纳米材料-纳米固体
纳米材料物理热学性质
纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
一热容1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。
1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。
2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。
结合能的确比相应块体材料的结合能要低。
通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。
三维纳米材料概述
三维纳米材料概述1 定义所谓纳米材料，指的是具有纳米量级（1~100nm）的晶态或非晶态超微粒构成的固体物质。
纳米材料真正纳入材料科学殿堂应是德国科学家Gleiter等于1984年首用惰性气体凝聚成功地制备了铁纳米微粒，并以它作为结构单元制成纳米块体材料。
1990年7月在美国巴尔的摩召开了第一届纳米科学技术会议，标志着纳米科学技术的正式诞生.此后，一些发达国家都投入了大量的资金开展研究工作。
我国也先后多次召开了全国纳米晶固体材料学术讨论会，并于1992年创办了纳米材料国际性刊物。
由于独特的微结构和奇异性能，纳米材料引起了科学界的极大关注，成为世界范围内的研究热点，其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。
三维纳米结构（3D nanostructure）是指由零维、一维、二维中的一种或多种基本结构单元组成的复合材料，其中包括：横向结构尺寸小于100nm的物体；纳米微粒与常规材料的复合体；粗糙度小于100nm的表面；纳米微粒与多孔介质的组装体系等。
2 分类三维纳米材料主要包括：纳米玻璃、纳米陶瓷、纳米介孔材料、纳米金属和纳米高分子。
2.1 纳米陶瓷纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米量级水平，包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与缺陷尺寸等都是纳米级。
试验证明，纳米晶陶瓷材料不仅保持了传统陶瓷材料的优点，而且具有良好的力学性能，在适当的条件下，甚至能够具有超塑性质。
2.2 纳米玻璃纳米玻璃属于无机非晶质材料，它是指在透明玻璃连续相中周期排列着纳米尺寸的第二相(微粒子、分相、结晶或气孔)的玻璃材料。
2.3 纳米介孔材料1992年美国Mobile公司的科学家们首次运用表面活性剂作为模板合成出介孔二氧化硅，命名为MCM—41。
这是继微孔沸石分子筛之后的又一类分子筛材料。
按照国际纯粹与应用化学协会（IUPAC）的定义，孔径大于50nm的孔称为大孔，小于2nm的孔称为微孔，孔径为2—50nm的多孔材料称为介孔（中孔）材料。
纳米材料
绪论1、纳米科技的提出：源自于费曼大师1959年在美国物理学会年会上的一次演讲。
Richard Feynman：世界上首位提出纳米科技构想的科学家。
2、纳米材料（1）纳米材料的定义：物质结构在三维空间至少有一维处于纳米尺度，或由纳米结构单元组成且具有特殊性质的材料（也是以维数划分纳米材料的原因）（2）纳米尺度：1-100 nm范围的几何尺；纳米的单位:1 nm = 10^-9 m，即千分之一微米(μm)。
（3）纳米结构单元：具有纳米尺度结构特征的物质单元，包括纳米团簇、纳米颗粒、纳米管、纳米线、纳米棒、纳米片等（4）纳米材料的维度：○1零维：纳米团簇、纳米颗粒、量子点（三维尺度均为纳米级，没有明显的取向性，近等轴状）○2一维：纳米线、纳米棒、纳米管（单向延伸、二维尺度为纳米级、第三维尺度不限，、直径大于100 nm，具有纳米结构）○3二维：纳米片、纳米带、超晶格、纳米薄膜（一维尺度为纳米级，面状分布，，厚度大于100 nm，具有纳米结构）○4三维：纳米花、四脚针等（包含纳米结构单元，三维尺寸均超过纳米尺度，由不同型低维纳米结构单元复合形成）（5）纳米材料的分类○1具有纳米尺度外形的材料○2以纳米结构单元作为主要结构组分所构成的材料3、久保理论：即金属的超微粒子将出现量子限域效应，显示出与块体金属显著不同的性能；金属纳米粒子，量子限域效应。
4、扫描隧道电子显微镜(STM)：将探针靠近导电材料表面进行扫描，获得表面图像。
分辨率达0.1~0.2 nm，可以直接观察和移动原子。
5、原子力显微镜(AFM)：利用针尖和材料原子间的相互微弱作用力来获得材料表面的形貌图像。
可用于研究半导体、导体和绝缘体。
AFM三大特点：原子级高分辨率、观察活生命样品和加工样品的力行为成就。
6、纳米科技的研究内容：纳米科学、纳米技术与纳米工程分支学科：纳米力学：研究物体在纳米尺度的力学性质纳米物理学：研究物质在纳米尺度上的物理现象及表征纳米化学：研究纳米尺度范围的化学过程及反应纳米生物学：利用纳米的手段解决生物学问题，在分子水平揭示细胞内外的物质、能量与信息交换机制；纳米医学：利用纳米科技解决医学问题的边缘交叉学科纳米材料学：包括纳米材料的成分、结构、性能与使用效能四个方面。
纳米材料的结构与性质ppt文档
▪ 自组装体系形成的条件： （1）有足够数量的非共价键或氢键的存在； （2）自组装体系能量较低。
▪ 自组装技术——自下而上、由小而大的制作方法，即从原 子或分子级开始完整地构造器件。 （1）人工纳米结构组装体系 （2）纳米结构自组装体系和分子自组装体系
纳米材料的结构与性质
第2章 纳米材料的结构与性质
2.1 纳米材料的结构 2.2 纳米材料的性质 2.3 纳米材料的团聚与分散 2.4 纳米颗粒表面修饰
教学目标及基本要求
▪ 掌握纳米材料的结构、性质、团聚与分散、 表面修饰
2.1 纳米材料的结构
（1） 纳米颗粒型材料
▪ 纳米粒子：粒度在100nm以下的粉末或颗粒。 ▪ 超微粒子介于簇（1nm以下）和微粉之间。 ▪ 纳米微粒的形态各异，有球形、片形、棒形、
正已烷中CdSe的室温光学吸收谱
Wavelength of absorption threshold as a function of particle size
吸收阈值
Rayleigh light-scattering of particles deposited on a microscope glass slide
▪ 纳米材料可大大降低电容器的尺寸，其高介电性 可保持高容量。
2.3 纳米材料的团聚与分散
2.3.1 纳米材料的团聚
▪ 纳米粉体的团聚——原生的纳米粉体颗粒在制 备、分离、处理及存放过程中相互连接形成较 大的颗粒团聚的现象。
▪ 原因：纳米材料粒径减小，比表面积增大，表 面能增高，表面活性增加，颗粒间吸引力增强， 颗粒易团聚。
纳米材料的基本概念和性质汇总
特殊的物理和化学性质：
镶嵌有原子团的功能薄膜会在基质中呈现出调 制掺杂效应，该结构相当于大原子-超原子膜材料， 具有三维特征。
纳米厚度的信息存储薄膜具有超高密度功能， 这类集成器件具有惊人的信息处理能力；
纳米磁性多层膜具有典型的周期性调制结构， 导致磁性材料的饱和化强度的减小或增强。
5、纳米固体材料
定义：具有纳米特征结构的固体材料称为纳米固体 材料。例如，由纳米颗粒压制烧结而成的三维固体， 结构上表现为颗粒和界面双组元；原子团簇堆亚成块 体后，保持原结构而不发生结合长大反应的固体等。
纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面， 如5nm颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界， 原子的扩散系数要比大块材料高 1014～ 1016 倍，从而 使得纳米材料具有高韧性。
按结合方式：范德华力：H、Ne、Ar、Ke、Xe
离子键：LiF、NaCl、CuBr、CsI
化学键：C60、金属原子团簇
特点：
尺
寸：空间尺度为几个埃到几百埃的范围
存在形式：不同于单个原子、分子，也不同于固体 液体，介于两者之间 产生条件：作为原子聚集体，多产生于非平衡条件
纳米复合材料的性质：
同步增韧、增强效应。无机填充材料具有刚性，有机材料具有韧性， 纳米无机材料对有机材料的复合改性，可在发挥无机材料增强效果的 同时起到增韧的效果。 新型功能高分子材料。纳米复合材料以纳米级水平平均分散在复合 材料中，可以直接或间接地达到具体功能的目的，比如高效催化剂、 紫外光屏蔽等。 强度大、弹性模量高。加入很少量的纳米材料即可使聚合物复合材 料的强度、刚度、韧性得到明显的提高，且材料粒度越细，复合材料 的强度、弹性模量就越高。
第8章第二节纳米粒子的制备方法
B：纳米铋粉的制备 在每个金属罐中加入无水乙醇100 ml、铋粒12.54 g、 PVP 6.27 g, 调整转速为400r/min, 时间设置为4h, 球磨。 结束后将产物取出封存静置, 得到黑色胶体溶液, 粉体在其 中分散均匀而稳定, 溶液长久不见澄清。
C：纳米铋粉的收集 该溶液中的粉体采用离心沉降收集很困难, 高速离 心也不能使溶液澄清, 分离出的粉体也很少, 将溶剂干 燥也不能析出纳米铋粉。 因此铋粉的收集采用电解质聚沉法, 每100 ml均相 溶液加入2 g硬脂酸, 用玻璃棒搅拌使其溶解, 封存静 置, 几天后黑色粉体沉降底部, 黑色溶液全部澄清, 无 色透明。去除上层清液, 加入无水乙醇清洗数次, 真空
1.1.1 球磨(Milling)
球磨机是目前广泛 采用的纳米磨碎设备。 1）可充入惰性气体进 行机械合金，机械复合， 纳米材料及复合材料的 合成。 2）材质可选择玛瑙， 氮化硅，氧化铝，氧化 锆，不锈钢，普通钢， 碳化钨，包裹塑料的不 锈钢。
它是利用介质和 物料之间的相互研磨 和冲击使物料粒子粉 碎，经几百小时的球 磨，可使小于lμm的 粒子达到20％。
按材质
纳米金属材料、纳米非金属材料、纳米高分子材料和 纳米复合材料。 按形态 纳米颗粒材料、纳米固体材料（也称纳米块体材料）、
纳米膜材料以及纳米液体材料。
按功能 纳米生物材料、纳米磁性材料、纳米药物材料、纳米 催化材料、纳米智能材料、纳米吸波材料、纳米热敏 材料以及纳米环保材料等。
发展历史
1.1.3 振动磨
利用研磨介质可以在一定振幅对物料进行冲击、摩擦、 剪切等作用而使物料粉碎。 与球磨机不同，振动磨是通过介质与物料一起振动将物 料进行粉碎的。
选择适当研磨介质，振动磨可用于各种硬度物料的纳米
信息纳米技术及其应用CH2 纳米粉料(2009)
指标: 指标: 层厚: 普通: ≥5um) 层厚:1-3um (普通: ≥5 ) ε≥3600 普通: 2000-3000) (普通: 2000-3000) 电容:0.165层 电容:0.1-0.3uf (0402 65层) 击穿电压: ≥5kv/cm 击穿电压: ≥5kv/cm tanδ≤ δ≤1% 普通: tanδ≤ δ≤5% tanδ≤1% (普通: tanδ≤5% ) 关键技术: 关键技术: 纳米瓷粉(抗还原,高介电),超薄流延工艺,纳米/亚微米晶烧结, ),超薄流延工艺 纳米瓷粉(抗还原,高介电),超薄流延工艺,纳米/亚微米晶烧结,共 烧电极 电极厚度: 电极厚度:2-3um
3000 ZnO varistors samples
Tungsten, W
Maximum temperature: 1800°C ° Sample size: 4-10 inch diameter Controlled atmosphere: H2, N2, Ar, et al.
4-inch PM Gear sample
3.1.2 纳米陶瓷制备
纳米粉+陶瓷工艺:成型,烧结 烧结时,密度增加,晶粒增大.要通过工艺控制,使烧结后材料有较高的密 度,又要防止晶粒的过大. 烧结工艺: 烧结工艺: a. 无压力烧结:工艺简单,成本低,但易出现晶粒快速长大及形成大气孔. 方法:配方中添加晶粒生长抑制剂.如:ZrO2纳米掺入MgO,可抑制晶粒生长. b. 应力有助烧结:在一定压力下烧结.操作复杂,成本高,但可获得未掺杂 高密度陶瓷.如:应力烧结TiO2陶瓷 P=1GPa,770k, Δρ=95%, 十几nm P=0GPa,1270k, Δρ≈95%, 约1um c. 微波烧结: 优点:节约能源,反应快,产品性能好,容易实现较高温度烧结,环保.
纳米材料的结构特征
2007物理诺贝尔奖介绍
瑞典皇家科学院诺贝尔奖评委会9号宣布，法国 科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因 1988年先后各自独立发现“巨磁电阻”效应而共同 获得2007年诺贝尔物理学奖。
阿尔贝·费尔
彼得·格林贝格尔
纳米材料的结构特征
纳米材料的机构特征
一、自然界中的纳米结构与纳米材料 二、纳米材料概论 三、纳米材料的分类
3.1、纳米微粒 3.2、纳米固体 3.3、纳米纤维 3.4、纳米薄膜
一、 自然界中的纳米结构与纳米材料
从纳米科技发展历史的角度来讲，1861年随着胶体化 学的建立，科学家们才开始对直径为1-100 nm的粒子 体系进行研究工作；真正有意识进行纳米粒子实验的 是20世纪30年代日本人为了军事目的进行的“沉烟实 验”,1959年著名物理学家、诺贝尔奖获得者费曼发 表了重要演讲，提出了纳米技术的设想，之后纳米材 料和纳米科技得到了蓬勃的发展。但是，“纳米”并 不是人类的专利，早在宇宙诞生之初，它们就存在了。
纳米材料的晶界组元
晶界组元：纳米材料中 晶界占有很大的体积分 数，因而，对纳米材料 来说，晶界不仅仅是一 种缺陷，更重要的是构 成纳米材料的一个组元， 即晶界组元，是评定纳 米材料的一个重要参数。
（1）纳米固体材料的结构组成 (A)纳米晶体材料的组成：晶粒组元(所有原子都位
于晶粒的格点上) ＋晶界组元； (B)纳米非晶材料的组成：非晶组元＋界面组元； (C)纳米准晶材料的组成：准晶组元＋界面组元。
纳米热电材料
纳米储能材料
3.1、纳米微粒 定义尺度
颗粒：指在一定尺寸范围内具有特定形状的几何体。这里所说的一 定一定尺寸一般在毫米到纳米之间，颗粒不仅指固体颗粒，还有雾 滴、油珠等液体颗粒。 一般而言，在室温下，物理化学性质发生显著变化的颗粒尺寸，多数 处于0.1微米以下，因而从功能材料角度出发，可以将超细微颗粒尺 寸的上限定位0.1微米，即100纳米。 目前机械法粉碎获得颗粒的尺寸一般只能到1微米。超微颗粒是指超 越常规制粉手段所获得的微粒。因此1微米可作为超微颗粒的上限， 所以笼统的说超微颗粒尺寸在1到1000纳米之间（小于1微米）。大 于1微米就是通常的微粉，小于1纳米的粒子称为原子簇。 超细微颗粒也被称为纳米粒子，纳米颗粒、纳米微粒等。
纳米材料
二、纳米微粒的结构与物理特性
1.纳米微粒的结构与形貌
纳米微粒一般为球形或类球形。
最近，有人用高倍超高真空的电子显微镜观察纳米球形 粒子，结果在粒子的表面上观察到原子台阶，微粒内部 的原子排列比较整齐。 除球形外，纳米微粒还具有其他形状，这些形状的出现 与制备方法密切相关。如，由气相蒸发法合成的铬微粒， 当铬微粒尺寸小于20nm，为球形并形成链条状连接在一 起。对于尺寸较大的粒子，a-Cr为正方形或矩形，d-Cr 为六边形。 Ag的纳米微粒具有五边形十面体形状。
美国国家纳米计划2000年和2001年的部门 预算
2000 年预算 国家科学基金会 国防部 能源部 航天航空 商务部 国家卫生所 0.97 亿$ 0.70 亿$ 0.58 亿$ 0.05 亿$ 0.08 亿$ 0.32 亿$ 2001 年预算 2.17 亿$ 1.10 亿$ 0.94 亿$ 0.20 亿$ 0.18 亿$ 0.36 亿$
2.2 磁学性能 纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效 应等使得它具有常规粗晶处理所不具备的磁特性。 具体表现在： （1）超顺磁性： 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺 磁状态，例如a-Fe、Fe3O4和a-Fe2O3粒径 分别为5nm、16nm和20nm时变成顺磁体。
（2）矫顽力 纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常 呈现高的矫顽力。 例如， 粒径为16nm的Fe微粒 T=5.5K Hc= 1.27×105A/m， T=室温 Hc= 7.96×104A/m，
大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微 粒熔点降低288K。 纳米Ag微粒在低于373K开始熔化，常规 Ag的熔点为1173K左右。
纳米材料和纳米技术简介
五、纳米粒子图片
SnO2纳米棒的TEM 照片
SiO2的SEM照片
花状 ZnO 的TEM照片
TEM image of Fe3O4/SiO2 composite particles
1、家电 用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料，具有
抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用，可 用处作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
2、电子计算机和电子工业 阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片普遍采用纳米材料后，可以缩小成为“掌上电 脑”。
纳米材料包括纳米无机材料、纳米聚合物材料、纳米 金属材料、纳米半导体材料及纳米复合材料等。纳米材料 按照形态，可将其分四种纳米：颗粒型材料，纳米固体材 料，纳米膜材料，纳米磁性液体材料。
二、纳米粒子的性质
纳米粒子最大的特点是量子尺寸效应十分显著， 这使得纳米体系的光、热、电、磁等物理性质与常 规材料不同，出现许多新奇特性。
7、橡胶 橡胶是一种伸缩性优异的弹性体，但其综合性能
并不令人满意，生产橡胶制品过程中通常需在胶料 中加入炭黑来提高强度、耐磨性和抗老化性，但由 于炭黑的加入使得制品均为黑色，且档次不高。而 纳米到或米SiO超SiO2过后2作传，为统产补高品强档的剂橡强，胶度在制、普品耐通。磨橡性胶和中抗添老加化少性量等的均纳达 8、在涂料中的应用 因此例它如添：加纳到米涂S料iO中2具能有对极涂强料的形紫成外屏和蔽红作外用反，射从特而性， 达到抗紫外老化和热老化的目的，同时增加了涂料 的拥隔有热庞性 大。 的另 比外 表， 面纳积米，表SiO现2出还极具大有的三活维性网，状能结在构涂， 料干燥时形成网状结构，不仅增加了涂料的强度和 光洁度，而且还能保持涂料的颜色长期不变。
纳米材料和纳米技术简介
Nanomaterials and nanometer technology