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1、第七章、新材料,第一节、纳米材料第二节、富勒烯类材料第三节、非晶合金第四节、高分子新材料第五节、超导材料第六节、生物材料,第一节、纳米材料,1、什么是纳米(nanometer)？纳米是一个长度计量单位，1纳米=10-9米。2、什么是纳米结构？纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下（1-100nm）的微小结构。3、什么是纳米材料?纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(10-9 10-7m)或由它们作为基本单元构成的材料。4、什么是纳米技术？制造纳米尺度（10-9 10-7m）的器件和材料的科学技术。,纳米科技的基本概念和内涵：,第一节、纳米材料,纳米是一个长度计量单位，1纳米=10-
2、9米,20亿 纳米,100万 纳米,针头,红血球,分子及DNA,1千 纳米,1 纳米,0.1 纳米,氢原子,一根头发的直径大约8万纳米,纳米结构：,纳米科技将促使人类认知的革命,首先，纳米科技的科学意义体现在：纳米尺度下的物质世界及其特性，是人类较为陌生的领域,也是一片新的研究疆土。其次，由于纳米科技是对人类认知领域新疆域的开拓，人类将面临对新理论和新发现重新学习和理解的任务。再次，从人类未来发展的角度看，可持续发展将是人类社会进步的唯一选择。纳米科技将推动产品的微型化、高性能化和与环境友好化，这将极大节约资源和能源，并促进生态环境的改善。这将在新的层次上使为持续发展提供物质和技术保证。,纳米
3、科技将引发一场新的工业革命,纳米技术可能是下个世纪前二十年最重要的技术.-克林顿纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的一个重点，会有一次技术革命，从而将引起21世纪又一次产业革命.-钱学森正像20世纪70年代微电子技术产生了信息革命一样，纳米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。-Armstrong(美国IBM公司首席科学家)纳米技术是继信息技术和生物技术之后，又一深刻影响社会经济发展的重大技术，它的迅猛发展将在21世纪促使几乎所有工业领域产生一场革命性的变化。-白春礼,纳米科技是一门综合性的交叉学科,纳米新科技将成为21世纪科学的前沿和主导科学。目前正处于基础研究阶段，是物理、化学、生
4、物、材料、电子等多种学科交叉汇合点。纳米材料科学是原子物理、凝聚态物理、胶体化学、固体化学、配位化学、化学反应动力学和表面、界面科学等多种学科交叉汇合而出现的新学科生长点。纳米材料研究中的多种学科的交叉、渗透，势必把物理、化学领城的许多学科推向一个新层次。,纳米技术标志性进展：,Nano-flowers,中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣副研究员、张晓娜、表面物理国家重点实验室曹则贤研究员通过应力自组装在无机体系Ag/SiOx微米级的内核/壳层结构上成功地获得了三角格子铺排和斐波纳契数花样。,研究内容以Report形式于2005年8月5日发表在Science上。文章发表后在国际上引起了
5、强烈的反响。Nanotechweb 和 ORF ON Science网站当天就分别以“应变的微结构形成类植物花样”和“微观世界的花朵”作了长篇介绍。,2007年初，基于压电电子学原理，王中林研究小组用超声波带动纳米线阵列运动，研制出能独立从外界吸取机械能、并将之转化为电能的纳米发电机模型。在超声波带动下，这种纳米发电机已能产生上百纳安的电流。自然（Nature），451,809-813(2008)，Yong Qin,Xudong Wang&Zhong Lin Wang,DNA开关：,美国斯坦福大学的研究人员设计出了世界上第一个千兆级纳米碳管芯片科学家们正在寻求利用纳米碳管来替代电路中的铜导线,
6、这是因为它拥有更强的电气性能,之前,纳米碳管在集成电路中的运用一直是一门难题,而研究人员相信他们已经解决了这一问题,该项目与东芝有着技术合作,拥有11000个晶体管和256个环形振荡器,频率为1GHz.研究中采用的纳米碳管多采用5微米至50-100纳米的直径,而未来版本的芯片甚至可以用小到1nm直径的纳米管.大规模生产纳米碳管本身就是一项艰巨的任务,但2008年1月时,一组韩国的科学家宣称发明了一种新的量产纳米碳管的方法.,科学家们利用纳米技术会创造出无法预测的奇迹！,太空索道想象图,纳米机器人,纳米材料的四大效应,（1）表面效应 是指纳米粒子表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后引
7、起的性质上的变化。（2）量子尺寸效应 当粒子尺寸降低到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立能级和纳米半导体微粒的能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。（3）小尺寸效应 当纳米粒子尺寸与德布罗意波以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，对于晶体其周期性的边界条件将被破坏，对于非晶态纳米粒子其表面层附近原子密度减小，这些都会导致电、磁、光、声、热力学等性质的变化，这称为小尺寸效应。（4）宏观量子隧道效应 微观粒子具有穿越势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，
8、故称为宏观量子隧道效应。,粒子的大小与表面原子数的关系,纳米材料特殊的物理性质,例1：金的常规熔点为1064，当颗粒尺寸减小到10纳米时，则降低27，2纳米尺寸时的熔点仅为327左右；银的常规熔点为670，而超微银颗粒的熔点可低于100。因此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。例2：原来是导体的铜等金属，在尺寸减少到几个纳米时就不导电了；而绝缘的二氧化硅等，电阻会大大下降，失去绝缘特性，变得能导电了。,纳米材料制备方法,1、化学法：气相法和液相法气相法气溶胶法激光法等离子法裂解法氧化法水解法燃烧法,液相法化学沉淀法(均匀沉淀法,共沉淀
9、法)水解法(醇盐,卤化物)溶胶-凝胶法水热法,2、物理法：气相法气体冷凝法固相法高能球磨法搅拌磨法震动磨法,纳米材料的应用：,电子、信息航空、航天机械、化工生物、能源军工、民用,美国Nanochip宣布，为采用MEMS技术开发每个芯片容量超过10GB的大容量硅存储器，从英特尔投资(Intel Capital)和美国JK&B Capital共筹集了1400万美元，Nanochip将在2008年底之前实现能够评测的MEMS存储器样品，2009年有望在限定范围内供应样品。,第二节、富勒烯类材料,C60的结构特点,60个顶点，32个面（20个正六边形，12个正五边形）;sp2 杂化，整个表面形成一个大
10、的共轭体系。所以可以这样描绘C60的表面结构：,富勒烯的特殊性质,电负性(electronegativity)导电性（共轭体系，超导）非线性光学性质（对称结构）分子容器,含有富勒烯组分的高分子的基本类型 Basic types of fullerene-contained polymer,按照结构，主要分为以下六种：,1 富勒烯处于主链上的高分子(in-chain)，也称“珍珠项链型(pearl necklace)”。,富勒烯单元直接结合到高分子的主链中Fullerene in the backbone of the polymer.,2 垂吊型(pendant type),高分子的侧链上挂有
11、富勒烯。Polymers bearing pendant fullerenes.,3 星射线型(starburst type),富勒烯作为高分子的“联结枢纽”，从而组成带有交联结构的高分子。Random polymers irradiating from a fullerene spheroid.,4 富勒烯终止链型(fullerene end-capped type),富勒烯挂在高分子的链端上。Polymers terminated by a fullerene unit.,5 树枝型(dendrimer),富勒烯作为联结点将两个相似的高分子联结在一起，状如树枝与树根。,六 C60键合到基质
12、表面的高分子衍生物(matrix-bound),主要有以下两种结构：,A.Matrix-bound,B.Coating,纳米碳管储氢,富勒烯储氢,第三节、非晶合金,非晶合金-是一种无序原子结构的合金，它代表了冶金学中最新的材料，其典型生产过程是由熔融的合金在最初的冷却速度率接近于每秒100万度的情况下凝固而成。在物理性能、化学性能、机械性能等诸多方面具有传统金属材料无可比拟的优异特性。,结晶态,超细晶,非晶态,非晶合金产品：,薄膜、带材：,非晶合金的应用,配电变压器：采用非晶合金作为铁芯材料的配电变压器，其空载损耗比同容量的硅钢变压器降低6080，减少了能源消耗，具有很好的经济效益和环境效益。
13、在第十一个五年计划中，国家提出了在GDP成长的同时，必须达到20的单位GDP能耗降低指标，导致政府对现行变压器标准的修改和现行高能耗变压器的淘汰，有利于非晶变压器的推广使用。十一五期间，国家电力投资的大幅增加将提高对新型节能变压器的需求总量。,非晶硅太阳能电池：非晶硅具有较高的光吸收系数。特别是在0.3-0.75m的可见光波段，它的吸收系数比单晶硅要高出一个数量级。因而它比单晶硅对太阳辐射的吸收效率要高40倍左右，用很薄的非晶硅膜（约1 m厚）就能吸收90%有用的太阳能。这是非晶硅材料最重要的特点，也是它能够成为低价格太阳能电池的最主要因素,非晶态合金的制备,要获得非晶态，必须要有足够快的冷却
14、速度(106K/s)，已经发展了许多技术。不同技术，非晶态合金形成过程又有较大的区别。制备方法大致可以分为三类：（1）由气相直接凝聚成非晶态固体，如真空蒸发、溅射、化学气相沉积等，用这种方法非晶材料生长速率相当低，一般只用来制备薄膜；（2）由液态快速淬火（急冷）获得非晶态固体，这是目前最广的制备方法；（3）由结晶材料通过辐射、离子注入等方法，可在金属表面产生400um厚的非晶层。,第四节、高分子新材料,高分子分离膜 气体、液体的分离光电功能高分子材料 导电材料、发光材料（OLED）,高分子分离膜,随着科学技术的迅猛发展和人类对物质利用广度的开拓，物质的分离已成为重要的研究课题。分离的类型包括同
15、种物质按不同大小尺寸的分离；异种物质的分离；不同物质状态的分离等。在化工单元操作中，常见的分离方法有筛分、过滤、蒸馏、蒸发、重结晶、萃取、离心分离等。然而，对于高层次的分离，如分子尺寸的分离（气体、液体分离）、生物体组分的分离等，采用常规的分离方法是难以实现的，或达不到精度，或需要损耗极大的能源而无实用价值。具有选择分离功能的高分子材料的出现，使上述的分离问题迎刃而解。,膜分离过程原理：以选择性透膜为分离介质，通过在膜两边施加一个推动力（如浓度差、压力差或电压差等）时，使原料侧组分选择性地透过膜，以达到分离提纯的目的。通常膜原料侧称为膜上游，透过侧称为膜下游。,膜上游 透膜 膜下游,分离膜种类
16、：,分离膜,膜材料的分类,有机导电化合物（具有共轭键）,*聚乙炔,*聚苯胺,光诱导电子转移与电荷转移化合物,芪类化合物分子结构式,R,R,在光激发下，分子受激产生电子转移的现象称为光诱导电子转移。如给体与受体为不同分子称为分子间电子转移，如给体与受体为一个分子则称为分子内电子转移，电子跃迁回基态可产生发光。,有机化合物的荧光发射,OLED器件：,第五节、超导材料,1911年，卡茂林昂尼斯意外地发现，将汞冷却到268.98时，汞的电阻突然消失；后来他发现许多金属和合金都具有与上述汞相类似的低温下失去电阻的特性。超导发现90多年来，材料研究已经取得了很多成果，并获得了很多成功的应用，如磁悬浮等。,
17、超导体的两个重要物理特性,零电阻超导态 实验表明：超导状态中零电阻现象不仅与超导体温度有关，还与外磁场强度和通过超导体的电流有关，这意味着存在临界电流，超过临界电流就会出现电阻.迈斯纳效应完全抗磁性 这种性质是1993年迈斯纳研究超导态的磁性时发现的，即不管超导体内原来有无磁场，一旦进入超导态，超导体内的磁场一定等于零，即具有安全抗磁性，超导体的完全抗磁性会产生磁悬浮现象，磁悬浮现象在工程技术中可以用来制造磁悬浮列车和超导无摩擦轴承等.,麦斯纳效应,超导材料的应用,在电力工程方面的应用 超导输电在原则上可以做到没有焦耳热的损耗，因而可节省大量能源；用超导线圈储存能量在军事上有重大应用，超导线圈
18、用于发电机和电动机可以大大提高工作效率、降低损耗，从而导致电工领域的重大变革.超导技术在交通运输方面的应用 用超导体产生的强磁场可以研制成磁悬浮列车，车辆不受地面阻力的影响，可高速运行，车速达500 km/h以上，若让超导磁悬浮列车在真空中运行，车速可达1 600 km/h，利用超导体制成无摩擦轴承，用于发射火箭，可将发射速度提高3倍以上.,上海磁悬浮列车浦东浦东机场时速达301km/h,超导技术在电子工程方面的应用 用超导技术制成各种仪器，具有灵敏度高、噪声低、反应快、损耗小等特点，如用超导量子干涉仪可确定地热、石油、各种矿藏的位置和储量，并可用于地震预报；用超导芯片制成超级计算机速度快、容
19、量大、体积小、功耗低。超导技术在生物医疗方面的应用 超导磁体在医学上的重要应用 是核磁共振成像技术，可分辨 早期肿瘤癌细胞等，还可做心 电图，脑磁图、肺磁图，研究 气功原理等.,超导技术在军事上的应用 超导储能装置在定向武器上的应用使定向武器发生飞跃的发展.超导发电机，推进器在飞机上的应用可大大提高飞机的生存能力，在航海中的应用，可大大减小甚至没有噪音，推进速度快，可大大提高舰艇的生存、作战能力，超导计算机应用于C3I指挥系统，可使作战指挥能力迅速改善提高等等.,超导材料研究,BiSrCaCuO新型铁基 高温超导材料 中国领先！,第六节、生物材料,生物医学材料 主要是生物相容性，用于人工器官的
20、制造 和生物器官的修复。生物功能材料 利用生物材料的光、电、磁、热、声、力等功能性和转换能力，制造功能性器件。,生物芯片技术,生物信息技术,生物材料技术,生物能源技术,生物光电技术,生物传感器技术,生物技术与其他技术融合,生物芯片,生物探针功能芯片生物计算机,新方法、新结构、新性能、新应用是材料科学与工程（MSE）永恒的主题。-左铁镛,材料科学概论习题：,人类使用材料的历史共经历了那几个时代？主要标志是什么？列出材料科学与工程的四要素，并说明其重要性和相互关系。材料分哪四大类？无机非金属材料主要哪几类？简述其特性。材料的失效有那些原因？金属材料的热处理有那些、其作用是什么？非铁金属和合金主要有哪些？简述其应用。简述陶瓷材料的结构和特性。高分子材料在结构和性质方面有什么特点？复合材料有几大类，其主要应用是什么？什么是纳米材料？纳米材料有哪些物理特性？,考题结构,1、填空（10个小题，每题3分，共30分）2、金属材料、1题，15分3、无机非金属、1题，15分4、高分子材料、1题，15分5、复合材料、1题，15分6、新材料、1题，10分,
