纳米材料1课件.ppt

纳 米 材 料（Nano Materials） 一、 纳米科学技术简介 人类对客观世界的认识分为两个层次： 一是宏观领域，二是微观领域。 宏观领域是指以人的肉眼可见的物体为最小物体开始为下限，上至无限大的宇宙天体； 微观领域是以分子原子为最大起点，下限是无限的领域。 基本粒子：电子、质子、中子等；亚粒子：夸克。 介观领域： 在宏观领域和微观领域之间，存在着一块近年来才引起人们极大兴趣和有待开拓的“处女地”。三维尺寸都很细小，出现了许多奇异的崭新的物理性能。 这个领域包括了从微米、亚微米，纳米到团簇尺寸(从几个到几百个原子以上尺寸)的范围。 纳米体系和团簇就从这种介观范围独立出来，形成一个单独的领域（狭义的介观领域）。 1. 纳米（nanometer）是一个长度单位，简写为nm。 2. 纳米科学技术(Nano-ST): 20世纪80年代末期刚刚诞生并正在崛起的新科技，是研究在千万分之一米(10–7米)到十亿分之一米(10–9米)内，原子、分子和其它类型物质的运动和变化的科学；同时在这一尺度范围内对原子、分子等进行操纵和加工的技术，又称为纳米技术。 纳米科技的主要研究内容: 创造和制备优异性能的纳米材料、制备各种纳米器件和装置、探测和分析纳米区域的性质和现象。 3. 纳米科技的分类 纳米材料 把组成相或晶粒结构的尺寸控制在100纳米以下的具有特殊功能的材料称为纳米材料。即三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 纳米器件 所谓纳米器件，就是指从纳米尺度上，设计和制造功能器件。 纳米尺度的检测和表征 在纳米尺度上研究材料和器件的结构及性能。 4. 纳米科技的发展历史 4.1 纳米材料及纳米技术的自然存在 (1) 人和动物坚硬牙齿的外表面，即牙釉质，是由纳米尺寸的微晶组成。 (2) 天体陨石的碎片和海洋中存在的亚微米胶体粒子 (3) 蜜蜂的定向 (4) 螃蟹的横行—磁性粒子“指南针”定位作用的紊乱 (5) 海龟在大西洋的巡航—头部磁性粒子的导航 (6) 莲花效应 —莲花出污泥而不染 荷叶叶面上存在着非常复杂的多重纳米和微米级的超微结构。表面上有许多微小的乳突，乳突的平均大小约为10微米，平均间距约12微米。而每个乳突有许多直径为200纳米左右的突起组成的。 (7) 壁虎飞檐走壁 每只脚底部长着数百万根极细的刚毛，而每根刚毛末端又有约400根至1000根更细的分支。这种精细结构使得刚毛与物体表面分子间的距离非常近，从而产生分子引力。 3.2 纳米科技的发展历史 1959年，Richard Feynman曾经预言：如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话，我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性，就会看到材料的性能产生丰富的变化。 (2) 1984年，德国萨尔大学的Gleiter教授等人首次采用惰性气体冷凝法制备了具有清洁表面的纳米金属粉末，然后在真空室中原位加压成纳米固体，并提出了纳米材料界面结构模型，制备了具有清洁表面的纳米晶体Pd, Fe, Cu等块状材料。 1987年美国Argon实验室Siegel博士用惰性气体原位加压法制备出来了纳米晶材料TiO2多晶体。发现超韧性陶瓷。 (3) 1985年，英国Kroto等采用激光加热石墨蒸发并在甲苯中形成碳的团簇，质谱分析发现C60和C70的新的谱线。 (4) 1990年7月在美国召开的第一届国际纳米科学技术会议，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。 正式提出纳米材料学、纳米生物学、纳米技术的概念。 （Nanostructured Materials, Nanobiology, Nanotechnology ） (5) 1994年在美国波士顿召开的MRS秋季会议上正式提出纳米材料工程。 它是纳米材料研究的新领域，是在纳米材料研究的基础上通过纳米合成、纳米添加发展新型的纳米材料，并通过纳米添加对传统材料进行改性，扩大纳米材料的应用范围，开始形成了基础研究和应用研究并行发展的新局面。 纳米材料发展的三个阶段 (1)第一阶段(1990年以前)，主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体(包括薄膜)，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。国际上通常把这类纳米材料称为纳米晶或纳米相材料(nanocrystalline or nanophase) 。 (2)第二阶段(1994年前)，设计纳米复合材料，通常采用纳米微粒与纳米微粒复合(0-0复合)，纳米