納 米 材 料 概 述

納米材料概述06納米材料的應(yīng)用05納米材料的分析與表征方法04納米材料的結(jié)構(gòu)與性能03納米材料制備技術(shù)與方法02納米材料的特性01納米材料概述content納米（nm）實(shí)際上是一種長度單位，1納米僅等于十億分之一米，人的一根頭發(fā)絲的直徑相當(dāng)于6萬個(gè)納米。納米小得可愛，卻威力無比，它可以對材料性質(zhì)產(chǎn)生影響，并發(fā)生變化，使材料呈現(xiàn)出極強(qiáng)的活躍性?？茖W(xué)家們說，納米這個(gè)“小東西”將給人類生活帶來的震憾，會比被視為迄今為止影響現(xiàn)代生活方式最為重要的計(jì)算機(jī)技術(shù)更深刻、更廣泛、更持久。1m=1000mm1mm=1000μm1μm=1000nmPart1納米材料概述納米塊4納米纖維2納米粉末1納米膜3納米材料的分類納米粉末：

又稱為超微粉或超細(xì)粉，一般指粒度在100納米以下的粉末或顆粒，是一種介于原子、分子與宏觀物體之間處于中間物態(tài)的固體顆粒材料。納米鐵粉納米銅粉納米鋁粉納米纖維：

指直徑為納米尺度而長度較大的線狀材料。二氧化鈦納米纖維的電子顯微鏡照片Ultra-Web納米纖維電鏡照片納米膜分為顆粒膜與致密膜。顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜指膜層致密但晶粒尺寸為納米級的薄膜。納米塊：

是將納米粉末高壓成型或控制金屬液體結(jié)晶而得到的納米晶粒材料。納米技術(shù)的發(fā)展第一階段第二階段第三階段第四階段第五階段231第一階段的發(fā)展重點(diǎn)是要準(zhǔn)確地控制原子數(shù)量在100個(gè)以下的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。這需要使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)／制造技術(shù)和現(xiàn)有工廠的設(shè)備和超精密電子裝置。第二個(gè)階段是生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)。在這個(gè)階段，納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)和納米復(fù)合材料的制造將達(dá)到實(shí)用化水平。其中包括從有機(jī)碳酸鈣中制取的有機(jī)納米材料，其強(qiáng)度將達(dá)到無機(jī)單晶材料的3000倍。在第三個(gè)階段，大量制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)將成為可能。這要求有高級的計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)／制造系統(tǒng)、目標(biāo)設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和組裝技術(shù)等。4納米計(jì)算機(jī)將在第四個(gè)階段中得以實(shí)現(xiàn)。5在第五階段里，科學(xué)家們將研制出能夠制造動力源與程序自律化的元件和裝置。納米超微粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性能的變化。具有很高的化學(xué)活性.利用這一特性可制得具有高催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑。表面效應(yīng)Part2納米材料的特性——納米效應(yīng)微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級附近的電子能級由準(zhǔn)連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗墸展庾V向短波方向移動，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。量子尺寸效應(yīng)隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢壘。宏觀量子隧道效應(yīng)1.光學(xué)性質(zhì)2.熱學(xué)性質(zhì)3.磁學(xué)性質(zhì)4.力學(xué)性質(zhì)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。小尺寸效應(yīng)機(jī)械球磨法冷凍干燥法微乳液放應(yīng)化學(xué)沉淀法Part3納米材料制備技術(shù)與方法真空冷凝法噴霧法水熱合成法氣相沉積法物理方法化學(xué)方法模板合成法應(yīng)3.1物理方法真空冷凝法用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點(diǎn)純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。通過機(jī)械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。物理粉碎法機(jī)械球磨法采用球磨方法，控制適當(dāng)?shù)臈l件得到純元素、合金或復(fù)合材料的納米粒子。其特點(diǎn)操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。氣相沉積法化學(xué)沉淀法水熱合成法利用化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)來合成納米微粒的方法。優(yōu)點(diǎn)：表面清潔，粒子大小可控制，無黏結(jié)，粒度分度均勻。適合于單質(zhì)、無機(jī)化合物和復(fù)合材料納米微粒的制備過程。共沉淀法、均勻沉淀法、多元醇沉淀法、沉淀轉(zhuǎn)化法優(yōu)點(diǎn)：工藝簡單，適合于制備納米氧化物粉體。缺點(diǎn)：純度較低，顆粒粒徑較大。

熱法是在高壓釜里的高溫、高壓反應(yīng)環(huán)境中，采用水作為反應(yīng)介質(zhì)，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解，反應(yīng)還可進(jìn)行重結(jié)晶?？芍苯拥玫椒稚⑶医Y(jié)晶良好的粉體，不需做高溫灼燒處理，避免了可能形成的粉體硬團(tuán)聚；可通過實(shí)驗(yàn)條件的調(diào)節(jié)來控制納米顆粒的晶體結(jié)構(gòu)與晶粒純度。3.2化學(xué)方法微乳液法模板合成法利用基質(zhì)材料結(jié)構(gòu)中的空隙作為模板進(jìn)行合成。結(jié)構(gòu)基質(zhì)為多孔玻璃、分子篩、大孔離子交換樹脂等。將納米微粒置于分子篩的籠中，可以得到尺寸均勻，在空間具有周期性構(gòu)型的納米材料。微乳液通常是由表面活性劑、助表面活性劑(通常為醇類)、油類(通常為碳?xì)浠衔?組成的透明的、各向同性的熱力學(xué)穩(wěn)定體系。微乳液中，微小的“水池”為表面活性劑和助表面活性劑所構(gòu)成的單分子層包圍成的微乳顆粒，其大小在幾至幾十個(gè)納米間，這些微小的“水池”彼此分離，就是“微反應(yīng)器”。它擁有很大的界面，有利于化學(xué)反應(yīng)。這顯然是制備納米材料的又一有效技術(shù)。微乳法制備的粒子不易聚結(jié)，大小可控，分散性好。Part4納米材料的結(jié)構(gòu)與性能納米材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：納米尺度結(jié)構(gòu)單元，大量的界面或自由表面，以及結(jié)構(gòu)單元與大量界面單元之間存在的交互作用。在結(jié)構(gòu)上，大多數(shù)納米粒子呈現(xiàn)為理想單晶，也有呈現(xiàn)非晶態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的納米粒子。納米材料的結(jié)構(gòu)上存在兩種結(jié)構(gòu)單元；即晶體單元和界面單元。晶體單元由所有晶粒中的原子組成，這些原子嚴(yán)格地位于晶格位置；界面單元由處于各晶粒之間的界面原子組成，這些原子由超微晶粒的表面原子轉(zhuǎn)化而來。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)磁學(xué)性能

燒結(jié)性能

力學(xué)性能

電學(xué)性能

熱學(xué)性能

光學(xué)性能

由于納米材料晶界上原子體積分?jǐn)?shù)增大，納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變，在磁場中材料電阻的減小非常明顯。由于納米材料界面原子排列比較混亂、原子密度低、界面原子耦合作用變?nèi)?，因此納米材料的比熱和膨脹系數(shù)都大于同類粗晶和非晶材料的值。

納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。

納米材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。高的擴(kuò)散率對蠕變、超塑性等力學(xué)性能有明顯的影響，同時(shí)可以在較低的溫度對材料進(jìn)行有效的摻雜，也可以在較低的溫度下使不混溶的金屬形成新的合金相；納米材料的高擴(kuò)散率，可使其在較低的溫度下被燒結(jié)。性能高溫、高硬、高強(qiáng)是結(jié)構(gòu)材料開發(fā)的永恒主題，納米結(jié)構(gòu)材料的硬度（或強(qiáng)度）與粒徑成反比。當(dāng)晶粒尺寸減小到納米級時(shí)，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對材料的宏觀磁性有重要的影響。5納米材料的分析與表征方法一般情況下，TEM還會裝配High-ResolutionTEM（高分辨率透射電子顯微鏡）、EDX（能量彌散X射線譜）和SAED（選區(qū)電子衍射）。High-ResolutionTEM用于觀察納米材料的晶面參數(shù)，推斷出納米材料的晶型；EDX一般用于分析樣品里面含有的元素，以及元素所占的比率；SAED用于實(shí)現(xiàn)晶體樣品的形貌特征與晶體學(xué)性質(zhì)的原位分析。TEMTEM為透射電子顯微鏡，分辨率為0.1～0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬～百萬倍，用于觀察超微結(jié)構(gòu)，即小于0.2微米、光學(xué)顯微鏡下無法看清的結(jié)構(gòu)。TEM是一種對納米材料形貌、粒徑和尺寸進(jìn)行表征的常規(guī)儀器，一般納米材料的文獻(xiàn)中都會用到。（c）Ag-TiO2nanofibers（d）ahigh-resolutionAg-TiO2nanofibersSEMSEM表示掃描電子顯微鏡，可以獲取被測樣品本身的各種物理、化學(xué)性質(zhì)的信息，如形貌、組成、晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)等等。SEM也是一種對納米材料形貌、粒徑和尺寸進(jìn)行表征的常規(guī)儀器，一般納米材料的文獻(xiàn)中都會用到。SEM一般會裝配EDX，用于分析材料的元素成分及所占比率。AFM是指原子力顯微鏡，原子力顯微鏡的優(yōu)點(diǎn)是在大氣條件下，以高倍率觀察樣品表面，可用于幾乎所有樣品（對表面光潔度有一定要求），而不需要進(jìn)行其他制樣處理，就可以得到樣品表面的三維形貌圖象。AFMXRDXRD是X射線衍射的縮寫，通過對材料進(jìn)行X射線衍射，分析其衍射圖譜，獲得材料的成分、材料的晶型結(jié)構(gòu)、材料內(nèi)部原子或分子的結(jié)構(gòu)或形態(tài)等信息的研究手段。基本上對于納米材料的文獻(xiàn)都會用到。PL是光致發(fā)光的縮寫，主要可以用來估計(jì)納米材料的電荷分離效率，實(shí)驗(yàn)之前要先確定材料的激發(fā)波長。一般情況下，弱的熒光強(qiáng)度表示更高的電荷分離效率，所以催化效果也會相應(yīng)的提高。PLDRSDRS是漫反射譜，是通過光在檢驗(yàn)物質(zhì)表面反射測其反射光線的光譜。主要用于測定納米材料的吸光特性，并據(jù)此估算出納米材料的禁帶寬度?？梢钥闯霾牧显诳梢姽庀率欠裼形眨话愫铣纱呋牧系奈墨I(xiàn)都會用到該儀器。通過對拉曼光譜的分析可以知道物質(zhì)的振動轉(zhuǎn)動能級情況，從而可以鑒別物質(zhì)，分析物質(zhì)的性質(zhì)。RamanXPSXPS是X射線光電子能譜分析的縮寫，XPS可以用來測量：元素的定性分析，可以根據(jù)能譜圖中出現(xiàn)的特征譜線的位置鑒定除H、He以外的所有元素；元素的定量分析，根據(jù)能譜圖中光電子譜線強(qiáng)度（光電子峰的面積）反應(yīng)原子的含量或相對濃度；固體表面分析，包括表面的化學(xué)組成或元素組成，原子價(jià)態(tài)，表面能態(tài)分布，測定表面電子的電子云分布和能級結(jié)構(gòu)等；化合物的結(jié)構(gòu)，可以對內(nèi)層電子結(jié)合能的化學(xué)位移精確測量，提供化學(xué)鍵和電荷分布方面的信息。FT-IR紅外光譜，在有機(jī)物分子中，組成化學(xué)鍵或官能團(tuán)的原子處于不斷振動的狀態(tài)，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當(dāng)。所以，用紅外光照射有機(jī)物分子時(shí)，分子中的化學(xué)鍵或官能團(tuán)可發(fā)生震動吸收，不同的化學(xué)鍵或官能團(tuán)吸收頻率不同，在紅外光譜上將處于不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團(tuán)的信息。一般材料中含有機(jī)物的納米材料會用到FTIR分析（如石墨烯）。動態(tài)光散射，DLS技術(shù)測量粒子粒徑，具有準(zhǔn)確、快速、可重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為納米科技中比較常規(guī)的一種表征方法。隨著儀器的更新和數(shù)據(jù)處理技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)在的動態(tài)光散射儀器不僅具備測量粒徑的功能，還具有測量Zeta電位、大分子的分子量等的能力。DLSBET測試法是BET比表面積測試法的簡稱，主要可以看出納米材料的氮?dú)馕角€和孔徑分布圖。BET測試法—氮?dú)馕?解吸分析ICP-AES是指電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜法，主要用來測定巖石、礦物、金屬等樣品中數(shù)十種元素的含量。AAS是指原子吸收分光光度計(jì)，也可以用來測定樣品中的元素含量。所以這兩個(gè)儀器一般用于對于納米材料的摻雜量的估算。ICP-AESorAASESR是電子自旋共振的縮寫，電子順磁共振譜儀的主要應(yīng)用：一是研究礦物中順磁性雜質(zhì)離子(濃度低于1%)，如過度元素離子和稀土元素離子的類質(zhì)同像置換、有序-無序、化學(xué)鍵及晶格參量和局域?qū)ΨQ；二是研究于點(diǎn)缺陷有關(guān)的電子-空穴中心的類型、濃度、性質(zhì)等。ESR光生空穴和電子產(chǎn)生之后，空穴被電解液捕獲，而電子轉(zhuǎn)移到后接觸點(diǎn)，因而產(chǎn)生光電流。因此對光電流的測定可以估計(jì)電荷的分離效率以及空穴電子對的復(fù)合效率，光電流的增強(qiáng)說明空穴電子對分離效率高并且存在更少的復(fù)合。光電流的測定納米材料的應(yīng)用Part6納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級尺度的陶瓷材料，也就是說晶粒尺寸、晶界寬度、第二相分布、缺陷尺寸等都是在納米量級的水平上。陶瓷領(lǐng)域紡織工業(yè)

在合成纖維樹脂中添加納米SiO2、納米ZnO、納米SiO2復(fù)配粉體材料，經(jīng)抽絲、織布，可制成殺菌、防霉、除臭和抗紫外線輻射的內(nèi)衣和服裝，可用于制造抗菌內(nèi)衣、用品，可制得滿足國防工業(yè)要求的抗紫外線輻射的功能纖維。機(jī)械工業(yè)

采用納米材料技術(shù)對機(jī)械關(guān)鍵零部件進(jìn)行金屬表面納米粉涂層處理，可以提高機(jī)械設(shè)備的耐磨性、硬度和使用壽命。微電子領(lǐng)域——納米電子學(xué)家電

用納米材料制成的納米材料多功能塑料，具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外線等作用，可用處作電冰箱、空調(diào)外殼里的抗菌除味塑料。

電子計(jì)算機(jī)和電子工業(yè)可以從閱讀硬盤上讀卡機(jī)以及存儲容量為目前芯片上千倍的納米材料級存儲器芯片都已投入生產(chǎn)。計(jì)算機(jī)在普遍采用納米材料后，可以縮小成為“掌上電腦”。

納米技術(shù)與醫(yī)學(xué)研究納米技術(shù)在生命醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用，可以在納米尺度上了解生物大分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)及其與功能的關(guān)系，獲取生命信息?？茖W(xué)家們設(shè)想利用納米技術(shù)制造出分子機(jī)器人，在血液中循環(huán)，對身體各部位進(jìn)行檢測、診斷，并實(shí)施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細(xì)胞。這樣，在不久