新材料化学专题教育课件省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、 第六章第六章 新材料化学新材料化学 新能源学院5月16日第1页 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或正在新材料是指新近发展或正在研发、性能超群一些材料,含有研发、性能超群一些材料,含有比传统材料更为优异性能。新材比传统材料更为优异性能。新材料技术则是按照人意志,经过物料技术则是按照人意志,经过物理研究、理研究、材料设计、材料加工、材料设计、材料加工、试验评价等一系列研究过程,创试验评价等一系列研究过程,创造出能满足各种需要新型材料技造出能满足各种需要新型材料技术。术。第2页 第六章第六章 新材料化学新材料化学第一节 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
2、第五节 新能源材料第3页 第一节 纳米材料一、纳米材料概述一、纳米材料概述二、纳米材料主要制备方法二、纳米材料主要制备方法三、纳米材料应用领域三、纳米材料应用领域第4页 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,普通是指尺寸在纳米粒子也叫超微颗粒,普通是指尺寸在1 1100nm100nm间粒子,是处于原子簇和宏观物体交界过渡间粒子,是处于原子簇和宏观物体交界过渡区域。区域。从通常关于微观和宏观观点看,这么系统既非经从通常关于微观和宏观观点看,这么系统既非经典微观系统亦非经典宏观系
3、统,是一个经典人介典微观系统亦非经典宏观系统,是一个经典人介观系统,它含有表面效应、小尺寸效应和宏观量观系统,它含有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。子隧道效应。原子排成原子排成“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径30003000分之一分之一第5页 第一节 纳米材料纳米材料基本特征:纳米材料基本特征: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6页 第一节 纳米材料1.表面效应表面效应第7页 第一节 纳米材料2.
4、2.小尺寸效应小尺寸效应金属纳米固体材料电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效金属纳米固体材料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平均自由程可比拟或更小时,应。当颗粒尺寸与电子运动平均自由程可比拟或更小时,小尺寸效应不容忽略。界面散射为主因。小尺寸效应不容忽略。界面散射为主因。e e_ _第8页 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一定程度时,费米面附近电子能当纳米颗粒尺寸小到一定程度时,费米面附近电子能级离散性非常显著,量子尺寸效应不容忽略,最终造成低级离散性非常显著,量子尺寸效应不容忽略,最终造成低温下导体向绝缘体转变温下导体向绝缘体转
5、变d (如如k kB BT T)第9页 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 隧道效应是基本量子现象之一,即当微观粒子总能量隧道效应是基本量子现象之一,即当微观粒子总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人小于势垒高度时,该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磁化强度、量子相干器件中磁们发觉一些宏观量如微颗粒磁化强度、量子相干器件中磁通量及电荷也含有隧道效应,他们能够穿越宏观系统势阱通量及电荷也含有隧道效应,他们能够穿越宏观系统势阱而产生改变,故称之为宏观量子隧道效应。而产生改变,故称之为宏观量子隧道效应。第10页 第一节 纳米材料 因为纳
6、米材料组织粒子极其小,其中所包含原子个数因为纳米材料组织粒子极其小,其中所包含原子个数极少、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性质来描述,而是出现一些上块状物质性质来描述,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11页 第一节 纳米材料(1 1)光学性质)光学性质1 1、宽频带强吸收、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,它们对可见光反射率极低。
7、这就是纳米材料强吸收黑色,它们对可见光反射率极低。这就是纳米材料强吸收率、低反射率。率、低反射率。比如,铂金纳米粒子反射率为比如,铂金纳米粒子反射率为1%1%。纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频纳米氮化硅、碳化硅及三氧化二铝对红外有一个宽频带强吸收谱。带强吸收谱。第12页 第一节 纳米材料2 2、纳米微粒分散物系光学性质和发光效应、纳米微粒分散物系光学性质和发光效应 纳米微粒分散于介质中形成份散物系(溶胶),纳米纳米微粒分散于介质中形成份散物系(溶胶),纳米微粒称为胶体(或分散相)。微粒称为胶体(或分散相)。因为在溶胶中胶体高分散性和不均匀性,使得分散物因为在溶胶中胶体高分散性和不
8、均匀性,使得分散物系含有特殊光学特征,比如丁达尔效应。丁达尔效应系含有特殊光学特征,比如丁达尔效应。丁达尔效应假如让一束聚集光线经过分散物系,在入射光垂直方向上假如让一束聚集光线经过分散物系,在入射光垂直方向上能够看到一个发光圆锥体。能够看到一个发光圆锥体。另外,当纳米微粒尺寸小到一定值时,可在一定波长另外,当纳米微粒尺寸小到一定值时,可在一定波长光激发下发光。这是载流子量子限域效应引发。光激发下发光。这是载流子量子限域效应引发。第13页 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普通材料更高强金属纳米材料和陶瓷纳米材料有着比普通材料更高强度和硬度,甚至大
9、部分陶瓷纲米材料也含有良好塑性和韧度和硬度,甚至大部分陶瓷纲米材料也含有良好塑性和韧性。如性。如A1A12 2O O3 3基体中加入纳米基体中加入纳米SiCSiC晶粒制成陶瓷材料,其最晶粒制成陶瓷材料,其最高强度大于高强度大于1500MPa1500MPa,最高使用温度也能够原来,最高使用温度也能够原来800800提升提升到到1200 1200,纳米,纳米AgAg微粒只要低于微粒只要低于373K373K就开始熔化,而常就开始熔化,而常规规AgAg熔点却在熔点却在1173K1173K左右。左右。第14页 第一节 纳米材料(3 3)热学性质)热学性质纳米微粒熔纳米微粒熔点、烧结温度点、烧结温度和晶化
10、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。应造成。第15页 第一节 纳米材料(4 4)磁学性质)磁学性质 纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应,纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应,纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应,纳米微粒小尺寸效应、量子尺寸效应、表面效应,使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。使其含有常规粗晶材料不具备磁特征。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、居里温度和磁主要表现为:超顺磁性、矫顽力、居里温度和
11、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16页 第一节 纳米材料超顺磁状态起因:超顺磁状态起因:因为小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可相因为小尺寸下,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改变,结果造成超顺磁性出现。向作无规律改变,结果造成超顺磁性出现。比如,粒径为比如,粒径为85nm85nm纳米镍纳米镍NiNi微粒,矫顽力很高,而当微粒,矫顽力很高,而当粒径小于粒径小于15nm15nm时,其矫顽力时,其矫顽力Hc0Hc0,即进入了超顺磁状态。,即进入了超
12、顺磁状态。第17页 第一节 纳米材料二、纳米材料主要制备方法二、纳米材料主要制备方法1、物理方法、物理方法(1)(1)真空冷凝法真空冷凝法 用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料用真空蒸发、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。织好、粒度可控,但技术设备要求高。(2)(2)物理粉碎法物理粉碎法 经过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米经过机械粉碎、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,颗粒分粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均
13、匀。布不均匀。第18页 第一节 纳米材料(3)(3)机械球磨法机械球磨法 采取球磨方法,控制适当条件得到纯元素纳采取球磨方法,控制适当条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料纳米粒子。其特点操作米粒子、合金纳米粒子或复合材料纳米粒子。其特点操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。第19页 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化学反应合成纳米材料。利用金属化合物蒸气化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高,粒度分布窄。其特点产品纯度高,粒度分布窄。(2)(2)沉淀法沉淀法 把沉淀剂加
14、入到盐溶液中反应后,将沉淀热处理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,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。适合制备氧化物。(3)(3)水热合成法水热合成法 高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成,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、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。粒度易控制。第20页 第一节 纳米材料三、纳米材料应用领域三、纳米材料应用领域 因为纳米微粒小尺寸效应、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应,因为纳米微粒小尺寸效应
15、、表面效应、量子效应和宏观量子隧道效应,使得它在磁、光、电、敏感等方面展现常规材料不具备特征,所以纳米微使得它在磁、光、电、敏感等方面展现常规材料不具备特征,所以纳米微粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛应用。粒在磁性材料、传感、医学、传感、军事等方面有广泛应用。1 1、纳米技术在微电子学上应用纳米技术在微电子学上应用 2 2、纳米技术在光电领域应用纳米技术在光电领域应用 3 3、纳米技术在化工领域应用纳米技术在化工领域应用 4 4、纳米技术在医学上应用纳米技术在医学上应用 5 5、纳米技术在其它领域应用纳米技术在其它领域应用 第21页 第一节 纳米材料1.1.纳米技术在微电子学上
16、应用纳米技术在微电子学上应用 原理原理纳米电子学主要思想是基于纳米粒子量子效应纳米电子学主要思想是基于纳米粒子量子效应来设计并制备纳米量子器件来设计并制备纳米量子器件 目标目标将集成电路深入减小,研制出由单原子或单分将集成电路深入减小,研制出由单原子或单分子组成、能在室温使用各种器件。早在子组成、能在室温使用各种器件。早在19891989年,年,IBMIBM企业科学企业科学家已利用隧道扫描显微镜上探针,成功地移动了氙原子,并利家已利用隧道扫描显微镜上探针,成功地移动了氙原子,并利用它拼成了用它拼成了IBMIBM三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳三个字母。美国威斯康星大学已制造出可容纳单个
17、电子量子点。在一个针尖上可容纳这么量子点几十亿个。单个电子量子点。在一个针尖上可容纳这么量子点几十亿个。利用量子点可制成体积小、耗能少单电子器件,在微电子和光利用量子点可制成体积小、耗能少单电子器件,在微电子和光电子领域将取得广泛应用电子领域将取得广泛应用第22页 第一节 纳米材料2.2.纳米技术在光电领域应用纳米技术在光电领域应用 原理原理纳米激光器微小尺寸可使光子被限制在少数几个状纳米激光器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,直到所产生光波累态上,而低音廊效应则使光子受到约束,直到所产生光波累积起足够多能量后透过此结构。其结果是激光器到达极高工积起足够多能
18、量后透过此结构。其结果是激光器到达极高工作效率,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形状光子导线,试验发觉,纳米激光器大小和形极薄面包圈形状光子导线,试验发觉,纳米激光器大小和形状能够有效控制它发射出光子量子行为,从而影响激光器工状能够有效控制它发射出光子量子行为,从而影响激光器工作。作。第23页 第一节 纳米材料应用应用(1 1)提升效率:纳米激光器工作时只需约)提升效率:纳米激光器工作时只需约100100微安电流。最微安电流。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近,科学家把光子导线缩小到只有五分之一立方微
19、米体积内。在这一尺度上,此结构光子状态数少于内。在这一尺度上,此结构光子状态数少于1010个,靠近了个,靠近了无能量运行所要求条件,不过光子数目还没有降低到这么无能量运行所要求条件,不过光子数目还没有降低到这么极限上。最近,麻省理工学院研究人员把被激发钡原子一极限上。最近,麻省理工学院研究人员把被激发钡原子一个一个地送入激光器中,每个原子发射一个有用光子。个一个地送入激光器中,每个原子发射一个有用光子。第24页 第一节 纳米材料 (2 2)速度极快因为只需要极少能量就能够发射激光,)速度极快因为只需要极少能量就能够发射激光,这类装置能够实现瞬时开关。已经有一些激光器能够以快这类装置能够实现瞬时
20、开关。已经有一些激光器能够以快于每秒于每秒 钟钟200200亿次速度开关,适适用于光纤通信。因为亿次速度开关,适适用于光纤通信。因为纳米技术快速发展,这种无能量阈纳米激光器实现将指日纳米技术快速发展,这种无能量阈纳米激光器实现将指日可待。可待。第25页 第一节 纳米材料 评价评价纳米技术发展,使微电子和光电子结合愈纳米技术发展,使微电子和光电子结合愈加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方加紧密,在光电信息传输、存贮、处理、运算和显示等方面,使光电器件性能大大提升。将纳米技术用于现有雷达面,使光电器件性能大大提升。将纳米技术用于现有雷达信息处理上,可使其能力提升信息处理上,可使其能力
21、提升1010倍至几百倍,甚至能够将倍至几百倍,甚至能够将超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度对地侦察。超高分辨率纳米孔径雷达放到卫星上进行高精度对地侦察。不过要获取高分辨率图像,就必需先进数字信息处理技术。不过要获取高分辨率图像,就必需先进数字信息处理技术。科学家发觉,将光调制器和光探测器结合在一起量子阱自科学家发觉,将光调制器和光探测器结合在一起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。电光效应器件,将为实现光学高速数学运算提供可能。第26页 第一节 纳米材料3.3.纳米技术在化工领域应用纳米技术在化工领域应用 光催化剂光催化剂纳米粒子作为光催化剂有许多优点。纳米粒子作为
22、光催化剂有许多优点。(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)纳米粒子生成电子、空穴在抵达表面之前,大部分不会重新结合。电子、空电子、空穴在抵达表面之前,大部分不会重新结合。电子、空穴能够抵达表面数量多,故化学反应活性高。(穴能够抵达表面数量多,故化学反应活性高。(3 3)纳米粒子分)纳米粒子分散在介质中往往含有透明性,轻易利用光学伎俩和方法来观察散在介质中往往含有透明性,轻易利用光学伎俩和方法来观察界面间电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度影界面间电荷转移、质子转移、半导体能级结构与表面态密度影响。响。例例1 1,工业上利
23、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,用于三氧化二铁作光催化剂,用于废水处理(含废水处理(含SO32-SO32-或或 Cr2O72-Cr2O72-系统),已取得了很好效果。系统),已取得了很好效果。第27页 第一节 纳米材料 例例2 2,用沉淀溶出法制备出粒径约,用沉淀溶出法制备出粒径约30nm30nm 60nm60nm白色球状钛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,较固相烧结法制备钛酸锌粉体效果显著提升固相烧结法制备钛酸锌粉体效果显著提升纳米静电屏蔽材料纳米静电屏蔽材料是纳米技术另一主要应用。优
24、点是纳米技术另一主要应用。优点(1 1)静电屏蔽材料普通由树脂掺加碳黑喷涂而成,用有半静电屏蔽材料普通由树脂掺加碳黑喷涂而成,用有半导体特征纳米氧化物粒子如导体特征纳米氧化物粒子如Fe2O3Fe2O3、TiO2TiO2、ZnOZnO做成涂料,因做成涂料,因为含有较高导电特征,能起到静电屏蔽作用。(为含有较高导电特征,能起到静电屏蔽作用。(2 2)氧化物纳)氧化物纳米微粒颜色各种各样,可经过复合控制静电屏蔽涂料颜色,米微粒颜色各种各样,可经过复合控制静电屏蔽涂料颜色,克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色单调性。克服了碳黑静电屏蔽涂料只有单一颜色单调性。第28页 第一节 纳米材料 遮蔽紫外线遮蔽紫外
25、线(1 1)将纳米)将纳米TiO2TiO2粉体加到化装品中,可粉体加到化装品中,可有效地遮蔽紫外线。(有效地遮蔽紫外线。(2 2)用添加)用添加0.1%0.1%0.5%0.5%纳米二氧化钛制成透纳米二氧化钛制成透明塑料包装食品,可预防紫外线对食品破坏,还可使食品保持新明塑料包装食品,可预防紫外线对食品破坏,还可使食品保持新鲜。(鲜。(3 3)金属纳米粒子掺杂到化纤制或纸张中,可大大降低静)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电作用 纳米反应器纳米反应器利用纳米碳管独特孔状结构,大比表面,利用纳米碳管独特孔状结构,大比表面,较高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
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