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纳米材料的制备
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纳米材料的制备
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物理气相沉积法
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物理气相沉积法
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物理气相沉积法
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化学气相沉积法
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化学气相沉积法
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液相合成法：沉淀法
共沉淀法-均相沉淀法 通过溶液中的化学反应使沉淀剂慢慢生成，从而克服了 由外界向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂不均匀性并使沉 淀剂不能在整个溶液中均匀反应的缺点 利用共沉淀法，可在制备过程中完成反应及掺杂过程
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纳米材料的超塑性
超塑性的两个条件：较小的粒径，快速的扩散途径 例如随着粒径的减少，纳米TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感 度明显提高，体现出室温超塑性
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纳米材料的热学性能
纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉 体低得多 由于颗粒小，表面能高，表面原子数多，纳米颗粒表面 原子近邻配位不全，活性大，熔化时所需内能小，熔点 低，烧结温度低粉末冶金材料应用与新发展 Nhomakorabea2
纳米材料
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纳米材料
纳米材料按维数可以分为三类
• 零维：指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗 粒、原子团簇等
• 一维：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳 米棒、纳米管等
• 二维：指在三维空间中有一维处于纳米尺度，如超薄 膜，多层膜等
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纳米材料发展历史
• 1990年以前，主要是在实验室探索用各种手段制备各 种材料的纳米颗粒和合成块体，研究评估表征方法， 探索纳米材料的特殊性能
• 1994年前，利用纳米材料的物理、化学和力学性能， 设计纳米复合材料，主要探索纳米复合材料的合成与 物性
• 1994年-至今：纳米组装体系，人工组装合成的纳米结 构的材料体系
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纳米材料种类：原子团簇
• 1985年发现的C60，直径0.7nm
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纳米材料种类：原子团簇
• 原子团簇不同于有特定大小和形状的分子、分子间以 微弱的结合力的松散分子团簇和周期性很强的晶体
• 碳纳米管可用作信息技术材料 • 碳纳米管作为高能电池电极材料
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纳米薄膜
• 纳米薄膜是指有尺寸在纳米量级的晶粒，构成的薄膜 以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜
• 其性能强烈依赖于晶粒尺寸，膜的厚度、表面粗糙度 及多层膜结构
• 按纳米薄膜的应用性能分为：纳米磁性薄膜，纳米光 学薄膜，纳米气敏膜、纳米滤膜、纳米润滑膜及纳米 多孔膜
• 量子尺寸效应：粒子尺寸下降到接近或小于某一值 （激子波尔半径），费米能级附近的电子能级由准连 续变为奋力能级的现象
• 宏观量子隧道效应
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纳米材料的强度与硬度
• 纳米结构材料的硬度变化为： 一、硬度随着粒径的减小而增大 粒径为6nm的铜的硬度比粗晶试样增长了500% 二、当晶粒尺寸很小时，硬度随着粒径减小而降低
• 原子团簇的形式多样，尚未形成晶体，以化学键紧密 结合的聚集体
• 原子团簇有一元原子团簇（金属：Nan；Nin和非金属： C60）； 二元原子团簇（InnPm）， 多元原子团簇 （Vn（C6H6）m）
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纳米材料种类：纳米微粒
• 纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的 尺寸大于原子团簇，一般在1-1000nm
• 0-2复合：把纳米微粒分散到二维的纳米薄膜中， • 0-3复合：纳米微粒分散在常规固体粉体中 • 1-3复合：主要是碳纳米管、晶须与常规聚合物粉体的
复合 • 2-3复合：主要表现在插层纳米复合材料的合成
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纳米材料性质
• 小尺寸效应：光电声磁的变化
• 表面效应：纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳 米微粒尺寸的减少而大幅度增加
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纳米材料种类：纳米纤维
• 纳米纤维是材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺 度的线（管）状材料
• 纳米丝、纳米线、纳米棒 • 纳米电缆 • 碳纳米管
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碳纳米管
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碳纳米管
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碳纳米管性能
• 导电性：可以是金属性，也可以是半导体，根据部位 不同呈现不同的导电性
• 电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的 量子限域效应，而电子在轴向的运动不受任何限制
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纳米材料的光学性能
光的吸收性主要表现在纳米材料对光的不透射性和不反 射性。 例如：对金属而言，纳米粒度大，则纳米粒子的颜色较 灰和浅黑，粒度减小，颜色越黑 金膜是透明的吗？
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纳米材料的其他光性能
光学发光性能：用在半导体发光方面 光催化性质：表面积大，表面活性点多
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纳米材料的催化性质
例如：纳米TiO2用于光解水 金属复合纳米材料具有更强的催化选择作用，以粒径小 于100纳米Ni和Cu-Zn合金的纳米颗粒为主要成分制成的 催化剂可使有机物氢化的效率达到传统Ni催化剂的10倍
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纳米块体
• 纳米块体材料是将纳米粉末高压成形或烧结，或控制 液体结晶而得到的纳米材料
• 纳米块体材料是在团簇和纳米粒子的研究基础上，并 在实际应用中发展起来的
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纳米复合材料
• 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的 物质组合而成的一种多相固体材料
• 0-0复合：即不同成分、不同相或不同种类的纳米微粒 复合而成的纳米固体或液体，通常采用原位压块、原 位聚合、相转变、组合等方法实现
• 力学性能：具有极高的强度和极大的韧性，弹性模量 可达5Tpa，其强度是钢的100倍
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碳纳米管应用
• 作为模板用于一维纳米线的合成，可得金属线或复合 线
• 碳纳米管在金属基或有机聚合物中形成复合材料，能 稳定存在并具有强化作用：加入铜中，减少摩擦损耗； 加入碳化硅中，得到韧性高的陶瓷，加入有机物中， 可以制造出力学强度较高的尼龙复合材料和聚甲基丙 烯酸甲酯复合材料
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纳米材料的磁学性能
纳米微粒具有奇异的超顺磁性和较高的矫顽力
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纳米材料的光学性能
光谱迁移：蓝移和红移
蓝移：主要是由于载流子或激子或发光离子受量子尺寸 效应而导致其量子能级分裂显著，带隙加宽
红移：由于表面与界面效应引起纳米微粒的表面张力增 大，是发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变， 带隙变窄所引起
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液相合成法：水热法
将反应物和水在密闭容器中加热到高温高压时，反应物 发生变化形成纳米微粒的过程
反应物可以是金属盐、氧化物、氢氧化物以及金属粉末 的水溶液或液相悬浮液
以有机溶剂代替水，可以实现其他合成，如笨，甲苯或 乙二醇二甲醚
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液相合成法：溶胶凝胶法