纳米材料科学与技术PPT格式课件下载.ppt

1、极促进作用。n 19901990年年7 7月月，第第一一届届国国际际纳纳米米科科学学技技术术会会议议在在美美国国巴巴尔尔的的摩举办，摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生标志着纳米科学技术的正式诞生。1.1.纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展3第一阶段第一阶段（1990年以前年以前）n在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括薄膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的性能。第二阶段第二阶段（1994年以前年以前）n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。第三阶段第三阶段（1994之后之后）n纳米组装体系。1.1.纳

2、米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展4引引 言言：纳纳米米科科技技的的发发展展史史是是一一个个由由幻幻想想到到现现实实的的过过程程，其其中中不不乏乏里里程程碑碑式式的的事件事件（图图1）1）。2002年年1959年年1981年年1985年年1986年年1987年年1988年年1989年年1990年年1991年年2000年年1997年年图图1 1 纳米科技发展的里程碑节点纳米科技发展的里程碑节点 51.1.纳米科技概念的提出与发展纳米科技概念的提出与发展 Human Hair一纳米有多大？一纳米有多大？纳米（纳米（Nanometer）是长度的单位）是长度的单位什么是什么是纳米？纳米？6

3、n1纳米纳米=10-9m，大大约约等等于于十十个氢个氢原子原子并并列一直列一直线线的的长长度。度。n形象地讲，形象地讲，一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放一纳米的物体放到乒乓球上，就像一个乒乓球放在地球上一般，这就是纳米长度的概念在地球上一般，这就是纳米长度的概念。n人人类头发类头发的直的直径径大大约约有有6万万至至8万纳万纳米米。纳米材料的主要形式纳米材料的主要形式纳米粒子纳米粒子纳米线纳米线纳米带纳米带纳米膜纳米膜纳米管纳米管纳米固体材料纳米固体材料7某一方向尺度为某一方向尺度为1-100nm的材料称为纳米材料的材料称为纳米材料各种纳米结构各种纳米结构8二维二维指在空间中有一维指在

4、空间中有一维在纳米尺度，在纳米尺度，如超薄膜、多层膜、超晶格等如超薄膜、多层膜、超晶格等按照维数划分按照维数划分零维零维指在空间三维方向指在空间三维方向均为纳米尺度的颗粒、原均为纳米尺度的颗粒、原子团簇等子团簇等一维一维指在空间有二维处于纳指在空间有二维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等米棒、纳米管等9纳米分类纳米分类按化学组成与结构按化学组成与结构:纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料；按力学性能按力学性能:纳米增强陶瓷材料、纳米改性高分子材料、纳米耐磨及润滑材料、超精细耐磨材料；按光学性能按光学性能:纳米吸波（隐身）材料、光过滤材料、光导电材料

5、、感光或发光材料、纳米改性颜料、纳米抗紫外线材料；按电子性能按电子性能:纳米半导体传感器材料、纳米超纯电子浆料；按磁性按磁性:高密度磁记录介质材料、磁流体、纳米磁性吸波材料、纳米磁性药物、纳米微晶永磁或软磁材料、室温磁制冷材料;按热学性能按热学性能:纳米热交换材料、低温烧结材料、低温焊料、特种非平衡合金;按生物与医用性能按生物与医用性能:纳米药物、纳米骨和齿修复材料、纳米抗菌材料;按表面活性按表面活性:纳米催化材料、吸附材料、防污环境材料纳米材料的种米材料的种类102、纳米材料概述、纳米材料概述全球科技经济瞭望全球科技经济瞭望：科学界普遍认为，：科学界普遍认为，纳米技术是纳米技术是2121世世

6、纪经济增长的一台主要的发动机纪经济增长的一台主要的发动机，其作用可使微电子学在，其作用可使微电子学在2020世纪后半叶对世界的影响相形见绌，纳米技术将给医学、制世纪后半叶对世界的影响相形见绌，纳米技术将给医学、制造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。造业、材料和信息通信等行业带来革命性的变革。11纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术在美国纳米技术在美国n美国早在美国早在20002000年就率先制定了国家级的纳米技术计划年就率先制定了国家级的纳米技术计划（NNINNI），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开），其宗旨是整合联邦各机构的力量，加强其在开展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方

7、面的协调。展纳米尺度的科学、工程和技术开发工作方面的协调。n20032003年年1111月，美国国会又通过了月，美国国会又通过了2121世纪纳米技术研究开世纪纳米技术研究开发法案发法案，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计，这标志着纳米技术已成为联邦的重大研发计划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建划，从基础研究、应用研究到研究中心、基础设施的建立以及人才的培养等全面展开。立以及人才的培养等全面展开。批准联邦政府在从批准联邦政府在从2005财政年度开始的财政年度开始的4年中共投入约年中共投入约37亿亿美元，用于促进纳米美元，用于促进纳米技术的研究开发。技术的研究开发。12纳米材料概

8、述纳米材料概述 纳米技术在美国纳米技术在美国n2010年年:80万纳米科技人才万纳米科技人才,GDP1万亿美元万亿美元,200万个就业万个就业机会机会n能源部的能源部的8项优先研究中，项优先研究中，6项有关纳米材料。项有关纳米材料。n军工军工:隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料隐形飞机表面涂料、舰船表面纳米涂料n本本世世纪纪前前10年年几几个个关关键键领领域域之之一一，制制定定了了“国国家家纳纳米米技技术术倡议倡议”:纳米材料纳米材料纳米电子学、光电子学和磁学纳米电子学、光电子学和磁学纳米医学和生物学纳米医学和生物学 13n国会国会:21世纪前世纪前20年的立国之本，年的立国之本，日本政府日本

9、政府总总共投共投资资了了多多于于38亿亿美元美元在在研究上研究上 n著名大企业著名大企业:纳米实用化技术的计划纳米实用化技术的计划三菱化工建立了三菱化工建立了（富勒烯富勒烯）纳米碳管生产线纳米碳管生产线自洁净玻璃、光催化净化水或空气自洁净玻璃、光催化净化水或空气纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术在日本纳米技术在日本日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。日本目前是仅次于美国的第二大纳米技术投资国。14n20052005年，欧盟制定年，欧盟制定欧洲纳米技术发展战略欧洲纳米技术发展战略，欧盟成，欧盟成员国德国、法国、芬兰等分别制定了本国纳米技术发展员国德国、法国、芬兰等分别制定了本国纳米技术发

10、展计划，欧盟及主要成员国已累计投入超过计划，欧盟及主要成员国已累计投入超过140140亿美元。亿美元。n俄罗斯从俄罗斯从20012001年开始重点推动纳米技术产业，年开始重点推动纳米技术产业，20072007年专年专门成立国有门成立国有 俄罗斯纳米技术集团俄罗斯纳米技术集团 推动产业化发展。推动产业化发展。纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术在欧洲纳米技术在欧洲15n我国我国从从2020世纪世纪8080年代起就一直高度重视纳米技术，作年代起就一直高度重视纳米技术，作为较早开展纳米技术研究的国家之一为较早开展纳米技术研究的国家之一，20012001年就成立年就成立国家纳米科技指导协调委员会，同年国

11、家纳米科技指导协调委员会，同年7 7月科技部等五部月科技部等五部委发布委发布国家纳米科技国家纳米科技发展纲要发展纲要（2001-20102001-2010）。n2001-20092001-2009年，我国用于纳米科技的研发经费超过年，我国用于纳米科技的研发经费超过2626亿亿元人民币。元人民币。我国在我国在纳米材料研究方面与国际保持同步，纳米材料研究方面与国际保持同步，并已开始产业化并已开始产业化。n20092009年，我国发表纳米科技年，我国发表纳米科技SCI-ESCI-E论文总数首次超越美论文总数首次超越美国，跃居世界国，跃居世界第一第一，专利申请量世界第二；先后建设，专利申请量世界第二；

12、先后建设 国家纳米技术科学中心国家纳米技术科学中心 和和 纳米技术及应用国家工程纳米技术及应用国家工程研究研究纳米材料概述纳米材料概述 纳米技术与当代中国纳米技术与当代中国16纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能 纳纳米米材材料料的的特特殊殊性性能能是是由由于于纳纳米米材材料料的的特特殊殊结结构构，使使之之产产生生四四大大效效应应，即即小小尺尺寸寸效效应应、量量子子效效应应（含含宏宏观观量量子子隧隧道道效效应应）、表表面面效效应应和和界界面面效效应应，从从而而具具有有传传统统材材料料所所不不具具备备的的物物理理、化化学学性性能能。由由于于纳纳米米材材料料在在磁磁、热热、光光、电电、催催化化、生

13、生物物等等方方面面具具有有奇奇异异的的特特性性，使使其其在在诸诸多多领领域域有有着着非非常常广广泛泛的的应应用用前前景景，并并 已已 经经 成成 为为 当当 今今 世世 界界 科科 技技 前前 沿沿 的的 热热 点点 之之 一一。17表面效应表面效应u引引发性能：性能：1）表面原子）表面原子输运构型运构型变化：催化化：催化2）电子自旋构象能子自旋构象能谱变化：光学化：光学u表面原子特点：表面原子特点：1）原子配位不）原子配位不满，多，多悬空空键2）高表面能，高表面活性高表面能，高表面活性纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能表面效应表面效应如如A原子缺少三个近原子缺少三个近邻，B、C、D原子各缺

14、少两个近原子各缺少两个近邻，E原子缺少一个近原子缺少一个近邻，它它们均均处于不于不稳定状定状态，近近邻缺位越多越容易与其他原子缺位越多越容易与其他原子结合，合，说明明处于表于表面的原子面的原子（A、B、C、D和和E）比比处于内部的原子的配位有效明于内部的原子的配位有效明显的减少。的减少。纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能由于由于颗粒尺寸粒尺寸变小所引起的宏小所引起的宏观物理性物理性质的的变化称化称为小尺寸效小尺寸效应。对超微超微颗粒而粒而言，尺寸言，尺寸变小，同小，同时其比表面其比表面积亦亦显著增加，从而著增加，从而产生如下一系列新奇的性生如下一系列新奇的性质。小尺寸效应小尺寸效应纳米材料的奇异性能纳米材料的奇异性能20宽频带强吸收吸收l纳米粒子呈黑色、极低反射率米粒子呈黑色、极低反射率l纳米氮化硅、碳化硅及氧化米氮化硅、碳化硅及氧化铝粉末粉末对红外有一个外有一个宽带吸吸收收谱n大的比表面大的比表面导致了平均配位数下降，不致了平均配位数下降，不饱和和键和和悬键增多增多n可以作可以