文档介绍：纳米材料介绍
山东理工大学
谷万里
1
一、纳米材料的概念
至少有一维尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称为纳米材料
定义
分类
纳米材料通常按照维度进行分类,原子团簇、纳米微粒称为0维纳米材料,纳米线称为一维纳米材料,纳米膜称为2维纳米材料,纳米块体为3维纳米材料
纳米结构和纳米材料在科学内涵上既有联系又有区别,而目前在一些科学文献上也往往对这两个概念相提并论。
2
纳米材料总观
纳米材料
科技
纳米材料物理
纳米材料技术
制备技术
应用技术
纳米器件设计和加工技术
表征与评价技术
纳米材料
纳米颗粒
纳米金属颗粒
纳米半导体颗粒
纳米陶瓷颗粒
纳米纤维
纳米薄膜
纳米颗粒膜
纳米多层膜
纳米晶合金
纳米复合材料
3
事实上,纳米材料在自然界和工程界都不是新事物,在自然界存在大量的天然纳米结构材料。例如许多动物身体中存在的约30nm的磁性粒子用于导航的天线状或管状纳米结构,在很多候鸟和鱼的身体中都发现这种磁性粒子的存在
纳米材料的发展历史
磁性细菌中用于导航的纳米结构
十九世纪六十年代建立起来的胶体化学即是研究100nm以下的系统
中国古代在1000年前利用燃烧蜡烛的纳米碳黑来制墨和燃料
古铜镜的防锈层经分析证实为纳米氧化锡膜
特点
偶然性应用,属于初级阶段
4
1959年,美国物理学家、诺贝尔奖获得者Feynman发表了题为”There is a plenty of room at the bottom”的著名演讲。提出了很多设想,包括在原子或分子尺度上制造材料和器件、将百科全书储存在针尖大的空间、计算机的微型化等,被认为是纳米材料发展的里程碑。
纳米材料学成为相对独立的学科
二十世纪六十年代和七十年代,日本物理学家久保提出了著名的久保理论,用量子理论解释了超细颗粒的一些特征,随后有多人对纳米结构的理论进行了研究,至二十世纪九十年代,纳米材料得到了迅猛发展
三个主要标志
纳米块体材料的出现
扫描隧道显微镜和原子力显微镜的出现
5
由于钠米材料中含有大量的晶界,使晶界处的原子比例远高于普通材料,这将导致纳米材料自由能的增加从而使材料处于不稳定状态,例如晶粒容易长大,材料的宏观性能发生变化等。
纳米材料的基本效应
尺寸效应
当纳米材料的组成相的尺寸减小到某一临界尺寸以下时材料的性能将发生明显的变化或突变。包括力学性能、电学性能等多种性能的变化。
量子效应
主要涉及到金属的能带结构由准连续转变为分立,能隙变宽。
界面效应
7
所谓物理方法一般是通过加热使原料蒸发再将气体冷凝后得到纳米粉。这种方法的优点是颗粒的表面清洁、纯净且粒度可控,缺点是效率低、成本高、设备贵。
纳米材料的制备技术
纳米材料包括超微颗粒、薄膜、纤维和块材,每种不同类型的纳米材料都有多种制备方法
纳米粉的制备
纳米粉的制备有物理方法和化学方法
8
目前大部分纳米粉是采用化学方法制备的,该方法易实现多种成分的共生,成分可控,生产效率高且设备投资小。缺点是表面易产生污染、洗涤和脱水过程中易团聚,一般需进行特殊的后续处理
化学法
固相法
液相法
气相法
机械合金化
直接沉淀法
均相沉淀法
共沉淀法
氧化还原法
溶胶凝胶法
超重力法
水热法
激光化学气相合成
等离子化学气相合成
{
加氨水
AlCl3水溶液
得到Al(OH)3沉淀
水洗、醇洗、脱水、烘干
700℃煅烧、 Al(OH)3分解
得到Al2O3纳米粉体
直接沉淀法示意图
9
大塑性变形法示意图
粉末冶金法示意图
10