纳米材料的形态
纳米物质的基本效应
1 界面效应－表面、界面增大；催化、吸附作用增强
粒子直径减少到纳米级,表面原子数和比表面积、表面能 都会迅速增加；表面原子周围缺少相邻的原子，具有价 键不饱和性质，易与其它原子结合，具有很大化学活性。
烧结温度显著降低： Al2O3的烧结温度为2073-2173K，降到1423-1773K。 常规Si3N4的烧结温度高于2273K，纳米粉可降低673-773K。
●纳米材料对红外、微波具有很好的吸收特性。
原因：纳米材料体系的大量界面使界面散射对电阻的贡献非常大， 当尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位，导致总电阻趋 向饱和值。当粒径低于临界尺寸时，量子尺寸效应造成的能级离 散性不可忽视，温升造成的热激发电子对电导的贡献增大。
PbTiO3、BaTiO3等典型铁电体纳米化后 顺电体 铁磁性物质（5nm） 铁磁性消失变为顺磁性
纳米材料的分类
如果按维数，纳米材料的基本单元可分为 三类：
1. 零维：空间三维尺度均在纳米量级，如 纳米颗粒、原子团簇等；
纳米科技研究什么
研究尺寸在0.1-100纳米尺度上物质微粒的结构、表征、 性质及其相互作用，探索新现象和新特性（物理、化 学和生物），并通过在该尺度上控制物质，创造新材 料、新器件和系统的多学科科学技术。 纳米技术具有广阔的应用前景，对信息、生物工程、 医学、光学、材料科学等领域都将产生深远的影响。
纳米材料和技术领域
狭义上说，纳米材料包括： （1）纳米颗粒 （2）由纳米颗粒构成的纳米薄膜和固体
广义上说，纳米材料是指在三维空间中至少有一 维处于纳米尺度范围或由它们作为基本单元构成 的材料。
纳米材料
纳米有多小？ 十亿分之一米
Nanostructured materials may be defined as those materials whose structural elements—clusters, crystallites or molecules—have dimensions in the 1 to 100 nm range.
在纳米尺寸范围内，认识和改造自然，通过直接操作和安 排原子、分子创制新的物质。
STM具有空间的高分辨率(横向可达0.1nm,纵 向可优于0.01nm)，能直接而清晰地观察到物 质表面的原子结构。用STM的探针还可操纵 原子、分子，对材料表面进行纳米加工。
Individual Xe atoms positioned on a Ni surface at 4 K to form the IBM logo (1990).
纳米材料的独特性能
●金属纳米材料的电阻随尺寸下降而增大，电阻温度系 数下降甚至变为负数；
●原是绝缘体的氧化物当达到纳米级，电阻反而下降；
● 10~25nm的铁磁金属微粒比相同的块体材料大1000 倍，当颗粒尺寸小于10nm时，矫顽力变为0，表现为 顺磁性；
●纳米氧化物和氮化物在低频下，介电常数增大几倍；
2 小尺寸效应－ 当材料的尺寸与光波波长、德布罗意波长或透射深度等 物理尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏， 导致力、电、磁、热、光等特性呈现新的效应。
3 量子效应－ 当粒子尺寸降到某一值时，金属能级的不连续和半导体 能级间隙变宽的现象。量子行为起主导作用。
4 量子隧道效应（微观粒子具有贯穿势垒的能力）。
2016-2017 秋季学期研究生课程
陶瓷基复合材料 Ceramic-matrix Composites
第10讲
纳米陶瓷复合材料
2016. 9.1~11.2
纳米材料和技术领域
“纳米”是一个尺度的概念：（10-9 m）
纳米科技是研究由尺寸在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。
疏水疏油：自清洁材料 强催化活性：催化剂
密度是钢的1/6，强 度却是钢的100倍 。
纳米材料的分类
如果按维数，纳米材料的基本单元可分为 三类：
1. 零维：空间三维尺度均在纳米量级，如 纳米颗粒、原子团簇等；
2. 一维：在空间有两维处于纳米尺度，如 纳米丝、纳米棒和纳米管等；
3. 二维：在空间有一维处于纳米尺度，如 超薄膜、多层膜、超晶格等。
If I were asked for an area of science and engineering that will most likely produce the breakthroughs of tomorrow, I would point to nanoscale science and engineering. (US President’s Advisor for Sci. & Tech.)
金属纳米微粒 无金属光泽，对光显示极料－黑色强吸波：隐身材料、电磁屏蔽
高矫顽力－超顺磁：磁存储材料、磁流体 低熔点：粉末冶金、焊接材料 强催化活性：催化剂、炸药、推进剂 高扩散率：粉末冶金 高硬度：超硬材料、材料改性 超塑性：金属加工
纳米陶瓷材料－韧性好、强度,致密度高、抗腐蚀：结构材料
玻璃弹球直径: 2 厘米 蚂蚁: 2 毫米 头发直径: 80 微米 微生物: 几纳米--几十纳米 DNA 螺旋半径: 1纳米
1 毫米=1000 微米 1 微米=1000 纳米 1 纳米=10-9 米
一纳米与一米相比 等于玻璃弹球比地球
纳米的词头“Nano”来源于希腊语，后作为词头表示微毫，即10-9
“与原子共舞” 纳 米 科 学 与 技 术
‘There is plenty of room at the bottom’
(Feynman 1959).
费因曼认为科学技术发展的途径有两条，一条是top-down” 的过程，另一条是bottom-up的过程。近几十年来，人类 社会的生产方式和科学技术，一直沿着“自上而下”的微 型化过程发展。为什么不可以“自下而上”——从单个分 子、原子开始出发，进行组装，获得我们要求的具有特定 功能的成品？他还说“物理学的规律，不排除一个原子、 一个原子制造物品的可能”。