《纳米材料制备》PPT课件
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4
纳米金
纳米金和块 状金的颜色
5
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。
6
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。
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
14
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。
四大特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大
2
小尺寸效应 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。 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。
7
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。
8
碳纳米管制造人造卫星的拖绳
第五章 无机材料的制备
5.1 纳米材料制备技术 5.2 陶瓷材料制备技术 5.3 薄膜材料制备技术 5.4 晶体材料与生长技术 5.5 复合材料制备技术 5.6 非晶材料制备技术
1
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
15
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 粒
气相分解法
子
气相反应法 气相合成法
制
气－固反应法
备
方 法
化学法
共沉淀法 沉淀法 均相沉淀法
液相反应法 水热法 水解沉淀法
溶胶－凝胶法
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
16
气相分解法
化学气相反应法 气相合成法
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。
9
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
10
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；
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 米 粒
加热蒸发法 混合等离子体法
子
共沉淀法
制
沉淀法 化合物沉淀法
备
水热法 水解沉淀法
方 法
液相法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法
喷雾法
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
17
Baidu Nhomakorabea
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。
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。
13
（4）纳米纪事
最早的纳米材料：
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。）
3
（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。
• 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％。
11
④催化活性增强
以粒径小于300nm的Ni和CuZn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。
12
（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
纳米金
纳米金和块 状金的颜色
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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。
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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。
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
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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。
四大特点：尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大
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小尺寸效应 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。 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。
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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。
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碳纳米管制造人造卫星的拖绳
第五章 无机材料的制备
5.1 纳米材料制备技术 5.2 陶瓷材料制备技术 5.3 薄膜材料制备技术 5.4 晶体材料与生长技术 5.5 复合材料制备技术 5.6 非晶材料制备技术
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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
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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 粒
气相分解法
子
气相反应法 气相合成法
制
气－固反应法
备
方 法
化学法
共沉淀法 沉淀法 均相沉淀法
液相反应法 水热法 水解沉淀法
溶胶－凝胶法
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
16
气相分解法
化学气相反应法 气相合成法
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。
9
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
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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；
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 米 粒
加热蒸发法 混合等离子体法
子
共沉淀法
制
沉淀法 化合物沉淀法
备
水热法 水解沉淀法
方 法
液相法 溶胶－凝胶法
冷冻干燥法
喷雾法
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
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Baidu Nhomakorabea
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。
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。
13
（4）纳米纪事
最早的纳米材料：
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。）
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（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。
• 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％。
11
④催化活性增强
以粒径小于300nm的Ni和CuZn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。
12
（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