纳米材料与技术-纳米金属材料

第十一章纳米金属材料

发展历史较长：20世纪80年代，H.Gleiter教授提出纳米晶体材料的概念，并首次获得纳米金属Ag、Cu、Al等块体材料。

研究意义：

①纳米材料独特的结构特征（晶粒尺寸在纳米量级，含有大量的内界面），为深入研究界面结构与性能提供了良好的条件。

②由于纳米材料表现出一系列优异的理化及力学性能，从而为提高材料的综合性能，发展新一代高性能材料创造了条件。

一、纳米金属材料的制备

二、金属纳米晶体的微观结构

三、金属纳米晶体材料的性能

四、金属纳米晶体材料的进展

一、纳米金属材料的制备

1. 纳米晶体材料（微晶粒）的主要制备技术

①金属蒸发凝聚—原位冷压成型法：

Gleiter最早发展的技术

德国科学家格莱特1984年制备出了第一块纳米结构材料。格莱特将粒径为6纳米大小的铁粒子压制成形，烧结得到纳米微晶体块，成为纳米材料的开山之作。

先制备出纳米尺

度的超微粒子（在惰

性气氛中使金属受热

升华，将蒸发的金属

气相凝结成纳米尺度

的超微粒子，并聚集

在LN2冷阱壁上），

在保持其表面清洁的

情况下将粒子冷压成

块，形成了由纳米尺

寸晶粒组成的多晶体

（取下超细粒子并在

高真空下进行原位冷

压（压力约1-5GPa）成块，可获得毫克级三维纳米晶体样品。

?方法不断发展：

通过改进使金属升华的热源及方式（电磁感应加热、等离子体法、磁控溅射法等），可获得克级到几十克级的纳米晶体样品，从而使许多力学性能测试成为可能。?局限：工艺设备复杂，产量极低；更重要的是纳米晶体样品中存在大量的微孔隙（几纳米到几微米），对结构性能的研究和提高不利。

②机械研磨法（mechanical attrition）

与超细粉冷压法同为外压力合成（形成内界面）

③非晶晶化法（crystallization method）

通过相变形成纳米晶的内界面

④沉积法（deposition method）

界面形成由沉积合成。

针对不同用途，各方法各有其优缺点。

2. 块状致密纳米晶体材料合成研究

①目标：

获得大尺寸的纳米晶体样品，其中界面清洁致密、无微孔隙、晶粒细小均匀。

②途径：

超细粉冷压法：改进使金属升华的热源及方式，可大幅度提高超微粉体的产量，为制备大尺寸纳米晶体样品提供了条件。

冷压成型的样品密度较低，采用热压(hot pressing)技术进行尝试，可获得相对密度达97.8—98.5%（晶粒尺寸保持在10nm左右）的纳米Cu和Pd样品。

机械研磨法：可获得大量具有纳米晶体结构的粉末材料。尽管由于其污染和氧化问题会对一些基础问题的探索不利，但仍有一些独特的优势：工艺较简单，可合成的纳米材料种类众多，尤其是能合成一些金属化合物（Ti-Al、Fe-Cr-Al）和固溶体（Fe-Cu、Fe-Al）等其他方法难以制备的材料，且这些材料因具有独特性能（如Ti-Al有良好的高温韧性）而有良好的应用前景。

对球磨纳米粉末，用不同的压制成型技术合成密实的块状样品：振动波压实（shock wave compaction）、热挤压（warm extrusion）、热静压（hot isostatic pressing）、烧结锻（sinter forging）及利用相转变的热压实（hot pressing utilizing phase transformation）。

大尺寸纳米晶体材料的直接制备

i ）利用电解沉积技术，制备出厚—2mm的块状纳米晶体材料，其组织结构均匀密实。已获得单质（Ni

、

Co、Pd），合金（Ni-P、Ni-Fe、Ni-Fe-Cr）和复合材料等不同类型的材料。

ii）快凝技术，获得直径在厘米级的棒状非晶态合金样品；热压技术，将非晶态合金条带和粉末压结成完全密实的块状非晶态样品，再利用非晶完全晶化法，得到三维大尺寸纳米晶体材料。

③现状：

至今仍不能制备出大量的块状样品，对结构性能和应用的研究都不利。

?卢柯小组发展的非晶完全晶化制备致密纳米合金的方法已与惰性气体蒸发后原位加压法、高能球磨法成为当前制备金属纳米块材的三种主要方法之一。

二、金属纳米晶体的微观结构

研究集中在三个方面：晶界结构、晶粒结构、结构稳定性（热稳定性问题）。

1. 晶界结构

类气态结构→近粗晶晶界结构

?界面结构与界面性能和热力学特性密切相关。

测量、研究纳米晶体的界面性能和热力学参量，可推断出界面结构?界面结构依赖于晶粒大小

晶粒很小时，界面能态很低。

[在非晶晶化法制得的无微孔隙的纳米晶体样品（Ni-P、TiO2、单质Se、单质Pd）中测得]

?超细粉冷压制得的样品中有大量微孔隙，界面特性难以精确测定。

2. 晶粒结构

纳米尺寸晶粒的结构与完整晶格差异很大。

Ni3P、Fe2B化合物的点阵常数研究：a可增大0.37 %，c 减小0.13 %（晶粒小于10 nm时）。故纳米晶粒发生严重的晶格畸变，总的单胞体积有所膨胀。

单质纳米晶体Se中，晶粒小于10nm时，晶格膨胀高达0.4%。

不同的纳米晶材料表现出不同的晶格畸变效应：严重塑性形变法（一定应力拉伸时产生极大的伸长量）制得的纳米晶体Cu表现为晶格收缩。

?晶格畸变现象与样品的制备过程、热历史、微孔隙等多因素有关，有待进一步深入研究其本质原因及对纳米晶性能的影响。3. 结构稳定性（热稳定性问题）

纳米晶中大量晶界处于热力学亚稳态，在适当外界条件下将向较稳定的亚稳态或稳态转化：一般表现为固溶脱溶、晶粒长大、相转变三种形式。

①多晶体晶粒长大理论：

晶粒长大的驱动力反比于其晶粒尺寸，随晶粒尺寸减小，晶粒长大的驱动力显著增大。

故在常温下，纳米晶粒也难以稳定?

但是，实验表明，纳米晶体具有很好的热稳定性。绝大多数纳米晶体在室温下形态稳定不长大，有些纳米晶粒长大温度在1000K以上。

对于单质纳米晶体，熔点越高的物质晶粒长大温度越高，约在0.2-0.4Tm之间，比普通多晶体的再结晶温度（0.5Tm）略低。

纳米Cu：393K（0.28 Tm）纳米Fe：473K（0.26 Tm）纳米Pd：523K（0.29 Tm）纳米Ge：300K（0.25 Tm）?少量杂质的存在可提高金属纳米晶体的热稳定性：Ag纳米晶中加入7.0%的氧，其晶粒长大温度从423K提高到513K。

合金纳米晶体，晶粒长大温度往往较高，大于0.5 Tm。

纳米Ni80P20：620K（0.56 Tm）

12nm的TiO2纳米晶接近普通多晶的热稳定性。

?合金及化合物纳米晶体晶粒长大的激活能往往较高，接近相应元素的体扩散激活能；而单质纳米晶体的长大激活能则较低，与界面扩散激活能相近。

不能沿用经典的晶粒长大理论，存在一些未被认识的纳米晶体结构的本质影响因素：如界面能降低、晶格畸变等，本质结构特征影响热稳定性。

在不同晶粒尺寸的Ni-P纳米晶体中发现一种反常的热稳定性现象：晶粒尺寸越小，纳米晶体的稳定性越好，表现为晶粒长大温度及激活能升高。

②其它结构失稳

晶粒长大只是纳米晶体结构失稳的表现形式之一，纳米晶体在外场（热、压力等）作用下也有可能发生如晶粒形态变化、溶质偏聚、第二相析出等微观结构变化过程，进而使其性能发生明显变化。

三、金属纳米晶体材料的性能

大量的内界面?与常规多晶体不同的理化性能

1. 微孔隙及杂质对纳米晶体材料性能的显著影响

惰性气体冷凝+原位冷压合成

?有微孔隙的块体材料

纳米晶Pd 的比热容比粗晶体的高50%； 纳米Cu 的热膨胀系数比粗晶Cu 高1倍多， 强度/硬度随样品的密度升高而增大。

无微孔隙的纳米晶Ni-P 、Se 、Ni ，比热容仅比同成分的普通多晶体高2%；无孔隙的纳米Ni 晶体的热膨胀系数、弹性模量、居里温度等均与粗晶Ni 完全相同。

纳米晶体中的微孔隙对材料的力学等特性有显著影响。

2. 反常的力学特性

纳米晶体材料的超细晶粒及多界面特性，使其可能表现出反常的力学特性。

如：强度/硬度与晶粒尺寸的关系——Hall-Petch 关系在纳米晶中，有时正常：

k > 0 ，d 减小 ? H v 增加

有时反常：随着晶粒尺寸的减小，其强度/硬度降低

如利用非晶晶化法获得的无孔隙纳米晶体单质、合金、金属间化合物：

Fe-Si-B 、Fe-Cu-Si-B 纳米晶，为正常H-P 关系

单质纳米晶Se 样品，9-15nm 和15-25nm 范围内 有两段斜率明显不同的H-P 关系曲线

在纳米Cu 、Ni 、TiAl 、Ni-P 中均发现偏离正常的H-P 规律；纳米晶Fe-Mo-Si-B 、NiZr 样品中，既存在正常H-P 关系（k > 0），也存在反常H-P 关系（k < 0）。

纳米晶材料的反常H-P 关系对传统的材料强化理论提出了挑战，认为晶格畸变可能对纳米晶力学性能的变化有贡献。受样品制备及性能测试技术的限制，有关结果和认识都有待深入。

四、金属纳米晶体材料的进展

1. 低温超延展性

bcc 金属普遍存在低温脆性，包括金、银。但纳米金属铜、铬交替的多层结构（单层均为金属纳米晶的Cu/Cr 交替的叠层结构）在LHe 温度下具有极高的延展性。随晶粒尺寸的减小，有强度与韧性同步提高的异常特性

随晶粒尺度减小，常规金属材料的强度增加（正常H-P 关系），但韧性下降，所以这是一个新特性、新规律！

纳米晶Cu/Nb 叠层结构在极低温下也发现了超延展性。

2. 工业应用

纳米金属微粉在工业上已经开始应用。 如作为化工催化材料、敏感（气、光）材料，吸波材料、阻热涂层材料等方面。但三维尺寸纳米晶体材料的应用尚待进一步开发。

加拿大 U.Erb 等人利用电解沉积法发展了Ni 基合金纳米晶体，作为耐磨涂层（在Nd-Fe-B 磁体表面）、耐磨耐蚀防扩层材料（核能发电机管道），已取得明显效益。

Herbert Gleiter 教授

Gleiter 教授是德国Leopoldina 科学院院士，美国科学院院士, 美国工程院院士。1998年Gleiter 教授与Lehn 教授（诺贝尔化学奖获得者）和Fenske 教授一起在德国Karlsruhe 研究中心建立了纳米技术研究所，并任所长。Gleiter 教授于2004年4月被聘为国家纳米科学中心第一届学术委员会委员。

Gleiter 教授曾长期从事金属中晶界与界面研究，1980年首次提出纳米晶材料（Nanocrytalline Materials ）的概念，1984年制备出了第一块纳米结构材料，成为纳米材料的开山之作。他还探索了其内部结构，发现了其界面的奇异结构和特异而优越的性能，开创了纳米材料研究领域，推进国际纳米科技研究的快速发展。

Gleiter 教授研究成果显著，在国际学术期刊上发表学术论文350多篇，出版专著7部，并先后获得欧洲材料联合会金奖、德国Leibniz 奖、德国材料科学学会Heyn 奖、美国矿物金属与材料学会TMS 奖、日本金属学会年度奖等20多项重要的国际学术奖。

2

/10v v -+=kd H H

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

纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用

纳米材料和技术在新型建筑材料中的应用中国绿色节能环保网点击数：269 发布时间：2010年3月22日来源：中国节能住宅网 纳米技术是二十世纪80年代末诞生并正在崛起的新技术,主要是指在0.1~100nm尺度范围内,研究物质组成体系中电子、原子和分子运动规律与相互作用,其研究目的是按人的意志直接操纵电子、原子或分子,研制出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品。纳米技术是高度交叉的综合性学科,它主要包括:纳米体系物理学、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、纳米机械学。纳米技术已应用于建筑材料、光学、医药、半导体、信息通讯、军事等领域。目前,纳米材料技术是唯一可以实现的纳米技术。 纳米材料以其特有的光、电、热、磁等性能为建筑材料的发展带来一次前所未有的革命。利用纳米材料的随角异色现象开发的新型涂料,利用纳米材料的自洁功能开发的抗菌防霉涂料、PPR供水管,利用纳米材料具有的导电功能而开发的导电涂料,利用纳米材料屏蔽紫外线的功能可大大提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能,利用纳米材料可大大提高塑料管材的强度等。由此可见,纳米材料在建材中具有十分广阔的市场应用前景和巨大的经济、社会效益。 近年来,国内外开始探索纳米材料和纳米技术在建材中的发展及应用工作,并取得了一些可喜的成果,现分类介绍如下: 1纳米技术在建筑涂料中的应用 涂料是建筑物的内衣(内墙涂料)和外衣(外墙涂料),国内传统的涂料普遍存在悬浮稳定性差、不耐老化、耐洗刷性差、光洁度不高等缺陷。纳米复合涂料就是将纳米粉体用于涂料中所得到的一类具有耐老化、抗辐射、剥离强度高或具有某些特殊功能的涂料。在建材(特别是建筑涂料)方面的应用已经显示出了它的独特魅力。 同一种纳米粒子在不同粒径下会有不同的作用,不同种类的纳米粒子也可以在涂料中起

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

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。

纳米材料用在哪方面

纳米技术是新世纪一项重要的技术，为多个行业带来了深远影响。纳米技术包含几个方面：纳米电子学，纳米生物学，纳米药物学，纳米动力学，以及纳米材料。其中，纳米材料主要集中在纳米功能性材料的生产，性能的检测。其独特性使它应用很广，那么，纳米材料用在哪方面呢 1、特殊性能材料的生产 材料科学领域无疑会是纳米材料的重要应用领域。高熔点材料的烧结纳米材料的小尺寸效应（即体积效应）使得其在低温下烧结就可获得质地优异的烧结体（如SiC、WC、BC等），且不用添加剂仍能保持其良好的性能。另一方面，由于纳米材料具有烧结温度低、流动性大、渗透力强、烧结收缩大等烧结特性，所以它又可作为烧结过程的活化剂使用，以加快烧结过程、缩短烧结时间、降低烧结温度。例如普通钨粉需在3 000℃高温时烧结，而当掺入%%的纳米镍粉后，烧结成形温度可降低到1200℃-1311℃。复合材料的烧结由于不同材料的熔点和相变温度各不相同，所以把它们烧结成复合材料是比较困难的。 纳米材料的小尺寸效应和表面效应，不仅使其熔点降低，且相变温度也降低了，从而在低温下就能进行固相反应，获得烧结性能好的复合材料。纳米陶瓷材料的制备通常的陶瓷是借助于高温高压使各种颗粒融合在一起制成的。由于纳米材料粒径非常小、熔点低、相变温度低，故在低温低压下就可用它们作原料生产出质地致密、性能优异的纳米陶瓷。纳米陶瓷具有塑性强、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨的性能，它还具有高磁化率、高矫顽力、低饱和磁矩、低磁耗以及光吸收效应，这些都将成为材料开拓应用的一个崭新领域，并将会对高技术和新材料的开发产生重要作用。 2、生物医学中的纳米技术应用 从蛋白质、DNA、RNA到病毒，都在1-100nm的尺度范围，从而纳米结构也

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

纳米材料的定义(精)

纳米材料的定义、特点和应用前景 中国科学院上海硅酸盐研究所作者：张青红 图1 图2 图3 什么是纳米材料？ 纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位，一纳米等于十的负九次方米，约比化学键长大一个数量级。纳米科技是研究由尺寸在0.1至100纳米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。可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学加工学等。 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使

体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料的特点？ 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来得到不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望得到新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以得到带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术得到了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千平方米，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体积，使其更轻盈。第一台计算机需要三间房子来存放，正是借助与微米级的半导体制造技术，才实现了其小型化，并普及了计算机。无论从能量和资源利用来看，这种“小型化”的效益都是十分惊人的。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 纳米材料的应用前景 纳米材料的应用前景是十分广阔的，如：纳米电子器件，医学和健康，航天、航空和空间探索，环境、资源和能量，生物技术等。我们知道基因DNA具有双螺旋结构，这种双螺旋结构的直径约为几十纳米。用合成的晶粒尺寸仅为几纳米的发光半导体晶粒，选择性的吸附或作用在不同的碱基对上，可以“照亮”DNA的结构，有点像黑暗中挂满了灯笼的宝塔，借助与发光的“灯笼”，我们不仅可以识别灯塔的外型，还可识别灯塔的结构。简而言之，这些纳米晶粒，在DNA分子上贴上了标签。目前，我们应当避免纳米的庸俗化。尽管有科学工作者一直在研究纳米材料的应用问题，但很多技术仍难以直接造福于人类。2001年以来，国内也有一些纳米企业和纳米产品，如“纳米冰箱”，“纳米洗衣机”。这些产品中用到了一些“纳米粉体”，但冰箱和洗衣机的核心作用任何传统产品相同，“纳米粉体”赋于了它们一些新的功能，但并不是这类产品的核心技术。因此，这类产品并不能称为真正的“纳米产品”，是商家的销售手段和新卖点。现阶段纳米材料的应用主要集中在纳米粉体方面，属于纳米材料的起步阶段，应该指出这不过是纳米材料应用的初级阶段，可以说这并不是纳米材料的核心，更不能将“纳米粉体的应用”等同与纳米材料。 下面我们选用几副插图来说明纳米材料。 图一：二氧化钛纳米管。多种层状材料可形成管状材料，最为人们所熟悉的是碳纳米管。图一为二氧化钛纳米管的透射电镜照片，这种管是开口、中空管，比表面积能达到400m2/g，可能在吸附剂、光催化剂等方面有应用前景。 图二：晶内型纳米复相陶瓷，颜色较浅的大晶粒内部有一些深色的颗粒，在陶瓷收到外力破坏时，这些晶内的深色颗粒像一颗颗钉子，抑制裂纹扩散，起到对陶瓷材料的增强和增韧作用。 图三：二氧化钛纳米颗粒的透射电镜照片。可以看出二氧化钛仅为7纳米左右。人们不仅要问：如此小的纳米颗粒肉眼能否看到？商家提供的“纳米粉体”能看得到吗？如此小的晶粒用肉眼是看不到的，可以借助于电子显微镜来看。由于这些晶粒聚集在一起，我们可以看到聚集后的粉体，除了能感觉到“纳米粉体”更膨松外，不借助科学的表征方法，我们难以区别它们。 在材料科学家和其他科学家经过不懈努力后，取得了重大突破，在一些先进国家相继建立了受控聚变实验装置，进行科学实验。更令人兴奋的是，受控核聚变经过近半个世纪的努力，它的科学可行性已由现有的实验结果外推确认，图2为其实验装置Tokamak示意图。而最具说服力的实验是1991年11月JET和1993年12月TFTR的D-T实验，证明受控核聚变已不是可望而不可及的幻想，而是经过努力可望在本世纪中叶付诸应用的有效能源。

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