第5章纳米材料.ppt

五元环和七元环使碳纳米管变形弯曲 最细的碳纳米管(4,4)(直径0.4nm) 倒T形碳纳米管结构的分子三极管 石墨电弧法制备多壁碳纳米管 激光蒸发石黑棒法制备碳纳米管 催化裂解法制备多壁碳纳米管 石墨电弧法生产单壁碳纳米管 相互缠绕的网状单壁碳纳米管束 多孔氧化铝模板 定向生长的方柱形碳纳米管束阵列 多壁碳纳米管两种不同的生长机制 分子自组装 定向生长的多壁碳纳米管薄膜 纳米复合材料的不同复合方式 量子磁盘 纳米电缆 高速超微粒子沉积法制备纳米复合薄膜 溅射法制备镶嵌膜原理图 应用化学原理制备纳米薄膜的方法 5.5 纳米块体材料 1. 纳米块体材料的结构 1) 纳米块体材料的结构特点 由颗粒或晶粒尺寸为1~100 nm的粒子凝聚而成的三维块体。 界面所占的体积分数，已与纳米微粒所占体积分数在同一数量级 分类： (1) 纳米晶体材料：是由晶粒组元和晶界组元所构成； (2) 纳米非晶体材料：是由非晶组元和界面组元所构成； (3) 纳米准晶体材料：是由准晶组元和界面组元所构成。 晶体中原子或分子在空间按一定规律周期性重复的排列； 原子或分子无规则排列，无周期性无对称性的固体叫非晶； 无平移周期性但有位置序的晶体就被称为准晶体。 2) 纳米固体材料的结构缺陷 纳米固体材料的结构缺陷有三种类型： (1)点缺陷。包含空位、空位对、空位团、溶质原子、杂质原子等； (2)线缺陷。包含位错、刃形位错、螺形位错、混合型位错等； (3)面缺陷。包含层错、相界、晶界、三叉晶界、孪晶界等。其中对纳米固体材料性 能影响最大的是：位错、三叉晶界和空位。 纳米微晶固体结构示意图 2. 纳米固体材料的性能 1) 纳米固体材料的强度： 较普通材料约可增高20 %以上 2) 纳米固体材料的硬度： H = H0 + Kd -1/2 3) 纳米固体材料的弹性模量： 性能 材料 普通多晶体材料 纳米晶固体材料 增量百分比 相氏模量 Pd 123 88 -28% E /GPa CaF2 111 38 -66% 切变模量G /GPa Pd 43 32~25 -20% 4) 纳米固体材料的塑性和韧性 5) 纳米固体材料超塑性 6) 纳米固体材料的热学性能 ：比热 、热膨胀 、热稳定性 σy = σ0 + Kd -1/2 3. 纳米固体材料的制备方法 1) 纳米金属和合金材料的制备方法 (1) 惰性气体蒸发凝聚原位加压制备法 (2) 高能球磨法结合加压成块法 (3) 非晶体晶化法 2) 纳米陶瓷材料的制备 (1) 无压烧结法 (2) 热压烧结法 惰性气体蒸发凝聚原位加压装置原理 5.6 原子团簇和碳纳米管 1.原子团簇 富勒烯是一系列纯碳组成的原子簇的总称 原子团簇（Atom cluster）是一类新发现的化学物种，是在20世纪80年代才出现的，原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体，是粒径等于或小于1nm的原子聚集体。 原子团簇有许多奇异的特性，如极大的比表面积使它具有异常高的化学活性和催化活性、光的量子尺寸效应和非线性效应、电导的几何尺寸效应、C60掺杂及掺包原子的导电性和超导性，碳纳米管和碳葱的导电性等等。 2. 碳团簇和C60 Nan、Nin、Fen C50，C60，C70 1985 年美国化学家R. Smalley 等人发现了碳的一系列新的单质，其中最重的组元是由 60 个碳原子组成的独立分子 C60 Fuller 设计的建筑 C60的笼状结构与命名：命名为Fullerene，中译名为富勒烯，又因其形状酷似足球，所以又称足球烯。 Kroto 教授的猜想 在富勒烯分子中，每个顶点上的C原子都以sp2杂化轨道和相邻的三个碳原子相连，剩余的p轨道在C60的外围和腔内形成大π键。 现在已经知道，富勒烯有一个庞大的家庭，包括C32、C50、C60、C70、C80、C240、C540等。没有闭合成球而沿着一维长度以管状伸展的称为碳纳米管。 C60 C540 C240 C70 理查德·E·斯莫乐 哈罗德·W.·克罗托 罗伯特·F.·科尔 1985年发现C60，1996年获诺贝尔化学奖！ 富勒烯的结构特点 以C60为代表的富勒烯均是空心球形构型，碳原子分别以五元环和六元环而构成球状。如C60就是由12个正五边形和20个正六边形组成的三十二面体，像一个足球。每个五边形均被6个六边形包围, 而每个六边形则邻接着3个五边形和3个六边形。富勒烯族分子中的碳原子数是28、32、50、60、70……240、540等偶数 系列的“幻数”。 C