1、會計學1納米材料納米材料第一頁，編輯于星期二：六點 二十五分。2一、納米材料的概念一、納米材料的概念至少有一維尺寸小于至少有一維尺寸小于100nm或由小于或由小于100nm的基的基本單元組成的材料稱為納米材料本單元組成的材料稱為納米材料 定義分類納米材料通常按照維度進行分類，原子團簇、納米微粒稱為0維納米材料，納米線稱為一維納米材料，納米膜稱為2維納米材料，納米塊體為3維納米材料 納米結構和納米材料在科學內涵上既有聯系又有區別，而目前在一些科學文獻上也往往對這兩個概念相提并論。第1頁/共32頁第二頁，編輯于星期二：六點 二十五分。3納米材料總觀納米材料總觀納米材料納米材料 科科 技技納米材料物

2、理納米材料物理納米材料技術納米材料技術制備技術制備技術應用技術應用技術納米器件設計和加工技術納米器件設計和加工技術表征與評價技術表征與評價技術納米材料納米材料納米顆粒納米顆粒納米金屬顆粒納米金屬顆粒納米半導體顆粒納米半導體顆粒納米陶瓷顆粒納米陶瓷顆粒納米纖維納米纖維納米薄膜納米薄膜納米顆粒膜納米顆粒膜納米多層膜納米多層膜納米晶合金納米晶合金納米復合材料納米復合材料第2頁/共32頁第三頁，編輯于星期二：六點 二十五分。4事實上，納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納米結構材料。例如許多動物身體中存在的約30nm的磁性粒子用于導航的天線狀或管狀納米結構，在很多候鳥和魚的身體

3、中都發現這種磁性粒子的存在 納米材料的發展歷史納米材料的發展歷史磁性細菌中用于導航的納米結構磁性細菌中用于導航的納米結構十九世紀六十年代建立起來的膠體化學即是研究十九世紀六十年代建立起來的膠體化學即是研究100nm以下的系統以下的系統 中國古代在中國古代在1000年前利用燃燒蠟燭的納米碳黑來制墨和燃料年前利用燃燒蠟燭的納米碳黑來制墨和燃料古銅鏡的防銹層經分析證實為納米氧化錫膜特點特點偶然性應用，屬于初級階段偶然性應用，屬于初級階段 第3頁/共32頁第四頁，編輯于星期二：六點 二十五分。5 1959年，美國物理學家、諾貝爾獎獲得者年，美國物理學家、諾貝爾獎獲得者Feynman發表發表了題為了題為

4、”There is a plenty of room at the bottom”的著名演的著名演講。提出了很多設想，包括在原子或分子尺度上制造材料和器件講。提出了很多設想，包括在原子或分子尺度上制造材料和器件、將百科全書儲存在針尖大的空間、計算機的微型化等，被認為、將百科全書儲存在針尖大的空間、計算機的微型化等，被認為是納米材料發展的里程碑。是納米材料發展的里程碑。納米材料學成為相對獨立的學科納米材料學成為相對獨立的學科 二十世紀六十年代和七十年代，日本物理學家久保提出了著名的久保理論，用量子理論解釋了超細顆粒的一些特征，隨后有多人對納米結構的理論進行了研究，至二十世紀九十年代，納米材料得到

5、了迅猛發展三個主要標志三個主要標志納米塊體材料的出現納米塊體材料的出現掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的出現掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的出現第4頁/共32頁第五頁，編輯于星期二：六點 二十五分。6材料科學材料科學研究材料的結構、組織與性能之間關系的科學研究材料的結構、組織與性能之間關系的科學基本思路結構決定組織，組織決定性能結構決定組織，組織決定性能要獲得一定的特殊性能，必須從研究材料的微觀結構入手考慮要獲得一定的特殊性能，必須從研究材料的微觀結構入手考慮。而要理解材料的性能也必需首先研究材料的結構。而要理解材料的性能也必需首先研究材料的結構。納米材料的基本研究方法納米材料的基本研究方法納米材料

6、納米材料材料的晶粒尺寸在納米級的材料，材料的晶粒尺寸在納米級的材料，是近年材料科學的一個熱點問題。是近年材料科學的一個熱點問題。第5頁/共32頁第六頁，編輯于星期二：六點 二十五分。7由于鈉米材料中含有大量的晶界，使晶界處的原子比例遠高于普通材料，這將導致納米材料自由能的增加從而使材料處于不穩定狀態，例如晶粒容易長大，材料的宏觀性能發生變化等。納米材料的基本效應納米材料的基本效應尺寸效應當納米材料的組成相的尺寸減小到某一臨界尺寸以下時材料的性能將發生明顯的變化或突變。包括力學性能、電學性能等多種性能的變化。量子效應主要涉及到金屬的能帶結構由準連續轉主要涉及到金屬的能帶結構由準連續轉變為分立，能

7、隙變寬。變為分立，能隙變寬。界面效應第6頁/共32頁第七頁，編輯于星期二：六點 二十五分。8所謂物理方法一般是通過加熱使原料蒸發再將氣體冷凝后得到納米粉。這種方法的優點是顆粒的表面清潔、純凈且粒度可控，缺點是效率低、成本高、設備貴。所謂物理方法一般是通過加熱使原料蒸發再將氣體冷凝后得到納米粉。這種方法的優點是顆粒的表面清潔、純凈且粒度可控，缺點是效率低、成本高、設備貴。納米材料的制備技術納米材料的制備技術納米材料包括超微顆粒、薄膜、纖維和塊材，每種不同類型的納米材料都有多種制備方法納米粉的制備納米粉的制備有物理方法和化學方法第7頁/共32頁第八頁，編輯于星期二：六點 二十五分。9目前大部分納米

8、粉是采用化學方法制備的，該方法易實現多種成分的共生，成分可控，生產效率高且設備投資小。缺點是表面易產生污染、洗滌和脫水過程中易團聚，一般需進行特殊的后續處理 化學法化學法固相法固相法液相法液相法氣相法氣相法機械合金化機械合金化直接沉淀法直接沉淀法均相沉淀法均相沉淀法共沉淀法共沉淀法氧化還原法氧化還原法溶膠凝膠法溶膠凝膠法超重力法超重力法水熱法水熱法激光化學氣相合成激光化學氣相合成等離子化學氣相合成等離子化學氣相合成加氨水加氨水AlCl3水溶液水溶液得到得到Al(OH)3沉淀沉淀水洗、醇洗、脫水、烘干水洗、醇洗、脫水、烘干700煅燒、煅燒、 Al(OH)3分解分解得到得到AlAl2 2O O3

9、3納米粉體納米粉體直接沉淀法示意圖直接沉淀法示意圖第8頁/共32頁第九頁，編輯于星期二：六點 二十五分。10大塑性變形法示意圖大塑性變形法示意圖粉末冶金法示意圖粉末冶金法示意圖第9頁/共32頁第十頁，編輯于星期二：六點 二十五分。11 納米膜主要是采用物理氣相沉積法（納米膜主要是采用物理氣相沉積法（PVD）和化學氣相沉積法（）和化學氣相沉積法（CVD）來制備。二者的區別在于沉積過程中是否有化學反應發生。）來制備。二者的區別在于沉積過程中是否有化學反應發生。納米膜的制備納米膜的制備第10頁/共32頁第十一頁，編輯于星期二：六點 二十五分。12納米晶塊體材料的制造納米晶塊體材料的制造一個材料科學的

10、前沿課題，有很多相關的研究報道，例如一個材料科學的前沿課題，有很多相關的研究報道，例如電解沉積法、粉末冶金法、非晶晶化法等電解沉積法、粉末冶金法、非晶晶化法等電解沉積法電解沉積法可控制成分及晶粒尺寸但生產效率低非晶晶化法工藝過程復雜，需要先制備非晶工藝過程復雜，需要先制備非晶粉末冶金法粉末冶金法晶粒的長大難以控制，晶粒尺寸差異較大晶粒的長大難以控制，晶粒尺寸差異較大第11頁/共32頁第十二頁，編輯于星期二：六點 二十五分。13特殊性能展示納米純銅在室溫下所獲得的超塑延展性納米純銅在室溫下所獲得的超塑延展性中科院金屬所中科院金屬所 SCIENCE（2000） 020406080010020030

11、0400500600700 6*10-5/s 6*10-4/s 6*10-3/s 6*10-2/s 1.8*103/sTrue stress (MPa)True strain (%)1E-61E-51E-41E-30.010.11101001000 1000010000001020304050607080cg Cunc Cu Strain-to-fracture (%)Strain rate (s-1) cg Cunc CuStrain rate: 6 10-1 s -1Strain rate: 6 10-5 s-1Original sample42 mm第12頁/共32頁第十三頁，編輯于星期

12、二：六點 二十五分。14通過機械變形或熱處理使材料表層形成納米結構。表層納米化后，可以大幅度降低材料表面能，還可以提高材料的化學反應活性。例如，將純鐵表面進行納米化后可以使滲氮的溫度從500降低至300，從而使表面氮化技術的適用面大大拓寬。2002年1月31日出版的Science周刊刊登了此項研究成果 表層納米化用涂層或沉積技術使得材料表層納米化用涂層或沉積技術使得材料表層納米化涂層或沉積法涂層或沉積法表面自生納米化第13頁/共32頁第十四頁，編輯于星期二：六點 二十五分。15納米復合材料：復合體系中至少有一相為納米尺寸納米復合材料：復合體系中至少有一相為納米尺寸不僅可以改善材料的室溫力學性能

13、，而且可以改善材不僅可以改善材料的室溫力學性能，而且可以改善材料的高溫性能。同時可具有切削加工性和超塑性，其料的高溫性能。同時可具有切削加工性和超塑性，其顯微結構特征如下：顯微結構特征如下：特點特點第14頁/共32頁第十五頁，編輯于星期二：六點 二十五分。16成功例子：用化學氣相沉積法制備出成功例子：用化學氣相沉積法制備出Si3N4/TiN復合納米材料，其中復合納米材料，其中TiN以以5nm左右的尺寸分布于基體晶粒內。但不適合于大規模生產左右的尺寸分布于基體晶粒內。但不適合于大規模生產問題：科學上的可能與生產上的可能是有很大差異的，但科學上的可能是首要前提。科學家的一項重要任務即是變科學上的可

14、能為生產上的可能。問題：科學上的可能與生產上的可能是有很大差異的，但科學上的可能是首要前提。科學家的一項重要任務即是變科學上的可能為生產上的可能。室溫性能的改善室溫性能的改善第15頁/共32頁第十六頁，編輯于星期二：六點 二十五分。17本人目前正在從事陶瓷顆粒增強金屬基復合材料方面的研本人目前正在從事陶瓷顆粒增強金屬基復合材料方面的研究，采用的方法是粉末冶金法，目前已在實驗室中制造出究，采用的方法是粉末冶金法，目前已在實驗室中制造出鋁基和銅基的納米復合材料。與同成分的傳統材料相比，鋁基和銅基的納米復合材料。與同成分的傳統材料相比，其硬度提高三至四倍，強度提高其硬度提高三至四倍，強度提高50-8

15、0%，其中鋁基復合材料有，其中鋁基復合材料有望在航空航天工業、能源及汽車工業方面得到應用，而銅基納米復望在航空航天工業、能源及汽車工業方面得到應用，而銅基納米復合材料有望成為一種良好的電接觸材料。合材料有望成為一種良好的電接觸材料。本人的研究工作本人的研究工作第16頁/共32頁第十七頁，編輯于星期二：六點 二十五分。18碳納米材料碳納米材料隨后，又有多種類似結構的分子被發現，這一類物質被命名為富勒烯，為紀念建筑師隨后，又有多種類似結構的分子被發現，這一類物質被命名為富勒烯，為紀念建筑師Buckminster Fullerence設計的圓穹形屋頂并為解開設計的圓穹形屋頂并為解開C60分子結構之謎

16、提供了幫助。分子結構之謎提供了幫助。碳納米材料在納米材料中占有重要地位，這一方面是由于這種材料優良的性能，另一方面則是由于這種材料的發現在科學上讓人們對材料的結構認識有了進一步的深入。這其中代表性的是碳納米材料在納米材料中占有重要地位，這一方面是由于這種材料優良的性能，另一方面則是由于這種材料的發現在科學上讓人們對材料的結構認識有了進一步的深入。這其中代表性的是C60和納米碳管。和納米碳管。C60是一種足球結構，這種結構以前人們是從來沒發現的，1985年，英國Sussex大學化學家Kroto和美國Rice大學化學物理學家Smalley及Curl等人發表文章宣布發現了C60分子第17頁/共32頁

17、第十八頁，編輯于星期二：六點 二十五分。19 C60分子比較穩定，升華溫度為分子比較穩定，升華溫度為673K，可與很多金屬形成金，可與很多金屬形成金屬間化合物，金屬原子位于屬間化合物，金屬原子位于C60分子的籠子中，如分子的籠子中，如LaC60,符號符號表示包裹關系。表示包裹關系。C60的性質的性質C C6060晶體是面心立方晶體結構，其四面體和八面體間隙可以晶體是面心立方晶體結構，其四面體和八面體間隙可以摻入堿金屬原子，摻入堿金屬原子，19911991年美國貝爾實驗室研究人員發現年美國貝爾實驗室研究人員發現K K3 3C C6060具有超導性，其臨界溫度為具有超導性，其臨界溫度為18K18K

18、。目前關于富勒烯的形。目前關于富勒烯的形成機制與潛在應用研究是材料學科的一個前沿課題。成機制與潛在應用研究是材料學科的一個前沿課題。現已制成裹有現已制成裹有La, K, Na, Cs, Sc, Ti, Y, Zr, Sm, Eu, Gd, Tb,Ho,Th,U等金屬原子的富勒烯。而等金屬原子的富勒烯。而HeC60是極是極為罕見的與惰性氣體的反應。為罕見的與惰性氣體的反應。第18頁/共32頁第十九頁，編輯于星期二：六點 二十五分。20在眾多的納米材料中，碳納米管普遍被人們看好，并稱之為納米材料中的“烏金”。碳納米管1991年被日本學者發現，由于它具有非常奇異的物理化學性能，如獨特的金屬和半導體導

19、電性、極高的機械強度、貯氫能力、吸附能力、較強的微波吸收能力，在眾多領域，特別是高科技領域具有廣泛的應用前景。碳納米管尺寸只有頭發絲的十萬分之一，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 。90%高純度的碳納米管價格高達高純度的碳納米管價格高達1000-2000美元美元/克，一般純度的碳納米管價格也在克，一般純度的碳納米管價格也在60美元美元/克，遠遠高出了黃金的價格克，遠遠高出了黃金的價格 納米碳管納米碳管第19頁/共32頁第二十頁，編輯于星期二：六點 二十五分。21碳納米管的形貌碳納米管的形貌第20頁/共32頁第二十一頁，編輯于星期二：六點 二十五分。22碳納

20、米管的制備碳納米管的制備電弧放電時在陽極石墨不斷蒸發，根據放電條件的不同可形成不同形態的碳，包括單壁納米碳管、多壁納米碳管、碳納米顆粒、無定型碳、石墨、電弧放電時在陽極石墨不斷蒸發，根據放電條件的不同可形成不同形態的碳，包括單壁納米碳管、多壁納米碳管、碳納米顆粒、無定型碳、石墨、C60等。等。激光蒸發法主要形成單壁納米碳管和多壁納米碳管。化學氣相沉積法與制備碳纖維的方法類似，成本低、產量大，適合于大批量生產。激光蒸發法主要形成單壁納米碳管和多壁納米碳管。化學氣相沉積法與制備碳纖維的方法類似，成本低、產量大，適合于大批量生產。主要有電弧法、化學氣相沉積法和激光蒸發法，由于其形成過程中總伴有其它無

21、定型碳的產生，因此要獲得純度在80%以上的碳納米管是十分困難的，而單壁納米管的制備尤其困難。第21頁/共32頁第二十二頁，編輯于星期二：六點 二十五分。23激光蒸發法制備的單壁納米管束的激光蒸發法制備的單壁納米管束的TEM照片照片CVD法制備碳納米管裝置示意圖法制備碳納米管裝置示意圖CVD法制備的碳納米管法制備的碳納米管第22頁/共32頁第二十三頁，編輯于星期二：六點 二十五分。24定向多壁碳納米管定向多壁碳納米管第23頁/共32頁第二十四頁，編輯于星期二：六點 二十五分。25 掃描電鏡下拉伸單根納米管的過程掃描電鏡下拉伸單根納米管的過程 a)多壁納米管針尖多壁納米管針尖 b) a的局部放大圖

22、的局部放大圖 c) 拉伸前拉伸前 d)斷裂后上部斷裂后上部 e)斷裂后下部斷裂后下部 f)開始加載開始加載 g)最外層因拔出而彎曲最外層因拔出而彎曲第24頁/共32頁第二十五頁，編輯于星期二：六點 二十五分。26單壁納米碳管作為原子力顯微鏡的探針單壁納米碳管作為原子力顯微鏡的探針第25頁/共32頁第二十六頁，編輯于星期二：六點 二十五分。27Co原子在的原子在的Cu（111）面形成的人工點陣）面形成的人工點陣C60組成的最小算盤組成的最小算盤量子柵欄的量子柵欄的STM圖像圖像Ge原子在原子在Si基體上組裝形成的金字塔基體上組裝形成的金字塔STM圖像圖像人類對微觀世界的操縱人類對微觀世界的操縱第

23、26頁/共32頁第二十七頁，編輯于星期二：六點 二十五分。28燒結溫度可以大大降低；高溫下具有超塑性因此可以制造比較復雜的形狀；強度和韌性均有所提高。燒結溫度可以大大降低；高溫下具有超塑性因此可以制造比較復雜的形狀；強度和韌性均有所提高。納米材料的應用納米材料的應用以性能特征來分類介紹納米材料的應用（1）以力學性能為特征的應用）以力學性能為特征的應用納米碳管納米碳管目前發現的最高強度和比強度的材料目前發現的最高強度和比強度的材料納米增強增韌陶瓷納米增強增韌陶瓷19861986年德國科學家首先在實驗室中發現原位壓制而成的納米氧化鈦陶瓷材料具有常溫下的韌性和塑性，在全世界引起轟動。科學家預言，納米

24、技術可能是解決陶瓷脆性問題最有希望的途徑。年德國科學家首先在實驗室中發現原位壓制而成的納米氧化鈦陶瓷材料具有常溫下的韌性和塑性，在全世界引起轟動。科學家預言，納米技術可能是解決陶瓷脆性問題最有希望的途徑。主要困難主要困難由于納米顆粒的流動性差、難以消除燒結過程中的微小缺陷，因此限制了強度和韌性水平的提高。由于納米顆粒的流動性差、難以消除燒結過程中的微小缺陷，因此限制了強度和韌性水平的提高。已經顯示出的效果已經顯示出的效果第27頁/共32頁第二十八頁，編輯于星期二：六點 二十五分。29利用其光吸收特性可用于制造高效光熱和光電轉換材料從而在太陽能利用方面取得突破。（2）以表面活性為特征的應用）以表

25、面活性為特征的應用納米催化劑納米催化劑由于巨大的表面活性，比傳統的催化劑更加優良的催納米催化劑由于巨大的表面活性，比傳統的催化劑更加優良的催化性能，國際上已將納米催化劑稱為第四代催化劑。化性能，國際上已將納米催化劑稱為第四代催化劑。（3）以光學性能為特征的應用）以光學性能為特征的應用某些納米材料具有特別強的光吸收特性和電磁波吸收特性，在軍事上可用于制造隱身材料某些具有強紫外吸收能力的納米材料可用于制造防曬產品某些具有強紫外吸收能力的納米材料可用于制造防曬產品第28頁/共32頁第二十九頁，編輯于星期二：六點 二十五分。30可以在較低的溫度下快速熔化并焊接，可以制成常規條件下得不到的非平衡合金，為新合金的研制