先进制造技术课件作者李伟第7章节-纳米技术.ppt

第7章 纳米技术 第7章 纳米技术 7.1 概述 7.2 纳米材料结构与性能 7.3 纳米材料的制备 7.4 纳米级测量技术 7.5 纳米级加工技术 7.1.1 纳米材料定义及分类 7.1.1 纳米材料定义及分类 1.纳米粉末(零维) 2.纳米纤维(一维) 3.纳米膜(二维) 4.纳米块体(三维) 5.纳米复合材料 6.纳米结构 6.纳米结构 1.纳米技术的发展历史和现状 2.纳米技术在高科技领域中的应用 7.2.1 纳米材料的结构 1.气相法制备纳米微粒 不同材料的原子间结合能密度 许多化合物可采用水解生成相应的沉淀物，而用来制备超微粒子。 水解产物一般为氢氧化物或水合氧化物，原料的水解反应对象是金属盐和水。如果能高度精制金属盐，就很容易得到高纯度的微粉。这类化合物有氯化物、硫酸盐、硝酸盐、铵盐等无机盐，此外还经常采用金属醇盐。因此可将水解法分为无机盐水解法和金属醇盐水解法。 水解法是目前制备氧化物纳米粒子的一个重要手段。 (2)水解法 溶胶-凝胶技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经相应的热处理而形成氧化物或其他化合物固体的方法。 溶胶-凝胶法不仅可用于制备微粉，还可用于制备薄膜、纤维、体材和复合材料，尤其薄膜制备是溶胶-凝胶技术最重要、最有前途的应用。 (3)溶胶-凝胶法 溶胶-凝胶法主要优缺点为： 粉料(特别是多组分粉料)制备过程中无需机械混合，不易引进杂质，因此纯度高； 由于溶胶-凝胶过程中，溶胶由溶液制得，化合物在分子级水平混合，因而化学均匀性好； 颗粒细，胶粒尺寸小于0.1μm； 合成温度低，成分容易控制； 工艺、设备简单，但原材料价格昂贵； 凝胶颗粒之间烧结性差； 干燥时收缩大。 (3)溶胶-凝胶法 固相法制备纳米材料采用固体原材料(如金属粉末氮化物,碳化物)经过高温或球磨而获得纳米粉体的过程，称之为固相法制备纳米材料。 固相法制备纳米微粒可分为：机械粉碎法、固相反应法、热分解法及火花放电法等。 3.固相法制备纳米微粒 将直径约50μm的粉体和许多硬钢球或包覆着碳化钨的球，放在一个密封的容器里，该容器旋转、振动或猛烈地摇动。 磨球与粉体质量的有效比是5～10，但也随加工原材料的不同而有所区别。 (1)球磨法 固相反应法通常是按最终合成所需组成的原料混合，再在高温或室温使其反应的方法。 对应的称为高温固相反应法及室温固相反应法。 固相反应是陶瓷材料科学的基本手段，粉体间的反应相当复杂，反应过程一般有4个阶段：扩散、反应、成核和生长。 (2)固相反应法 7.4 纳米级测量技术 7.4.1 纳米级测量方法简介 7.4.2 Fabry-Perot标准具的测量技术 7.4.3 X射线干涉测量技术 7.4.4 扫描隧道显微测量技术 纳米级测量技术包括：纳米级精度的尺寸和位移的测量，纳米级表面形貌的测量。 在纳米级测量技术中，主要有光干涉测量技术及扫描显微测量技术两个发展方向。 7.4 纳米级测量技术 7.4.1 纳米级测量方法简介 光干涉测量技术是利用光的干涉条纹以提高测量分辨率。 纳米级测量使用波长很短的激光或X射线进行测量，可以有很高的测量分辨率。 光干涉测量技术可用于长度和位移的精确测量，也可用于表面显微形貌的测量。 用这种原理的测量方法主要有：双频激光干涉测量，激光外差干涉测量，超短波长(如X射线等)干涉测量，基于F-P(Fabry-Perot)标准具的测量技术等。 1.光干涉测量技术 扫描显微测量技术主要用于测量表面的微观形貌和尺寸。 它的原理是用极尖的探针(或类似的方法)对被测表面进行扫描(探针和被测表面实际并不接触)，借助纳米级的三维位移定位控制系统测出该表面的三维微观立体形貌。 用这原理的测量方法有：扫描隧道显微镜(STM)，原子显微镜(AFM)，磁力显微镜(MFM)，激光力显微镜(LFM)，热敏显微镜(TSM)，光子扫描隧道显微镜(PSTM)，扫描近场声显微镜，扫描离子导电显微镜等。 2.扫描显微测量技术 基于F-P标准具的测量技术具有极高的灵敏度和精度，其核心部分是由两块平面度和平行度极高的平面镜构成的谐振腔。 这两个平面镜有很高的反射率，只有很少部分光透过镜片输出。具有半波长λ/2为腔长的整数分之一的光速腔内形成驻波，其输出得到加强。 1nm的位移所对应的谐振频率改变量为47MHz，故理论上F-P标准具的测量分辨率可以高达10-