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1、2010-12-3,1,纳米材料综述,Exploring,组员：张跃 杨圣雄 詹先彪 田勇 马文静,2010-12-3,2,Outline,纳米材料的应用,5.,结束语,2010-12-3,3,1.纳米的发展大致分为3个阶段,第一阶段,(1990年即在召开“Nano 1”以前)主要是在实验室探索各种纳米粉体的制备手段研究对象一般局限于纳米晶或纳米相材料。,第二阶段,(从1994年至今)纳米组装体系研究。以纳米颗粒以及纳米丝、管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系的研究。,(1990年1994年)人们关注的热点是设计纳米复合材料。,2010-12-3,4,2 维纳米材料
2、（量子面）纳米薄膜。电子在一个方向的运动受到约束。,1 维纳米材料（量子线）纳米线。电子在两个方向的运动受到约束。,0 维纳米材料（量子点）纳米微粒和原子团簇。电子在三一个方向的运动受到约束,纳米复合材料不同化学成分复合而成或不同 维度纳米单元而成（如1-2维，1-3维，2-3维等,2010-12-3,5,各种方法有各自的特点和适用范围,3.纳米材料的制备,2010-12-3,6,3.1 气相法制备纳米材料,蒸发-冷凝法此种制备方法是在低压的Ar、He 等惰性气体中加热金属，使其蒸发汽化,然后在气体介质中冷凝后形成 5-100 nm的纳米微粒。,2010-12-3,7,3.2 液相法制备纳米材
3、料,1、化学沉淀法 可溶性盐溶液中，加入沉淀刘(如OH-、C2O42-，CO32-等)后，（或使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物）从溶液中析出，并将溶液中原有的阴离子洗去，经热分解即得到纳米的氧化物粉料。,2、喷雾法 将溶液雾化获得纳米粒子的一种化学与物理相结合的方法。它的基本过程包括溶液的制备、喷雾、干燥、收集和热处理，其特点：颗粒分布比较均匀，具体的尺寸范围取决于制备工艺和喷雾的方法。,压缩气体,2010-12-3,8,3、溶胶凝胶法包括以下几个过程：(1)溶胶的制备。有两种方法制备溶胶：其一.先将组分用适当沉淀剂先沉淀出来，经解凝，使原来团聚的沉淀颗粒分散成原始颗粒，其大小在溶胶体系中
4、胶核的大小范围，因而可制得溶胶；另一种方法是由同样的盐溶液出发，通过对沉淀过程的仔细控制，使形成的颗粒不致团聚为大颗粒而沉淀，从而得到溶胶。,(2)溶胶凝胶转化。溶胶中含大量的水，凝胶化过程中，使体系失去流动性，形成一种开放的骨架结构。实现胶凝作用的途径有两个：一是化学法；二是物理法。(3)凝胶干燥。在一定条件下(如加热)使溶剂蒸发，得到粉料。干燥过程中凝胶结构变化很大。,2010-12-3,9,3.3 固相法制备纳米材料,高能球磨法是将粗粉体和硬球(钢球、陶瓷球、或玛瑙球)按比例放进球磨机的密封容器内,利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米
5、级微粒的方法。,一.机械粉碎(高能球磨)法,滚动球磨,搅拌球磨,振动球磨,2010-12-3,10,二非晶晶化法 非晶晶化法:液态金属在急剧降温获得非晶条带,再将非晶条带经热处理使其晶化获得纳米晶条带的方法。制备的纳米结构材料的塑性对晶粒的粒径敏感，只有晶粒直径很小时，塑性较好否则材料变得很脆。特点工艺较简单,化学成分准确。,2010-12-3,11,三直接淬火法 原理：控制液体合金的淬火速度，获得纳米晶材料。这种方法适用于制备纳米合金大块材料。最近英国、法国、印度和我国利川这种方法已成功地原子NiTi合金加Si的体系中获得了Ti2Ni纳米晶材料。,直接淬火法,2010-12-3,12,1、防
6、紫外线 太阳能对人体有伤害的紫外线主要在300400nm波段，纳米TiO2、ZnO、Fe2O3和纳米云母等都有在这个波段吸收紫外线的特征，将少量纳米微粒添加到化学纤维中，就会产生紫外线吸收现象，从而可以有效保护人体免受紫外线的损伤。,4.1 在日常生活中的应用,4.纳米材料的应用,2010-12-3,13,2、防电磁辐射 电子产品的普及使得电磁辐射对人体健康造成了巨大威胁，一些纳米微粒如纳米氧化铁，纳米氧化镍等能强烈吸收电磁辐射从而对人体起到防护作用。,防辐射孕妇装,2010-12-3,14,4.2 纳米在陶瓷方面的应用,纳米陶瓷,纳米陶瓷,陶瓷材料在通常呈脆性，由纳米粒子压制成的纳米陶瓷材料
7、有很好的韧性。因为纳米材料具有较大的界面，界面的原子排列是相当混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与延展性。,(1)陶瓷增韧,2010-12-3,15,(2)降低烧结温度,纳米颗粒表面能高，表面原子数多。这些表面原子近邻配位不全，活性大，因此纳米颗粒熔化时所需的内能较小，使其熔点急剧下降，一般为块体材料熔点的30-50%。纳米微粒粒径小，比表面积大，并有高的扩散速率，因而用纳米粉体进行烧结，致密化速度快，还可以降低烧结温度。将纳米粉末作为陶瓷的原料，只需不高的温度即可将其熔化并烧结成耐高温的元件。,2010-12-3,16,（3）下一代电脑芯片 纳米陶瓷材料由于具有超
8、高纯度、好的热导性和长久的耐干扰性能，可以使微处理器集成化程度更高，运算速度更快。在未来的人类可能会拥有被嵌入到钢笔、衣服、眼睛甚至身体中的芯片，与网络相连接的计算机。,（4）磁性应用 磁铁的强弱可以用矫顽磁力和饱和磁化强度衡量，这些参数随晶粒的减小和表面积的增大而提高。由纳米陶瓷材料可制成超敏感分析仪器和医学分析磁共振等装置上。（5）高灵敏传感器 传感器本身的灵敏度依赖于制造传感器材料的化学、物理和机械性能。由纳米陶瓷材料制成的传感器具有较高的敏感性，其典型应用有烟雾检测器、飞机机翼上的冰层检测器和汽车发动机性能传感器等。,2010-12-3,17,4.3 在纳米电子器件方面的应用,在纳米尺
9、度上单个电子运动会受到限制，并且可以控制其流动，即所谓库仑阻塞效应，利用它可制成单电子晶体管。,1.纳米单电子晶体管,单电子晶体管示意图,纳米单电子晶体管示意图,2010-12-3,18,Intel公司2000年12月公布，他们用最新纳米技术研制成功30nm硅晶体管芯片。新芯片运算速度达10GHz，是目前运算速度最快的Pentium4芯片运算速度2.4GHz的4倍。Intel公司2001年又宣布又研制成功20 nm硅晶体管芯片，其中门的绝缘体只有0.8nm厚(约三个原子的厚度)，每秒开关变换次数极高。基于这种20 nm硅晶体管，可以制造含10亿个晶体管的硅晶体管芯片和计算机微处理器，其运行速度
10、可高达20GHz，比2000年研制成功30 nm硅晶体管芯片，性能又提高很多。,2 纳米芯片,放大一万三千倍的集成电路芯片,连接导线的宽度已经达到纳米尺度,2010-12-3,19,4.4 在环境保护方面的作用,1 纳米TiO2与环境保护,由于纳米TiO2除了具有纳米材料的特点外，还具有光催化性使得它在环境污染治理方面将扮演极其重要的角色。,纳米二氧化钛的SEM图像,2010-12-3,20,2 自洁作用,2010-12-3,21,4.5 在光学方面的应用,1.隐身材料,(1)由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长，因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多，这就大大减少波的反射率，使
11、得红外探测器和雷达接收到的反射信号变得很微弱，从而达到隐身的作用；(2)另一方面，纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4个数量级，对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多，这就使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低，因此很难发现被探测目标，起到了隐身作用。,美国F117隐形轰炸机机,2010-12-3,22,2 优异的光吸收材料,a.纳米微粒的量子尺寸效应等使它对某种波长的光吸收带有蓝移现象。b.纳米微粒粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象。纳米微粒的紫外吸收材料就是利用这两个特性。通常的纳米微粒紫外吸收材料是将纳米微粒分散到树脂中制成膜，这种膜对紫外有吸收能力，主要由纳米粒子的尺寸
12、和树脂中纳米粒子的掺加量和组分来决定。,2010-12-3,23,4.6 在生物工程上的应用,如果有一种超微型镊子，能够钳起分子或原子并对它们随意组合，制造纳米机械就容易多了。英国自然杂志上报告说，他们用DNA（脱氧核糖核酸）制造出了一种纳米级的镊子。利用DNA基本元件碱基的配对机制，可以用DNA为“燃料”控制这种镊子反复开合。,1 纳米镊子,2010-12-3,24,2 纳米药物输运,纳米医学将给医学界，诸如癌症、糖尿病和老年性痴呆等疾病的治疗带来变革，已经获得越来越多的认同。利用纳米技术能够把新型基因材料输送到已经存在的DNA里，而不会引起任何免疫反应。由于它是非生物材料，不排异，不会诱发
13、病人的免疫反应，所以可以作为药物的纳米载体，携带药物分子进入人体的血液循环，使药物在无免疫排斥的条件下，发挥治病的效果。,作为药物载体的树状型聚合物分子,2010-12-3,25,结束语,纳米材料科学的发展不仅为化学、物理学、材料学、生物学等学科的交叉发展提供新的机遇，而且为人们提供了崭新的思维方式。国际纳米科技会议将其细分为六个主要分支，即纳米电子学、纳米物理学、纳米化学、纳米生物学、纳米机械学和纳米测量学目前纳米科学的研究正处于重大突破的前夜，它所取得的一系列成果已使全人类为之震动，并引起全世界关心未来发展的科学家的思索。我国科学家钱学森曾精辟地预言“纳米左右和纳米以下结构将是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将引起 2 l 世纪又一次产业革命”。,
