纳米材料的结构特征.ppt

纳米材料的结构特征;纳米材料的机构特征;一、 自然界中的纳米结构与纳米材料;生命起源中的纳米尺度进程;生物纳米结构;壁 虎;水黾;蜜蜂;蜘蛛;二、纳米材料概论;什么是纳米材料？ 纳米材料是指三维空间尺度上至少有一维处于纳米量级或由它们作为基本单元构成的材料。 什么是纳米科技？ 纳米科技(纳米科学技术)是指在纳米尺度上研究物质的特性和相互作用以及利用这种特性开发新产品的一门科学技术。;纳米结构单元 构成纳米材料的结构单元包括限定的团簇或人造原子团簇、纳米微粒、纳米管、纳米棒、纳米丝、同轴纳米电缆、纳米单层膜及多层膜等 。 1 、原子团簇 指几个至几百个原子的聚集体，如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整数）和碳簇（C60，C70和富勒烯等）等。一元原子团簇：包括金属团簇(如Nan,Nin等)和非金属团簇(如C60,C70团簇)；二元原子团簇：包括InnPm, AgnSm；多元原子团簇：Vn(C6H6)m，原子簇化合物：原子团簇与其他分子以配位化学键结合形成的化合物。;2.纳米微粒：纳米微粒(nanoparticles)是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺度大于原子团簇(cluster)，小于通常的微粉，通常把仅包含几个到数百个原子或尺寸小于1nm 的粒子称为簇，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。 3.人造原子：是由一定数量的实际原子组成的聚集体，它们的尺寸小于100nm。研究人造原子特有的量子效应将为设计和制造纳米结构器件奠定理论基础。;三、纳米材料的分类;纳米微粒 纳米固体 纳米纤维 纳米薄膜;3.1、纳米微粒 定义尺度 颗粒：指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。这里所说的一 定一定尺寸一般在毫米到纳米之间，颗粒不仅指固体颗粒，还有雾 滴、油珠等液体颗粒。 一般而言，在室温下，物理化学性质发生显著变化的颗粒尺寸，多数处于0.1微米以下，因而从功能材料角度出发，可以将超细微颗粒尺寸的上限定位0.1微米，即100纳米。 目前机械法粉碎获得颗粒的尺寸一般只能到1微米。超微颗粒是指超越常规制粉手段所获得的微粒。因此1微米可作为超微颗粒的上限，所以笼统的说超微颗粒尺寸在1到1000纳米之间（小于1微米）。大 于1微米就是通常的微粉，小于1纳米的粒子称为原子簇。 超细微颗粒也被称为纳米粒子，纳米颗粒、纳米微粒等。;纳米颗粒的尺度范围;纳米颗粒的形貌 纳米微粒的结晶形态多为球形或类球形，有分散的，也有链条的。 纳米微粒的形貌与制备工艺密切相关 晶体结构和结晶性质与成分和温度有关。 由于诸多因素的影响，例如：温度、动力学、杂质和表面能因素，粒子可以有特殊的结构、形状和尺寸分布。;由于制备方法不同，纳米微粒不仅粒径不同，而且形状也不同。例如，对于纳米Cr微粒，当直径小于20纳米时，微粒基本是球形，并且成链条形状，如图（a）所示。对于大于20纳米的 微粒，他的二维形态是正方形或矩形，如图（b）所示。而对于粒子大于20纳米的 微粒，他的截面呈六边形，如图（c）所示。;几种典型的纳米金属微粒的晶体惯态;3.2纳米固体;纳米固体 纳米固体材料：一般称为纳米结构材料，简称为纳米材料，是由颗粒或晶粒尺寸为1～100nm的粒子凝聚而成的三维块体，其结构可以是晶体、非晶或准晶。 结构特点：小晶粒＋大界面 界面特点： （1）量大（对于5—10nm的固体结构，组成晶界的原子高达15—50％ ）； （2）原子排列具有变化性、多样性； （3）低能组态：晶界原子在压制时具有足够的移动性调整自己处于低能状态。 ;晶界组元：纳米材料中晶界占有很大的体积分数，因而，对纳米材料来说，晶界不仅仅是一种缺陷，更重要的是构成纳米材料的一个组元，即晶界组元，是评定纳米材料的一个重要参数。;（1）纳米固体材料的结构组成 (A)纳米晶体材料的组成：晶粒组元(所有原子都位于晶粒的格点上) ＋晶界组元； (B)纳米非晶材料的组成：非晶组元＋界面组元； (C)纳米准晶材料的组成：准晶组元＋界面组元。 颗粒组元：晶粒组元、非晶组元和准晶组元的统称。 界面组元：晶界组元和界面组元的统称。 ;（2）纳米固体材料的界面组元的特点 (A)原子密度降低 界面部分：平均原子密度比同成分的晶体少10%～30%； 典型的非晶体：密度大约为同成分晶体密度的96%～98%。 (B)最近邻原子配位数变化 晶界的原子间距差别也较大，导致最近邻原子配位数的变化。 ;同粗晶材料的晶界结构相比，纳米材料的晶界结构具有以下特点： 1.晶界具有大量未被原子占据的位置或空间 2.低的配位数和密度 3.存在三叉晶界;;纳米晶粒的缺陷 点