纳米材料74575.ppt

纳米材料的制备与性能 美国： 美国认为：纳米科学与工程将成为未来科学与工程中最有可能产生突破性成就的领域，它将导致下一次工业革命。美国要在这一新兴领域拥有主导地位，并在21世纪上半叶保持世界经济和国家安全的领导地位。 美国总统克林顿在2000年1月21日提出“国家纳米技术计划(NNI)”：2000年投资2.7亿美元，2001年投资4.95亿美元。 美国国家纳米计划2000年和2001年的部门预算 欧盟： 欧盟也制定了相应的纳米科技竞争计划，主要有“欧洲联合幻影计划”，“微电子先进研究计划”（1996-1999），“纳米技术信息器件”（1999-2003）计划，EURIMUS计划（1998-2002），英国的“纳米科技联系计划”，德国教育与科技部的“纳米科技重点计划”，法国的“国家微科学技术计划”（1993-2000），以及荷兰、丹麦等国相继提出了有关纳米科技研究的计划。 我国著名科学家钱学森预言：纳米和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会是一次技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命。  1990年4月IBM公司的科学家用35个氙原子排列成“IBM”字样,开创了人类操纵单个原子的先河. 2. 纳米微粒的物理特性纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具有广阔的应用前景。 2.1 热学性能纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多。 非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体。 传统非晶Si3N4在1793K晶化为?相，纳米非晶Si3N4微粒在1673K 加热4小时全部转变为?相。 Al2O3粒径为8nm、15nm和35nm时，粒子快速长大的开始温度分别为1073K、1273K和1423K。 2.2 磁学性能纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应等使得它具有常规粗晶处理所不具备的磁特性。具体表现在： （1）超顺磁性： 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态，例如?-Fe、Fe3O4和?-Fe2O3粒径分别为5nm、16nm和20nm时变成顺磁体。 （2）矫顽力纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力。例如，粒径为16nm的Fe微粒，矫顽力在5.5K时达1.27×105A/m，室温下，Fe的矫顽力仍保持7.96×104A/m，而常规的Fe块体矫顽力通常低于79.62 A/m。  （3）居里温度 纳米微粒由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。 例如，85nm粒径的Ni微粒的居里温度约623K，略低于常规块体Ni的居里温度（631K）。 2.3 光学性能 由于量子尺寸效应和表面效应对纳米微粒的光学特性有很大的影响，甚至使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具备的新的光学特性。 主要表现在： （1）宽频带强吸收 当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。例如，铂金纳米粒子的反射率为1%，金纳米粒子的反射率小于10%。 纳米Si3N4、SiC和 Al2O3对红外有一个宽频带强吸收谱 许多纳米微粒，例如ZnO、Fe2O3 和TiO2等，对紫外线有强吸收作用，而亚微米级的TiO2对紫外线几乎并不吸收。 （2）蓝移和红移现象 与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。 例如：纳米SiC颗粒和大块SiC固体的峰值红外吸收频率分别是814cm-1和794cm-1。 在一些情况下，粒径减小到纳米级时，可以观察到光吸收带相对粗晶材料呈现“红移”现象，即吸收带移向长波长。 （3）纳米微粒的发光 纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。 1990年，日本佳能研究中心的Tabagi发现，粒径小于6nm的Si在室温下可以发射可见光。而当粒径大于6nm时，这种光发射现象消失。 （4）纳米微粒分散物系的光学性质 纳米微粒分散于分散介质中形成分散物系（溶胶），如果让一束聚集的光线通过这种分散物系，在入射光的垂直方向可看到一个发光的圆锥体。 这种现象是在1869年由英国物理学家丁达尔发现的，故称丁达尔效应。这个圆锥称为丁达尔圆锥。 2.4 表面活性和敏感特性纳米微粒具有高的表面活性。金属纳米微粒粒径小于5nm时，使催化性和反应的选择性呈特异行为。 例如，用Si作载体的Ni纳米微粒作催化剂时，当粒径小于5nm时，不仅表面活性好，使催化效应明显，而且对丙醛的氢化反应中反应选择性急剧上升，即使丙醛到正丙醛氢化反应优先进行，而使脱羰引起的副