納米材料的結構特征

納米材料的結構特征第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米材料的機構特征一、自然界中的納米結構與納米材料二、納米材料概論三、納米材料的分類

3.1、納米微粒

3.2、納米固體3.3、納米纖維

3.4、納米薄膜第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日一、自然界中的納米結構與納米材料從納米科技發(fā)展歷史的角度來講，1861年隨著膠體化學的建立，科學家們才開始對直徑為1-100nm的粒子體系進行研究工作；真正有意識進行納米粒子實驗的是20世紀30年代日本人為了軍事目的進行的“沉煙實驗”,1959年著名物理學家、諾貝爾獎獲得者費曼發(fā)表了重要演講，提出了納米技術的設想，之后納米材料和納米科技得到了蓬勃的發(fā)展。但是，“納米”并不是人類的專利，早在宇宙誕生之初，它們就存在了。第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日生命起源中的納米尺度進程化學起源說第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日生物納米結構荷葉第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日壁虎第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日水黽第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日蜜蜂蝴蝶第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日蜘蛛第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日二、納米材料概論基本概念什么是納米？

納米(nanometer)是一個長度單位，1納米(nm)=10-9米(m)。lnm的長度約相當于10個氫原子緊密地排列在一起所具有的長度。什么是納米結構？

納米結構通常是指尺寸在100納米以下(1-100nm)的微小結構。第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日什么是納米材料？納米材料是指三維空間尺度上至少有一維處于納米量級或由它們作為基本單元構成的材料。什么是納米科技？納米科技(納米科學技術)是指在納米尺度上研究物質的特性和相互作用以及利用這種特性開發(fā)新產品的一門科學技術。第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米結構單元構成納米材料的結構單元包括限定的團簇或人造原子團簇、納米微粒、納米管、納米棒、納米絲、同軸納米電纜、納米單層膜及多層膜等。1、原子團簇

指幾個至幾百個原子的聚集體，如Fen，CunSm，CnHm（n和m都是整數(shù)）和碳簇（C60，C70和富勒烯等）等。一元原子團簇：包括金屬團簇(如Nan,Nin等)和非金屬團簇(如C60,C70團簇)；二元原子團簇：包括InnPm,AgnSm；多元原子團簇：Vn(C6H6)m，原子簇化合物：原子團簇與其他分子以配位化學鍵結合形成的化合物。第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日2.納米微粒：納米微粒(nanoparticles)是指顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，它的尺度大于原子團簇(cluster)，小于通常的微粉，通常把僅包含幾個到數(shù)百個原子或尺寸小于1nm的粒子稱為簇，它是介于單個原子與固態(tài)之間的原子集合體。3.人造原子：是由一定數(shù)量的實際原子組成的聚集體，它們的尺寸小于100nm。研究人造原子特有的量子效應將為設計和制造納米結構器件奠定理論基礎。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日三、納米材料的分類零維(0D)材料【量子點】一維(1D)材料【量子線】二維(2D)材料【量子阱】三維(3D)材料【納米塊體】按空間維度第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米微粒納米固體納米纖維納米薄膜按結構納米半導體納米磁性材料納米鐵電體納米超導材料納米熱電材料按材料物性納米電子材料納米光電子材料納米生物醫(yī)用材料納米敏感材料納米儲能材料按應用第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.1、納米微粒定義尺度顆粒：指在一定尺寸范圍內具有特定形狀的幾何體。這里所說的一定一定尺寸一般在毫米到納米之間，顆粒不僅指固體顆粒，還有霧滴、油珠等液體顆粒。一般而言，在室溫下，物理化學性質發(fā)生顯著變化的顆粒尺寸，多數(shù)處于0.1微米以下，因而從功能材料角度出發(fā)，可以將超細微顆粒尺寸的上限定位0.1微米，即100納米。目前機械法粉碎獲得顆粒的尺寸一般只能到1微米。超微顆粒是指超越常規(guī)制粉手段所獲得的微粒。因此1微米可作為超微顆粒的上限，所以籠統(tǒng)的說超微顆粒尺寸在1到1000納米之間（小于1微米）。大于1微米就是通常的微粉，小于1納米的粒子稱為原子簇。超細微顆粒也被稱為納米粒子，納米顆粒、納米微粒等。第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米顆粒的尺度范圍第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米顆粒的形貌納米微粒的結晶形態(tài)多為球形或類球形，有分散的，也有鏈條的。納米微粒的形貌與制備工藝密切相關晶體結構和結晶性質與成分和溫度有關。由于諸多因素的影響，例如：溫度、動力學、雜質和表面能因素，粒子可以有特殊的結構、形狀和尺寸分布。第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日由于制備方法不同，納米微粒不僅粒徑不同，而且形狀也不同。例如，對于納米Cr微粒，當直徑小于20納米時，微?；臼乔蛐?，并且成鏈條形狀，如圖（a）所示。對于大于20納米的微粒，他的二維形態(tài)是正方形或矩形，如圖（b）所示。而對于粒子大于20納米的微粒，他的截面呈六邊形，如圖（c）所示。納米Cr微粒的外形第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日幾種典型的納米金屬微粒的晶體慣態(tài)第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.2納米固體納米固體材料是一類有廣闊應用前景的新型材料,它是由納米量級的超細微粒壓制燒結而成的人工凝聚態(tài)固體。這種材料具有新型的固態(tài)結構,其性質與處于晶態(tài)或非晶態(tài)的同種材料大不一樣,因此將它稱為納米固體材料。1963年，日本名古屋大學教授田良二首先用蒸發(fā)冷凝法獲得了表面清潔的納米粒子。1984年由德國H.格萊特教授領導的小組首先研制成第一批人工金屬固體(Cu、Pa、Ag和Fe)。同年美國阿貢實驗室研制成TiO2納米固體。納米固體材料的主要特征是具有巨大的顆粒間界面，如5納米顆粒所構成的固體每立方厘米將含1019個晶界，原子的擴散系數(shù)要比大塊材料高1014-1016倍，從而使得納米材料具有高韌性。第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米固體納米固體材料：一般稱為納米結構材料，簡稱為納米材料，是由顆?；蚓Я３叽鐬?～100nm的粒子凝聚而成的三維塊體，其結構可以是晶體、非晶或準晶。

結構特點：小晶粒＋大界面界面特點：（1）量大（對于5—10nm的固體結構，組成晶界的原子高達15—50％）；（2）原子排列具有變化性、多樣性；（3）低能組態(tài)：晶界原子在壓制時具有足夠的移動性調整自己處于低能狀態(tài)。第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日晶界組元：納米材料中晶界占有很大的體積分數(shù)，因而，對納米材料來說，晶界不僅僅是一種缺陷，更重要的是構成納米材料的一個組元，即晶界組元，是評定納米材料的一個重要參數(shù)。納米材料的晶界組元第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日（1）納米固體材料的結構組成(A)納米晶體材料的組成：晶粒組元(所有原子都位于晶粒的格點上)＋晶界組元；(B)納米非晶材料的組成：非晶組元＋界面組元；(C)納米準晶材料的組成：準晶組元＋界面組元。顆粒組元：晶粒組元、非晶組元和準晶組元的統(tǒng)稱。界面組元：晶界組元和界面組元的統(tǒng)稱。

第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日（2）納米固體材料的界面組元的特點(A)原子密度降低界面部分：平均原子密度比同成分的晶體少10%～30%；典型的非晶體：密度大約為同成分晶體密度的96%～98%。(B)最近鄰原子配位數(shù)變化晶界的原子間距差別也較大，導致最近鄰原子配位數(shù)的變化。

第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日同粗晶材料的晶界結構相比，納米材料的晶界結構具有以下特點：1.晶界具有大量未被原子占據的位置或空間2.低的配位數(shù)和密度3.存在三叉晶界三叉晶界是三個或三個以上相鄰晶粒之間的交叉區(qū)域，又稱三叉線，旋錯。由于是三個以上的晶粒相遇形成，其在能量上是不穩(wěn)的，在粗晶材料中很少見，是納米晶材料的特殊形式，由于三叉晶界處的原子擴散更快，運動性更好，因此對納米材料的性能影響很大。第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米晶粒的缺陷點缺陷線缺陷面缺陷在納米材料的歷史上，曾有過在納米晶粒內有無位錯的爭議。一種觀點認為在納米材料中很可能不存在位錯源，即使存在位錯源，也因為其在納米晶粒內的尺寸太小，需要大于常規(guī)材料幾個數(shù)量級的臨界切應力才能使位錯源開動。這樣大的切應力一般很難達到，因此在納米晶內位錯源不能開動，位錯不能增殖而無位錯?，F(xiàn)在較流行的觀點認為納米晶粒內的位錯具有尺寸效應，當晶粒小于某一臨界尺寸時，位錯不穩(wěn)定，趨向于離開晶粒；當粒徑大于該臨界尺寸時，位錯便穩(wěn)定地存在于晶粒內。第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米晶粒的固溶度納米晶粒對異質原子具有很大的固溶度。一些在固態(tài)甚至在液態(tài)下完全不互溶的元素的原子在納米晶條件下具有很高的互溶性，如在粗晶情況下互不相溶的Fe-Ag、Fe-Cu系在納米狀態(tài)下可以形成固溶體，因此利用納米材料具有高固溶度的特性，可以制備出根據傳統(tǒng)平衡相圖不可能制備出的具有高固溶度的新合金，這無論在學術上還是在應用上都具有很大的意義。第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米陶瓷的成型與燒結納米陶瓷的定義：納米陶瓷是指晶粒尺寸，晶界寬度，第二相分布，氣孔尺寸，缺陷尺寸均處在100nm及其以下的一種陶瓷材料，是納米材料的一個分支，是屬于三維的納米塊體材料。納米陶瓷的特性：由于晶粒尺寸很少，晶界數(shù)量的大幅度增加，可使材料的強度，韌性和超塑性大大提高，對材料的電學、熱學、磁學、光學性質產生重要影響，為材料的利用開拓了一個嶄新的領域。納米陶瓷有望從根本上解決陶瓷脆性大、加工困難、燒結溫度高等弊端。納米陶瓷的制備：從基本的工藝上看，同普通陶瓷的制備相類似，即將合成的納米粉體成型，然后燒結。第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.3、納米纖維

所謂的纖維，是大家十分熟悉的名詞。在日常生活中，做服裝用的羊毛，蠶絲，亞麻，棉花等都是纖維，此種纖維的主要成分是纖維素（（C6H10O5）n

）。除了上述有機聚合物構成的纖維外，還有金屬纖維，礦物纖維，陶瓷纖維等。纖維有兩個明顯的幾何特征。第一，纖維有較大的長度直徑比a，蠶絲和化學纖維的a都可以趨于無窮大；第二，纖維的直徑必須較細，這是出現(xiàn)一定柔韌性所必需的。普通傳統(tǒng)纖維材料的直徑多為5~50um.第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米纖維的定義：一種為狹義的定義，指纖維直徑在1~100nm尺度范圍內的纖維;另一種為廣義的定義，除了纖維直徑在1~100nm尺度范圍內的纖維外，還包括用納米粒子、狹義納米纖維制備得到的傳統(tǒng)纖維。我們通常所說的納米纖維皆為狹義的納米纖維?，F(xiàn)在很多企業(yè)為了商品的宣傳效果，把填加了納米級（即小于100nm）粉末填充物的纖維也稱為納米纖維。

第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日納米纖維的分類：納米纖維與傳統(tǒng)的纖維材料一樣，按其來源來分類，有以下幾種天然納米纖維有機納米纖維金屬納米纖維陶瓷納米纖維等。天然纖維中，直徑在納米尺度的代表是蜘蛛絲。第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.4、納米薄膜

薄膜材料是相對于體材料而言的，是人們采用特殊的方法，在固體材料的表面沉積或制備的一層性質于體材料完全不同的物質層。薄膜材料受到重視的原因在于它往往具有特殊的材料性能或材料組合。第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日

相比于納米材料的其他分支，薄膜材料之所以能夠成為現(xiàn)代材料科學各分支中發(fā)展最為迅速的一支，有以下三個方面的原因∶1現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，特別是微電子技術的發(fā)展，打破了過去體材料的一統(tǒng)天下。過去需要眾多材料組合才能實現(xiàn)的功能，現(xiàn)在僅僅需要少數(shù)幾個器件或一塊集成電路就可以完成