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《纳米材料的制备》PPT课件

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纳米材料的制备和合成

纳米材料的制备和合成

纳米科技概念的提出与发展
n“The
principles of physics, as far as I can see, do not speak
against the possibility of maneuvering things atom by atom.”
“Put the atoms down where the chemist says, and so you make the
electron-rich interior whose effective circular van der Waals
packing just touches that of the nanotube framework.
第六页，共81页
什么是纳米材料(nanomaterial)?
纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度
high-resolution, low-temperature scanning tunneling microscope (STM)
(Science----1 February 2002)
第二十四页，共81页
Nano rings
JACS 2005
第二十五页，共81页
Nano-flowers
中科院物理所先进材料与结构分析实验室李超荣
• 纳米技术是一门高新技术，它对21世纪材料科学和微型器 件技术
的发展具有重要影响，纳米技术，就是要做到，从小到大，从下到上
。要什么东西，将分子、原子搭起来，就是什么东西，原材料浪
费为零，能耗降到极低，彻底从技术上解决了环保问题。
第九页，共81页
什么是纳米技术(nanotechnology)？
纳米技术是当前全球都在谈论的热门话题。所谓纳米技术，

纳米材料ppt课件

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02
纳米材料的制备方法
物理法
机械研磨法
通过高能球磨或振动磨的方式， 将大块材料破碎成纳米级尺寸。 这种方法简单易行，但制备的纳
米材料纯度较低。
激光脉冲法
利用高能激光脉冲在极短时间内 将材料加热至熔化或气化，然后 迅速冷却形成纳米颗粒。该方法 制备的纳米材料粒径小且均匀，
但设备成本高昂。
电子束蒸发法
磁损耗
在交变磁场中，纳米材料的磁损耗远高于宏观材料，这与其界面和 表面效应有关。
磁电阻效应
某些纳米材料表现出显著的磁电阻效应，如巨磁电阻和自旋阀效应 。这些效应可用于磁电阻传感器和磁随机存储器等领域。
04
纳米材料的应用实例
纳米材料在能源领域的应用
太阳能电池
利用纳米结构提高光电转 换效率，降低成本。
纳米材料的环保问题
纳米材料在环境中的持久性
一些纳米材料可能在环境中长时间存在，不易降解，可能造成长期的环境污染。
纳米材料的环境释放途径
生产和使用纳米材料过程中，可能通过废水、废气等途径将纳米颗粒释放到环境中。
纳米材料对生态系统的潜在影响
纳米材料可能通过食物链进入生物体，影响生物的生理功能和生态平衡。
解决纳米材料安全与环保问题的策略与建议
加强纳米材料的环境和健康影响 研究
深入研究纳米材料的环境行为和健康影响 ，为制定有效的管理措施提供科学依据。
制定严格的法规和标准
制定针对纳米材料的生产和使用的法规和 标准，限制其对环境和健康的潜在风险。
发展绿色合成方法和应用技术
提高公众意识和参与度
开发环保友好的纳米材料合成方法和应用 技术，减少纳米材料的环境释放。
生物合成法
利用微生物（如细菌）合成有机或无机纳米材料。该方法制 备的纳米材料具有生物相容性和生物活性，在生物医学领域 有广泛应用前景。

《纳米材料》PPT课件

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第二阶段（1994年以前） ▪ 如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学和
力学性能，设计纳米复合材料。
第三阶段（1994至现在） ▪ 纳米组装体系。
9
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
6.1.1 纳米科技
纳米科学技术（Nano-ST）是20世纪80年代末 期诞生并正在崛起的新科技，它的基本涵义是在 纳米尺寸（10-10∽10-7m）范围内认识和改造自 然，通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。 纳米科技是研究由尺寸0.1∽100nm之间的物质组 成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际 应用中的技术问题的科学技术。
-
108 有一定的
体效应 体效应
105 显著
小尺寸效应
103
表面原子占优势 表面效应 量子效应
一个颗粒中的原子数和表面原子所占的比例
粒径 （ nm）
1000
总原子数 ∞
表面原子（%）
0
100
600000
6
10
30000
20
5
4000
40
2
250
80
1
30
99
第一节纳米科技及纳米材料应用进展
2．表面效应
30
量子效应
4 宏观量子隧道效应 Macroscopic quantum tunnelling effect
▪ 量子隧道效应是量子力学中的微观粒子所有的 特性，即在电子能量低于它要穿过的势垒高度 的时候，由于电子具有波动性而具有穿过势垒 的几率。
▪ 宏观物理量，例如微颗粒的磁化强度，量子相 干器件中的磁通量等也显示隧道效应，称为宏 观量子隧道效应。
处在纳米数量级的薄膜。
• 属于二维纳米材料 • 纳米薄膜与纳米涂层主要是指含有纳米粒子和原子团

第五章 纳米材料的制备技术

第五章 纳米材料的制备技术

§5-1 气相法制备纳米颗粒
一、蒸发-冷凝法 3. 溅射法
用溅射法制备纳米微粒有以下优点: (1) 可制备多种纳米金属，包括高熔 点和低熔点金属。常规的热蒸发 法只能适用于低熔点金属； (2) 能制备多组元的化合物纳米微粒， 如A152Ti48、Cu91Mn9及ZrO2等； (3) 通过加大被溅射的阴极表面可提 高纳米微粒的获得量。
纳米材料制备途径
｛
从小到大: 原子团簇纳米颗粒 从大到小: 固体微米颗粒纳米颗粒
第五章 纳米材料的制备技术
目前纳米材料制备常采用的方法: 气相法
蒸发-冷凝法
化学气相反应法 沉淀法 喷雾法 溶胶-凝胶法 机械粉碎(高能球磨)法 固态反应法 非晶晶化法Βιβλιοθήκη (按物态分类)液相法
固相法
各种方法有各自的特点和适用范围
第五章 纳米材料的制备技术
纳米材料如此神奇，怎样才能获得纳米材料呢? 纳米材料：指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围 （1～100 nm）或由它们作为基本单元构成的材料。 与常规材 料相比, 纳米材料表现出一些物理效应和奇特的物理特性。制 备技术是纳米科技的关键。影响纳米材料的微观结构和宏观性 能。通过不同的制备技术可以得到纳米颗粒材料、纳米膜材料、 纳米固体材料等等。
一、蒸发-冷凝法 3. 溅射法 此方法的原理如图, 用两块金属板分 别作为阳极和阴极，阴极为蒸发用的 材 料 ， 在 两 电 极 间 充 入 Ar 气 (40 ～ 250Pa)，两电极间施加的电压范围为 0.3～1.5kv。由于两极间的辉光放电 使Ar离子形成，在电场的作用下Ar离 子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从 其表面蒸发出来形成超微粒子，并 在附着面上沉积下来。粒子的大小及尺寸分布主要取决于两 电极间的电压、电流和气体压力。靶材的表面积愈大，原子 的蒸发速度愈高，超微粒的获得量愈多。

纳米材料的制备方法及其应用ppt课件

纳米材料的制备方法及其应用ppt课件

严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
（7）电阻加热法
图 电阻加热制备纳米微粒的实验装置图
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
（6）电子束照射法
是利用高能电子束照射母材(一般为金属氧化 物如Al2O3 等)，表层的金属-氧(如Al-O键)被高 能电子“切断”，蒸发的金属原子通过瞬间 冷凝、成核、长大，最后形成纳米金属(如Al) 粉末。 ❖ 目前该方法仅限于获得纳米金属粉末。
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
1、沉淀法
它是将沉淀剂（OH－、CO32－、SO42－等）加入到金 属盐溶液中进行沉淀处理，再将沉淀物过滤、干燥、 煅烧，就制得纳米级化合物粉末，是典型的液相法。 主要用于制备纳米级金属氧化物粉末。它又包括均相
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。
热蒸镀法制备的纳米Si粒子 在GaSb基板以自组成法制成的粒子
严 格 执 行 突 发事件 上报制 度、校 外活动 报批制 度等相 关规章 制度。 做到及 时发现 、制止 、汇报 并处理 各类违 纪行为 或突发 事件。

纳米材料的制备方法PPT课件

纳米材料的制备方法PPT课件
液相反应法可分为：沉淀法、水热/溶剂热法、溶胶－凝 胶法、反相胶利用挥发性 的金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要 的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制 备各类物质的纳米粒子。气相反应法制备超微粒 子具有很多优点，如粒子均匀、纯度高、粒度小、 分散性好、化学反应性与活性高等。气相化学反 应法适合于制备各类金属、金属化合物以及非金 属化合物纳米粒子，如各种金属、氮化合物、碳 化物、硼化物等。按体系反应类型可将气相化学 反应法分为气相分解和气相合成两类。
例如：将尿素水溶液加热到70oC左右，就会发生如下水解反应：
(NH2)2CO + 3H2O → 2NH4OH + CO2
由此生成的沉淀剂NH4OH在金属盐的溶液中分布均匀，浓度低，使 得沉淀物均匀地生成。由于尿素的分解速度受加热温度和尿素浓度的控 制，因此可以使尿素分解速度降得相低。有人采用低的尿素分解速度来 制得单晶微粒，用此种方法可制备多种盐的均匀沉淀。
离子溅射法
用两块金属板分别作为阴极和阳极，阴极为蒸发用材料，在两 电极间充入Ar(40～250Pa)，两极间施加的电压范围为0.3～1.5 kV。 由于两极间的辉光放电使Ar 粒子形成，在电场作用下Ar 离子冲击 阳极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在 附着面上沉积下来。离子的大小及尺寸分布主要取决于两极间的电 压、电流、气体压力。靶材的表面积愈大，原子的蒸发速度愈高， 超微粒的获得量愈大。溅射法制备纳米微粒材料的优点是：
粉碎作用力的作用形式
粉碎法
一般的粉碎作用力都是几种力的组合，如球磨机和振动磨 是磨碎和冲击粉碎的组合；雷蒙磨是压碎、剪碎和磨碎的组合； 气流磨是冲击、磨碎与剪碎的组合，等等。
物料被粉碎时常常会导致物质结构及表面物理化学性质发生变 化，主要表现在：
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点；有的也存在可生产材料范围较窄，反应条件较苛 刻，如高温高压、真空等缺点。
气相分解法
化学气相反应法气相合成法
纳
气－固反应法
米
气相法
气体冷凝法 氢电弧等离子体法
粒
子纳Βιβλιοθήκη 合米 粒成
子
物理气相法
溅射法 真空沉积法
加热蒸发法
混合等离子体法
共沉淀法
沉淀法 化合物沉淀法 水热法 水解沉淀法
方 法
制 液相法 溶胶－凝胶法
❖ 1984年，德国的H. Gleiter等人将气体蒸发冷凝获得的纳 米铁粒子，在真空下原位压制成纳米固体材料，使纳米 材料研究成为材料科学中的热点。
❖ 国际上发达国家对这一新的纳米材料研究领域极为重视， 日本的纳米材料的研究经历了二个七年计划，已形成二个 纳米材料研究制备中心。德国也在Ausburg建立了纳米 材料制备中心，发展纳米复合材料和金属氧化物纳米材料。 1992年，美国将纳米材料列入“先进材料与加工总统计 划”，将用于此项目的研究经费增加 10％，增加资金 1.63亿美元。美国Illinois大学和纳米技术公司建立了纳 米材料制备基地。
纳米材料指的是颗粒尺寸为1～100nm的粒子组成的新 型材料。由于它的尺寸小、比表面大及量子尺寸效应，使之 具有常规粗晶材料不具备的特殊性能，在光吸收、敏感、催 化及其它功能特性等方面展现出引人注目的应用前景。
❖ 早在1861年，随着胶体化学的建立，科学家就开始对直 径为1～100nm的粒子的体系进行研究。
冷冻干燥法
类
喷雾法
化学物理法(如球磨法)
气相法制备纳米微粒
• 定义：气相法指直接利用气体或者通过各种手段将物质变为 气体，使之在气体状态下发生物理或化学反应，最后在冷却 过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法分为气体中蒸 发法，化学气相反应法，化学气相凝聚法和溅射法等
• 气相法主要具有如下特点: ➢ 表面清洁; ➢ 粒度整齐,粒径分布窄; ➢ 粒度容易控制; ➢ 颗粒分散性好。
•优势： 气相法通过控制可以制备出液相法难以制得的金属 碳化物、氮化物、硼化物等非氧化物超微粉。 •加热源通常有以下几种：
1）电阻加热； 2）等离子喷射加热； 3）高频感应加热； 4）电子束加热； 5）激光加热； 6）电弧加热； 7）微波加热。
关于加热源
不同的加热方法制备出的超微粒的量、品种、粒径 大小及分布等存在一些 差别：
纳米材料的制备方法
前言
材料的开发与应用在人类社会进步上起了极为关键的作 用。人类文明史上的石器时代、铜器朝代、铁器时代的划分 就是以所用材料命名的。材料与能源、信息为当代技术的三 大支柱，而且信息与能源技术的发展也离不一材料技术的支 持。江泽民主席在接见青年材料科学家时指出：“材料是人 类文明的物质基础”，又一次强调了材料研究的重要性。
纳米微粒的制备方法分类
• 根据制备状态的不同，制备纳米微粒的方法可以分为 气相法、液相法和固相法等;
• 根据是否发生化学反应，纳米微粒的制备方法通常分 为三大类：化学方法、化学物理法及物理法；或者： 化学方法、物理法及其它。
• 按反应物状态分为干法和湿法。 • 大部分方法具有粒径均匀，粒度可控，操作简单等优
❖ 真正有意识地研究纳米粒子可追溯到30年代的日本，当 时为了军事需要而开展了“沉烟试验”，但受到实验水 平和条件限制，虽用真空蒸发法制成世界上第一批超微 铅粉，但光吸收性能很不稳定。
❖ 直到本世纪60年代人们才开始对分立的纳米粒子进行研 究。
❖ 1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制得金属纳米微粒， 对其形貌和晶体结构进行了电镜和电子衍射研究。
❖ 我国近年来在纳米材料的制备、表征、性能及理论研究方 面取得了国际水平的创新成果，已形成一些具有物色的研 究集体和研究基地，在国际纳米材料研究领域占有一席之 地。在纳米制备科学中纳米粉体的制备由于其显著的应用 前景发展得较快。
纳米材料的制备
纳米材料的合成与制备一直是纳米科学领域的一个重要研究课 题，新材料制备工艺过程的研究与控制对纳米材料的微观结构 和性能具有重要的影响。在所有纳米材料的制备方法中，最终 目的是所制得的纳米颗粒具有均一的大小和形状。理论上，任 何能够制备出无定型超微粒子和精细结晶的方法都可以用来制 备纳米材料。如果涉及了相转移（例如，气相到固相），则要 采取增加成核以及降低在形成产品相过程中颗粒的增长速率的 步骤，从而获得纳米颗粒。一旦形成了纳米颗粒，则要防止其 团聚和聚结。此外，许多方法合成制备出的纳米材料都是结构 松散、易团聚的纳米超细微粒，这样只可得到纳米粉体。如果 要获得纳米固体材料，须将纳米颗粒压实才可得到致密的块材。 因此，材料的压制工艺也是纳米制备技术的重要部分。
3) 激光加热：
• 利用大功率激光器的激光束照射于反应物，反应 物分子或原子对入射激光光子的强吸收，在瞬间 得到加热、活化，在极短的时间内反应分子或原 子获得化学反应所需要的温度后，迅速完成反应、 成核凝聚、生长等过程，从而制得相应物质的纳 米微粒。
备
冷冻干燥法 喷雾法
方
分
法
干式粉碎 粉碎法 湿式粉碎
类
热分解法
固相法 固相反应法
其它方法
纳
粉碎法
干式粉碎 湿式粉碎
米
物理法
粒
子
纳
构筑法
气体冷凝法 溅射法
氢电弧等离子体法
合
米
成
粒 子
气相分解法
气相反应法 气相合成法
气－固反应法
方
制
共沉淀法
法 分
备 化学法
沉淀法 均相沉淀法
方 法
水热法 水解沉淀法
液相反应法 溶胶－凝胶法
• 目前使用这一方法主要是进行Ag、Al、Cu、Au 等低熔点金属的蒸发
2) 高频感应： • 电磁感应现象产生的热来加热。类似于变压器的
热损耗
• 高频感应加热是利用金属材料在高频交变电磁场 中会产生涡流的原理，通过感应的涡流对金属工 件内部直接加热，因而不存在加热元件的能量转 换过程，无转换效率低的问题；加热电源与工件 不接触，因而无传导损耗；加热电源的感应线圈 自身发热量极低，不会因过热毁损线圈，工作寿 命长；加热温度均匀，加热迅速工作效率高。
1) 电阻加热(电阻丝) • 使用螺旋纤维或者
舟状的电阻发热体
• 金属类：如铬镍系，铁铬系，温度可达1300℃; 钼，钨，铂，温度可达1800℃;
• 非 金 属 类 ： SiC(1500℃) ， 石 墨 棒 (3000℃) ， MoSi2 (1700℃)。
• 有两种情况不能使用这种方法进行加热和蒸发： •两种材料(发热体与蒸发原料)在高温熔融后形 成合金 • 蒸发原料的蒸发温度高于发热体的软化温度