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1、纳米复合材料全册配套最纳米复合材料全册配套最 完整精品课件完整精品课件 纳米复合材料纳米复合材料 课时设置与课堂纪律课时设置与课堂纪律 1. 课时安排和教室：课时安排和教室： 110周周 （共（共10次课）次课） （9 9月月9 9日日1111月月1111日）日）, , 其中其中：第第9 9次课次课(11(11月月4 4日，材料楼日，材料楼C378)C378)答疑，答疑， 第第1010次课（次课（1111月月1111日）考试，考试教室：待定。日）考试，考试教室：待定。 周三周三 7、8、9节（下午节（下午2：505：05） 教室：教室：松松1106 2. 课堂纪律课堂纪律 （除按（除按学校规定

2、外）学校规定外） 上课点名上课点名; 病、事假：交请假条（辅导员签名）；病、事假：交请假条（辅导员签名）； 旷课：一次扣旷课：一次扣2分；分；旷课旷课5 5次以上次以上，取消考试资格和成绩取消考试资格和成绩。 课程形式与考试课程形式与考试 1. 采用采用基础课程讲授基础课程讲授/ /讲座讲座/ /课堂讨论课堂讨论等形式等形式 纳米复合材料：纳米复合材料：是一门新兴的交叉学科，新的概念多、定义是一门新兴的交叉学科，新的概念多、定义 难以准确全面，理论体系尚不完善；注重难以准确全面，理论体系尚不完善；注重定义、概念和原理定义、概念和原理 的理解和掌握。的理解和掌握。 2. 讲授和讨论相结合讲授和讨

3、论相结合 上课发言：上课发言：12分，课堂讨论分，课堂讨论/提问提问/回答：回答：0.51分，分，PPT 报报 告：告：35分。分。 4. 作业作业 分组专题报告（分组专题报告（PPT）、英文文献翻译）、英文文献翻译/讲解。讲解。 5. 期末考试期末考试 闭卷考试（不要同时选课和考试，经院系批准可自修，自修闭卷考试（不要同时选课和考试，经院系批准可自修，自修 没有平时成绩）没有平时成绩）。 6. 成绩评定成绩评定 平时成绩占平时成绩占3030（以（以9090分为基数），期末考试成绩占分为基数），期末考试成绩占7070。 参参 考考 书书 目目 u 纳米复合材料纳米复合材料 徐国财，张立德徐国财

4、，张立德 。化学工业出版社，。化学工业出版社， 20022002 u 聚合物纳米复合材料聚合物纳米复合材料 柯扬船。柯扬船。 科学出版社，科学出版社， 20092009 u 纳米功能复合材料及应用纳米功能复合材料及应用 李凤生，杨毅等。国防工业出版社，李凤生，杨毅等。国防工业出版社，20032003 u 聚合物聚合物无机纳米复合材料无机纳米复合材料 柯扬船柯扬船, (, (美美) ) 皮特皮特斯壮主编。化学工业出版社，斯壮主编。化学工业出版社，20032003 课课 程程 内内 容容 1. 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 3. 填充纳米复合材料填充纳米复合材料 4. 杂化纳米复合材料杂化

5、纳米复合材料 2. 纳米复合材料概论纳米复合材料概论 5. 插层插层纳米复合材料纳米复合材料 6. 纳米复合材料的应用纳米复合材料的应用 7. 纳米复合材料的结构与表征方法纳米复合材料的结构与表征方法 纳米复合材料纳米复合材料 曾曾 凡凡 龙龙 Email: Tel: 67792940, 13818622516 Office: 材料楼材料楼 C378 内内 容容 1. 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 3. 填充纳米复合材料填充纳米复合材料 4. 杂化纳米复合材料杂化纳米复合材料 2. 纳米复合材料概论纳米复合材料概论 5. 插层插层纳米复合材料纳米复合材料 6. 纳米复合材料的应用纳米复

6、合材料的应用 7. 纳米复合材料的结构与表征方法纳米复合材料的结构与表征方法 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1 纳米材料纳米材料 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.1 纳米材料概述纳米材料概述 构成万物的小小原子，究竟小到什么程度？中国古代有位叫公孙龙的说过：构成万物的小小原子，究竟小到什么程度？中国古代有位叫公孙龙的说过： “一尺之棰，日取其半，万世不竭。一尺之棰，日取其半，万世不竭。 1959年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德年，著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德费曼在费曼在There is plenty of room at the

7、 bottom的一次讲演中指出，从石器时代开始，的一次讲演中指出，从石器时代开始， 人类所有的技术革新都与把物质做成有用的形态有关，而从物理学的规人类所有的技术革新都与把物质做成有用的形态有关，而从物理学的规 律来看，不能排除从单个分子甚至原子出发而组装制造物品的可能性。律来看，不能排除从单个分子甚至原子出发而组装制造物品的可能性。 费曼憧憬说：费曼憧憬说：“如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生如果有一天可以按人的意志安排一个个原子，将会产生 怎样的奇迹？怎样的奇迹？”他预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将他预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后将 变成根据人类意愿

8、，逐个地排列原子，制造变成根据人类意愿，逐个地排列原子，制造“产品产品”，这是关于纳米技，这是关于纳米技 术最早的梦想术最早的梦想。 七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技七十年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技 的构想。的构想。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 认识物质世界认识物质世界 宏观宏观 眼睛识别眼睛识别 周围物体周围物体 宇宙宇宙 无限大无限大 微观微观 分子、原子、质子、分子、原子、质子、 中子、电子、介子、中子、电子、介子、 光子、中微子、夸克光子、中微子、夸克 中间地带（微米纳米）：中间地带（微米纳米）： 眼睛能看见（胶体）眼睛能看见（胶体）

9、 分子、原子分子、原子 ？未被认识未被认识 （微米，（微米， m，10-6m ） （埃（埃 ，10-10m ） 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 v 1861年年 定义胶体尺寸定义胶体尺寸10-910-6m v 1962年年 制备出了纳米粉末制备出了纳米粉末 v 1纳米纳米(nm):10-9 m ， 头发的直径头发的直径: 0.05mm左右左右 纳米科学与技术纳米科学与技术 纳米领域概念纳米领域概念 纳米尺度（纳米尺度（1100nm） 介观尺度（介观尺度（1 nm） 纳米粒子（纳米粒子（0 维）维）/纤维（纤维（1维）维）/ 膜（膜（ 2维）维） 纳米材料纳米材料 纳米技术纳

10、米技术 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 纳米材料纳米材料 ： 一维、二维或三维的尺寸在一维、二维或三维的尺寸在1100nm范围内的颗粒状、块状范围内的颗粒状、块状 或液状的物质称为纳米材料。或液状的物质称为纳米材料。 纳米技术：纳米技术： 在分子水平上控制单个原子、创造出分子结构完全不同的新物在分子水平上控制单个原子、创造出分子结构完全不同的新物 质的技术。这些物质因其质的技术。这些物质因其尺寸达到纳米范围尺寸达到纳米范围而而呈现出异常的、显著呈现出异常的、显著 改变的物理、化学和生物特性改变的物理、化学和生物特性。包括纳米的。包括纳米的制备制备、设计、测试和、设计、测试和

11、应应 用用技术。技术。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.2 纳米材料分类纳米材料分类 纳米材料纳米材料属性属性 纳米金属材料纳米金属材料 （Au、Ag、Cu、W 等）等） 氧化物纳米材料氧化物纳米材料 （TiO2、Fe2O3、稀土、稀土 La2O3、Y2O3, 是高效发光材料）是高效发光材料） 硫化物纳米材料硫化物纳米材料 （CdS、ZnS） 碳（硅）化合物纳米材料碳（硅）化合物纳米材料 （SiC、MoSi2） 氮（磷）等化合物纳米材料氮（磷）等化合物纳米材料 （TiN、GaP ） 含氧酸盐纳米材料含氧酸盐纳米材料 （CaCo3、BaTiO3） 纳米纳米 材料材料

12、功能功能 半导体型纳米材料半导体型纳米材料 光敏型纳米材料光敏型纳米材料 增强型纳米材料增强型纳米材料 磁性纳米材料磁性纳米材料 纳米纳米 材料材料 来源来源 天然纳米材料天然纳米材料 合成纳米材料合成纳米材料 分类分类 方式方式 按按 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.3 纳米材料性质纳米材料性质 基本性质基本性质： l 小尺寸效应小尺寸效应 l 表面效应表面效应 l量子尺寸效应量子尺寸效应 l 宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应 纳米纳米CdS 2014年年8月月 昆山工厂爆炸昆山工厂爆炸 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 纳米材料的特性纳米材料的

13、特性： l 光学特性：光谱迁移性、光学吸收性、光学特性：光谱迁移性、光学吸收性、 光学发光和光学催化性。光学发光和光学催化性。 粒径决定了纳米粒径决定了纳米 TiO2对紫外线的屏对紫外线的屏 蔽能力，蔽能力，60 120nm效果最佳，效果最佳， 小于小于50或大于或大于 150nm对紫外线散对紫外线散 射能力下降，吸收射能力下降，吸收 能力增强。能力增强。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 l 磁学特性：奇异的超顺磁性和较高的矫顽力，磁学特性：奇异的超顺磁性和较高的矫顽力， 以及磁致性（磁致冷，磁致电阻）。以及磁致性（磁致冷，磁致电阻）。 纳米微粒的尺寸大小不同，其磁特征不同

14、。纳米微粒的尺寸大小不同，其磁特征不同。 20nm的纯铁微粒的矫顽力是大块铁的的纯铁微粒的矫顽力是大块铁的1000倍，倍，6nm时矫顽时矫顽 力反而降为零，表现为超顺磁性。力反而降为零，表现为超顺磁性。 铁系氧化物：铁系氧化物： 粒径粒径 10nm 超顺磁特性超顺磁特性 30-50nm 矫顽力随粒径减小而下矫顽力随粒径减小而下 降降 50-200nm 矫顽力达最大，呈单畴矫顽力达最大，呈单畴 特性特性 超顺磁性超顺磁性：某些铁磁性或亚铁磁性微小单畴粒子系统受热扰动而呈现：某些铁磁性或亚铁磁性微小单畴粒子系统受热扰动而呈现 出的顺磁性。出的顺磁性。 矫顽力矫顽力：使已被磁化的铁磁体的磁感应强度降

15、为零所必须施加的磁：使已被磁化的铁磁体的磁感应强度降为零所必须施加的磁 场强度，即磁体保持永磁的能力。场强度，即磁体保持永磁的能力。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 l 催化特性催化特性 （热催化、光催化）（热催化、光催化） 1972年，年，自然自然杂志发表的杂志发表的纳米纳米TiO2 电极进行光分解水的论文。电极进行光分解水的论文。 TiO2光催化分解有机物，每降解一个碳原子，生成一个光催化分解有机物，每降解一个碳原子，生成一个CO2，重复循，重复循 环，直到有机物完全转化为环，直到有机物完全转化为CO2为止。为止。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 l

16、 增强增韧特性增强增韧特性 纳米无机材料由于粒径小、比表面大，在聚合物复合材料中，纳米无机材料由于粒径小、比表面大，在聚合物复合材料中，与基与基 体材料件间有很强的结合力体材料件间有很强的结合力，不仅能提高材料的刚性、硬度和耐磨性，不仅能提高材料的刚性、硬度和耐磨性， 还可以起到增韧的效果。还可以起到增韧的效果。 l 储氢性质储氢性质 纳米晶金属氢化物和碳纳米管、纳米纤维等都是新型的储氢材料。纳米晶金属氢化物和碳纳米管、纳米纤维等都是新型的储氢材料。 吸氢容量可达吸氢容量可达36，纳米碳纤维可达，纳米碳纤维可达10（质量分数），（质量分数），超海绵状超海绵状 纳米碳纤维可高达纳米碳纤维可高达4

17、0，室温下可释放出，室温下可释放出80的氢的氢。 （氢气沸点：（氢气沸点：252.8 oC。燃料电池、氢能汽车。燃料电池、氢能汽车 ） l 润滑性质润滑性质 纳米材料具有耐磨性、减摩擦性质，可作为润滑材料使用，且润滑纳米材料具有耐磨性、减摩擦性质，可作为润滑材料使用，且润滑 效果很好。（效果很好。（原理原理：微轴承、形成光滑保护层和填充表面微坑微轴承、形成光滑保护层和填充表面微坑。）。） 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.4 纳米材料制备方法纳米材料制备方法 （1）按制备过程的）按制备过程的物态物态分类：分类： l 气相制备方法气相制备方法金属纳米材料（金属纳米材料（

18、Au、Ag、Cu 等）等） l 液相制备方法液相制备方法以水和有机溶剂为介质制备各种纳米材料和复合材料以水和有机溶剂为介质制备各种纳米材料和复合材料 l 固相制备方法固相制备方法机械合金化制造技术机械合金化制造技术 （2）制备过程的）制备过程的变化形式变化形式分类：分类： l 物理方法物理方法物理粉碎，物理气相沉积，流动液面真空蒸发，放电爆物理粉碎，物理气相沉积，流动液面真空蒸发，放电爆 炸，真空溅射等炸，真空溅射等 l 化学方法化学方法化学气相沉积，水热合成，化学沉淀化学气相沉积，水热合成，化学沉淀 l 物理化学方法物理化学方法溶胶凝胶法，微乳液法，反相胶束法溶胶凝胶法，微乳液法，反相胶束法

19、 1.1.4.1 制备方法分类制备方法分类 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 （3）按纳米材料的）按纳米材料的形成形式形成形式分类：分类： l 从小到大构筑式从小到大构筑式从原子，分子出发制备纳米材料从原子，分子出发制备纳米材料 l 从大到小粉碎式从大到小粉碎式由常规块体制备纳米材料由常规块体制备纳米材料 （4）按纳米材料的）按纳米材料的制备工艺制备工艺技术分类：技术分类： l 等离子体法与激光方法等离子体法与激光方法 l 蒸发与燃烧方法蒸发与燃烧方法 l 溶胶凝胶法溶胶凝胶法 l 爆炸方法，喷雾方法爆炸方法，喷雾方法 l 沉淀方法沉淀方法 l 冷冻干燥方法冷冻干燥方法 第一

20、章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.4.2 气相合成方法气相合成方法 制备的粉体颗粒细，团聚少制备的粉体颗粒细，团聚少 需具备的需具备的5个基本要素：个基本要素： 气源、热源、气氛、工艺参数监控系统、粉体收集系统。气源、热源、气氛、工艺参数监控系统、粉体收集系统。 l物理气相沉积法：物理气相沉积法：在整个纳米材料过程中没有发生化学反应，借在整个纳米材料过程中没有发生化学反应，借 助各种物理方法使常规材料强制性地达到纳米粒子的程度。主要助各种物理方法使常规材料强制性地达到纳米粒子的程度。主要 应用于制备各种应用于制备各种金属纳米微粒金属纳米微粒。 l化学气相沉积法化学气相沉积

21、法：借助物质的化学变化而达到纳米微粒形成的目：借助物质的化学变化而达到纳米微粒形成的目 的。是制备的。是制备多元素纳米材料多元素纳米材料的常用方法，例如金属氧化物、碳氮的常用方法，例如金属氧化物、碳氮 氧化物以及复合型纳米材料氧化物以及复合型纳米材料 包括：包括： 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.4.2.1 物理气相沉积法：物理气相沉积法： （1）气体冷凝法）气体冷凝法：利用各种热源促使金属等块体材料蒸发气化，：利用各种热源促使金属等块体材料蒸发气化， 然后冷却沉积得到纳米材料：然后冷却沉积得到纳米材料： 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 （2）电

22、极溅射法）电极溅射法：利用金属板作阴阳极，阴极为蒸发用材料，通：利用金属板作阴阳极，阴极为蒸发用材料，通 过施加电压产生辉光放电使惰性气体产生的离子轰击阴极靶材，从过施加电压产生辉光放电使惰性气体产生的离子轰击阴极靶材，从 而产生超微粒子在附着面沉积。而产生超微粒子在附着面沉积。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 （3）活性氢熔融金属反应法）活性氢熔融金属反应法：含有氢气的等离子体与金属：含有氢气的等离子体与金属 间产生电弧，使金属熔融，电离的氮气、氩气和氢气等气体溶间产生电弧，使金属熔融，电离的氮气、氩气和氢气等气体溶 入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成超微金属粒子，通

23、入熔融金属，然后释放出来，在气体中形成超微金属粒子，通 过收集，过滤与分离得到纳米微粒。过收集，过滤与分离得到纳米微粒。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.4.2.2 化学气相沉积法：化学气相沉积法： 在气态条件下，通过物质间的化学变化合成纳米粉体材料。可以在气态条件下，通过物质间的化学变化合成纳米粉体材料。可以 制备氧化物，硅化物，碳化物等纳米材料。制备氧化物，硅化物，碳化物等纳米材料。 （1）等离子体方法）等离子体方法：利用等离子体做热源来提供纳米材料合成过程：利用等离子体做热源来提供纳米材料合成过程 中所需能量的一种新工艺。中所需能量的一种新工艺。 优点：优点：

24、 温度高（中心区可达温度高（中心区可达104） 活性高（高度电离状态）活性高（高度电离状态） 气氛纯净，清洁气氛纯净，清洁 温度梯度大（易实现高度过饱和和骤冷）温度梯度大（易实现高度过饱和和骤冷） 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 等离子体方法制备的纳米材料等离子体方法制备的纳米材料 纳米微粒的纯度较高纳米微粒的纯度较高 颗粒比较均匀，质量好颗粒比较均匀，质量好 可以使用非惰性气体可以使用非惰性气体 优点：优点：缺点：缺点： 气态物料存在一定强度的腐蚀性气态物料存在一定强度的腐蚀性 液体喷雾加料技术不成熟液体喷雾加料技术不成熟 能耗大，生产成本较高能耗大，生产成本较高 等离子

25、发生技术等离子发生技术 直流电弧等离子体直流电弧等离子体 射频感应等离子体射频感应等离子体 常压微波等离子体常压微波等离子体 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 （2） 激光诱导化学气相沉积：激光诱导化学气相沉积：利用反应气体分子对利用反应气体分子对特定波长激光特定波长激光 束的吸收束的吸收，引起引起反应气体分子激光光解，激光热解，激光光敏化诱导反应气体分子激光光解，激光热解，激光光敏化诱导 等等化学反应化学反应，控制合成工艺条件（激光功率密度，反应池压力，反应，控制合成工艺条件（激光功率密度，反应池压力，反应 气体配比和流速、反应温度等），气体配比和流速、反应温度等），制备制

26、备超细纳米粒子。超细纳米粒子。 制备制备 硅，碳化硅，氮化硅硅，碳化硅，氮化硅： SiH4（g） Si（g）2H2 3SiH4（g）4 NH3（g）Si3N4（s）12H2 SiH4（g）CH4SiC（s）4H2 2SiH4（g）C2H42SiC（s）6H2 CO2 激光激光 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 激光诱导化学气相沉积激光诱导化学气相沉积 近年来兴起的制备纳米微粒的优秀方法。近年来兴起的制备纳米微粒的优秀方法。 特点特点： 粒子表面清洁，大小可以精确控制，无粘结，粒度分布均匀。粒子表面清洁，大小可以精确控制，无粘结，粒度分布均匀。 品种多：可以是品种多：可以是 单

27、质，化合物，复合材料等。单质，化合物，复合材料等。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.4.3 液相合成方法液相合成方法 优点：颗粒表面活性好，工业化生产成本低，产物组成易控优点：颗粒表面活性好，工业化生产成本低，产物组成易控 缺点：缺点：硬团聚硬团聚，颗粒大小不均匀，纯度低，性能不够稳定，颗粒大小不均匀，纯度低，性能不够稳定 （1）物理法）物理法：将溶解度高的盐的水溶液雾化成小液滴，使其：将溶解度高的盐的水溶液雾化成小液滴，使其 中的盐成球状均匀地迅速析出，从而得到超细金属盐微粒，或中的盐成球状均匀地迅速析出，从而得到超细金属盐微粒，或 者加热分解制备得到金属氧化物纳

28、米微粒。者加热分解制备得到金属氧化物纳米微粒。 （2）化学法）化学法：在水溶液中通过水解等化学反应生成沉淀物。：在水溶液中通过水解等化学反应生成沉淀物。 沉淀法沉淀法 水热法水热法 溶胶凝胶法溶胶凝胶法 微乳液法微乳液法 模板法模板法 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 p 沉淀法沉淀法包含一种或多种阳离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂后，包含一种或多种阳离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂后， 或一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物或无机盐类，经热或一定温度下使溶液发生水解，形成不溶性的氢氧化物或无机盐类，经热 分解即可得到所需的氧化物粉体。分解即可得到所需的氧化物粉体。

29、 共沉淀法共沉淀法：在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有：在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂后，所有 离子完全沉淀的方法。又可分为单相沉淀和混合物共沉淀。离子完全沉淀的方法。又可分为单相沉淀和混合物共沉淀。 均相沉淀法均相沉淀法: 通过控制溶液沉淀剂浓度，使沉淀在整个溶液通过控制溶液沉淀剂浓度，使沉淀在整个溶液 中均匀进行，从而控制颗粒的生长速度，获得纯度高、粒度中均匀进行，从而控制颗粒的生长速度，获得纯度高、粒度 均匀的纳米颗粒。均匀的纳米颗粒。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 p 水热法水热法将反应物和水在密闭容器中加热到高温高压时，反应物发将反应物和水在密闭容器

30、中加热到高温高压时，反应物发 生变化形成纳米微粒的过程生变化形成纳米微粒的过程。反应物可以是金属盐、氧化物、氢氧化物以。反应物可以是金属盐、氧化物、氢氧化物以 及金属粉末的水溶液或液相悬浮液。溶剂也可以拓展到有机溶剂，苯，甲及金属粉末的水溶液或液相悬浮液。溶剂也可以拓展到有机溶剂，苯，甲 苯等。苯等。 水热法水热法合成祖母绿宝石合成祖母绿宝石 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 p 溶胶凝胶法溶胶凝胶法采用特定的纳米材料采用特定的纳米材料前驱体前驱体在一定条件下在一定条件下水解水解，形成，形成溶溶 胶胶，然后经，然后经溶剂挥发溶剂挥发及及加热加热等处理，使等处理，使溶胶转变成溶

31、胶转变成网状结构网状结构的的凝胶凝胶，再经，再经 过适当的后处理工艺形成纳米材料的一种方法。过适当的后处理工艺形成纳米材料的一种方法。 原料原料 可分散体系可分散体系 溶胶溶胶 凝胶凝胶 纳米材料纳米材料 酸酸/水水 H2O H2O 热处理热处理 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 p 微乳液法微乳液法两种两种互不相容的液体互不相容的液体形成的形成的热力学稳定热力学稳定的，各向同性的均的，各向同性的均 匀的分散体系，一般由水溶液，有机溶剂，表面活性剂及助剂组成，一般匀的分散体系，一般由水溶液，有机溶剂，表面活性剂及助剂组成，一般 有水包油和油包水以及连续双包型。有水包油和油包水

32、以及连续双包型。 关键因素：关键因素： 微乳液体系的选择微乳液体系的选择 适当的沉淀条件适当的沉淀条件 合适的后处理条件合适的后处理条件 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 p 模板法模板法以有机分子或其自组装的体系为模板剂以有机分子或其自组装的体系为模板剂, ,通过离子键、氢通过离子键、氢 键和范德华力等作用力键和范德华力等作用力，在溶剂存在的条件下使模板剂对游离状态下的无在溶剂存在的条件下使模板剂对游离状态下的无 机或有机前躯体进行引导机或有机前躯体进行引导，从而生成具有纳米有序结构的粒子或薄膜从而生成具有纳米有序结构的粒子或薄膜。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料

33、与复合材料 1.1.4.4 固相合成方法固相合成方法 包括：高性能球磨法和快淬法包括：高性能球磨法和快淬法 特点：规模大，产量高，工艺简单易行；特点：规模大，产量高，工艺简单易行； 不均匀，介质表面和界面的环境污染不均匀，介质表面和界面的环境污染 ， 空气气氛中氧、氮等对球磨介质起化学反应。空气气氛中氧、氮等对球磨介质起化学反应。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.4.5 其他合成方法其他合成方法 钱逸泰院士发表在钱逸泰院士发表在1998年的年的科学科学杂志上的杂志上的 一篇关于在高压釜中用中温（一篇关于在高压釜中用中温（700）催化热）催化热 解法使四氯化碳和钠反应

34、制备出金刚石纳米粉解法使四氯化碳和钠反应制备出金刚石纳米粉 l燃烧合成法燃烧合成法： l爆炸法：爆炸法： 燃烧合成是采用硝酸盐水溶液有机燃料混合物为原料，在较低的点燃烧合成是采用硝酸盐水溶液有机燃料混合物为原料，在较低的点 火温度和燃烧放热温度下，简便、快捷地制备出多组分氧化物粉体。火温度和燃烧放热温度下，简便、快捷地制备出多组分氧化物粉体。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.4.6 纳米材料纳米材料制备制备原理原理 l 金属蒸气共凝聚生长机制金属蒸气共凝聚生长机制 l 晶核间凝聚反应机制晶核间凝聚反应机制 l 直接蒸发形成化合物相纳米粒子机制直接蒸发形成化合物相纳米

35、粒子机制 晶相纳米材料的晶相纳米材料的形成形成原理原理（过程）：（过程）： 成核成核 晶核生长晶核生长 关键因素：晶核控制（高速淬冷）关键因素：晶核控制（高速淬冷） 制备方法和成型环境不同，制备原理也不尽相同制备方法和成型环境不同，制备原理也不尽相同。 如如 在惰性气体下的气相蒸发制备纳米材料，机理为：在惰性气体下的气相蒸发制备纳米材料，机理为： 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.5 纳米材料应用纳米材料应用 多种形态：纳米粉体，纳米固体，纳米结构材料多种形态：纳米粉体，纳米固体，纳米结构材料 主要利用其比表面积大和活性特别高的特点。主要利用其比表面积大和活性特别高的

36、特点。 催化剂催化剂 陶瓷材料陶瓷材料 医用材料医用材料 磁性材料磁性材料 防护材料防护材料 光电转换材料光电转换材料 传感器传感器 以粒径小于以粒径小于300nm 的的Ni和和Cu-Zn合金的合金的 超细微粒为主要成分超细微粒为主要成分 制成的催化剂，可使制成的催化剂，可使 有机物氢化的效率提有机物氢化的效率提 高到传统镍催化剂的高到传统镍催化剂的 10倍。倍。 由于纳米材料高表面、由于纳米材料高表面、 高活性、特殊物理性质，高活性、特殊物理性质， 使其对环境（如温度、使其对环境（如温度、 湿度、光、气味）等十湿度、光、气味）等十 分敏感，制成响应速度分敏感，制成响应速度 快、灵敏度高、选择

37、性快、灵敏度高、选择性 好的各种传感器。好的各种传感器。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.6.1 典型的纳米粉体材料典型的纳米粉体材料 纳米纳米CaCO3：粒径：粒径100 nm 作用作用：增白，增强：增白，增强塑料、橡胶、涂料、纸张塑料、橡胶、涂料、纸张 生产技术生产技术：碳化法：碳化法 间歇碳化法间歇碳化法 喷雾碳化法喷雾碳化法 超重力碳化法超重力碳化法 1.1.6 典型的纳米材料典型的纳米材料 反应过程反应过程：石灰石：石灰石CaCO3 CaO Ca(OH)2 CaCO3 煅烧煅烧消化消化粉碎粉碎 纳米粉体纳米粉体 CO2 无机物改性剂缩合磷酸，钛酸酯，硅酸酯

38、，铝酸酯无机物改性剂缩合磷酸，钛酸酯，硅酸酯，铝酸酯 有机物改性剂脂肪酸及其盐类，天然或合成高分子有机物改性剂脂肪酸及其盐类，天然或合成高分子 表面改性表面改性： 应用应用：涂料方面，塑料方面，橡胶方面，纸张方面等。：涂料方面，塑料方面，橡胶方面，纸张方面等。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 纳米纳米CaCO3 特点：表面羟基多、亲水疏油；特点：表面羟基多、亲水疏油； 易团聚，难分散。易团聚，难分散。 通过表面改性，提高粉体的亲油性、防止团聚、提高分散性。通过表面改性，提高粉体的亲油性、防止团聚、提高分散性。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 性能优良的光

39、催化剂纳米性能优良的光催化剂纳米TiO2 气相法（气相氧化、气相水解）气相法（气相氧化、气相水解） 液相法（溶胶凝胶、化学沉淀）液相法（溶胶凝胶、化学沉淀） 制备：制备： 特点：催化活性高、热稳定性好、耐久性能好、价格便宜、无害。特点：催化活性高、热稳定性好、耐久性能好、价格便宜、无害。 氧化法氧化法 TiCl4 + O2 TiO2 + Cl2 水解法水解法 Ti(OC4H9)4 + H2O TiO2 + 4C4H9OH 反应过程：反应过程： 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 表面无序原子数占表面无序原子数占50， 表面表面Ti原子缺少原子缺少O原子配位，原子配位， 处于欠氧

40、状态，因而具有处于欠氧状态，因而具有 很高的活性。很高的活性。 A内部钛原子，内部钛原子，B表面钛原子，表面钛原子，X氧原子氧原子 结构特性结构特性： 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 光催化机理：光催化机理： 纳米纳米TiO2光催化反应机理示意图光催化反应机理示意图 锐钛型纳米锐钛型纳米TiO2具有光催化活性。具有光催化活性。 半导体半导体 TiO2粉体吸收紫外光后，价电子被激发到导粉体吸收紫外光后，价电子被激发到导 带上。在导带上产生光生电子（带上。在导带上产生光生电子（e-），在价），在价 带上产生空穴（带上产生空穴（h+）。这种）。这种光生电子和空穴光生电子和空穴 具

41、有极高的能量，后者有极强的氧化性，前具有极高的能量，后者有极强的氧化性，前 者有极强的还原性者有极强的还原性，据称换算成温度可达到，据称换算成温度可达到 36000。在常温常压下，就可以将几乎所。在常温常压下，就可以将几乎所 有的有机物和臭气、细菌和病毒、及部分无有的有机物和臭气、细菌和病毒、及部分无 机物完全分解和矿化。机物完全分解和矿化。 粉体表面吸附的粉体表面吸附的O2吸收吸收e- 形成含氧小分子形成含氧小分子 活性物（活性物（O2 ），表面吸附的 ），表面吸附的H2O 受空穴作受空穴作 用，形成用，形成 H 、 、OH 活性种 活性种。这些活性种能。这些活性种能 够强有力地夺取其他物质

42、中的自由电子，进够强有力地夺取其他物质中的自由电子，进 而发生氧化还原反应，使目标物质被分解掉。而发生氧化还原反应，使目标物质被分解掉。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 环境保护环境保护 (污水处理、气体净化等。除害、脱色和去臭。污水处理、气体净化等。除害、脱色和去臭。) 纳米纳米TiO2光催化反应器光催化反应器（悬浮体系和负载体系）（悬浮体系和负载体系） 杀菌抗菌（破坏有机物中的杀菌抗菌（破坏有机物中的C-H，N-H，O-H，C-O等键，等键， 比氯气效果更好。）比氯气效果更好。） 优点优点：本身不消耗，可长久使用；不仅能杀菌，：本身不消耗，可长久使用；不仅能杀菌， 还能

43、去除细菌的有机营养物，抗菌杀菌；还能去除细菌的有机营养物，抗菌杀菌； 本身安全无毒。本身安全无毒。 光电转换（光电转换效率高，是清洁能源，可利用一切光电转换（光电转换效率高，是清洁能源，可利用一切 光能，成本低、改性方法多。）光能，成本低、改性方法多。） 应用：应用： 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 用途广泛的纳米硅氧化合物纳米用途广泛的纳米硅氧化合物纳米SiO2 x（白碳黑） （白碳黑） 制备：制备： 燃烧法燃烧法 沉淀法沉淀法 SiCl4 2H2O2SiO2 4HCl 2CH3SiCl3 2H25O2 2SiO2 6HCl 2CO2 2H2O CaSiO3 2HClSi

44、O2 H2O CaCl2 应用：橡胶，塑料，涂料，树脂基复合材料，陶瓷，颜料，密封胶，应用：橡胶，塑料，涂料，树脂基复合材料，陶瓷，颜料，密封胶， 粘结剂，化妆品，电子封装材料，药物载体，杀菌剂等。粘结剂，化妆品，电子封装材料，药物载体，杀菌剂等。 优点：提高强度、韧性、抗老化性能、透明性等优点：提高强度、韧性、抗老化性能、透明性等。 高温高温 气溶胶气溶胶 纳米纳米SiO2 无毒、无味、无污染无毒、无味、无污染 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 结构结构：与石墨和金刚石不同，：与石墨和金刚石不同， 是一种类石墨的准晶体，乱层结构。是一种类石墨的准晶体，乱层结构。 传统的纳米

45、粉体材料炭黑传统的纳米粉体材料炭黑 类型类型：槽法炭黑槽法炭黑 炉法炭黑炉法炭黑 补强炭黑补强炭黑 热裂法炭黑热裂法炭黑 性能性能： 活性活性 粒径粒径 形状形状 表面粗糙度表面粗糙度 石墨石墨金刚石金刚石 应用应用：主要用作橡胶的补强。：主要用作橡胶的补强。 石墨石墨乱层结构乱层结构 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.1.6.2 典型的纳米结构材料典型的纳米结构材料 u C60 与与 C70 ： ： 是一个直径为 是一个直径为1nm，由，由12个五元环和个五元环和20个六元个六元 环组成的球形环组成的球形32面体。面体。 认识水平认识水平：从平面低对称性分子发展到全对称

46、的球形分子。：从平面低对称性分子发展到全对称的球形分子。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 应用应用：特殊（星形）高分子、药物和催化剂载体、超导材料等。：特殊（星形）高分子、药物和催化剂载体、超导材料等。 石墨烯（碳笼）家族石墨烯（碳笼）家族 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 v 1991年，日本科学家饭岛澄男年，日本科学家饭岛澄男 发现碳纳米管。发现碳纳米管。 v 这是石墨中一层或若干层碳原这是石墨中一层或若干层碳原 子卷曲而成的笼状子卷曲而成的笼状“纤维纤维”， 内部是空的，外部直径只有几内部是空的，外部直径只有几 到几十纳米，长度可达数微米到几十纳米，

47、长度可达数微米 甚至数毫米。甚至数毫米。 v 这样的材料很轻，但很结实。这样的材料很轻，但很结实。 它的密度是钢的它的密度是钢的1/6，而强度，而强度 却是钢的却是钢的100倍。如果用碳纳倍。如果用碳纳 米管做绳索，是惟一可以从月米管做绳索，是惟一可以从月 球上挂到地球表面，而不被自球上挂到地球表面，而不被自 身重量所拉断的绳索。身重量所拉断的绳索。 u 碳纳米管碳纳米管 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 v 碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的十万分之一，但它的导电率是铜的1万万 倍，它的强度是钢的倍，它的强度是钢的100倍

48、而重量只有钢的倍而重量只有钢的1/6。它像金刚石那样硬，却。它像金刚石那样硬，却 有柔韧性，可以拉伸。有柔韧性，可以拉伸。 v 纳米碳管可作纳米碳管可作增强材料、显示材料、电极材料和载体等增强材料、显示材料、电极材料和载体等。 v 纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂纳米碳管的细尖极易发射电子。用于做电子枪，可做成几厘米厚的壁挂 式电视屏，这是电视制造业的发展方向。式电视屏，这是电视制造业的发展方向。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 u TiO2纳米管纳米管 特点特点：是开口管，由：是开口管，由25个单层组成，管径约个单层组成，管径约200nm。

49、比纳米比纳米TiO2比表面积更大，光催化效率提高约比表面积更大，光催化效率提高约2倍。倍。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 u 纳米生物管纳米生物管 应用应用：可用作模板用于合成纳米金属管或金属棒。：可用作模板用于合成纳米金属管或金属棒。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 u 纳米棒（线、丝）纳米棒（线、丝） 直流电化学沉积制备的直流电化学沉积制备的CdTe纳米线纳米线 应用应用：制备微型电路器件：袖珍发射器、微型存储器、化学传感器等。：制备微型电路器件：袖珍发射器、微型存储器、化学传感器等。 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.2 复合材料复合材料 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 1.2.1 材料分类：材料分类： 金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料金属材料、无机非金属材料、有机高分子材料 各有千秋各有千秋 扬长避短扬长避短 克服单一材料的缺点克服单一材料的缺点 产生原来单一材料本身所没有的新性能产生原来单一材料本身所没有的新性能 复合材料复合材料 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 泥砖泥砖 泥泥 禾秸禾秸 第一章第一章 纳米材料与复合材料纳米材料与复合材料 树干树干 木质素木质素 木质纤维木质纤维 钢筋混凝土钢筋混凝土 沙子、石子、沙子、石子、 水泥水泥 钢筋钢筋 1.2.2