《材料化学导论》课程教学课件（讲稿）08 纳米属材料

第8章纳米材料纳米材料的起因8.1纳米材料的定义8.2纳米材料的特性8.3纳米材料的分类8.4纳米材料的特点8.5纳米材料的制备8.6

纳米材料的起因 纳米材料的定义 纳米材料的特性 纳米材料的分类 纳米材料的特点 第8章 纳米材料 纳米材料的制备 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

88.1纳米材料的起因8.1纳米材料的起因1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料开创纳米材料学之先河。1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科学技术学术会议(Nano-ST)，标志着纳米材料学作为一个相对独立学科的诞生。材料科学与工程学院

8.1 纳米材料的起因 1984年，德国萨尔布吕肯的格莱特(Gleiter)教授把粒径 为6nm的金属铁粉原位加压制成世界上第一块纳米材料， 开创纳米材料学之先河。 1990年7月，在美国巴尔的摩召开了第一届国际纳米科 学技术学术会议(Nano-ST)，标志着纳米材料学作为一个 相对独立学科的诞生。 §8.1 纳米材料的起因 材料科学与工程学院

88.1纳米材料的起因纳来材料的使用古已有之。据研究认为中国古代字画之所以历经干年而不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。中国古代铜镜表面的防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有清楚的了解而已。纳米材料是80年代初发展起来的新材料领域，它具有奇特的性能和广阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料，引起了科学界和企业界的极大关注。一些国家政府高度重视纳米材料，先后将其列入美国的“星球大战”、欧洲的“尤里卡”及日本的“高技术探索研究”等高技术研究计划，发展迅速。我国也及时地编制“863”计划，对其进行跟踪和研究开发，国家火炬计划重点支持研究成果向生产力的转化，使纳米材料的研究开发取得了可喜的进展。材料科学与工程学院

纳米材料的使用古已有之。据研究认为中国古代字画之所以历经千年而 不褪色，是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。中国古代铜镜表面的 防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有 清楚的了解而已。 纳米材料是80年代初发展起来的新材料领域，它具有奇特的性能和广 阔的应用前景，被誉为跨世纪的新材料，引起了科学界和企业界的极大 关注。 一些国家政府高度重视纳米材料，先后将其列入美国的“星球大战”、 欧洲的“尤里卡”及日本的“高技术探索研究”等高技术研究计划，发 展迅速。我国也及时地编制“863”计划，对其进行跟踪和研究开发，国 家火炬计划重点支持研究成果向生产力的转化，使纳米材料的研究开发 取得了可喜的进展。 §8.1 纳米材料的起因 材料科学与工程学院

88.2纳米材料的定义8.2纳米材料的定义纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位1nm=10-9m。纳米材料是指材料的晶粒和晶界等显微构造能达到纳来级尺度水平的材料。材料科学与工程学院

8.2 纳米材料的定义  纳米(nm)和米、微米等单位一样，是一种长度单位， 1nm=10-9m。  纳米材料是指材料的晶粒和晶界等显微构造能达到纳米级 尺度水平的材料。 §8.2 纳米材料的定义 材料科学与工程学院

88.3纳米材料的特性8.3纳米材料的特性（一）、纳米效应表面效应（界面和表面的悬键）、量子尺寸效应、体积效应、宏观量子隧道效应、界面相关效应等基本特性，这些特性使得纳米材料有着传统材料无法比拟的独特性能和极大的潜在应用价值。材料科学与工程学院

8.3 纳米材料的特性 （一）、纳米效应  表面效应（界面和表面的悬键）、量子尺寸效应、体积效 应、宏观量子隧道效应、界面相关效应等基本特性，这些 特性使得纳米材料有着传统材料无法比拟的独特性能和极 大的潜在应用价值。 §8.3 纳米材料的特性 材料科学与工程学院

88.3纳米材料的特性1.纳米材料的表面效应指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化当颗粒的粒径在10nm以下时，将迅速增加表面原子的比例。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子的表面。如：粒径10nm，比表面积为90m2/g，粒径为5nm，比表面积猛增到450m2/g。由于纳米粒子表面原子数增多，比表面积增大，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。例如，金属纳米粒子在空气中会迅速氧化而燃烧，无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。材料科学与工程学院

1. 纳米材料的表面效应 指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后 所引起的性质上的变化。 当颗粒的粒径在10nm以下时，将迅速增加表面原子的比例。当粒径 降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳 米粒子的表面。如：粒径10nm，比表面积为90m2 /g，粒径为5nm，比 表面积猛增到450m2 /g 。 由于纳米粒子表面原子数增多，比表面积增大，表面原子配位数 不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具 有很高的化学活性。例如，金属纳米粒子在空气中会迅速氧化而燃烧， 无机纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 §8.3 纳米材料的特性 材料科学与工程学院

88.3纳米材料的特性2.纳米材料的量子尺寸效应当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级：并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料的量子尺寸效应。材料科学与工程学院

当纳米粒子的尺寸下降到某一值时，金属粒子费米面附 近电子能级由准连续变为离散能级；并且纳米半导体微粒 存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据 的分子轨道能级，使得能隙变宽的现象，被称为纳米材料 的量子尺寸效应。 2. 纳米材料的量子尺寸效应 §8.3 纳米材料的特性 材料科学与工程学院

88.3纳米材料的特性3.纳米材料的体积效应由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体积效应。材料科学与工程学院

由于纳米粒子体积极小，所包含的原子数很少，相应的 质量极小。因此，许多现象就不能用通常有无限个原子的 块状物质的性质加以说明，这种特殊的现象通常称之为体 积效应。 3. 纳米材料的体积效应 §8.3 纳米材料的特性 材料科学与工程学院

88.3纳米材料的特性4.宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。材料科学与工程学院

微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。 近来年，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度、 量子相干器件中的磁通量以及电荷等亦具有隧道效应，它 们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化。 4. 宏观量子隧道效应 §8.3 纳米材料的特性 材料科学与工程学院

88.3纳米材料的特性5.界面相关效应由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比，纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑性等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相；出现超强度、超硬度、超塑性等。材料科学与工程学院

由于纳米结构材料中有大量的界面，与单晶材料相比， 纳米结构材料具有反常高的扩散率，它对蠕变、超塑性 等力学性能有显著影响；可以在较低的温度对材料进行 有效的掺杂，并可使不混溶金属形成新的合金相；出现 超强度、超硬度、超塑性等。 5. 界面相关效应 §8.3 纳米材料的特性 材料科学与工程学院