新材料化学

第六章新材料化学新能源学院2011年5月16日第六章新材料化学新材料是指新近发展的或正在研发的、性能超群的一些材料，具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是按照人的意志，通过物理研究、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程，创造出能满足各种需要的新型材料的技术。制作人:刘娟[e-mail]第六章新材料化学第一节纳米材料第二节复合材料第三节生物材料第四节智能材料第五节新能源材料制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料一、纳米材料概述二、纳米材料的主要制备方法三、纳米材料的应用领域制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料一、纳米材料概述•纳米材料又称为超微颗粒材料，由纳米粒子组成。纳米粒子也叫超微颗粒，一般是指尺寸在1～100nm间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。•从通常的关于微观和宏观的观点看，这样的系统既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统，是一种典型人介观系统，它具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。原子排成的“原子”字样1nm=1/10亿米，10个氢原子紧密排列，20nm是头发丝直径的3000分之一制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料纳米材料的基本特性：1.量子尺寸效应2.表面效应3.小尺寸效应4.宏观量子隧道效应制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料1.表面效应100806040200比例（%）表面原子数相对总原子数01020304050制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料2.小尺寸效应金属纳米固体材料的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。当颗粒尺寸与电子运动的平均自由程可比拟或更小时，小尺寸效应不容忽视。界面散射为主因。e_制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料3.量子尺寸效应当纳米颗粒尺寸小到一定程度时，费米面附近电子能级的离散性非常显著，量子尺寸效应不容忽视，最后导致低温下导体向绝缘体的转变～（如kBT）制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料4.宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。近年来，人们发现一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料由于纳米材料的组织粒子极其小，其中所包含的原子个数极少、质量极轻，许多物理和化学性质表现就不能用宏观上块状物质的性质来描述，而是出现一些“反常现象”。（1）光学性质（2）力学性质（3）热学性质（4）磁学性质制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料（1）光学性质1、宽频带强吸收当尺寸减小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强吸收率、低反射率。例如，铂金纳米粒子的反射率为1%。纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料2、纳米微粒分散物系的光学性质和发光效应纳米微粒分散于介质中形成分散物系（溶胶），纳米微粒称为胶体（或分散相）。由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性，使得分散物系具有特殊的光学特性，例如丁达尔效应。丁达尔效应——如果让一束聚集的光线通过分散物系，在入射光的垂直方向上可以看到一个发光的圆锥体。另外，当纳米微粒的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。这是载流子的量子限域效应引起的。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料（2）力学性质金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比一般材料更高的强度和硬度，甚至大部分陶瓷纲米材料也具有良好的塑性和韧性。如A12O3基体中加入纳米SiC晶粒制成的陶瓷材料，其最高强度大于1500MPa，最高使用温度也可以原来的800℃提高到1200℃，纳米Ag微粒只要低于373K就开始熔化，而常规Ag的熔点却在1173K左右。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料（3）热学性质纳米微粒的熔点、烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多。这是纳米微粒量子效应造成的。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料（4）磁学性质纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应，使其具有常规粗晶材料不具备的磁特性。主要表现为：超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁化率。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料超顺磁状态的起因：由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。例如，粒径为85nm的纳米镍Ni微粒，矫顽力很高，而当粒径小于15nm时，其矫顽力Hc→0，即进入了超顺磁状态。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料二、纳米材料的主要制备方法1、物理方法(1)真空冷凝法用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。(2)物理粉碎法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料(3)机械球磨法采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料2.化学方法(1)气相沉积法利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。(2)沉淀法把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。(3)水热合成法高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料三、纳米材料的应用领域由于纳米微粒的小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应，使得它在磁、光、电、敏感等方面呈现常规材料不具备的特性，因此纳米微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛的应用。1、纳米技术在微电子学上的应用2、纳米技术在光电领域的应用3、纳米技术在化工领域的应用4、纳米技术在医学上的应用5、纳米技术在其它领域的应用制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料1.纳米技术在微电子学上的应用——原理纳米电子学的主要思想是基于纳米粒子的量子效应来设计并制备纳米量子器件——目标将集成电路进一步减小，研制出由单原子或单分子构成、能在室温使用的各种器件。早在1989年，IBM公司的科学家已利用隧道扫描显微镜上的探针，成功地移动了氙原子，并利用它拼成了IBM三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个电子的量子点。在一个针尖上可容纳这样的量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少的单电子器件，在微电子和光电子领域将获得广泛应用制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料2.纳米技术在光电领域的应用——原理纳米激光器的微小尺寸可使光子被限制在少数几个状态上，而低音廊效应则使光子受到约束，直到所产生的光波累积起足够多的能量后透过此结构。其结果是激光器达到极高的工作效率，而能量阈则很低。纳米激光器实际上是一根弯曲成极薄面包圈的形状的光子导线，实验发现，纳米激光器的大小和形状能够有效控制它发射出的光子的量子行为，从而影响激光器的工作。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料——应用（1）提高效率：纳米激光器工作时只需约100微安的电流。最近，科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微米体积内。在这一尺度上，此结构的光子状态数少于10个，接近了无能量运行所要求的条件，但是光子的数目还没有减少到这样的极限上。最近，麻省理工学院的研究人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中，每个原子发射一个有用的光子。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料（2）速度极快由于只需要极少的能量就可以发射激光，这类装置可以实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快于每秒钟200亿次的速度开关，适合用于光纤通信。由于纳米技术的迅速发展，这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料——评价纳米技术的发展，使微电子和光电子的结合更加紧密，在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面，使光电器件的性能大大提高。将纳米技术用于现有雷达信息处理上，可使其能力提高10倍至几百倍，甚至可以将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获取高分辨率图像，就必需先进的数字信息处理技术。科学家发现，将光调制器和光探测器结合在一起的量子阱自电光效应器件，将为实现光学高速数学运算提供可能。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料3.纳米技术在化工领域的应用——光催化剂纳米粒子作为光催化剂有许多优点。（1）粒径小，比表面大，光催化效率高。（2）纳米粒子生成的电子、空穴在到达表面之前，大部分不会重新结合。电子、空穴能够到达表面的数量多，故化学反应活性高。（3）纳米粒子分散在介质中往往具有透明性，容易运用光学手段和方法来观察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度的影响。•例1，工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂，用于废水处理（含SO32-或Cr2O72-系统），已取得了很好的效果。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料例2，用沉淀溶出法制备出的粒径约30nm60nm的白色球状钛酸锌粉体，比表面大、化学活性高，用它作吸附脱硫剂，较固相烧结法制备的钛酸锌粉体效果明显提高——纳米静电屏蔽材料是纳米技术的另一重要应用。优点（1）静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而成，用有半导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3、TiO2、ZnO做成涂料，由于具有较高的导电特性，能起到静电屏蔽作用。（2）氧化物纳米微粒的颜色各种各样，可通过复合控制静电屏蔽涂料的颜色，克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料——遮蔽紫外线（1）将纳米TiO2粉体加到化妆品中，可有效地遮蔽紫外线。（2）用添加0.1%0.5%的纳米二氧化钛制成的透明塑料包装食品，可防止紫外线对食品的破坏，还可使食品保持新鲜。（3）金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中，可大大降低静电作用——纳米反应器利用纳米碳管独特的孔状结构，大的比表面，较高的机械强度做成纳米反应器，该反应器能够使化学反应局限于一个很小的范围内进行。在纳米反应器中，反应物在分子水平上有一定的取向和有序排列，同时限制了反应物分子和中间体的运动制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料4.纳米技术在医学上的应用RNA线度在15nm~20nm之间，生物体内的多种病毒也是纳米粒子。10nm以下的粒子比血液中的红血球还要小，可在血管中自由流动。将超微粒子注入到血液中，输送到人体的各个部位，作为监测和诊断疾病的手段。已成功利用纳米SiO2微粒进行了细胞分离，用金的纳米粒子进行定位病变治疗，以减少副作用。利用纳米颗粒作为载体的病毒诱导物已经取得了突破性进展，已用于临床动物实验。制作人:刘娟[e-mail]第一节纳米材料4.纳米技术在医学上的应用研究纳米技术在生命医学上的应用，可以在纳米尺度上了解生物大分子的精细结构及其与功能的关系，获取生命信息。科学家们设想利用纳米技术制造出分子机器人，在血液中循环，对身体各部位进行检测、诊断，并实施特殊治疗，疏通脑血管中的血栓，清除心脏动脉脂肪沉积物，甚至可以用其吞噬病毒，杀死癌细胞。这样，在不久的将来，被视为当今疑难病症的爱