可以有更多的自由度按自己的意愿合成具有特殊性能的新材料。利用新物性、新原理、新方法设计纳米结构原理性器件以及纳米复合传统材料改性正孕育着新的突破。1研究形状和趋势纳米材料制备和应用研究中所产生的纳米技术很可能成为下一世纪前20年的主导技术，带动纳米产业的发展。世纪之交世界先进国家都从未来发展战略高度重新布局纳米材料研究，在千年交替的关键时刻，迎接新的挑战，抓紧纳米材料和柏米结构的立项，迅速组织科技人员围绕国家制定的目标进行研究是十分重要的。纳米材料诞生州多年来所取得的成就及对各个领域的影响和渗透一直引人注目。进入90年代，纳米材料研究的内涵不断扩大，领域逐渐拓宽。一个突出的特点是基础研究和应用研究的衔接十分紧密，实验室成果的转化速度之快出乎人们预料，基础研究和应用研究都取得了重要的进展。美国已成功地制备了晶粒为50urn的纳米cu材料，硬度比粗晶cu提高5倍；晶粒为7urn的pd，屈服应力比粗