新材料概论课件ppt 第11章 纳米材料.pptVIP

第11章 纳米材料 辽宁石油化工大学机械工程学院 金属材料工程系 连景宝 主 要 内 容 11.1 基本概念 ② 按纳米颗粒结构状态分 纳米晶体材料 纳米非晶态材料 3）量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象和纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。 例如 金属为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子效应会呈现电绝缘性。 久保理论（公式）： 对于宏观物体，它包含无限个原子(即导电电子数N ? ?)，由上式可得能级间距? ? 0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零； 对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致?有一定的值，即能级间距发生分裂。 纳米微粒熔点下降，对粉末冶金工业具有很大的吸引力 ② 蓝移现象 如纳米SiC的红外吸收频率比大块SiC蓝移20cm-1。纳米Si3N4则蓝移14cm-1。电子的能级或能带与组成材料的颗粒尺寸有密切的关系。随颗粒尺寸减小，能隙加宽，发生蓝移。 ③ 发光现象 11.4 纳米材料的制备与合成 11.4 纳米材料的制备与合成 振动球磨 搅动球磨 金属纳米粉体的应用领域 应用领域 金属纳米材料产业链 4）纳米微晶软磁材料 非晶/纳米晶软磁材料具有高饱和磁感应强度、高磁导率、低高频损耗等性能特点，是软磁性能最为优越的一类软磁材料。 采用非晶/纳米晶软磁材料制作的器件具有质量轻、体积小、性能高等优点。 11.5.3 纳米微粒催化剂 纳米光催化剂具有高度表面效应和体积效应的特点，两者结合赋予光催化技术更强大的光催化氧化能力，在污水处理、空气净化等领域都表现出了相当好的效果。常见的纳米光催化剂有纳米TiO2、纳米ZnO、纳米CdS及纳米PbS等，其中以纳米TiO2的综合性能最好，应用最为广泛。 11.5.4 纳米生物医用材料 目前较为成熟的纳米生物材料主要有纳米无机生物材料（磷酸钙骨水泥、羟基磷灰石、生物玻璃等） 纳米有机生物材料（聚乙二醇、聚乳酸等） 纳米金属生物材料（银、氧化铁等） 例如，纳米羟基磷灰石（HAP）是一种和人体骨骼及牙齿结构相似的生物活性材料，可与基体组织形成连接且生物反应良好，在整形外科和牙科替代方面有着广泛的应用。 植人体金属表面喷涂生物活性陶瓷涂层，特别是纳米涂层，使新生骨与涂层直接形成化学键结合而达到界面的稳定，并可大幅度提高金属材料的生物相容性和与组织间的结合强度及结合力。 光致发光谱 (a)2.3nm (b)4.2nm (c)4.8nm (d)5.5nm Si颗粒STM 4）电学性能 随粒子尺寸降到纳米数量级，金属由良导体变为非导体，而陶瓷材料的电阻则大大下降。银是优异的良导体，而10-15nm的银微粒电阻突然升高，已经失去了金属的特征。 5）力学性能 高强度、高硬度，良好的塑性和韧性是纳米材料引人注目的特性之一。 ① 强度与硬度 多晶材料的屈服应力（或断裂强度）与晶粒尺寸的经验公式：即Hall-Petch关系（以下简称H-P关系）。对多种纳米材料的硬度和晶粒尺寸的关系研究发现，纳米结构材料的H-P关系存在正H-P关系（K0)、反H-P关系（K0)、正反混合H-P关（非单调性，出现拐点）以及非线性关系。 如粒径为8 nm的纳米Fe晶体断裂强度比常规Fe高12倍；同样的，纳米材料硬度较常规材料也有较大增强。如纳米Cu(6nm）及Pd(5-10nm）样品的硬度比粗晶Cu(50μm）及Pd(100μm）分别增加了5倍和4倍。 块体纳米铜的超塑性 ② 塑性与韧性 纳米固体材料的结构特点使它的塑性、冲击韧性和断裂韧性与常规材料相比有很大改善。如纳米TiO2在900℃时断裂韧性增加了50%，并且实现了在熔点以下的塑性形变。日本科学家在纳米氧化钛条状试样上进行拉伸, 其延伸率接近100%。 纳米SiC的断裂韧性比常规材料提高100倍，粒径为200~500nm的纳米陶瓷表现出良好的超塑性等。 纳米材料其实并不神秘和新奇，自然界中广泛存在着天然形成的纳米材料，如蛋白石、陨石碎片、动物的牙齿、海洋沉积物等就都是由纳米微粒构成的。 人工制备纳米材料的实践1000年的历史，中国古代利用蜡烛燃烧之烟雾制成炭黑作为墨的原料和着色的染料，就是最早的的人工纳米材料。 中国古代铜镜表面的防锈层为纳米SnO2颗粒构成的薄膜。 20世纪60年代，人们自觉地将纳米微粒作为研究对象，用人工方法有意识地获得纳米粒子。 一般将纳米材料的制备方法划分为：物理方法和化学方法两大类。 11.4.1 非晶晶化法 目前较为常用的方法（尤其是用于制备薄膜