纳米材料和纳米结构第五讲PPT课件
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纳米材料概述ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
STM针尖
扫描隧道显微镜工作原理示意图
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
二、纳米技术与纳米材料的概念
l 过去，人们只注意原子、分子或者宏观 物质，常常忽略纳米这个中间领域，而 这个领域大量存在于自然界，只是以前 没有认识到这个尺度范围的性能 。
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
l 第一节、概述 l 第二节、纳米材料的结构与性能 l 第三节、纳米材料的制备方法 l 第四节、纳米材料与纳米技术的应用 l 第五节、发展与展望
科学家使用STM观测物质的纳米结构
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm，纵向可达 0．01nm)，能直接观察到物质表面的原子结构，把人们 带到了微观世界。它的基本原理是基于量子隧道效应和 扫描。它是用一个极细的针尖(针尖头部为单个原子)去 接近样品表面，当针尖和表面靠得很近时(＜1nm)，针 尖头部原子和样品表面原子的电子云发生重迭，若在针 尖和样品之间加上一个偏压、电子便会通过针尖和样品 构成的势垒而形成隧道电流。通过控制针尖与样品表面 间距的恒定并使针尖沿表面进行精确的三维移动，就可 把表面的信息；(表面形貌和表面电子态)记录下来。由 于STM具有原子级的空间分辨率和广泛的适用性，国际 上掀起了研制和应用STM的热潮，推动了纳米科技的发 展。
最新第五讲纳米电子学PPT课件
第三代 中小规模集成电路计算机
1965年到1970年的第三代计 算机采用了集成电路，这段 时期计算机被称为“中小规 模集成电路计算机”。集成 电路是将由几千个晶体管元 件构成的完整电子电路做在 比手指甲还小的一个晶片上 。 所以，第三代计算机的体积 更加小型化，而且大大降低 了功耗；运算速度提高到每 秒几十万次到几百万次
器件功耗过大也是微电子学技术进一步发展的一个主 要限制。
当今的微电子器件（如场效应晶体管），由于本身的 功耗太大，已经很难适应更大规模集成的需要。特别是随 着芯片的集成度和时钟速度大幅度提高后，电子在电路中 流动的速度越来越快，功耗也会成倍增大，并最终导致芯 片不能正常工作。同时，功耗太大出现的芯片过热还会造 成芯片的使用寿命缩短，可靠性降低等问题。所以，能够 满足“更冷”要求的低能耗芯片技术的开发是芯片得以进 一步发展的当务之急。由 IBM公司发展的芯片 SOI技术可 以在一定程度上降低芯片的能耗。
来加工未来的集成电路，同样必须解决加工
速度的问题。
微电子学技术除了在光刻加工技 术上存在着急待突破的技术限制 以外，它还受到了器件内电子行 为的限制和器件功耗过大的限制。
首先以芯片微处理器为例来讨论电子行 为对微电子学技术限制。
芯片微处理器是通过逻辑“门”的开或 关来工作的，而“门”的开或关的状态，取 决于有无电流流过。目前，微处理器中的逻 辑门正常工作时需要数百上千个电子的电流， 而随着芯片集成度和时钟速度的进一步的提 高，所需的电子数还会进一步增加。但是， 芯片内线宽的减小却会导致单位时间内流过 逻辑门的电子数大幅度减少，当电子数减至 数十个数量级时，逻辑门在判断“开”或 “关”时就会处于不确定状态，无法正常工 作。
原子力显微镜的基本原理
STM只能在导电材料的样品表面上分辨出单 个的原子并得到原子结构的三维图像。对于非导 电材料，STM将无能为力。为了弥补STM的不足， 达到分辨不导电物体表面上的单个原子，1986 年 ， Binnig 等 发 明 了 原 子 力 显 微 镜 （ Atomic Force Microscopy, AFM) 。 AFM 是 一 种 类 似 于 STM的显微技术，它的许多元件与STM是共同的， 如用于三维扫描的压电陶瓷系统以及反馈控制器 等。
纳米材料的结构与性质PPT幻灯片
13
(2)表面原子数的增加 随着晶粒尺寸的降低，表面原子所占的比例、比表面积急剧提 高，使处于表面的原子数也急剧增加，平均配位数急剧下降。
表面原子数占全部原子 数的比例和粒径之间的 关系
14
(3)表面能 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说
增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸 引力而对体系做功。
11
(1)比表面积的增加 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。
质量比表面积、体积比表面积 当颗粒细化时，粒子逐渐减小，总表面积急剧增大，
比表面积相应的也急剧加大。
12
如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方 体，总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
第二章 纳米材料的结构与性能
2.1 纳米材料的分类及特性 2.2 纳米微粒的物理特性 2.3 纳米碳材料 2.4 纳米晶体材料 2.5 纳米复合材料
1
2.1 纳米材料的分类及特性
纳米材料：三维空间中至少有一维处于1～100nm尺度
范围内或由纳米基本单元构成的材料。
一、纳米材料的分类 按结构(维度）分为4类： （1）零维纳米材料：空间三个维度上尺寸均为纳米
尺度—纳米颗粒、原子团簇等。 （2）一维纳米材料：在空间二个维度上尺寸为纳米
尺度—纳米丝、纳米棒、纳米管等。 （3）二维纳米材料：只在空间一个维度上尺寸为纳
米尺度—纳米薄膜、多层薄膜等。 （4）三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成的块
体 2
按组成分类 纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳 米高分子、纳米复合材料 按应用分类 纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用 材料、纳米敏感材料、纳米储能材料 按材料物性分类 纳米半导体材料、纳米磁性材料、纳米非线性光 学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电 材料
(2)表面原子数的增加 随着晶粒尺寸的降低，表面原子所占的比例、比表面积急剧提 高，使处于表面的原子数也急剧增加，平均配位数急剧下降。
表面原子数占全部原子 数的比例和粒径之间的 关系
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(3)表面能 如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说
增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸 引力而对体系做功。
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(1)比表面积的增加 比表面积常用总表面积与质量或总体积的比值表示。
质量比表面积、体积比表面积 当颗粒细化时，粒子逐渐减小，总表面积急剧增大，
比表面积相应的也急剧加大。
12
如：把边长为1cm的立方体逐渐分割减小的立方 体，总表面积将明显增加。
边长
1 cm 10-5 cm (100 nm) 10-6 cm (10 nm) 10-7 cm (1 nm)
第二章 纳米材料的结构与性能
2.1 纳米材料的分类及特性 2.2 纳米微粒的物理特性 2.3 纳米碳材料 2.4 纳米晶体材料 2.5 纳米复合材料
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2.1 纳米材料的分类及特性
纳米材料：三维空间中至少有一维处于1～100nm尺度
范围内或由纳米基本单元构成的材料。
一、纳米材料的分类 按结构(维度）分为4类： （1）零维纳米材料：空间三个维度上尺寸均为纳米
尺度—纳米颗粒、原子团簇等。 （2）一维纳米材料：在空间二个维度上尺寸为纳米
尺度—纳米丝、纳米棒、纳米管等。 （3）二维纳米材料：只在空间一个维度上尺寸为纳
米尺度—纳米薄膜、多层薄膜等。 （4）三维纳米材料：由纳米材料基本单元组成的块
体 2
按组成分类 纳米金属、纳米晶体、纳米陶瓷、纳米玻璃、纳 米高分子、纳米复合材料 按应用分类 纳米电子材料、纳米光电子材料、纳米生物医用 材料、纳米敏感材料、纳米储能材料 按材料物性分类 纳米半导体材料、纳米磁性材料、纳米非线性光 学材料、纳米铁电体、纳米超导材料、纳米热电 材料
《纳米材料》PPT课件
第二阶段（1994年以前） ▪ 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
9
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组 成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
10
30000
20
5
4000
40
2
250
80
1
30
99
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
9
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组 成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
10
30000
20
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4000
40
2
250
80
1
30
99
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团
纳米材料简介ppt课件
13
2 在磁性材料中的应用 纳米磁性材料包括纳米磁粉材料、纳米磁膜材料和纳米磁性液体。
在铁磁质纳米磁性材料中，存在磁单畴结构，具有超顺磁性，即纳 米结构的尺寸小于磁单畴的临界尺寸时，纳米结构中的原子磁矩有 序化，具有顺磁质的特性，而在无外场时，对任何一个方向都不显 磁性。加外磁场后，形成磁矩有序化，形成过程不是瞬时的，而有 一个驰豫时间。超顺磁性材料，矫顽力远比普通材料大，对高密度 磁记录元件十分重要。 3 在催化剂领域应用
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。 目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合 物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化 率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的 氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、 取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。
1
CONTENTS
1
什么是纳米
2
什么是纳米材料
3 纳米材料的纳米效应
4
纳米材料的分类
5
纳米材料的应用
6 纳米材料与未来社会
2
1 什么是纳米
纳米（nanometer）：长度单位，即10-9m。 纳米有多大？
3
2 什么是纳米材料
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结 构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经 接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得 性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有 大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光 学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表 现的性质。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组 成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子， 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和 宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观 系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和 宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级） 后，它将显示出许多奇异的特性，即它的稀土纳米材料 光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体 时相比将会有显著的不同。
2 在磁性材料中的应用 纳米磁性材料包括纳米磁粉材料、纳米磁膜材料和纳米磁性液体。
在铁磁质纳米磁性材料中，存在磁单畴结构，具有超顺磁性，即纳 米结构的尺寸小于磁单畴的临界尺寸时，纳米结构中的原子磁矩有 序化，具有顺磁质的特性，而在无外场时，对任何一个方向都不显 磁性。加外磁场后，形成磁矩有序化，形成过程不是瞬时的，而有 一个驰豫时间。超顺磁性材料，矫顽力远比普通材料大，对高密度 磁记录元件十分重要。 3 在催化剂领域应用
纳米粒子表面积大、表面活性中心多，为催化剂提供了必要条件。 目前纳米粉材如铂黑、银、氧化铝和氧化铁等广泛用于高分子聚合 物氧化、还原及合成反应的催化剂。如用纳米镍粉作为火箭固体燃 料反应催化剂，燃烧效率提高100倍；以粒度小于100nm的镍和铜锌合金的纳米材料为主要成分制成加氢催化剂，可使有机物的氢化 率达到传统镍催化剂的10倍；用纳米TiO2制成光催化剂具有很强的 氧化还原能力，可分解废水中的卤代烃、有机酸、酚、硝基芳烃、 取代苯胺及空气中的甲醇、甲醛、丙酮等污染物。
1
CONTENTS
1
什么是纳米
2
什么是纳米材料
3 纳米材料的纳米效应
4
纳米材料的分类
5
纳米材料的应用
6 纳米材料与未来社会
2
1 什么是纳米
纳米（nanometer）：长度单位，即10-9m。 纳米有多大？
3
2 什么是纳米材料
纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结 构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经 接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得 性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有 大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光 学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表 现的性质。 纳米颗粒材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子(nano particle)组 成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子， 是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，从通常的关于微观和 宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观 系统，是一种典型的介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和 宏观量子隧道效应。当人们将宏观物体细分成超微颗粒（纳米级） 后，它将显示出许多奇异的特性，即它的稀土纳米材料 光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体 时相比将会有显著的不同。
纳米材料的结构和性质ppt课件
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可编辑课件
此外，纳米磁 性微粒还具备 许多其他的磁 特性．纳米金 属Fe(8nm)饱和 磁化强度比常 规α-Fe低40％， 纳米Fe的比饱 和磁化强度随 粒径的减小而 下降(见图)；
17
2.3光学性能
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的 特征量相差不多，例如，当纳米粒子的粒径与 超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意 波长相当时，小颗粒的量子尺寸效应十分显 著．与此同时，大的比表面使处于表面态的原 子，电子与处于小颗粒内部的原子、电子的行 为有很大的差别，这种表面效应和量子尺寸效 应对纳米微粒的光学特性有很大的影响．甚至 使纳米微粒具有同样材质的宏观大块物体不具 备的新的光学特性．主要表现为如下几方面：
可编辑课件
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例如可以将酯类氧化变成醇，醇再氧化 变成醛，醛再氧化变成酸，酸进一步氧 化变成CO2和水．半导体的光催化活性主 要取决导带与价带的氧化-还原电位，价 带的氧化—还原电位越正，导带的氧 化—还原电位越负，则光生电子和空穴 的氧化及还原能力就越强，从而使光催 化降解有机物的效率大大提高．
硅作载体的镍纳米微粒作催化剂时，当粒径小
于5nm时，不仅表面活性好，使催化效应明显，
而且对丙醛的氢化反应中反应选择性急剧上升，
即使丙醛到正丙醇氢化反应优先进行，而使脱
碳引起的副反应受到抑制．
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由于纳米微粒具有大的比表面积，高的 表面活性，及表面活性能与气氛性气体 相互作用强等原因，纳米微粒对周围环 境十分敏感．如光、温、气氛、湿度等， 因此可用作各种传感器，如温度、气体、 光、湿度等传感器。
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这是因为光吸收带的位置是由影响峰位的蓝移 因素和红移因素共同作用的结果，如果前者的 影响大于后者，吸收带蓝移，反之，红移．随 着粒径的减小，量子尺寸效应会导致吸收带的 蓝移，但是粒径减小的同时，颗粒内部的内应 力会增加，这种压应力的增加会导致能带结构 的变化，电子波函数重叠加大，结果带隙、能 级间距变窄，这就导致电子由低能级向高能级 及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收 带和吸收带发生红移．纳米NiO中出现的光吸 收带的红移是由于粒径减小时红移因素大于蓝 移因素所致．
材料物理课件5纳米材料与纳米效应-PPT课件
13
二、 纳米材料的制备方法（3）
3、固相制备法 固体材料在不发生熔化、气化的情况下使 原始晶体细化或反应生成纳米晶体的过程。 机械研磨法（Mechanical Milling） 固相反应法（Solid Reaction） 大塑性变形法（Severe Plastic Deformation）
2019/3/7 10
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，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等也具有隧道效 应，称为宏观的量子隧道效应。 宏观量子隧道效应无论在基础研究还是实际应 用方面都有着非常重要的意义，它限定了磁带、磁 盘进行信息储存的时间及空间极限。
2019/3/7
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二、 纳米材料的制备方法（1）
1、气相制备法
将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上 沉积和生长出低维纳米材料的方法。
采用气相法可合成纳米粉体、纳米丝和 生长出超晶格薄膜和量子点等。 物理气相沉积法（PVD） 化学气相沉积法（CVD）
2019/3/7 12
二、 纳米材料的制备方法（2）
纳米晶Cu的自由能随晶 粒尺寸D和温度的变化
（当尺寸D小于1.4nm时， 4 nc Cu的G大于非晶态Cu 的 G而不能维持晶态）
2、量子效应（1）
小尺寸系统的量子效应，是指电子的能量被量子化，形成 分立的电子态能级，电子在该系统中的运动受到约束。 随着金属粒子尺寸的减小，金属费米能级附近的电子能级 由准连续变为离散能级的现象，以及半导体微粒存在不连续 的最高被占据分子轨道和最低未被占据分子轨道，能隙变宽 的现象，均称为量kBT为热能。
当微粒的能隙大于电子的kB时，热运动不能使电子跃过能隙， 电子的状态受到限制，表现出量子效应。对于金属材料，由于 费米面附近的能隙很小，只有当其颗粒非常小时才会产生明显 的量子效应。 对于半导体材料，出现量子效应的尺寸要比金属粒子的尺 寸大得多，其量子效应主要表现为导带与价带间的带隙变宽且 出现能级分离。
《纳米材料》PPT课件_OK
料不具备的奇异特性，已引起科学家的极大兴
趣．德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席
格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室
温下显示良好的韧性，在180℃经受弯曲并不产生裂
纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近
一个世纪的材料科学家们看到希望．英国著名材料
科学家卡恩在从Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷
2021/7/21
19
➢ 具有特殊的力学性质。陶瓷材料在通常情况下
呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制呈的纳米陶
瓷却具有良好的韧性。因为纳米材料既有大的
界面，界面的原子排雷是相当混乱的，原子在
外力变形的条件下的延展性，使陶瓷材料具有
新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以
具有很高的强度，是因为它是磷酸钙等纳米材
米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”
著名科学家钱学森也预言：“纳米和纳米以下的
结构是下一ห้องสมุดไป่ตู้段科技发展的一个重点，会是一次
技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命”纳
米新科技将成为21世纪科学的前沿和主导科学。
2021/7/21
35
在医药中的应用
• 1.医学
• 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，
料所构成的；
➢ 纳米材料还具有超导性等特殊性能。
2021/7/21
20
• 纳米虽然微乎其微，但是纳米材料构建的世界却
是神奇而宏大的。
2021/7/21
21
▪ 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量
是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的
100倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔
化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将
趣．德国萨尔大学格菜德和美国阿贡国家实验室席
格先后研究成功纳米陶瓷氟化钙和二氧化钛，在室
温下显示良好的韧性，在180℃经受弯曲并不产生裂
纹，这一突破性进展，使那些为陶瓷增韧奋斗将近
一个世纪的材料科学家们看到希望．英国著名材料
科学家卡恩在从Nature杂志上撰文说：“纳米陶瓷
2021/7/21
19
➢ 具有特殊的力学性质。陶瓷材料在通常情况下
呈脆性，然而由纳米超微颗粒压制呈的纳米陶
瓷却具有良好的韧性。因为纳米材料既有大的
界面，界面的原子排雷是相当混乱的，原子在
外力变形的条件下的延展性，使陶瓷材料具有
新奇的力学性质。研究表明，人的牙齿之所以
具有很高的强度，是因为它是磷酸钙等纳米材
米科学技术将成为下一世纪信息时代的核心。”
著名科学家钱学森也预言：“纳米和纳米以下的
结构是下一ห้องสมุดไป่ตู้段科技发展的一个重点，会是一次
技术革命，从而将是21世纪又一次产业革命”纳
米新科技将成为21世纪科学的前沿和主导科学。
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在医药中的应用
• 1.医学
• 使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细，
料所构成的；
➢ 纳米材料还具有超导性等特殊性能。
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• 纳米虽然微乎其微，但是纳米材料构建的世界却
是神奇而宏大的。
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▪ 1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量
是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的
100倍，成为纳米技术研究的热点。诺贝尔
化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将
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in a
Final size determination of spherical silica particles
➢ Initial concentration of water ➢ Type and concentration of catalyst ➢ Types of silicon alkoxide (methyl 甲基, ethyl 乙基, butyl丁基,
纳米材料和纳米结构
溶胶-凝胶法 Sol-gel Processing
第1五讲
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
1 General Introduction
Based on inorganic polymerization reactions（无机聚合反应） Used to prepare inorganic oxides, such as glasses or ceramics, especially multicomponent systems（多组分体
系） Be able to control the structure on nanoscale from the earliest stages of processing Easy to obtain nanostructured grains with compositional homogeneity（组分均匀性）, higher purity, lower
3
Principles
The sol-gel technique to material synthesis is based on some organic precursors（先驱物）, and the gels may form by network growth from an array of discrete particles or by formation of an interconnected 3-D net work by the simultaneous hydrolysis and polycondensation（缩聚作用） of organometallic（有机金属） precursors. The size of the sol particles depend upon some variable factors such as pH, solution composition, and temperature etc.. By controlling the experimental conditions, one can obtain the nanostructured target materials in the form of powder or thin film.
Step 1 Hydrolysis and Polycondensation Liquid alkoxide precursor and Si(OR)4 is mixed with water and acid or ammonia, where R represents CH3, C2H5, or C3H7 and acid or ammonia acts as catalyst. The following hydrolysis reaction will take place:
6
The hydrated silica tetrahedra（水合硅氧四面体）interact in a condensation reaction（缩合反
应）, forming
bonds:
Linkage of additional tetrehedra occurs as a polycondensation reaction and eventually results in a SiO2 network, while the water and alcohol expelled from the reaction remain in the pores of the net work.
processing temperatures over both conventional ceramic processing and traditional glass melting by controlling the chemical additives（添加剂） and processing, but without adopting vacuum conditions
4
2 Experimental Approach
Based on the difference of the precursors used, the sol-gel processing is roughly divided into three groups: Silica （二氧化硅）sol-gel processing Metal alkoxide （金属醇盐）processing Pechini-type processing
5
2.1 Silica Sol-Gel Processing
The whole silica sol-gel processing could be divided into three steps: hydrolysis and polycondensation, gelation and drying.
7
8
The hydrolysis and polycondensation reactions initiate at numerous sites within the TMOS +
H2O solution as mixing occurs. When sufficient interconnected region, they respond cooperatively as colloidal particles or a sol.
Final size determination of spherical silica particles
➢ Initial concentration of water ➢ Type and concentration of catalyst ➢ Types of silicon alkoxide (methyl 甲基, ethyl 乙基, butyl丁基,
纳米材料和纳米结构
溶胶-凝胶法 Sol-gel Processing
第1五讲
第一部分
整体概述
THE FIRST PART OF THE OVERALL OVERVIEW, PLEASE SUMMARIZE THE CONTENT
2
1 General Introduction
Based on inorganic polymerization reactions（无机聚合反应） Used to prepare inorganic oxides, such as glasses or ceramics, especially multicomponent systems（多组分体
系） Be able to control the structure on nanoscale from the earliest stages of processing Easy to obtain nanostructured grains with compositional homogeneity（组分均匀性）, higher purity, lower
3
Principles
The sol-gel technique to material synthesis is based on some organic precursors（先驱物）, and the gels may form by network growth from an array of discrete particles or by formation of an interconnected 3-D net work by the simultaneous hydrolysis and polycondensation（缩聚作用） of organometallic（有机金属） precursors. The size of the sol particles depend upon some variable factors such as pH, solution composition, and temperature etc.. By controlling the experimental conditions, one can obtain the nanostructured target materials in the form of powder or thin film.
Step 1 Hydrolysis and Polycondensation Liquid alkoxide precursor and Si(OR)4 is mixed with water and acid or ammonia, where R represents CH3, C2H5, or C3H7 and acid or ammonia acts as catalyst. The following hydrolysis reaction will take place:
6
The hydrated silica tetrahedra（水合硅氧四面体）interact in a condensation reaction（缩合反
应）, forming
bonds:
Linkage of additional tetrehedra occurs as a polycondensation reaction and eventually results in a SiO2 network, while the water and alcohol expelled from the reaction remain in the pores of the net work.
processing temperatures over both conventional ceramic processing and traditional glass melting by controlling the chemical additives（添加剂） and processing, but without adopting vacuum conditions
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2 Experimental Approach
Based on the difference of the precursors used, the sol-gel processing is roughly divided into three groups: Silica （二氧化硅）sol-gel processing Metal alkoxide （金属醇盐）processing Pechini-type processing
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2.1 Silica Sol-Gel Processing
The whole silica sol-gel processing could be divided into three steps: hydrolysis and polycondensation, gelation and drying.
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The hydrolysis and polycondensation reactions initiate at numerous sites within the TMOS +
H2O solution as mixing occurs. When sufficient interconnected region, they respond cooperatively as colloidal particles or a sol.