纳米科技及纳米材料绪论.ppt

纳米材料基础与应用*1.3.2纳米材料的发展历史古人的“无意之作”：在2000多年前的希腊——罗马时期，古埃及人掌握了一种把头发染黑的技术，其机理是通过原位反应的方式，在头发的皮质层及表层形成了平均粒径约5nm的方铅矿纳米粒子。我国古代收集蜡烛的烟灰作为墨的原料，所作字画可以历经千年而不褪色，原因在于所使用的原料实际上为纳米级的碳黑；我国古代的铜镜不生锈，是因为表面有一层纳米氧化锡薄膜起到了防锈层的作用。公元4世纪古罗马的莱格拉斯雕花玻璃酒杯（LycurgusCup），在反射光下呈绿色、在透射光下则呈红色，源于在玻璃杯的内层形成了微量的金、银纳米粒子。纳米材料基础与应用*纳米材料的发展历史古人的纳米材料作品左：王羲之的“丧乱帖”，1300多年前流传到日本；右：莱格拉斯杯纳米材料基础与应用*1857年，法拉第制备出了红色的纳米金溶胶，1861年胶体化学建立，各种不过不同方法制备胶体粒子，但是对其独特性能缺乏认识。到20世纪中期，先后开发了辉光放电、气相蒸发等方法，制备出多种超细粒子。1962年，东京大学的久保亮五（R.Kubo）教授为了解释超细金属粒子的能阶不连续性，提出了超细粒子的量子限域理论。重要的里程碑1963年，上田良二（RyoziUyeda）通过在纯净惰性气体中用蒸发冷凝法制备了几纳米到几百纳米的金属颗粒，并用透射电镜对其形貌和晶体结构进行了研究。70年代末到80年代初，美国的W.R.Cannon等利用激光辅助制备了可烧结的Si3N4、SiC等非氧化物纳米陶瓷粉体。1984年德国的H.?Gleiter等通过气体蒸发冷凝获得了纳米铁粒子，在真空下原位压制成纳米块体材料，并首次提出了“纳米材料”的概念。纳米材料基础与应用*1987年美国阿贡国家实验室的Siegel等制备出了纳米TiO2粉体及陶瓷，一系列的研究表明，以纳米粉体为原料制备陶瓷，不仅烧结温度大大降低，而且陶瓷的韧性得到了明显的改善。突破性进展80年代末，对单一的纳米晶或纳米相材料就行了大量的研究，不仅探索了制备各种不同类型纳米微粒、纳米块体与纳米薄膜的方法，而且纳米材料的结构、性能及表征方法等也得到了广泛的研究。1990年，在首次召开的国际纳米科技会议上，正式把纳米材料学定为材料科学的一个分支。纳米材料学科的正式诞生1994年，在波士顿召开的美国材料研究学会（MRS）秋季会议上正式提出了纳米材料工程的概念，标志着纳米材料正式进入应用研究领域。纳米材料科学与工程成为材料科学与工程学科的一个完整的分支学科，属于纳米科技与材料科学与工程的交叉学科，而纳米材料则成为一种新型的先进材料。纳米材料基础与应用*纳米材料的研究的三个发展阶段：第一阶段：1990年以前，纳米颗粒、薄膜和纳米块体材料的制备、表征，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性能。研究对象局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这类纳米材料称纳米晶或纳米相(nanocrystallineornanophase)材料。第二阶段：1990～1994年，主要探索纳米复合材料的合成及物性。关注的热点是利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料（nanocompositematerails），通常采用纳米微粒与纳米微粒复合，纳米微粒与常规块体复合及发展纳米复合薄膜。第三阶段：1994年以来，主要研究纳米组装体系(nanostructuredassemblingsystem)、人工组装合成纳米结构材料体系。强调按人们的意愿设计、组装、创造新的纳米体系，实现人们所希望的特性。基本特点是以纳米粒子、纳米线、纳米管等为基本单元在一维、二维和三维空间组装、排列成纳米结构体系，包括纳米阵列体系、介孔组装体系、薄膜嵌镶体系等，这类材料也称作纳米尺度的图案材料(patterningmaterialsonthenanoscale)，以DNA为代表的分子纳米材料及其组装体系成为近期的研究热点。纳米材料基础与应用*1.3.3纳米材料的分类按成分分类：纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米半导体材料、纳米高分子材料与纳米复合材料；按性能分类：结构纳米材料、纳米磁性材料、纳米压电材料、纳米铁电材料、纳米光子学材料、纳米发光材料、纳米催化材料等；按用途分类：纳米电子材料、纳米生物材料、纳米建筑材料、纳米隐形材料等等。纳米材料的主要特征在于其外观尺度，从三维外观尺度上对纳米材料进行分类是目前流行的纳米材料分类方法，可分为零维纳米材料、一维纳米材料、二维纳米材料和三维纳米材料（表1.1）。其中零维纳米材料、一维纳米材料和二维纳米材料可作为纳米结构单元组成纳米固体材料、纳米复合材料以及纳米有序结构。纳米材料基础与应用