新材料化学优秀PPT.ppt
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1、 第六章第六章 新材料化学新材料化学 新材料是指新近发展的或正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,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。具有比传统材料更为优异的性能。新材料技术则是依据人的意志,新材料技术则是依据人的意志,通过物理探讨、通过物理探讨、材料设计、材料材料设计、材料加工、试验评价等一系列探讨过加工、试验评价等一系列探讨过程,创建出能满足各种须要的新程,创建出能满足各种须要的新型材料的技术。型材料的技术。第六章第六章 新材料化学新材料化学第一节 纳米材料其次节 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 第一节 纳米材料一、纳米
2、材料概述一、纳米材料概述二、纳米材料的主要制备方法二、纳米材料的主要制备方法三、纳米材料的应用领域三、纳米材料的应用领域 第一节 纳米材料一、纳米材料概述一、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,一般是指尺寸在纳米粒子也叫超微颗粒,一般是指尺寸在1 1100nm100nm间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的间的粒子,是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域。过渡区域。从通常的关于微观和宏观的观点看,这样的系统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,是一既非典型的微观系统亦非
3、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。应和宏观量子隧道效应。原子排成的原子排成的“原子原子”字样字样1nm=1/101nm=1/10亿米,亿米,1010个氢原子个氢原子紧密排列,紧密排列,20nm20nm是头发丝直是头发丝直径的径的30003000分之一分之一 第一节 纳米材料纳米材料的基本特性:纳米材料的基本特性:1.量子尺寸效应量子尺寸效应2.表面效应表面效应3.小尺寸效应小尺寸效应4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 第一节 纳米材料1.表面效应表面效应 第一节 纳米材料2.2.小尺寸效应小尺寸效应金
4、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。时,小尺寸效应不容忽视。界面散射为主因。e e_ _ 第一节 纳米材料3.3.量子尺寸效应量子尺寸效应 当纳米颗粒尺寸小到确定程度时,费当纳米颗粒尺寸小到确定程度时,费米面旁边电子能级的离散性特别显著,量子尺寸米面旁边电子能级的离散性特别显著,量子尺寸效应不容忽视,最终导致低温下导体向绝缘体的效应不容忽视,最终导致低温下导体向绝缘体的转变转变d (如如k
5、kB BT T)第一节 纳米材料4.4.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 隧道效应是基本的量子现象之一,即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,人们发粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人们发觉一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子觉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应,他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变更,故称之为宏观量子隧道效应。变更,故称之为宏观量子隧道效应。第一节 纳米材料 由于纳米材料的组织粒
6、子极其小,其中所包含的原子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,很多物理和化学性质表现就不能用个数极少、质量极轻,很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,而是出现一些宏观上块状物质的性质来描述,而是出现一些“反常现象反常现象”。(1 1)光学性质)光学性质(2 2)力学性质)力学性质(3 3)热学性质)热学性质(4 4)磁学性质)磁学性质 第一节 纳米材料(1 1)光学性质)光学性质1 1、宽频带强吸取、宽频带强吸取 当尺寸减小到纳米级时,各种金属纳米微粒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。这几乎都呈黑色,
7、它们对可见光的反射率极低。这就是纳米材料的强吸取率、低反射率。就是纳米材料的强吸取率、低反射率。例如,铂金纳米粒子的反射率为例如,铂金纳米粒子的反射率为1%1%。纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸取谱。一个宽频带强吸取谱。第一节 纳米材料2 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)。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匀整性,使得分散由于在溶胶中胶体的高分散性和不匀
8、整性,使得分散物系具有特殊的光学特性,例如丁达尔效应。丁达尔效应物系具有特殊的光学特性,例如丁达尔效应。丁达尔效应假如让一束聚集的光线通过分散物系,在入射光的垂假如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。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确定值时,可在确定波另外,当纳米微粒的尺寸小到确定值时,可在确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。长的光激发下发光。这是载流子的量子限域效应引起的。第一节 纳米材料 (2 2)力学性质)力学性质 金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比一般材金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比一般材料更高的强
9、度和硬度,甚至大部分陶瓷纲米材料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。如也具有良好的塑性和韧性。如A12O3A12O3基体中加入纳基体中加入纳米米SiCSiC晶粒制成的陶瓷材料,其最高强度大于晶粒制成的陶瓷材料,其最高强度大于1500MPa1500MPa,最高运用温度也可以原来的,最高运用温度也可以原来的800800提高提高到到1200 1200,纳米,纳米AgAg微粒只要低于微粒只要低于373K373K就起先熔化,就起先熔化,而常规而常规AgAg的熔点却在的熔点却在1173K1173K左右。左右。第一节 纳米材料(3 3)热学性质)热学性质纳米微粒的熔纳米微粒的熔
10、点、烧结温度点、烧结温度和晶化温度均和晶化温度均 比常规粉体低比常规粉体低得多。这是纳得多。这是纳米微粒量子效米微粒量子效应造成的。应造成的。第一节 纳米材料(4 4)磁学性质)磁学性质 纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效纳米微粒的小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效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。应,使其具有常规粗晶材料不具备的磁特性。应,使其具有常规粗晶材料不具备的磁特性。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、居里温度和磁主要表现为:超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁
11、主要表现为:超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁主要表现为:超顺磁性、矫顽力、居里温度和磁化率。化率。化率。化率。第一节 纳米材料超顺磁状态的起因: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更,结果导致超顺磁性的出现。向作无规律的变更,结果导致超顺磁性的出现。例如,粒径为例如,粒径为85nm85nm的纳米镍的纳米镍NiNi微粒,矫顽力很高,而微粒,矫顽力很高,而当粒径小于当粒径小于15nm15nm时,其矫顽力时,其矫顽力
12、Hc0Hc0,即进入了超顺磁状,即进入了超顺磁状态。态。第一节 纳米材料二、纳米材料的主要制备方法二、纳米材料的主要制备方法1、物理方法、物理方法(1)真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方用真空蒸发、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,但技术设备点纯度高、结晶组织好、粒度可控,但技术设备要求高。要求高。(2)物理粉碎法物理粉碎法 通过机械粉碎、电火花爆炸等方法通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简洁、成本低,但产得到纳米粒子。其特点操作简洁、成本低,但产品纯度低,
13、颗粒分布不匀整。品纯度低,颗粒分布不匀整。第一节 纳米材料(3)(3)机械球磨法机械球磨法 接受球磨方法,限制适当的条件得到纯元素接受球磨方法,限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。其特点操作简洁、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不匀整。操作简洁、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不匀整。第一节 纳米材料2.2.化学方法化学方法 (1)(1)气相沉积法气相沉积法 利用金属化合物蒸气的化学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,反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。粒度分布窄。(2)(2)沉淀
14、法沉淀法 把沉淀剂加入到盐溶液中反应后,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。其特点简洁将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简洁易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备氧化物。氧化物。(3)(3)水热合成法水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成,再经分别和热处理得纳米等流体中合成,再经分别和热处理得纳米粒子。其特点纯度高,分散性好、粒度易粒子。其特点纯度高,分散性好、粒度易限制。限制。第一节 纳米材料三、纳米材料的应用领域三、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,由于纳
15、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。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 1、纳米技术在微电子学上的应用纳米技术在微电子学上的应用 2 2、纳米技术在光电领域的应用纳米技术在光电领域的应用 3 3、纳米技术在化工领域的应用纳米技术在化工领域的应用 4 4、纳米技术在医学上的应用纳米技术在医学上的应用 5 5、纳米技术在其它领域的应用纳米技术在其它领域的应用 第一节
16、纳米材料1.1.纳米技术在微电子学上的应用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、能在室温运用的各种器件。早在原子或单分子构成、能在室温运用的各种器件。早在19891989年,年,IBMIBM公司的科学家已利用隧道扫描显微镜上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,并利用它拼成了的探针,成功地移动了氙原子,并利用它拼成了IBMIBM三个字母。美国威斯康
17、星高校已制造出可容纳单个电三个字母。美国威斯康星高校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件,在微电子和光电子领域将获得广泛应用 第一节 纳米材料2.2.纳米技术在光电领域的应用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,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
18、起足够多的能量后透过此结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。纳米激光器事实上是一根弯曲成极薄面阈则很低。纳米激光器事实上是一根弯曲成极薄面包圈的形态的光子导线,试验发觉,纳米激光器的包圈的形态的光子导线,试验发觉,纳米激光器的大小和形态能够有效限制它放射出的光子的量子行大小和形态能够有效限制它放射出的光子的量子行为,从而影响激光器的工作。为,从而影响激光器的工作。第一节 纳米材料应用应用(1 1)提高效率:纳米激光器工作时只需约)提高效率:纳米激光器工作时只需约100100微安的电流。微安
19、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积内。在这一尺度上,此结构的光子状态数少于1010个,接个,接近了无能量运行所要求的条件,但是光子的数目还没有削近了无能量运行所要求的条件,但是光子的数目还没有削减到这样的极限上。最近,麻省理工学院的探讨人员把被减到这样的极限上。最近,麻省理工学院的探讨人员把被激发的钡原子一个一个地送入激光器中,每个原子放射一激发的钡原子一个一个地送入激光器中,每个原子放射一个有用的光子。个有用的光子。第一节 纳米材料 (2 2)速度极快由于只须要极少的能量就可
20、以放射激)速度极快由于只须要极少的能量就可以放射激光,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以快于每秒 钟钟200200亿次的速度开关,适合用于光纤通信。亿次的速度开关,适合用于光纤通信。由于纳米技术的快速发展,这种无能量阈纳米激光器的实由于纳米技术的快速发展,这种无能量阈纳米激光器的实现将指日可待。现将指日可待。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
21、的性能大大提高。将纳米技术用于现等方面,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,可使其实力提高有雷达信息处理上,可使其实力提高1010倍至几百倍,甚至倍至几百倍,甚至可以将超高辨别率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的可以将超高辨别率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度的对地侦察。但是要获得高辨别率图像,就必需先进的数字对地侦察。但是要获得高辨别率图像,就必需先进的数字信息处理技术。科学家发觉,将光调制器和光探测器结合信息处理技术。科学家发觉,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供应可能。
22、运算供应可能。第一节 纳米材料3.3.纳米技术在化工领域的应用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很多优点。光催化剂纳米粒子作为光催化剂有很多优点。(1 1)粒径小,比表面大,光催化效率高。()粒径小,比表面大,光催化效率高。(2 2)纳米粒子生成)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、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。(空穴能够到达表面的数量多,故化学反应活性高。(3 3)纳米粒)纳米粒子分散在介质中往往具有透亮性,简洁运用光学手段和方法来子分散在介质中往往具有透亮性,简洁运用光学
23、手段和方法来视察界面间的电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态视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。密度的影响。例例1 1,工业上利用纳米二氧化钛,工业上利用纳米二氧化钛-三氧化二铁作光催化剂,用于废三氧化二铁作光催化剂,用于废水处理(含水处理(含SO32-SO32-或或 Cr2O72-Cr2O72-系统),已取得了很好的效果。系统),已取得了很好的效果。第一节 纳米材料 例例2 2,用沉淀溶出法制备出的粒径约,用沉淀溶出法制备出的粒径约30nm30nm 60nm60nm的白色球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,状钛酸锌粉体,比表面大
24、、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。优点纳米静电屏蔽材料是纳米技术的另一重要应用。优点(1 1)静电屏蔽材料一般由树脂掺加碳黑喷涂而成,用有半)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导体特性的纳米氧化物粒子如Fe2O3Fe2O3、TiO2TiO2、ZnOZnO做成涂料,做成涂料,由于具有较高的导电特性,能起到静电屏蔽作用。(由于具有较高的导电特性,能起到静电屏蔽作用。(2 2)氧化)氧化物纳米微粒的颜色各种各样,可通过复合限制静电屏蔽涂料物纳米
25、微粒的颜色各种各样,可通过复合限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。的颜色,克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色的单调性。第一节 纳米材料 遮挡紫外线(遮挡紫外线(1 1)将纳米)将纳米TiO2TiO2粉体加到化妆品中,可粉体加到化妆品中,可有效地遮挡紫外线。(有效地遮挡紫外线。(2 2)用添加)用添加0.1%0.1%0.5%0.5%的纳米二氧化钛制成的纳米二氧化钛制成的透亮塑料包装食品,可防止紫外线对食品的破坏,还可使食品的透亮塑料包装食品,可防止紫外线对食品的破坏,还可使食品保持簇新。(保持簇新。(3 3)金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中,可大大)金属纳米粒子掺
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