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1、,Related Documents,,Click to edit Master text,,Second level,,Third level,,Fourth level,,Fifth level,,,,,*,,,LOGO,YOUR SITE HERE,納米材料,作者：彭霓玲,納米材料,,1.,納米材料的定義,,2.,納米材料的分類,,4.,納米材料的應用,,5.,納米材料的發(fā)展前景,,3.,納米材料的特性,納米材料的定義,,近年來納米科技的發(fā)展，人們知道，材料的性質并不是直接決定,,于原子和分子，在物質的宏觀固體和微觀原子分子之間還存在著,,一些介觀的層次，這些層次對材料的物性起著決定性的
2、作用。,廣義地，納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度,,范圍或由它們作為基本單元構成的材料如果按維數(shù)，納米材料,,的基本單元可以分為三類,:,,（,1,）在空間三維尺度均在納米尺度，如納米顆粒、原子團簇等,,（,2,）在空間有兩維處于納米尺度，如納米絲、納米棒、納米管等,,（,3,）在三維空間中有一維在納米尺度，如納米薄膜、納米涂層等,,,10 nm,30nm,50 nm,納米材料分類,零維,:,納米顆粒、原子團簇,一維,：納米絲、納米棒、納米帶,,納米管以及納米纖維,ZnO,,SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001,納米棒,-,蒲公英,鉍多層納米帶,左：納米纖維
3、 右：碳納米管,二維,:,納米片、納米薄膜,三維：,Nano-flowers,,中科院物理所先進材料與結構分析實驗室李超榮副研究員、張曉娜、表面物理國家重點實驗室曹則賢研究員通過應力自組裝在無機體系,Ag/SiOx,微米級的內核,/,殼層結構上成功地獲得了三角格子鋪排和斐波納契數(shù)花樣。,研究內容以,Report,形式于,2005,年,8,月,5,日發(fā)表在,Science,上。文章發(fā)表后在國際上引起了強烈的反響。,Nanotechweb,和,ORF ON Science,網(wǎng)站當天就分別以,“,應變的微結構形成類植物花樣,”,和,“,微觀世界的花朵,”,作了長篇介紹。,Nanobelt /nano
4、ribbon,ZnO,,SCIENCE VOL 291 9 MARCH 2001,ZnO,,Materials Letters 59 (2005) 1696–1700,納米材料的分類,1.,原子團簇,:,介于單個原子與固態(tài)塊體之間的原子集合體，其尺寸一般小于,1nm,，約含幾個到幾百個原子。具有,極大的表面,/,體積比，異常高的化學活性和催化活性，結構的多樣性和排列的非周期性等特點。,,2.,納米顆粒,:,尺寸為納米量級的超微顆粒，,比表面積遠大于,塊體材料，導致其電子狀態(tài)發(fā)生突變，產(chǎn)生各種納米效應納米管,:,一九九一年，日本電氣公司,(NEC),首席研究員飯島澄男利用碳電弧放電法合成,C60
5、,分子時，偶然于陰極處發(fā)現(xiàn)針狀物，經(jīng)過高分辨率穿透式電子顯微鏡分析其結構，發(fā)現(xiàn)這些針狀物為碳原子所構成的直徑約為數(shù)納米至數(shù)十納米，長度可達數(shù)微米的中空管狀物，其比重只有鋼的六分之一，而強度卻是鋼的,100,倍。,,它具有類似鉆石的楊氏模量，以及特殊的電子傳輸特性，被認為是最佳的納米組件材料之一。此外，由于其尖端直徑可達到,1nm,，因此也是最佳的納米探針材料。,,3.,納米薄膜與納米涂層,:,主要是指含有納米粒子和原子團簇的薄膜、納米級第二相粒子沉積鍍層、納米粒子復合涂層或多層膜。,一般都具有準三維結構與特征，性能異常。,,4.,納米固體材料,:,是以納米結構單元為基礎形成的三維大尺寸納米固體
6、材料，又叫納米結構材料。具有尺寸小于,100 nm,的原子區(qū)域，顯著的界面原子數(shù)，組成區(qū)域間相互作用。,,,,1,、納米材料的表面效應,,納米材料的表面效應是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑的變小而急劇增大后所引起的性質上的變化。,,粒徑在,10nm,以下，將迅速增加表面原子的比例。當粒徑降到,1nm,時，表面原子數(shù)比例達到約,90%,以上，原子幾乎全部集中到納米粒子的表面。由于納米粒子表面原子數(shù)增多，表面原子配位數(shù)不足和高的表面能，使這些原子易與其它原子相結合而穩(wěn)定下來，故具有很高的化學活性。例如，金屬的納米粒子在空氣中會燃燒；無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應
7、等,.,,,,納米材料的四大特性,,2,、小尺寸效應,,,隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質的質變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質的變化稱為小尺寸效應。,,對納米顆粒而言尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而磁性、內壓、光吸收、熱阻、化學活性、催化性及熔點等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化，產(chǎn)生一系列新奇的性質。例如金屬納米顆粒對光吸收顯著增加，并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移；小尺寸的納米顆粒磁性與大塊材料有明顯的區(qū)別，由磁有序態(tài)向磁無序態(tài)，超導相向正常相轉變。與大尺寸固態(tài)物質相比納米顆粒的熔點會顯著下降，例如,2nm,的金顆粒熔點為,600K,，隨著粒徑增加熔點迅速上升，塊狀金
8、為,1337K,。,,。,,納米材料的四大特性,,3,、量子尺寸效應,,,大塊材料的能帶可以看成是連續(xù)的，而介于原子和大塊材料間的納米材料的能帶將分裂為分立的能級。,,能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。當熱能、電場能、或者磁場能比平均的能級間距還小時就會呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子效應。這一效應可使納米粒子具有高的光學非線性、特異催化性和光催化性質等。如,CdS,微粒由黃色逐漸變?yōu)闇\黃色，金的微粒失去金屬光澤而變?yōu)楹谏?。同時，納米微粒也由于能級改變而產(chǎn)生大的光學三階非線性響應，還原及氧化能力增強，從而具有更優(yōu)異的光電催化活性 。,納米材料的四大特性,,4,）,宏觀量子
9、隧道效應,,電子能量低于勢壘高度時，由于其具有波動性而具有穿過勢壘的幾率，這就是隧道效應。最近人們研究發(fā)現(xiàn)微粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量等宏觀物理量也具有隧道效應，稱為宏觀隧道效應。宏觀量子隧道效應的研究對基礎研究及實用都有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤進行信息貯存的時間極限。,納米材料的四大特性,,納米材料是二十一世紀的主導材料,自清潔效應,環(huán)境能源,新型材料,—,節(jié)能減排,處理大氣污染,污水處理,抗紫外,電磁輻射防護,治理白色污染,納米技術,在環(huán)境中不可或缺,半導體光催化氧化,用途：,,水和空氣的凈化，癌細胞失活，臭味控制，氮固化，清除油污等等。,,半導體具有特殊的電子結構，這種可
10、由一個滿價帶和一納米由于其表面具有超親水性和超親油性,,,因此其表面具有自清潔效應。在汽車擋風玻璃、后視鏡表面鍍上薄膜,,,可防止鏡面結霧。實驗表明,,,鍍有納米薄膜的表面顯示出高度的自清潔效應,,,污染不易在表面附著,,,附著的少量污物在外部風力、水淋沖力、自重等作用下,,,也會自動從表面剝離下來。這一技術將廣泛應用于汽車表面涂層、建筑物玻璃外墻等。個空導帶來表征，因此容易引發(fā)光誘導反應。,納米材料用于,污水處理,一 半導體納米光催化劑及其改性技術的應用,,二 納米材料與通用的污水處理劑的復合改性,,三 納米超高效水處理劑,,四 作用：,,1,降解水中的有機磷,,2,處理紡染廢水，使有機物礦
11、化,,3,降解油污，解決海洋石油污染,,4,殺死水中的有害細菌,,5,重金屬的再還原沉淀,納米材料用于光吸收,-,抗紫外,,納米二氧化鈦，納米氧化鋅，納米二氧化硅，納米三氧化二鐵，納米氧化鋁等等，都具有吸收紫外光的特征。,,納米微粒的量子尺寸效應使得它對某種波長的光吸收帶有藍移現(xiàn)象；納米微粒對各波長光的吸收有寬化現(xiàn)象。,,比表面大，表面能高，界面缺陷多等。,,波長,<350nm,，,UVB,，納米,TiO,2,和納米,ZnO,的屏蔽率基本接近；波長,350-400nm,，,UVA,，納米,ZnO,的屏蔽率則明顯更強。,,吸收紫外線的效果和納米粒子的顆粒度也有一定關系。對納米二氧化鈦，,120-
12、300nm,最佳，對納米氧化鋅，,20-50nm,最佳。,,納米,ZnO,具有非常優(yōu)越的抗紫外性能，在濃度極低下,(0.2‰),即可將紫外線透過率控制在,5﹪,以下；經(jīng)將納米,ZnO,涂敷到雨傘布料后，其抗紫外性能可得到明顯的提高。,納米材料用于,電磁輻射防護,,納米抗輻射物質摻入纖維中，制成可阻隔,95%,以上電磁輻射的服裝，而且不揮發(fā)，不溶于水，持久保持防輻射能力。,,比表面大，表面能高，界面極化和多重散射。量子尺寸使納米材料的電子能級發(fā)生分裂，分裂的能級間隔有些正處于電磁波的量級范圍，形成新的吸收途徑。,,抗靜電。,納米材料在大氣污染方面的應用,,,,復合稀土納米材料是具有很強的氧化還原
13、能力，能很好地催化分解汽車尾氣的一氧化碳，二氧化硫以及氮氧化合物。,,納米,ZrCe,復合粉體，由于表面存在,+4,+3,價的金屬離子，電子可以在三價和四價的離子間傳遞，因此有很強的得失電子，氧化還原能力。,,比表面大，表面缺陷多，表面不飽和鍵多，吸附能力強。納米,TiO,2,光催化劑能有效地分解室內外的有機污染物,,,對室內的主要有害氣體物甲醛、甲苯、乙醛、氨等的研究結果表明,,,污染物濃度較低時,,,納米,TiO2,表面沒有中間產(chǎn)物生成,,,因此,,,可有效地降解這些有機物,,,使室內空氣得到凈化。,,納米材料還有如下用途：用作石油脫硫催化劑 、用作納米燃油添加劑 、用作汽車尾氣凈化催化
14、劑 、用作納米燃油添加劑 、用作煤炭用助燃催化劑。,,,納米材料在白色污染方面的應用,,通過納米技術將可降解的淀粉和不可降解的塑料復合改性成納米粉體，可生產(chǎn)出,100%,降解的農用地膜，一次性餐具，包裝袋等等。,70-90,天，淀粉完全降解為水和二氧化碳，塑料則變成對土壤和空氣無害的細小顆粒，并在,17,個月內可完全降解為水和二氧化碳。,,生活垃圾的降解。處理城市垃圾納米可以加速城市生活垃圾的降解,,,其降解速度是大顆粒喚的倍以上,,,從而可解決大量生活垃圾給城市環(huán)境帶來的壓力,,,避免了因焚燒處理而帶來的二次環(huán)境污染問題。,納米氧化鋅在瓷磚生產(chǎn)中,節(jié)能,減排的應用,,1,、納米粉體材料與微米
15、級的材料相比，其晶體生長動力學指數(shù)和激活能都比較小，因此在相同的燒結時間或者溫度下，能獲得相對較大的晶粒尺寸；,,2,、納米粉體尺寸小，表面積和表面原子所占比例都很大，具有高的能量狀態(tài)，壓制成材后的晶界能量高，在燒結過程中晶界擴散效應強，因此在較低的溫度下燒結就能達到致密化，均勻化的目的，改善陶瓷材料的性能，提高其使用的可靠性。還可以從納米材料的結構層次上控制材料的成分和結構，有利于充分發(fā)揮陶瓷材料的潛在性能。,,3,、納米材料具有較高的導熱性能，利用納米氧化鋅可顯著降低陶瓷材料的燒結溫度，節(jié)約能源，,,4,、由于陶瓷粉料的顆粒大小決定了陶瓷材料的微觀結構和宏觀性能，如果粉料的顆粒堆積均勻，燒
16、成收縮一致且晶粒均勻長大，那么顆粒越小，產(chǎn)生的缺陷越小，所制備的材料的強度就相應越強。,,納米抗菌塑料,,,塑料表面的納米,ZnO,在燈光的照射下，發(fā)揮光催化氧化作用，被紫外光激發(fā)后產(chǎn)生的超氧離子,·O,2-,和羥基自由基,·OH,能穿透細菌的細胞壁，破壞細胞膜質，進入菌體，阻止成膜物質的傳輸，阻斷其呼吸系統(tǒng)和電子傳輸系統(tǒng)，從而有效的殺滅抗菌。納米,ZnO,的加入量大于,1.0%,時,,,抗菌率均保持在,90%,以上。,納米氧化鋅在橡膠的應用,,⑴,在膠料配方中可用納米氧化鋅代替普通氧化鋅，制膠工藝條件不變，其用量可減少到使用普通氧化鋅用量的,60%,。,,⑵使用納米氧化鋅的膠料，能改善膠料的
17、加工安全性，提高硫化膠的力學性能、熱空氣老化性能及紫外老化性能，從而對進一步提高產(chǎn)品內在質量，延長產(chǎn)品使用壽命起到促進作用。,納米材料在能源方面的應用,,納米助燃劑,,,納米節(jié)能材料,,,新型納米光催化劑分解水,,,納米材料在儲能中的應用,,,納米氧化鋅在橡膠的應用,,⑴,在膠料配方中可用納米氧化鋅代替普通氧化鋅，制膠工藝條件不變，其用量可減少到使用普通氧化鋅用量的,60%,。,,⑵使用納米氧化鋅的膠料，能改善膠料的加工安全性，提高硫化膠的力學性能、熱空氣老化性能及紫外老化性能，從而對進一步提高產(chǎn)品內在質量，延長產(chǎn)品使用壽命起到促進作用。,,⑶,大多數(shù)光穩(wěn)定劑都是多功效的，包括納米氧化鋅。實驗
18、發(fā)現(xiàn)經(jīng)過一個月的自然填埋實驗，添加納米氧化鋅,3,份的硫化較物理性能有所降低，通過紅外光譜測試技術對膠內部分子結構的變化分析，初步認為納米氧化鋅的添加有促進材料降解的作用，為人們研究降解性橡膠，降低環(huán)境污染提供研究方向。,,（,4,）當熱解處理納米氧化鋅減量后的廢膠時，與傳統(tǒng)廢膠比較，其燃盡失重率大，傳熱佳，能夠更好地實現(xiàn)減量化，具有很好的發(fā)展前景。,,納米氧化鋅在EVA發(fā)泡塑料中的應用,,氧化鋅是重要的半導體氧化物，具有很多優(yōu)異性能。在,EVA,的配方設計中，氧化鋅可中和體系中的酸性，也能降低,AC,發(fā)泡劑的分解溫度，增大發(fā)氣量，防止積垢形成。納米氧化鋅的用量在,EVA,發(fā)泡塑料中可以減少,
19、40%,左右。而且，減量后的塑料具有以下特點：①具有更好的耐老化性能；②更易紫外降解和填埋處理；③熱穩(wěn)定性更好；④焚燒后減量化更好；⑤鋅的排放量更少，具有更好的環(huán)境效益。,用納米,TiO,2,－,Ag,光催化劑對,VACF,進行改性，將納米,TiO,2,或納米,TiO,2,-Ag,催化劑固載到,VACF,上對其進行改性處理，利用,SEM,、,EDS,、,BET,等方法對改性,VACF,進行了表面物化特性表征及分析；,,,,催化活性高，穩(wěn)定，物美價廉,提高催化劑活性,,高比表面積，孔徑均勻，,,活性基團豐富,納米,TiO2-Ag,改性,VACF,處理氨氣,,新材料和制備,1.ONE,,微電子和計算機技術,2.TWO,,環(huán)境和能源,3.,three,,醫(yī)學與健康,4.,four,,生物技術,5.,five,,航空材料,6.,six,,國家安全,7.,seven,,工程材料,8.,eight,
納米材料 201237
