现代材料制备技术 纳米材料制备
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
在航天事业中， 利用碳纳米管制造人 造卫星的拖绳，不仅 可以为卫星供电，还 可以耐受很高的温度 而不会烧毁。
10
碳纳米管储氢
高质量的碳纳米管能 储存大量氢气，从而 可以实现用氢气为燃 料驱动无污染汽车。
H2
11
③ 陶瓷韧性提高
• 纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中， 观察到强度和韧性均提高50％以上；
16
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
物理法 构筑法
气体冷凝法 溅射法
纳
氢电弧等离子体法
米
气相分解法
粒
气相反应法 气相合成法
气－固反应法
子 化学法 制 备 方
液相反应法
共沉淀法 沉淀法 均相沉淀法 水热法 水解沉淀法 溶胶－凝胶法
法
喷雾法
化学物理法 化学气相沉积法
微波辐照法 冷冻干燥法
17
气相分解法
化学气相反应法 气相合成法
1985年，Kroto和Smalley等人发现C60 1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会
议
1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳
米材料工程
15
2 纳米粒子的常见制备方法
根据不同的分类标准，可以有多种分类方法。根据反应环 境可分为液相法、气相法和固相法；根据反应性质可分为物 理制备法、化学制备法和化学物理制备法。不同的制备方法 可导致纳米粒子的性能以及粒径各不相同。
在制备过程中，随着实验参数的不同，结果也大不相同， 尽管也展开了广泛的研究，取得了大量的结果，要真正实现 控制合成尚有待进一步的工作积累，涉及到化学反应机制、 热力学、动力学及晶体成核与生长动力学的微观机制问题。
虽有大量的文献方法可以借鉴但研究在某种程度上带有一 定的随机性,谈人工控制尚为时过早，这也是化学的魅力之 所在，制备与其说是一门科学不如说是艺术。
14
（4）纳米纪事
最早的纳米材料：
古镜奇特的金属表面处理技术
中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡 中国古代的墨及染料
1857年，法拉第制备出金纳米颗粒
1861年，胶体化学的的建立
1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论（金属超微
颗粒费米面附近电子能级状态分布与大块材料不同，当微粒尺寸进人到纳米 级时，由于量子尺寸效应，原大块金属的准连续能级产生离散现象。）
纳米材料制备技术
1
1 纳米材料与纳米结构
（1） 纳米材料 （2） 纳米材料的奇异性能 （3） 纳米结构
2
1 纳米材料与纳米结构
（1） 纳米材料
纳米材料: 在纳米量级(1~100nm)内调 控物质结构制成的具有特异性能的新材 料.
四大特点：尺寸小、比表面积大、表面 能高、表面原子比例大.
3
小尺寸效应
宏观量子隧道效应
隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力,人们发现 一些宏观量,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具 有隧道效应,称之为宏观量子隧道效应。
4
（2）纳米材料的奇异性能
纳米金属的熔点比普通金属低几百度； 气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中
快几千倍； 纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材
8
纳米管做成的“纳米秤”
最近美国、中国、法国 和巴西科学家用精密的电子 显微镜测量纳米管在电流中 出现的摆频率时，发现可以 测出纳米管上极小微粒引起 的变化，从而发明了能称量 亿亿分之二百克的单个病毒 的“纳米秤”。这种世界上 最小的秤，为科学家区分病 毒种类，发现新病毒作出了 贡献。
9
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
7
用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧
莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受 压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相 当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未 加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马 上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形 状。
应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管 制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震 装置，可大大减轻车辆的重量。
料提高10倍； 纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波
的吸收性能极强，是隐形技术的突破； 纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。
5
纳米金
金微粒的粒径与熔点的关系
纳米金和块 状金的颜色
6
碳纳米管
碳纳米管是由碳原子按 一定规则排列形成的空心笼 状管式结构，其直径不超过 几十纳米（一纳米为十亿分 之一米）。导电性强、场发 射性能优良、强度是钢的 100倍、韧度高等，是一种 用途广泛的新材料。
气－固反应法
气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法
物理气相法
溅射法 真空沉积法
纳
加热蒸发法
米
混合等离子体法
粒
共沉淀法 沉淀法 化合物沉淀法
子
水热法 水解沉淀法
制 备
液相法 wk.baidu.com胶－凝胶法
冷冻干燥法 喷雾法
方 法
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
热分解法
固相法 固相反应法
其它方法
18
3 物理方法
采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒 ，以及球磨、喷雾等以力学过程为主的制备技术。
当纳米微粒尺寸与光波的波长、得布罗意波长以及 超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当 时,晶体周期性的边界条件将破坏,声、光、电、磁、 热、力学等特性均随尺寸减小而显著变化。
表面与界面效应 纳米微粒由于尺寸小,表面积大,表面能高,因此其活性
极高,极不稳定,很容易与其他原子结合。
量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能 级会由准连续变为离散能级和纳米半导体微粒存在 不连续的HOMO和LUMO，能级变宽的现象称为量 子尺寸效应。
• TiO2纳米材料具有奇特韧性，在180℃经 受弯曲不断裂；
• CaF2纳米材料在80-180℃温度下，塑性提 高100％。
12
④催化活性增强
以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细 微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物 氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍。
13
（3）纳米结构
纳米结构是以纳米尺度的物质单元(或称组件)为基础 , 按一定规律构筑的一种新的物质结构体系，它包括： 零维：如原子团簇（人造原子）、纳米微粒 一维：纳米管、纳米棒、纳米线（丝）以及纳米尺寸的 孔洞 二维：超薄膜、多层膜、超晶格 三维：类似光子晶体结构 或其组合结构（超结构）：核壳结构、有序排列组合成 各种对称性、周期性的固体；因为这些单元往往具有量子性 质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分别有量子点， 量子线，量子阱之称。
10
碳纳米管储氢
高质量的碳纳米管能 储存大量氢气，从而 可以实现用氢气为燃 料驱动无污染汽车。
H2
11
③ 陶瓷韧性提高
• 纳米氧化铝粉体添加到常规85瓷、95瓷中， 观察到强度和韧性均提高50％以上；
16
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
物理法 构筑法
气体冷凝法 溅射法
纳
氢电弧等离子体法
米
气相分解法
粒
气相反应法 气相合成法
气－固反应法
子 化学法 制 备 方
液相反应法
共沉淀法 沉淀法 均相沉淀法 水热法 水解沉淀法 溶胶－凝胶法
法
喷雾法
化学物理法 化学气相沉积法
微波辐照法 冷冻干燥法
17
气相分解法
化学气相反应法 气相合成法
1985年，Kroto和Smalley等人发现C60 1990年7月，在美国巴尔的摩召开第一届纳米科技会
议
1994年，在波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳
米材料工程
15
2 纳米粒子的常见制备方法
根据不同的分类标准，可以有多种分类方法。根据反应环 境可分为液相法、气相法和固相法；根据反应性质可分为物 理制备法、化学制备法和化学物理制备法。不同的制备方法 可导致纳米粒子的性能以及粒径各不相同。
在制备过程中，随着实验参数的不同，结果也大不相同， 尽管也展开了广泛的研究，取得了大量的结果，要真正实现 控制合成尚有待进一步的工作积累，涉及到化学反应机制、 热力学、动力学及晶体成核与生长动力学的微观机制问题。
虽有大量的文献方法可以借鉴但研究在某种程度上带有一 定的随机性,谈人工控制尚为时过早，这也是化学的魅力之 所在，制备与其说是一门科学不如说是艺术。
14
（4）纳米纪事
最早的纳米材料：
古镜奇特的金属表面处理技术
中国古代的铜镜的保护层：纳米氧化锡 中国古代的墨及染料
1857年，法拉第制备出金纳米颗粒
1861年，胶体化学的的建立
1962年，久保(Kubo)提出了著名的久保理论（金属超微
颗粒费米面附近电子能级状态分布与大块材料不同，当微粒尺寸进人到纳米 级时，由于量子尺寸效应，原大块金属的准连续能级产生离散现象。）
纳米材料制备技术
1
1 纳米材料与纳米结构
（1） 纳米材料 （2） 纳米材料的奇异性能 （3） 纳米结构
2
1 纳米材料与纳米结构
（1） 纳米材料
纳米材料: 在纳米量级(1~100nm)内调 控物质结构制成的具有特异性能的新材 料.
四大特点：尺寸小、比表面积大、表面 能高、表面原子比例大.
3
小尺寸效应
宏观量子隧道效应
隧道效应是指微观粒子具有贯穿势垒的能力,人们发现 一些宏观量,如磁化强度、量子相干器中的磁通量等具 有隧道效应,称之为宏观量子隧道效应。
4
（2）纳米材料的奇异性能
纳米金属的熔点比普通金属低几百度； 气体在纳米材料中的扩散速度比在普通材料中
快几千倍； 纳米磁性材料的磁记录密度可比普通的磁性材
8
纳米管做成的“纳米秤”
最近美国、中国、法国 和巴西科学家用精密的电子 显微镜测量纳米管在电流中 出现的摆频率时，发现可以 测出纳米管上极小微粒引起 的变化，从而发明了能称量 亿亿分之二百克的单个病毒 的“纳米秤”。这种世界上 最小的秤，为科学家区分病 毒种类，发现新病毒作出了 贡献。
9
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
7
用碳纳米管制成像纸一样薄的弹簧
莫斯科大学的研究人员为了弄清纳米管的受 压强度，将少量纳米管置于29Kpa的水压下（相 当于水下18000千米深的压力）做实验。不料未 加到预定压力的1/3，纳米管就被压扁了。他们马 上卸去压力，它却像弹簧一样立即恢复了原来形 状。
应用：科学家得到启发，发明了用碳纳米管 制成像纸一样薄的弹簧，用作汽车或火车的减震 装置，可大大减轻车辆的重量。
料提高10倍； 纳米复合材料对光的反射度极低，但对电磁波
的吸收性能极强，是隐形技术的突破； 纳米材料颗粒与生物细胞结合力很强。
5
纳米金
金微粒的粒径与熔点的关系
纳米金和块 状金的颜色
6
碳纳米管
碳纳米管是由碳原子按 一定规则排列形成的空心笼 状管式结构，其直径不超过 几十纳米（一纳米为十亿分 之一米）。导电性强、场发 射性能优良、强度是钢的 100倍、韧度高等，是一种 用途广泛的新材料。
气－固反应法
气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法
物理气相法
溅射法 真空沉积法
纳
加热蒸发法
米
混合等离子体法
粒
共沉淀法 沉淀法 化合物沉淀法
子
水热法 水解沉淀法
制 备
液相法 wk.baidu.com胶－凝胶法
冷冻干燥法 喷雾法
方 法
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
热分解法
固相法 固相反应法
其它方法
18
3 物理方法
采用光、电技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒 ，以及球磨、喷雾等以力学过程为主的制备技术。
当纳米微粒尺寸与光波的波长、得布罗意波长以及 超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当 时,晶体周期性的边界条件将破坏,声、光、电、磁、 热、力学等特性均随尺寸减小而显著变化。
表面与界面效应 纳米微粒由于尺寸小,表面积大,表面能高,因此其活性
极高,极不稳定,很容易与其他原子结合。
量子尺寸效应
当粒子尺寸下降到最低值时,费米能级附近的电子能 级会由准连续变为离散能级和纳米半导体微粒存在 不连续的HOMO和LUMO，能级变宽的现象称为量 子尺寸效应。
• TiO2纳米材料具有奇特韧性，在180℃经 受弯曲不断裂；
• CaF2纳米材料在80-180℃温度下，塑性提 高100％。
12
④催化活性增强
以粒径小于300nm的Ni和Cu-Zn合金的超细 微粒为主要成分制成的催化剂，可使有机物 氢化的效率提高到传统镍催化剂的10倍。
13
（3）纳米结构
纳米结构是以纳米尺度的物质单元(或称组件)为基础 , 按一定规律构筑的一种新的物质结构体系，它包括： 零维：如原子团簇（人造原子）、纳米微粒 一维：纳米管、纳米棒、纳米线（丝）以及纳米尺寸的 孔洞 二维：超薄膜、多层膜、超晶格 三维：类似光子晶体结构 或其组合结构（超结构）：核壳结构、有序排列组合成 各种对称性、周期性的固体；因为这些单元往往具有量子性 质，所以对零维、一维、二维的基本单元又分别有量子点， 量子线，量子阱之称。