《高分子復(fù)合材料》課件-3.49納米材料

1.納米材料的定義

納米材料的基本概念“納米”又稱毫微米，是長(zhǎng)度的度量單位，1nm=10-9m?！凹{米”是英文namometer譯名。

另一種說(shuō)法，“納米”一詞源自拉丁文“NANO”，“矮小”的意思。

納米正好處于原子、分子為代表的微觀世界和以人類活動(dòng)空間為代表的宏觀世界的中間地帶，被稱為介觀世界。

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諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Feyneman在六十年代曾經(jīng)預(yù)言：如果我們對(duì)物體微小規(guī)模上的排列加以某種控制的話，我們就能使物體得到大量的異乎尋常的特性，就會(huì)看到材料的性能產(chǎn)生豐富的變化。他所說(shuō)的材料就是現(xiàn)在的納米材料。從尺寸概念分析：納米材料就是關(guān)于原子團(tuán)簇、納米顆粒、納米薄膜、納米碳管和納米固體材料的總稱。從特性內(nèi)涵分析：納米材料能夠體現(xiàn)尺寸效應(yīng)(小尺寸效應(yīng))和量子尺寸效應(yīng)。納米尺度納米科學(xué)與技術(shù)當(dāng)前納米技術(shù)的研究和應(yīng)用主要在材料和制備、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)、醫(yī)學(xué)與健康、航天和航空、環(huán)境和能源、生物技術(shù)和農(nóng)產(chǎn)品等方面。用納米材料制作的器材重量更輕、硬度更強(qiáng)、壽命更長(zhǎng)、維修費(fèi)更低、設(shè)計(jì)更方便。利用納米材料還可以制作出特定性質(zhì)的材料或自然界不存在的材料，制作出生物材料和仿生材料。什么是納米材料納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料(nanometermaterial)，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于1納米～100納米范圍之間。由于它的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長(zhǎng)度，它的性質(zhì)因?yàn)閺?qiáng)相干所帶來(lái)的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化。并且，其尺度已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的性質(zhì)。

2.納米材料的種類納米材料的定義

從尺寸大小來(lái)說(shuō)，通常產(chǎn)生物理化學(xué)性質(zhì)顯著變化的細(xì)小微粒的尺寸在0.1微米以下（注米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000納米，1納米=10埃），即100納米以下。因此，顆粒尺寸在1～100納米的微粒稱為超微粒材料，也是一種納米材料。納米級(jí)結(jié)構(gòu)材料簡(jiǎn)稱為納米材料(nanometermaterial)，是指其結(jié)構(gòu)單元的尺寸介于納米～100納米范圍之間。納米金屬材料

納米金屬事末的制備始于第二次世界大戰(zhàn)，它的迅速發(fā)展則是從本世紀(jì)60年代開始的。納米金屬粉末的研究與開發(fā)．在科學(xué)理論和實(shí)際應(yīng)用方面都有重要意義。將納米金屬粉末在保持新鮮表面的條件下，壓在一起形成塊狀凝聚固體，構(gòu)成了納米金屬結(jié)構(gòu)材料納米金屬材料鍋蓋納米晶體材料

納米晶體是指晶粒尺寸在納米量級(jí)的多晶體。由于晶粒極細(xì)，大量的原子處于晶粒之間的界面上。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征使納米晶體成為有別于普通多晶體和非晶態(tài)固體的一種新材料，其中界面成為一種不可忽略的結(jié)構(gòu)組元。納米晶體納米陶瓷材料

利用納米技術(shù)開發(fā)的納米陶瓷材料是利用納米粉體對(duì)現(xiàn)有陶瓷進(jìn)行改性，通過(guò)往陶瓷中加入或生成納米級(jí)顆粒、晶須、晶片纖維等，使晶粒、晶界以及他們之間的結(jié)合都達(dá)到納米水平，使材料的強(qiáng)度、韌性和超塑性大幅度提高。它克服了工程陶瓷的許多不足，并對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)、磁光學(xué)等性能產(chǎn)生重要影響，為代替工程陶瓷的應(yīng)用開拓了新領(lǐng)域。納米陶瓷刀納米玻璃材料

納米玻璃，是利用納米技術(shù)，用特殊的裝置，對(duì)玻璃進(jìn)行原子、分子級(jí)的操作，改變其特性，使之具有全新的性能。具有自潔功能的納米玻璃納米高分子材料

在高分子科學(xué)中，納米顆粒材料一般不單獨(dú)使用。在納米高分子材料主要是采用納米尺寸物質(zhì)與聚合物進(jìn)行復(fù)合，用以制備納米復(fù)合材料。因此，在此處討論的納米高分子材料性能主要是指納米高分子材料的性能納米高分子材料納米復(fù)合材料納米復(fù)合材料是以樹脂、橡膠、陶瓷和金屬等基體為連續(xù)相，以納米尺寸的金屬、半導(dǎo)體、剛性粒子和其他無(wú)機(jī)粒子、纖維、納米碳管等改性為分散相，通過(guò)適當(dāng)?shù)闹苽浞椒▽⒏男詣┚鶆蛐缘胤稚⒂诨w材料中，形成一相含有納米尺寸材料的復(fù)合體系，這一體系材料稱之為納米復(fù)合材料。納米復(fù)合材料納米半導(dǎo)體材料

納米半導(dǎo)體材料是一種自然界不存在的人工設(shè)計(jì)制造的（通過(guò)能帶工程實(shí)施）新型半導(dǎo)體材料，它具有與體材料截然不同的性質(zhì)。隨著材料維度的降低和結(jié)構(gòu)特征尺寸的減小，量子尺寸效應(yīng)、量子干涉效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)、庫(kù)侖阻塞效應(yīng)以及多體關(guān)聯(lián)和非線性光學(xué)效應(yīng)都會(huì)表現(xiàn)得越來(lái)越明顯，這將從更深的層次揭示出納米半導(dǎo)體材料所特有的新現(xiàn)象、新效應(yīng)。石墨納米半導(dǎo)體材料納米磁性材料

磁性納米材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是關(guān)聯(lián)于與磁相關(guān)的特征物理長(zhǎng)度恰好處于納米量級(jí)，例如：磁單疇尺寸，超順磁性臨界尺寸，交換作用長(zhǎng)度，以及電子平均自由路程等大致處于1-100nm量級(jí)，當(dāng)磁性體的尺寸與這些特征物理長(zhǎng)度相當(dāng)時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)反常的磁學(xué)性質(zhì)。納米非線性光學(xué)材料

自從20世紀(jì)60年代誕生起，非線性光學(xué)材料的研究取得了很大的進(jìn)展，有很多已經(jīng)進(jìn)實(shí)用化階段[1-3]。根據(jù)組成可將非線性光學(xué)材料大致分為無(wú)機(jī)非線性光學(xué)材料，有機(jī)非線性光學(xué)材料，無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化材料等。納米非線性光學(xué)材料3.納米效應(yīng)納米微粒的基本性質(zhì)1.電子能級(jí)的不連續(xù)性-kubo理論2.量子尺寸效應(yīng)3.小尺寸效應(yīng)4.表面效應(yīng)5.宏觀量子隧道效應(yīng)1.電子能級(jí)的不連續(xù)性-kubo理論

久保(Kubo)理論是關(guān)于金屬粒子電子性質(zhì)的理論．它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他研究者進(jìn)一步發(fā)展了這個(gè)理論．1986年Halperin對(duì)這一理論進(jìn)行了較全面歸納，用這一理論對(duì)金屬超微粒子的量子尺寸效應(yīng)進(jìn)行了深入分析。

久保理論是針對(duì)金屬超微顆粒費(fèi)米面附近電子能級(jí)狀態(tài)分布而提出來(lái)的，它與通常處理大塊材料費(fèi)米面附近電子態(tài)能級(jí)分布的傳統(tǒng)理論不同，有新的特點(diǎn)，這是因?yàn)楫?dāng)顆粒尺寸進(jìn)入到納米級(jí)時(shí)由于量子尺寸效應(yīng)原大塊金屬的準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)產(chǎn)生離散現(xiàn)象．2.量子尺寸效應(yīng)各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。由無(wú)數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)原子的能級(jí)就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級(jí)的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。能帶理論能成功解釋金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別。原子固體能級(jí)填充原子、大塊晶體、和納米晶的能態(tài)納米晶微粒尺寸下降到一定值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)能級(jí)變?yōu)榉至⒛芗?jí)，這種現(xiàn)象稱為量子尺寸效應(yīng)。

能帶理論表明，金屬費(fèi)米能級(jí)附近電子能級(jí)一般是連續(xù)的，這一點(diǎn)只有在高溫或宏觀尺寸情況下才成立．對(duì)于只有有限個(gè)導(dǎo)電電子的超微粒子來(lái)說(shuō)，低溫下能級(jí)是離散的，這時(shí)必須要考慮量子尺寸效應(yīng)，這會(huì)導(dǎo)致納米微粒磁、光、聲、熱、電以及超導(dǎo)電性與宏觀特性有著顯著的不同。對(duì)介于原子、分子與大塊固體之間的納米晶體，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。如導(dǎo)電的金屬在納米顆粒時(shí)可以變成絕緣體；當(dāng)溫度為1K，Ag納米粒子直徑小于14nm，Ag納米粒子變?yōu)榻^緣體。3小尺寸效應(yīng)

隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。

（1）特殊的光學(xué)性質(zhì)：（2）特殊的熱學(xué)性質(zhì)

（3）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：（4）特殊的力學(xué)性質(zhì)

超微顆粒的小尺寸效應(yīng)還表現(xiàn)在超導(dǎo)電性、介電性能、聲學(xué)特性以及化學(xué)性能等方面。

4.表面效應(yīng)納米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例左邊表格列出納米微粒尺寸與表面原子數(shù)的關(guān)系：隨著粒徑減小，表面原子數(shù)迅速增加．這是由于粒徑小，表面積急劇變大所致．例如，粒徑為10nm時(shí)，比表面積為90m2／g，粒徑為5nm時(shí)，比表面積為180m2／g，粒徑下降到2nm，比表面積猛增到450m2／g．這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來(lái)越多，同時(shí)，表面能迅速增加表面原子特點(diǎn)：原子配位不滿，多懸空鍵高表面能，高表面活性，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合

例如：A：金屬的納米粒子在空氣中會(huì)燃燒

B：無(wú)機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會(huì)吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)

如圖所示的是單一立方結(jié)構(gòu)的晶粒的二維平面圖，假定顆粒為圓形，●－位于表面的原子．○－內(nèi)部原子，顆粒尺寸為3nm，原子間距為約0.3nm，很明顯，實(shí)心圓的原子近鄰配位不完全，舉例說(shuō)明納米粒子表面活性高的原因

近鄰配位的“A“原子，像“A”這樣的表面原子極不穩(wěn)定，很快跑到“B”位置上，這些表面原子一遇見(jiàn)其他原子，很快結(jié)合，使其穩(wěn)定化，這就是活性高的原因。5宏觀量子隧道效應(yīng)

隧道效應(yīng)是基本的量子現(xiàn)象之一，即當(dāng)微觀粒子的總能量小于勢(shì)壘高度時(shí)，該粒子仍能穿越這一勢(shì)壘。近年來(lái)，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量如微顆粒的磁化強(qiáng)度、量子相干器件中的磁通量及電荷也具有隧道效應(yīng)，他們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢(shì)阱而產(chǎn)生變化，故稱之為宏觀量子隧道效應(yīng)。

在制造半導(dǎo)體集成電路時(shí)，當(dāng)電路的尺寸接近電子波長(zhǎng)時(shí)，電子就通過(guò)隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無(wú)法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概在0.25微米。

上述的小尺寸效應(yīng)、表面界面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及量子隧道效