納米材料及其應(yīng)用前景課件

納米材料及其應(yīng)用前景

Prof.Dr.FuMin

CollegeofenvironmentalandbiologicalengineeringChongqingTechnologyandBusinessUniversityTel:Email:

引言

諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feyneman在六十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說的材料就是現(xiàn)在的納米材料。

材料與社會(huì)的發(fā)展

材料是人類社會(huì)進(jìn)化和人類文明的里程碑，是人類賴以生產(chǎn)和生活的物質(zhì)基礎(chǔ)，是社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。因?yàn)閷Σ牧系恼J(rèn)識和利用能力，決定著社會(huì)的形態(tài)和人類生活的質(zhì)量，所以，歷史學(xué)家往往用制造工具的原材料作為歷史分期的標(biāo)志。材料的分類

世界各國對材料的分類不盡相同，若按照材料的使用性能來看，可以分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料，從材料的應(yīng)用對象來看有可以分為信息材料、能源材料、建筑材料、生物材料、航空材料等多種類別，但就大的類別可以分為金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料四大類。無機(jī)非金屬材料

無機(jī)非金屬材料指某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硫系化合物(包括硫化物、硒化物及碲化物)和硅酸鹽、鈦酸鹽、鋁酸鹽、磷酸鹽等含氧酸鹽為主要組成的無機(jī)材料。包括陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料、搪瓷及天然礦物材料等。傳統(tǒng)無機(jī)非金屬材料

水泥水泥呈粉末狀，當(dāng)它與水混合后成為可塑性漿體，經(jīng)一系列物理化學(xué)作用凝結(jié)硬化變成堅(jiān)硬石狀體，并能將散粒狀材料膠結(jié)成為整體。水泥漿體不僅能在空氣中硬化，還能在水中硬化、保持并繼續(xù)增長其強(qiáng)度，故水泥屬于水硬性膠凝材料。玻璃

玻璃是由熔融物冷卻、硬化而得到的非晶態(tài)固體。其內(nèi)能和構(gòu)形熵高于相應(yīng)的晶體。其結(jié)構(gòu)為短程有序，長程無序。從熔融態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w時(shí)有一轉(zhuǎn)變溫度Tg。廣義的玻璃包括無機(jī)玻璃、有機(jī)玻璃、金屬玻璃等；狹義上僅指無機(jī)玻璃，最常見的是硅酸鹽玻璃。這里主要談無機(jī)玻璃。玻璃制品的分類無機(jī)玻璃的化學(xué)組成包括有眾多元素的氧化物或非氧化物。（1）普通玻璃普通玻璃是以硅酸鹽系統(tǒng)為主要基礎(chǔ)的傳統(tǒng)玻璃。包括有平板玻璃、日用玻璃、光學(xué)玻璃、電真空玻璃、點(diǎn)光源玻璃、玻璃纖維等。（2）特種玻璃隨著社會(huì)和科學(xué)的發(fā)展，在玻璃材料科學(xué)領(lǐng)域中，由于某些新品種是根據(jù)特殊用途專門研制的，其成分、性能、制造工藝均與一般工業(yè)和日用玻璃有所差別，它們往往被歸入專門的一類，叫做特種玻璃。這些特種玻璃逐漸脫離了傳統(tǒng)玻璃的基礎(chǔ)系統(tǒng)范圍。常見的特種玻璃有光子學(xué)玻璃、微晶玻璃、生化玻璃、溶膠－凝膠玻璃等。中空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖圖6－中空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖空心玻璃磚用于建筑隔斷熱反射玻璃在建筑物上大量使用陶瓷

陶瓷是指以天然或人工合成的無機(jī)非金屬物質(zhì)為原料，經(jīng)過成形和高溫?zé)Y(jié)而制成的固體材料和制品。日用陶瓷－盤子建筑陶瓷－墻面磚化工陶瓷結(jié)構(gòu)陶瓷－陶瓷刀功能陶瓷－電子陶瓷飾面瓦－魚鱗瓦圖6-電瓷絕緣子氧化鋅避雷器新型無機(jī)非金屬材料

傳統(tǒng)的無機(jī)非金屬材料具有抗腐蝕、耐高溫等許多優(yōu)點(diǎn)，但也有質(zhì)脆、經(jīng)不起熱沖擊等弱點(diǎn)。新型無機(jī)非金屬材料繼承了傳統(tǒng)材料的許多優(yōu)點(diǎn)，并克服某些弱點(diǎn)，使材料具有更加優(yōu)異的特性，用途更加廣泛。新型無機(jī)非金屬材料的特性有：1．能承受高溫，強(qiáng)度高。2．具有電學(xué)特性。3．具有光學(xué)特性。4．具有生物功能。紡織瓷件氧化鋁陶瓷電阻氧化鋁髖關(guān)節(jié)高純氧化鋁透明陶瓷管高壓鈉燈氮化硅陶瓷刀具氮化硅軸承球氮化硅陶瓷渦輪轉(zhuǎn)子氮化硅陶瓷吸管光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維是現(xiàn)代科學(xué)創(chuàng)造的奇跡之一，是使光像電流一樣沿著導(dǎo)線傳輸。不過，這種導(dǎo)線不是一般的金屬導(dǎo)線，而是一種特殊的玻璃絲，人們稱它為光導(dǎo)纖維，又叫光學(xué)纖維，簡稱光纖。光纖式傳感器光纖式傳感器金屬材料

金屬是指具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有一定的強(qiáng)度和塑性的并具有光澤的物質(zhì)，如銅、鋅和鐵等。而金屬材料則是指由金屬元素或以金屬元素為主組成的具有金屬特性的工程材料，它包括純金屬和合金兩類。

合金材料是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的材料，如黃銅是由銅和鋅兩種金屬組成的合金。與組成合金的純金屬相比，合金具有更好的力學(xué)性能，還可通過調(diào)整組成元素之間的比例得到一系列性能不同的合金，從而滿足工業(yè)生產(chǎn)上不同性能的要求。

金屬材料，尤其是鋼鐵材料在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的各個(gè)方面都有重要的作用，它們的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用，開創(chuàng)了人類物質(zhì)文明的新紀(jì)元，加速了人類社會(huì)發(fā)展的歷史進(jìn)程?？梢院敛豢鋸埖卣f，離開了金屬材料的“鋼筋鐵骨”，世界將變得面目全非。

金屬材料通?？梢苑譃閮纱箢悾汉谏饘俸陀猩饘?。黑色金屬是指鐵、鉻、錳，而有色金屬指指除鐵、鉻、錳（黑色金屬）之外的其他金屬，如銅、鋅、鋁等。

有色金屬大體上可以分為重有色金屬、輕有色金屬、貴金屬、稀有金屬和半金屬等（見圖6-）。其中重金屬的密度較大，一般在6600kg·cm2以上，輕金屬的密度都在4g·cm2以下，且化學(xué)性質(zhì)活潑，而貴金屬的共同特點(diǎn)則是化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，密度大（10～22g·cm2），熔點(diǎn)較高。天然高分子材料

纖維素(cellulose)1839年：法國的科學(xué)家佩因（a．payen）在研究從植物中提取某種化合物的過程中分離出了一種物質(zhì)并把它稱為纖維素。纖維素是世界上最豐富的天然有機(jī)物，占植物界碳含量的50％以上。棉花的纖維素含量接近100％,為天然的最純纖維素來源。一般木材中,纖維素占40～50％,還有10～30％的半纖維素和20～30％的木質(zhì)素。此外，麻、麥稈、稻草、甘蔗渣等，都是纖維素的豐富來源。

纖維素的分子式是(C6H10O5)n，由D-葡萄糖以β-1，4糖苷鍵組成的大分子多糖，分子量50000～2500000,相當(dāng)于300～15000個(gè)葡萄糖基。不溶于水及一般有機(jī)溶劑。是植物細(xì)胞壁的主要成分。具有(C6H10O5)n的組成。是維管束植物、地衣植物以及一部分藻類細(xì)胞壁的主要成分。醋酸菌（Acetobaeter）的莢膜，以及尾索類動(dòng)物的被囊中也發(fā)現(xiàn)有纖維素的存在，棉的種子毛是高純度98%的纖維素。木質(zhì)素(lignin)

木質(zhì)素是一種復(fù)雜的、非結(jié)晶性的、三維網(wǎng)狀酚類高分子聚合物，它廣泛存在于高等植物細(xì)胞中，是針葉樹類、闊葉樹類和草類植物的基本化學(xué)組成之一。

甲殼素(chitin)和殼聚糖(chitosan)

甲殼素(Chitin)又名甲殼質(zhì)，殼多糖，殼蛋白，是法國科學(xué)家布拉克諾(Braconno)1811年首先從蘑菇中提取到一種類似于植物纖維的六碳糖聚合體，把它命名為Fungine（蕈素）。1823年，法國科學(xué)家歐吉爾(Odier)在甲殼動(dòng)物外殼中也提取了這種物質(zhì)，并命名為chitoin（幾丁質(zhì)），chitoin希臘語原意為"外殼"、"信封"的意思。1894年F.Hoppe-Seiler把經(jīng)過化學(xué)修飾過的chitin叫做殼聚糖(chitosan)。

合成高分子材料

說起高分子材料，普通人也許會(huì)覺得莫測高深，其實(shí)我們身邊到處都是它們的身影。無論是作為食物的蛋白質(zhì)還是作為織物的棉、毛和蠶絲都是天然高分子材料，就連人體本身，基本上也是由各種生物高分子構(gòu)成的。我國在開發(fā)天然高分子材料方面曾走在世界領(lǐng)先水平。利用竹、棉、麻等纖維等高分子材料造紙是我國古代的四大發(fā)明之一。另外，利用桐油與大漆等高分子材料作為油漆、涂料制作漆制品也是我國古代的傳統(tǒng)技術(shù)。高分子是由碳、氫、氧、硅、硫等元素組成的高分子化合物的簡稱。高分子的分子量從幾千到幾十萬甚至幾百萬，所含原子數(shù)目一般在幾萬以上，而且這些原子是通過共價(jià)鍵連接起來的。

高分子化合物由于分子量很大，分子間作用力的情況與小分子大不相同，具有特有的高強(qiáng)度、高韌性、高彈性等，從而可以作為材料使用。功能高分子材料主要包括物理功能高分子材料及化學(xué)功能高分子材料。前者如導(dǎo)電高分子、高分子半導(dǎo)體、光導(dǎo)電高分子、壓電及熱電高分子、磁性高分子、光功能高分子、液晶高分子和信息高分子材料等；后者如反應(yīng)性高分子、離子交換樹脂、高分子分離膜、高分子催化劑、高分子試劑及人工臟器等，此外還有生物功能和醫(yī)用高分子材料，如生物高分子、模擬器、高分子藥物及人工骨材料等。

高分子特性：同樣由于高聚物的分子量很大，所以其力學(xué)性質(zhì)、熱性質(zhì)、溶解性等與小分子化合物大為不同。

力學(xué)性質(zhì)：低分子一般沒有強(qiáng)度，是結(jié)晶性的硬固體。而高分子的性質(zhì)變化范圍很大，從軟的橡膠狀到硬的金屬狀。有很好的強(qiáng)度、斷裂伸長率、彈性、硬度、耐磨性等力學(xué)性質(zhì)。高分子的相對密度小(0.91-2.3)，因而其比強(qiáng)度可與金屬匹敵。

熱性質(zhì)：低分子有明確的沸點(diǎn)和熔點(diǎn)，可成為固相、液相和氣相。高分子分熱塑性和熱固性兩類，熱塑性高分子加熱時(shí)在某個(gè)溫度下軟化(或融解)、流動(dòng)，冷卻后成形；而熱固性高分子加熱時(shí)固化成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)而成形。

溶解性：低分子溶解很快，但高分子都很慢，通常要過夜，甚至數(shù)天才能觀察到溶解。高分子溶解的第一步是溶脹，由于高分子難以擺脫分子間相互作用而在溶劑中擴(kuò)散，所以第一步總是體積較小的溶劑分子先擴(kuò)散入高分子中使之脹大。如果是線形高分子，由溶脹會(huì)逐漸變?yōu)槿芙猓蝗绻墙宦?lián)高分子，只能達(dá)到溶脹平衡而不溶解。因此一般來說，高分子有較好的抗化學(xué)性，即抗酸、抗堿和抗有機(jī)溶劑的侵蝕。高分子的溶解性受化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子量、結(jié)晶性、支化或交聯(lián)結(jié)構(gòu)等的影響?？偟膩碚f有如下關(guān)系。分子量越高，溶解越難；結(jié)晶度越高，溶解越難；支化或交聯(lián)程度越高，溶解越難。塑料（plastics）

塑料,又稱合成樹脂,是指以樹脂（或在加工過程中用單體直接聚合）為主要成分，以增塑劑、填充劑、潤滑劑，著色劑等添加劑為輔助成分，在加工過程中能流動(dòng)成型的材料。塑料主要有以下特性：①大多數(shù)塑料質(zhì)輕，化學(xué)穩(wěn)定性好，不會(huì)銹蝕；②耐沖擊性好；③具有較好的透明性和耐磨耗性；④絕緣性好，導(dǎo)熱性低；⑤一般成型性、著色性好，加工成本低；⑥大部分塑料耐熱性差，熱膨脹率大，易燃燒；⑦尺寸穩(wěn)定性差，容易變形；⑧多數(shù)塑料耐低溫性差，低溫下變脆；⑨容易老化；⑩某些塑料易溶于溶劑。各類塑料制品合成橡膠(syntheticrubber)

合成橡膠是人工合成的高彈性聚合物，以煤、石油、天然氣為原料，便宜易得，而且品種很多，并可按工業(yè)、公交運(yùn)輸?shù)男枰铣筛鞣N具有特殊性能(如耐熱、耐寒、耐磨、耐油、耐腐蝕等)的橡膠，因此目前世界上合成橡膠的總產(chǎn)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了天然橡膠。順丁橡膠原料氯丁橡膠制成的扁平電纜氟橡膠密封墊圈合成纖維（syntheticfibre）合成纖維是化學(xué)纖維的一種。以小分子的有機(jī)化合物為原料，經(jīng)加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)合成的線型有機(jī)高分子化合物，如聚丙烯腈、聚酯、聚酰胺等。從纖維的分類可以看出它屬于化學(xué)纖維的一個(gè)類別。涂料與膠粘劑輪胎簾子線（合成纖維）編制的子午線輪胎滌綸面料航天器用降落傘

納米材料是指晶粒尺寸為納米級(10-9米)的超細(xì)材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般為100~102nm。它包括體積分?jǐn)?shù)近似相等的兩個(gè)部分：一是直徑為幾個(gè)或幾十個(gè)納米的粒子二是粒子間的界面。前者具有長程序的晶狀結(jié)構(gòu)，后者是既沒有長程序也沒有短程序的無序結(jié)構(gòu)。

納米材料

1984年德國薩爾蘭大學(xué)的Gleiter以及美國阿貢試驗(yàn)室的Siegel相繼成功地制得了純物質(zhì)的納米細(xì)粉。Gleiter在高真空的條件下將粒徑為6nm的Fe粒子原位加壓成形，燒結(jié)得到納米微晶塊體，從而使納米材料進(jìn)入了一個(gè)新的階段。1990年7月在美國召開的第一屆國際納米科學(xué)技術(shù)會(huì)議，正式宣布納米材料科學(xué)為材料科學(xué)的一個(gè)新分支。

從材料的結(jié)構(gòu)單元層次來說，它介于宏觀物質(zhì)和微觀原子、分子的中間領(lǐng)域。在納米材料中，界面原子占極大比例，而且原子排列互不相同，界面周圍的晶格結(jié)構(gòu)互不相關(guān)，從而構(gòu)成與晶態(tài)、非晶態(tài)均不同的一種新的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

在納米材料中，納米晶粒和由此而產(chǎn)生的高濃度晶界是它的兩個(gè)重要特征。納米晶粒中的原子排列已不能處理成無限長程有序，通常大晶體的連續(xù)能帶分裂成接近分子軌道的能級，高濃度晶界及晶界原子的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致材料的力學(xué)性能、磁性、介電性、超導(dǎo)性、光學(xué)乃至熱力學(xué)性能的改變。

納米相材料跟普通的金屬、陶瓷，和其他固體材料都是由同樣的原子組成，只不過這些原子排列成了納米級的原子團(tuán)，成為組成這些新材料的結(jié)構(gòu)粒子或結(jié)構(gòu)單元。其常規(guī)納米材料中的基本顆粒直徑不到100nm，包含的原子不到幾萬個(gè)。一個(gè)直徑為3nm的原子團(tuán)包含大約900個(gè)原子，幾乎是英文里一個(gè)句點(diǎn)的百萬分之一，這個(gè)比例相當(dāng)于一條300多米長的帆船跟整個(gè)地球的比例。納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，其相應(yīng)發(fā)展起來的納米技術(shù)被公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。

納米材料的特性

納米材料的表面效應(yīng)

納米材料的表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質(zhì)上的變化。

粒徑在10nm以下，將迅速增加表面原子的比例。當(dāng)粒徑降到1nm時(shí)，表面原子數(shù)比例達(dá)到約90%以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學(xué)活性。

納米材料的體積效應(yīng)

由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小。因此，許多現(xiàn)象就不能用通常有無限個(gè)原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明，這種特殊的現(xiàn)象通常稱之為體積效應(yīng)。其中有名的久保理論就是體積效應(yīng)的典型例子。久保理論是針對金屬納米粒子費(fèi)米面附近電子能級狀態(tài)分布而提出的。納米材料的量子尺寸效應(yīng)

當(dāng)納米粒子的尺寸下降到某一值時(shí)，金屬