納米材料概論教學(xué)大綱

1、納米材料概論教學(xué)大綱課程名稱：納米材料概論英文名稱：Introductiontonanomaterials課程編號(hào)：課程學(xué)時(shí)：36課程學(xué)分：2課程性質(zhì)：專業(yè)選修課適用專業(yè)：應(yīng)用化工技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測(cè)與治理技術(shù)、材料加工技術(shù)等大綱執(zhí)筆人：王曉華一、課程的性質(zhì)、任務(wù)與基本要求1 .本課程的性質(zhì)與任務(wù)納米材料學(xué)科是近年來(lái)興起并受到普遍關(guān)注的一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域，它涉及到凝聚態(tài)物理、化學(xué)、材料、生物等多種學(xué)科的知識(shí)，對(duì)凝聚態(tài)物理和材料學(xué)科產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。該課程是材料學(xué)、材料物理與化學(xué)或材料加工工程等專業(yè)學(xué)生的一門專業(yè)選修課程。本課程的目的是通過(guò)課堂教學(xué)、課堂討論使學(xué)生了解、掌握納米材料的概念、分類及其特點(diǎn)；

2、了解納米材料的物理性能和化學(xué)性能；了解納米材料的主要制備方法及其原理、工藝過(guò)程和適用范圍；掌握納米材料粒度、成分、結(jié)構(gòu)、形貌的測(cè)試和表征方法；了解納米材料在不同領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀和應(yīng)用前景以及研究進(jìn)展。培養(yǎng)學(xué)生在交叉學(xué)科和創(chuàng)新能力等方面的綜合能力。2 .課程的基本內(nèi)容和要求本課程主要講授納米材料的基本概念與性質(zhì)、制備納米粒子的物理和化學(xué)方法、納米薄膜材料、納米固體材料、納米復(fù)合材料等，其目的是使學(xué)生掌握各種納米材料的性能和制備工藝，為正確選擇各種納米材料的制備工藝提供依據(jù)，同時(shí)也為研究新材料、新性能、新工藝打下理論基礎(chǔ)。3 .教學(xué)環(huán)節(jié)與學(xué)時(shí)分配課堂教學(xué)：32學(xué)時(shí)(包括課堂討論等教改環(huán)節(jié))實(shí)驗(yàn)：4學(xué)

3、時(shí)總計(jì)：36學(xué)時(shí)二、教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)計(jì)劃緒論1學(xué)時(shí)納米科技的興起、納米材料的研究歷史、納米材料的主要研究?jī)?nèi)容、本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法第一章納米材料的基本概念與性質(zhì)7學(xué)時(shí)(一)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)1、納米材料的基本概念1學(xué)時(shí)2、納米微粒的基本性質(zhì)3學(xué)時(shí)(1)電子能級(jí)的不連續(xù)性(2)量子尺寸效應(yīng)(3)小尺寸效應(yīng)(4)表面效應(yīng)(5)宏觀量子隧道效應(yīng)3.納米微粒的物理特性3學(xué)時(shí)(1)納米微粒的結(jié)構(gòu)與形貌(2)納米微粒的熱學(xué)性質(zhì)(3)納米微粒的磁學(xué)性質(zhì)(4)納米微粒的光學(xué)性質(zhì)(二)重點(diǎn)與難點(diǎn)1 .重點(diǎn)：物質(zhì)層次可以分為微觀、介觀和宏觀三個(gè)層次。納米科技的誕生是以掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡為先導(dǎo)的。微觀粒子具有

4、二象性，既具有粒_子性、又具有波動(dòng)性。量子效應(yīng):原子和分子中的電子等粒子的能量量子化是電子受到原子核和其它電子所產(chǎn)生的力場(chǎng)的束縛而產(chǎn)生的，這些粒子可以存在多種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，粒子分布呈現(xiàn)波動(dòng)性。由N個(gè)原子組成的固體材料，當(dāng)原子間距縮小時(shí)，每個(gè)原子中的電子就會(huì)受到鄰近原子中的電子和原子核的作用，具結(jié)果是每個(gè)分立的電子能級(jí)分裂成N個(gè)彼此相隔很小的能級(jí)，形成近似連續(xù)的密集的能量范圍叫能帶。K空間：又稱波矢空間，描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的空間，K空間中的一個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)著一個(gè)確定的狀態(tài)。久保理論。2 .難點(diǎn)：量子尺寸效應(yīng)、久保理論。(三)習(xí)題：習(xí)題1、習(xí)題2、習(xí)題3第二章納米粒子的制備方法8學(xué)時(shí)(一)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)1

5、 .納米粒子制備方法評(píng)述2 .制備納米粒子的物理方法1)機(jī)械粉碎法2)蒸發(fā)凝聚法3)離子濺射法4)冷凍干燥法5)其它方法3 .制備納米粒子的化學(xué)方法1)氣相化學(xué)反應(yīng)法2)沉淀法3)水熱合成法4)噴霧熱解法5)溶膠-凝膠法4 .制備納米粒子的綜合方法(1)激光誘導(dǎo)氣相化學(xué)反應(yīng)法(2)其它綜合方法3.5學(xué)0.5學(xué)(二)重點(diǎn)與難點(diǎn)1.重點(diǎn)：物理方法制備納米粒子的粉碎法和構(gòu)筑法；蒸發(fā)法制備納米粒子，按加熱蒸發(fā)的不同，可以分為電阻蒸發(fā)、等離子體蒸發(fā)、激光束加熱蒸發(fā)、電子束加熱蒸發(fā)、電弧放電加熱蒸發(fā)、高頻感應(yīng)電流加熱蒸發(fā)、太陽(yáng)爐加熱蒸發(fā)等；簡(jiǎn)述以Y(NO3)3、Ba(NO3)2和Cu(NO3)2為原料用冷

6、凍干燥法制備Y-Ba-Cu-Y體系的超導(dǎo)納米粒子的工藝過(guò)程。比較制備納米粒子的化學(xué)方法，并分析其各自特點(diǎn)。2.難點(diǎn)：制備納米粒子的各種方法的比較及應(yīng)用范圍(三)習(xí)題：習(xí)題1、習(xí)題2、習(xí)題3第三章納米薄膜材料(一)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)1 .概述學(xué)時(shí)2 .納米薄膜材料的功能特性學(xué)時(shí)(1)薄膜的光學(xué)特性(2)電學(xué)特性(3)磁阻效應(yīng)3,納米薄膜材料制備技術(shù)6學(xué)時(shí)0.51.5(1)物理氣相沉積法(2)化學(xué)氣相沉積(3)溶膠凝膠法(4)電化學(xué)方法4.納米薄膜材料的應(yīng)用(二)重點(diǎn)與難點(diǎn)1 .重點(diǎn)：陶瓷薄膜；薄膜厚度是薄膜的重要參數(shù)之一，它對(duì)薄膜的其它物理性能有影響，可以利用天平法、電學(xué)法和光學(xué)法等方法來(lái)測(cè)量；鐵電

7、薄膜是陶瓷薄膜中很重要的一類，這類薄膜具有壓電效應(yīng)、熱釋電效應(yīng)、電光效應(yīng)和非線性光學(xué)效應(yīng)等多種效應(yīng)，便于器件的小型化及微電子學(xué)和光電子學(xué)集成；真空蒸發(fā)制備陶瓷薄膜是采用較早、也較簡(jiǎn)單的方法，其基本原理是通過(guò)蒸發(fā)源將原料加熱或升華，使氣相原子或分子穿過(guò)真空空間后凝結(jié)成膜；多源反應(yīng)共蒸發(fā)是指在高真空條件下，由幾個(gè)蒸發(fā)源同時(shí)將所需金屬組分蒸發(fā)到加熱襯底上，在此過(guò)程中不斷向其上吹反應(yīng)氣體；離子束濺射沉積制膜；凝膠-溶膠方法制備陶瓷薄膜的工藝過(guò)程。2 .難點(diǎn)：制備陶瓷薄膜與納米粒子工藝要素的不同及工藝控制。3 三)習(xí)題：習(xí)題1、習(xí)題2、習(xí)題3、習(xí)題4第四章納米固體材料6學(xué)時(shí)(一)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)1概述0.

8、5學(xué)時(shí)2納米固體材料結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.5學(xué)時(shí)納米固體材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)(2)納米固體材料的結(jié)構(gòu)模型(3)納米固體材料的結(jié)構(gòu)缺陷3納米固體材料的性能1學(xué)時(shí)(1)力學(xué)性能(2)磁學(xué)性能(3)電學(xué)性能4納米固體材料制備方法2.5學(xué)時(shí)(1)惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法(2)高能球磨法(3)非晶晶化法(4)無(wú)壓燒結(jié)(5)熱壓燒結(jié)(6)微波燒結(jié)5納米固體材料的應(yīng)用0.5學(xué)時(shí)(二)重點(diǎn)與難點(diǎn)1 .重點(diǎn)：納米結(jié)構(gòu)材料的基本構(gòu)成是納米微粒以及它們之間的界面，后者所占的體積分?jǐn)?shù)幾乎可與納米微粒所占的體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)；三叉晶界；納米材料的致密化問(wèn)題有兩種觀點(diǎn)；對(duì)各種納米固體材料，可能偏離Hall-Petch關(guān)系；從界面特點(diǎn)分析超塑性的

9、產(chǎn)生；高能球磨制備納米粒子；非晶晶化化；試比較無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)和微波燒結(jié)的工藝特點(diǎn)，并比較具優(yōu)缺點(diǎn)。2 .難點(diǎn)：納米固體材料燒結(jié)過(guò)程中晶粒長(zhǎng)大的機(jī)制及控制(三)習(xí)題：習(xí)題1,習(xí)題2第五章納米復(fù)合材料4學(xué)時(shí)(一)教學(xué)內(nèi)容與學(xué)時(shí)1納米復(fù)合材料的分類2學(xué)時(shí)2納米復(fù)合材料的性能(1)高強(qiáng)度、高韌性(2)高比強(qiáng)度、高比模量(3)抗蠕變、抗疲勞2陶瓷基納米復(fù)合材料2.5學(xué)時(shí)(1)反應(yīng)燒結(jié)(2)原位復(fù)合法(二)重點(diǎn)與難點(diǎn)1重點(diǎn)：復(fù)合材料的納米級(jí)增強(qiáng)體包括納米顆粒、納米晶片、納米晶須、納米纖維等；0-0納米復(fù)合材料；復(fù)合材料的基體和增強(qiáng)體的界面粘結(jié)形式有機(jī)械粘結(jié)和化學(xué)粘結(jié)兩種，界面結(jié)合的強(qiáng)弱對(duì)陶瓷韌性的影響；反應(yīng)燒結(jié)和原位復(fù)合法制備陶瓷基復(fù)合材料的異同之處。2難點(diǎn)復(fù)合材料的組織控制(三)習(xí)題習(xí)題1,習(xí)題2三、實(shí)驗(yàn)4學(xué)時(shí)本課程共安排1個(gè)實(shí)驗(yàn)，4學(xué)時(shí)。1.納米氧化鐵材料的制備及材料的表征四、教材與參考書1 .教材：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社曹茂盛、關(guān)長(zhǎng)斌、徐甲強(qiáng)等編著納米材料導(dǎo)論2 .主要參考書(1) .科學(xué)