纳米复合材料力学性能的研究
合集下载
相关主题
- 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)。
纳米复合材料 31
Leabharlann Baidu
先进复合材料研究进展
第三阶段（从1994年到现在） 纳米组装体系、人工组装合成的 纳米结构的材料体系或者称为纳米 尺度的图案材料。 纳米结构的组装体系已经成为当 今纳米材料研究的前沿主导方向。 材料组 装的研 究
第三阶段研究的特点要强调按人们的意愿设计、组 装、创造新的体系，更有目的的使该体系具有人们 所希望的特性。
先进复合材料研究进展 三次技术革命
18世纪60年代 19世纪70年代 20世纪四五十年代
英国以瓦特 的蒸汽机为 主导的第一 次技术革命
19世纪70年 代以电力为 主导的第二 次技术革命
以信息为主 导的第三次 技术革命
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料及纳米结构——纳米材料分类
指在空间三维尺度均在纳米尺度，
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 人工纳米结构组装体系
按人类的意志，利用物理和化学的方法人工的将
纳米尺度的物质单元组装，排列构成一维、二维和
三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介
孔复合体系等。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米结构自组装体系
通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德 瓦尔键和弱的离子键的协同作用把原子、离子或分子 连接在一起构筑成纳米结构或纳米结构的图案。
—1981年G. Binning 和H.Rohrer博士发明了扫描隧 道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）， 简称为STM。
可以直接观察到原子。它的横向分辨率达0.1nm， 纵向分辨率达0.01nm。两位博士因发明STM而于1986 年获得诺贝尔物理奖。（从发明到得奖的周期只有5年）
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米科技主要包括
尺寸效应、宏观量子隧道效应 纳米体系物理学
原子操纵， 原子组装 纳米电子学 是纳米药物载体、纳米 生物传感器和成像技术 纳米生物学 纳米材料的 纳米力学 改性对力学 性能影响 纳米材料学 纳米材料 纳米加工学 的制备和 组装等 即原子和分子的去 除、搬迁和重组 纳米复合材料
—我相信纳米科技将在信息 时代的下一阶段占中心地位， 并发挥革命的作用，正如 （20世纪）70年代初微米科 技已经起的作用那样。——
1991年
阿姆斯特朗 纳米复合材料
先进复合材料研究进展
认识与改造微观世界的有力武器 —— 扫描隧道显微镜(STM)
纳米科技的诞生是以STM和原子力显微镜AFM的发 明为先导的。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米级的材料的物理特性
小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应 量子隧道效应
宏观材料—由无限个原子或分子构成 —纳米由数量有限的原子或分子构成， 材料颗粒表面的直径降至纳米级时， 当尺寸等于或者小于德布罗意波长时 纳米颗粒的表面积和表面原子数也急 （量子力学认为微观粒子是运动的）， 剧增多，导致表面原子活性提高，极 当纳米颗粒粒径足够小时，周 周期性边界条件就会被打破，从而使 易于与其他原子相结合—如果把纳米 围的电子状态将发生变化，该 得力、光、磁等方面性能产生显著变 颗粒分散加入到聚合物中，这些表面 现象叫做量子尺寸效应。具有 化，即小尺寸效应。如果聚合物中加 纳米粒子可以贯穿宏观势垒而发生变 原子将易与基体材料分子链段产生反 波动性，从而引发了纳米材料 入纳米粒子，完善其力学性能的同时， 化，该现象为纳米粒子具有的宏观量 应 ，在一定程度上改变了材料的性 诸多独有的性能。 还可获得新性能。 子隧道效应，如导电高聚物等。 能—纳米材料的表面效应。
零维
二维
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米学科分类
按照传统的材料学科体系划分： 纳米晶体材料、纳米陶瓷材料、纳米复合材料、 纳米高分子材料。 按照应用目的分类： 纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米隐身材料、 纳米生物材料等等。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米结构
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定
纳米化学 研究纳米尺 度下的化学 问题，如制 备、分散等
先进复合材料研究进展 纳米材料及技术的研究内容和对象 纳米材料的三个发展阶段
第一阶段（1990年以前） 实验室探索制备块体（包括薄 膜），研究评估表征的方法—在80 年代末期一度形成热潮。 单个材 料的研 究
研究的对象一般局限在单一材料 和单相材料，国际上通常把这类纳 米材料称为纳米晶或纳米相材料。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料定义
• 人们将组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度 尺寸的材料称为纳米材料，即由纳米颗粒和由它 们构成的纳米薄膜和固体，也可以说纳米材料的 平均粒径或结构尺寸在100纳米以下。
• 广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成 的材料。
微米级TiO2(二氧化钛)—牙膏、化妆品的组成部分；
纳米级TiO2(二氧化钛)—特殊性能。 薄膜 — 在光的作用下由于薄膜的超亲水性—灰 尘会在雨水的冲刷下被轻易的去除 薄膜 — 光催化作用产生氢氧自 由基—分解有毒有害气体 很好的抗紫外防老化效果，使 玻璃的耐酸碱、耐摩擦性更强， 使用寿命更长 自洁玻璃 — 高温热解喷镀工艺 —喷镀一层具有光催 化活性的纳米二氧化钛薄膜 — 在光的作用下产生光 催化作用，接触角＜5°具有超亲水性。 纳米复合材料
规律构筑成或营造一种新的体系，它包括一维的、
二维的、三维的体系。这些物质单元包括纳米微粒、 稳定的团簇或纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺 寸的孔洞。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米结构分类
划分至今没有成熟的看法。
根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外部
因素，还是靠内部因素，大致分为两类：一是人工 纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。
纳米复合材料 32
先进复合材料研究进展 纳米材料和技术的发展简史及研究进展
• 自然界中早已充满了纳米微粒和纳米固体。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
•天体的陨石碎片、人兽的牙齿都是由纳米微粒构成
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
•几千年前制备的古铜器和古瓷器表面至今完好无损， 这些表面均是由纳米级的晶粒组成。
• 宏观的探索研究已延伸到宇宙深空。时空单位，如 ‚光年‛、‚亿光年‛—‚宇观‛的概念。 ‚哈勃‛太空望远镜观测到130亿光年的星系—发现黑 洞存在的证据。
旅行者1号—距离 地 球 已 经 高 达 188 亿千米。
中国将投资 60 亿元 , 用于 将在贵州建造世界上最大 的望远镜，它将使中国的 天文观测能力延伸到宇宙 边缘，寻找第一代诞生的 天体 。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料的两个层次
纳米 超微粒子
纳米 固体材料
粒子尺寸为1～100nm 的超微粒子。 纳米超微粒子制成的固 体材料。
2011年欧盟委员会的定义：纳米材料是一种由基本颗粒组成的 粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三 维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在 整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。 纳米复合材料
纳米复合材料
24
先进复合材料研究进展 纳米级的材料给我们的启示
—在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操 作和控制原子、分子创制新的物质。在纳米结构尺 度上研究物质的特性和相互作用。通俗地说，它是 一种操纵原子、分子或原子团，使其形成所需物质 的技术。
纳米复合材料
• “当人类有朝一日能够按照自己的 主观意愿排列原子的话，世界将会 发生什么呢？” • ¨ “对大尺度的表观物质而言，微 小原子的行为无足轻重， 当我们下 到微观世界把原子胡乱拨弄一通时， 我们将在不同的规律下工作，而且 可以期望做出不同的事情。”
• －1959年12月29日在美国应用物理 年会上的讲话－
• 他预测，若从原子和分子水平上控制物质，将会出现新的作用力和新的效 应。他又设想：“如果有朝一日人们能将百科全书存储在一个针尖大小的 空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”
先进复合材料研究进展 IBM公司的首席科学家Armstrong预言
先进复合材料研究进展 纳米材料的基本概念 纳米的尺度
纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm，
又称为毫微米。
1 nm = 10-3 μm（微米） = 10-9 m = 10 Å 直径小于1nm的粒子为原子簇。纳米粒子的尺度大 于原子簇。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 研究对象的三个层次
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
第二阶段（1994年前）
设计纳米复合材料，0-0复合(粒子-粒 子),0-3(粒子-固体),0-2复合(粒子-薄膜) —国际上把这类材料称为纳米复合材料。 这一阶段纳米复合材料的合成及物性 的探索一度成为纳米研究的主导方向。 复 合 材 料 的 研 究
第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定 的随机性。
“哈勃”太空望远 镜 全球最大单孔500米口 径球面射电望远镜
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 介观世界
• 介观尺度就是指介于宏观和微观之间的尺度；介观体系中 物质粒子大小约在1nm~ 1μm之间。如纳米粒子。 • 介观体系中大的粒子可用光学显微镜观测，小的粒子需用 电子显微镜观测。
纳米复合材料
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 动物体内的纳米粒子
• 以前人们认为蜜蜂是利用北 极星或通过摇摆舞向同伴传 递信息来辨别方向的． • 最近，英国科学家发现，蜜 蜂的腹部存在磁性纳米粒子， 这种磁性的纳米粒子具有 “罗盘”的作用和指南针功 能，蜜蜂利用这种“罗盘” 来确定其周围环境在自己头 脑里的图像而判明方向．
如纳米尺度颗粒、原子团簇等
零维
指在空间有两维处 于纳米尺度，如纳 一维 米丝、纳米管等
纳米材 料分类
指在三维空间中
二维 度，如超薄膜、
石墨烯等。
有一维在纳米尺
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料及纳米结构——纳米材料分类
一维
梦露‚绅士爱金发女郎‛：无 论切割还是打磨，这些精灵永 不褪色，只有钻石才是女人最 好的朋友。
先进复合材料研究进展 纳米科学概念的产生
起源
预言
第四次浪潮
？？？？
起源于20世纪70 人类即将从‚毫 继工业革命以来 年代，并在短时 米文明‛,‚微米 三次主导技术引 间内很快得到迅 文明‛迈向‚纳 发的产业革命后， 猛发展。 米文明‛时代 由纳米技术将引
未来发展的程
度不可预测
发第四次浪潮
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料力学性能研究
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 本章的基本要点：
纳米材料基本 概念和分类 纳米科学研究 中存在的问题
本章内容
纳米材料及 技术的研究
本章内容 本章内容
本章内容
纳米材料及 纳米结构的
内容
力学性能
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料的实际应用—自清洁玻璃（TiO2）
先进复合材料研究进展 微观世界
• 微观领域的研究非常深入，已进入原子核内部。所研究的 物质世界的时空尺度极小，最小时间已10-15s计，尺度空
间以10-10m以下计。因此钱学森提出了‚妙观‛的概念。
• 从微观到妙观层次对物质世界的大规模研究是从第二次世
界大战开始的。
中子
原子核
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
眼可见为上限— —宇宙天体
宏观层次
宇观
肉眼是否 可见为界
微观层次
介观层次 从亚微米，纳米到团 簇尺寸（从几个到几 百个原子以上尺寸）
分子、原子为最大起 点——时间和空间坐标 中无限小的领域
妙观
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 宏观世界
1光年=光走一年的路程 光1秒可以走30万公里 1光年=约等于 9.5万亿公里
• 在对‚宇观‛和‚妙观‛的探索和研究的中发现： 尺度在0.1~100nm之间的物质存在许多奇异的物 理性质，由于正好介于宏观和微观之间，科学家 们就称之为‚介观‛。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米科学概念的产生
• 1974年，日本把纳米这个术语最早提出，但是以 纳米来命名材料是在20世纪80年代，定义：把尺 度在 1～100nm范围颗粒称为纳米颗粒。 • 需要指出的是，有些将纳米体系研究的范围限制在 0.1～100nm的范围（如最小碳纳米管的研究等 等）；极个别的甚至延伸到200nm左右。
Leabharlann Baidu
先进复合材料研究进展
第三阶段（从1994年到现在） 纳米组装体系、人工组装合成的 纳米结构的材料体系或者称为纳米 尺度的图案材料。 纳米结构的组装体系已经成为当 今纳米材料研究的前沿主导方向。 材料组 装的研 究
第三阶段研究的特点要强调按人们的意愿设计、组 装、创造新的体系，更有目的的使该体系具有人们 所希望的特性。
先进复合材料研究进展 三次技术革命
18世纪60年代 19世纪70年代 20世纪四五十年代
英国以瓦特 的蒸汽机为 主导的第一 次技术革命
19世纪70年 代以电力为 主导的第二 次技术革命
以信息为主 导的第三次 技术革命
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料及纳米结构——纳米材料分类
指在空间三维尺度均在纳米尺度，
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 人工纳米结构组装体系
按人类的意志，利用物理和化学的方法人工的将
纳米尺度的物质单元组装，排列构成一维、二维和
三维的纳米结构体系，包括纳米有序阵列体系和介
孔复合体系等。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米结构自组装体系
通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德 瓦尔键和弱的离子键的协同作用把原子、离子或分子 连接在一起构筑成纳米结构或纳米结构的图案。
—1981年G. Binning 和H.Rohrer博士发明了扫描隧 道电子显微镜（Scanning Tunneling Microscopy）， 简称为STM。
可以直接观察到原子。它的横向分辨率达0.1nm， 纵向分辨率达0.01nm。两位博士因发明STM而于1986 年获得诺贝尔物理奖。（从发明到得奖的周期只有5年）
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米科技主要包括
尺寸效应、宏观量子隧道效应 纳米体系物理学
原子操纵， 原子组装 纳米电子学 是纳米药物载体、纳米 生物传感器和成像技术 纳米生物学 纳米材料的 纳米力学 改性对力学 性能影响 纳米材料学 纳米材料 纳米加工学 的制备和 组装等 即原子和分子的去 除、搬迁和重组 纳米复合材料
—我相信纳米科技将在信息 时代的下一阶段占中心地位， 并发挥革命的作用，正如 （20世纪）70年代初微米科 技已经起的作用那样。——
1991年
阿姆斯特朗 纳米复合材料
先进复合材料研究进展
认识与改造微观世界的有力武器 —— 扫描隧道显微镜(STM)
纳米科技的诞生是以STM和原子力显微镜AFM的发 明为先导的。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米级的材料的物理特性
小尺寸效应 表面效应 量子尺寸效应 量子隧道效应
宏观材料—由无限个原子或分子构成 —纳米由数量有限的原子或分子构成， 材料颗粒表面的直径降至纳米级时， 当尺寸等于或者小于德布罗意波长时 纳米颗粒的表面积和表面原子数也急 （量子力学认为微观粒子是运动的）， 剧增多，导致表面原子活性提高，极 当纳米颗粒粒径足够小时，周 周期性边界条件就会被打破，从而使 易于与其他原子相结合—如果把纳米 围的电子状态将发生变化，该 得力、光、磁等方面性能产生显著变 颗粒分散加入到聚合物中，这些表面 现象叫做量子尺寸效应。具有 化，即小尺寸效应。如果聚合物中加 纳米粒子可以贯穿宏观势垒而发生变 原子将易与基体材料分子链段产生反 波动性，从而引发了纳米材料 入纳米粒子，完善其力学性能的同时， 化，该现象为纳米粒子具有的宏观量 应 ，在一定程度上改变了材料的性 诸多独有的性能。 还可获得新性能。 子隧道效应，如导电高聚物等。 能—纳米材料的表面效应。
零维
二维
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米学科分类
按照传统的材料学科体系划分： 纳米晶体材料、纳米陶瓷材料、纳米复合材料、 纳米高分子材料。 按照应用目的分类： 纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米隐身材料、 纳米生物材料等等。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米结构
纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定
纳米化学 研究纳米尺 度下的化学 问题，如制 备、分散等
先进复合材料研究进展 纳米材料及技术的研究内容和对象 纳米材料的三个发展阶段
第一阶段（1990年以前） 实验室探索制备块体（包括薄 膜），研究评估表征的方法—在80 年代末期一度形成热潮。 单个材 料的研 究
研究的对象一般局限在单一材料 和单相材料，国际上通常把这类纳 米材料称为纳米晶或纳米相材料。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料定义
• 人们将组成或晶粒结构控制在100纳米以下的长度 尺寸的材料称为纳米材料，即由纳米颗粒和由它 们构成的纳米薄膜和固体，也可以说纳米材料的 平均粒径或结构尺寸在100纳米以下。
• 广义地讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成 的材料。
微米级TiO2(二氧化钛)—牙膏、化妆品的组成部分；
纳米级TiO2(二氧化钛)—特殊性能。 薄膜 — 在光的作用下由于薄膜的超亲水性—灰 尘会在雨水的冲刷下被轻易的去除 薄膜 — 光催化作用产生氢氧自 由基—分解有毒有害气体 很好的抗紫外防老化效果，使 玻璃的耐酸碱、耐摩擦性更强， 使用寿命更长 自洁玻璃 — 高温热解喷镀工艺 —喷镀一层具有光催 化活性的纳米二氧化钛薄膜 — 在光的作用下产生光 催化作用，接触角＜5°具有超亲水性。 纳米复合材料
规律构筑成或营造一种新的体系，它包括一维的、
二维的、三维的体系。这些物质单元包括纳米微粒、 稳定的团簇或纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺 寸的孔洞。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米结构分类
划分至今没有成熟的看法。
根据纳米结构体系构筑过程中的驱动力是靠外部
因素，还是靠内部因素，大致分为两类：一是人工 纳米结构组装体系，二是纳米结构自组装体系。
纳米复合材料 32
先进复合材料研究进展 纳米材料和技术的发展简史及研究进展
• 自然界中早已充满了纳米微粒和纳米固体。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
•天体的陨石碎片、人兽的牙齿都是由纳米微粒构成
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
•几千年前制备的古铜器和古瓷器表面至今完好无损， 这些表面均是由纳米级的晶粒组成。
• 宏观的探索研究已延伸到宇宙深空。时空单位，如 ‚光年‛、‚亿光年‛—‚宇观‛的概念。 ‚哈勃‛太空望远镜观测到130亿光年的星系—发现黑 洞存在的证据。
旅行者1号—距离 地 球 已 经 高 达 188 亿千米。
中国将投资 60 亿元 , 用于 将在贵州建造世界上最大 的望远镜，它将使中国的 天文观测能力延伸到宇宙 边缘，寻找第一代诞生的 天体 。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料的两个层次
纳米 超微粒子
纳米 固体材料
粒子尺寸为1～100nm 的超微粒子。 纳米超微粒子制成的固 体材料。
2011年欧盟委员会的定义：纳米材料是一种由基本颗粒组成的 粉状或团块状天然或人工材料，这一基本颗粒的一个或多个三 维尺寸在1纳米至100纳米之间，并且这一基本颗粒的总数量在 整个材料的所有颗粒总数中占50%以上。 纳米复合材料
纳米复合材料
24
先进复合材料研究进展 纳米级的材料给我们的启示
—在纳米尺寸范围内认识和改造自然，通过直接操 作和控制原子、分子创制新的物质。在纳米结构尺 度上研究物质的特性和相互作用。通俗地说，它是 一种操纵原子、分子或原子团，使其形成所需物质 的技术。
纳米复合材料
• “当人类有朝一日能够按照自己的 主观意愿排列原子的话，世界将会 发生什么呢？” • ¨ “对大尺度的表观物质而言，微 小原子的行为无足轻重， 当我们下 到微观世界把原子胡乱拨弄一通时， 我们将在不同的规律下工作，而且 可以期望做出不同的事情。”
• －1959年12月29日在美国应用物理 年会上的讲话－
• 他预测，若从原子和分子水平上控制物质，将会出现新的作用力和新的效 应。他又设想：“如果有朝一日人们能将百科全书存储在一个针尖大小的 空间内并能移动原子，那么这将给科学带来什么！”
先进复合材料研究进展 IBM公司的首席科学家Armstrong预言
先进复合材料研究进展 纳米材料的基本概念 纳米的尺度
纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm，
又称为毫微米。
1 nm = 10-3 μm（微米） = 10-9 m = 10 Å 直径小于1nm的粒子为原子簇。纳米粒子的尺度大 于原子簇。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 研究对象的三个层次
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
第二阶段（1994年前）
设计纳米复合材料，0-0复合(粒子-粒 子),0-3(粒子-固体),0-2复合(粒子-薄膜) —国际上把这类材料称为纳米复合材料。 这一阶段纳米复合材料的合成及物性 的探索一度成为纳米研究的主导方向。 复 合 材 料 的 研 究
第一阶段和第二阶段的研究在某种程度上带有一定 的随机性。
“哈勃”太空望远 镜 全球最大单孔500米口 径球面射电望远镜
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 介观世界
• 介观尺度就是指介于宏观和微观之间的尺度；介观体系中 物质粒子大小约在1nm~ 1μm之间。如纳米粒子。 • 介观体系中大的粒子可用光学显微镜观测，小的粒子需用 电子显微镜观测。
纳米复合材料
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 动物体内的纳米粒子
• 以前人们认为蜜蜂是利用北 极星或通过摇摆舞向同伴传 递信息来辨别方向的． • 最近，英国科学家发现，蜜 蜂的腹部存在磁性纳米粒子， 这种磁性的纳米粒子具有 “罗盘”的作用和指南针功 能，蜜蜂利用这种“罗盘” 来确定其周围环境在自己头 脑里的图像而判明方向．
如纳米尺度颗粒、原子团簇等
零维
指在空间有两维处 于纳米尺度，如纳 一维 米丝、纳米管等
纳米材 料分类
指在三维空间中
二维 度，如超薄膜、
石墨烯等。
有一维在纳米尺
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料及纳米结构——纳米材料分类
一维
梦露‚绅士爱金发女郎‛：无 论切割还是打磨，这些精灵永 不褪色，只有钻石才是女人最 好的朋友。
先进复合材料研究进展 纳米科学概念的产生
起源
预言
第四次浪潮
？？？？
起源于20世纪70 人类即将从‚毫 继工业革命以来 年代，并在短时 米文明‛,‚微米 三次主导技术引 间内很快得到迅 文明‛迈向‚纳 发的产业革命后， 猛发展。 米文明‛时代 由纳米技术将引
未来发展的程
度不可预测
发第四次浪潮
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料力学性能研究
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 本章的基本要点：
纳米材料基本 概念和分类 纳米科学研究 中存在的问题
本章内容
纳米材料及 技术的研究
本章内容 本章内容
本章内容
纳米材料及 纳米结构的
内容
力学性能
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米材料的实际应用—自清洁玻璃（TiO2）
先进复合材料研究进展 微观世界
• 微观领域的研究非常深入，已进入原子核内部。所研究的 物质世界的时空尺度极小，最小时间已10-15s计，尺度空
间以10-10m以下计。因此钱学森提出了‚妙观‛的概念。
• 从微观到妙观层次对物质世界的大规模研究是从第二次世
界大战开始的。
中子
原子核
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
眼可见为上限— —宇宙天体
宏观层次
宇观
肉眼是否 可见为界
微观层次
介观层次 从亚微米，纳米到团 簇尺寸（从几个到几 百个原子以上尺寸）
分子、原子为最大起 点——时间和空间坐标 中无限小的领域
妙观
纳米复合材料
先进复合材料研究进展
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 宏观世界
1光年=光走一年的路程 光1秒可以走30万公里 1光年=约等于 9.5万亿公里
• 在对‚宇观‛和‚妙观‛的探索和研究的中发现： 尺度在0.1~100nm之间的物质存在许多奇异的物 理性质，由于正好介于宏观和微观之间，科学家 们就称之为‚介观‛。
纳米复合材料
先进复合材料研究进展 纳米科学概念的产生
• 1974年，日本把纳米这个术语最早提出，但是以 纳米来命名材料是在20世纪80年代，定义：把尺 度在 1～100nm范围颗粒称为纳米颗粒。 • 需要指出的是，有些将纳米体系研究的范围限制在 0.1～100nm的范围（如最小碳纳米管的研究等 等）；极个别的甚至延伸到200nm左右。