下载文档原格式
可编辑修改精选全文完整版《纳米材料概论》教学大纲课程名称：纳米材料概论英文名称：Introduction to nanomaterials课程编号：课程学时：36课程学分：2课程性质：专业选修课适用专业：应用化工技术、环境监测与治理技术、材料加工技术等大纲执笔人：王晓华一、课程的性质、任务与基本要求1.本课程的性质与任务纳米材料学科是近年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。
该课程是材料学、材料物理与化学或材料加工工程等专业学生的一门专业选修课程。
本课程的目的是通过课堂教学、课堂讨论使学生了解、掌握纳米材料的概念、分类及其特点；了解纳米材料的物理性能和化学性能；了解纳米材料的主要制备方法及其原理、工艺过程和适用范围；掌握纳米材料粒度、成分、结构、形貌的测试和表征方法；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及研究进展。
培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合能力。
2.课程的基本内容和要求本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。
3.教学环节与学时分配课堂教学：32学时（包括课堂讨论等教改环节）实验：4学时总计：36学时二、教学内容与教学计划绪论1学时纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法第一章纳米材料的基本概念与性质7学时（一）教学内容与学时1、纳米材料的基本概念1学时2、纳米微粒的基本性质3学时（1）电子能级的不连续性（2）量子尺寸效应（3）小尺寸效应（4）表面效应（5）宏观量子隧道效应3．纳米微粒的物理特性3学时（1）纳米微粒的结构与形貌（2）纳米微粒的热学性质（3）纳米微粒的磁学性质（4）纳米微粒的光学性质（二）重点与难点1．重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。
纳米技术行业纳米材料与纳米制造方案第1章纳米技术概述 (4)1.1 纳米技术发展历程 (4)1.2 纳米技术的定义与分类 (4)1.3 纳米技术的应用领域 (4)第2章纳米材料的制备方法 (5)2.1 物理法制备纳米材料 (5)2.1.1 物理气相沉积 (5)2.1.2 机械球磨法 (5)2.1.3 电火花加工 (5)2.2 化学法制备纳米材料 (5)2.2.1 化学气相沉积 (5)2.2.2 溶胶凝胶法 (6)2.2.3 水热法 (6)2.3 生物法制备纳米材料 (6)2.3.1 生物合成法 (6)2.3.2 生物矿化法 (6)2.3.3 仿生合成法 (6)2.4 自组装法制备纳米材料 (6)2.4.1 溶液自组装 (6)2.4.2 LangmuirBlodgett技术 (6)2.4.3 模板自组装 (7)第3章纳米材料的性质与表征 (7)3.1 纳米材料的力学功能 (7)3.1.1 弹性模量与硬度 (7)3.1.2 超塑性 (7)3.2 纳米材料的电学功能 (7)3.2.1 电阻率与导电性 (7)3.2.2 纳米电子器件 (7)3.3 纳米材料的磁学功能 (7)3.3.1 磁化强度与磁各向异性 (7)3.3.2 磁性纳米材料的应用 (7)3.4 纳米材料的结构与表征方法 (8)3.4.1 纳米材料的微观结构 (8)3.4.2 纳米材料表征方法 (8)3.4.3 纳米材料功能测试技术 (8)第4章纳米制造技术 (8)4.1 纳米压印技术 (8)4.1.1 概述 (8)4.1.2 压印工艺及材料 (8)4.1.3 应用领域 (8)4.2 纳米光刻技术 (8)4.2.1 概述 (8)4.2.2 光刻工艺及材料 (9)4.2.3 应用领域 (9)4.3 纳米组装技术 (9)4.3.1 概述 (9)4.3.2 纳米组装方法 (9)4.3.3 应用领域 (9)4.4 纳米喷射印刷技术 (9)4.4.1 概述 (9)4.4.2 喷射印刷工艺及材料 (9)4.4.3 应用领域 (9)第5章纳米材料在电子领域的应用 (10)5.1 纳米电子器件 (10)5.1.1 纳米电子器件概述 (10)5.1.2 纳米材料在纳米电子器件中的应用 (10)5.2 纳米传感器 (10)5.2.1 纳米传感器概述 (10)5.2.2 纳米材料在纳米传感器中的应用 (10)5.3 纳米存储器 (10)5.3.1 纳米存储器概述 (10)5.3.2 纳米材料在纳米存储器中的应用 (10)5.4 纳米能源器件 (10)5.4.1 纳米能源器件概述 (10)5.4.2 纳米材料在纳米能源器件中的应用 (11)5.4.3 纳米材料在能源器件中的应用前景 (11)第6章纳米材料在生物医药领域的应用 (11)6.1 纳米药物载体 (11)6.1.1 纳米药物载体的种类 (11)6.1.2 纳米药物载体的制备方法 (11)6.1.3 纳米药物载体在生物医药领域的应用 (11)6.2 纳米生物传感器 (11)6.2.1 纳米生物传感器的原理与分类 (12)6.2.2 纳米生物传感器的制备与应用 (12)6.3 纳米诊断技术 (12)6.3.1 纳米诊断技术的原理与分类 (12)6.3.2 纳米诊断技术的应用 (12)6.4 纳米组织工程 (12)6.4.1 纳米组织工程的原理与分类 (12)6.4.2 纳米组织工程的应用 (12)第7章纳米材料在能源领域的应用 (13)7.1 纳米太阳能电池 (13)7.1.1 纳米材料在硅太阳能电池中的应用 (13)7.1.2 纳米材料在染料敏化太阳能电池中的应用 (13)7.2 纳米燃料电池 (13)7.2.1 纳米电催化剂在燃料电池中的应用 (13)7.2.2 纳米材料在质子交换膜燃料电池中的应用 (13)7.3 纳米超级电容器 (13)7.3.1 纳米材料在超级电容器电极中的应用 (13)7.3.2 纳米材料在超级电容器电解质中的应用 (13)7.4 纳米光催化 (14)7.4.1 纳米材料在光催化分解水制氢中的应用 (14)7.4.2 纳米材料在光催化二氧化碳还原中的应用 (14)第8章纳米材料在环境领域的应用 (14)8.1 纳米空气净化 (14)8.1.1 纳米催化剂在空气净化中的应用 (14)8.1.2 纳米吸附剂在空气净化中的应用 (14)8.2 纳米水处理 (14)8.2.1 纳米过滤技术 (14)8.2.2 纳米光催化技术在水处理中的应用 (14)8.3 纳米环保监测 (15)8.3.1 纳米传感器在环境监测中的应用 (15)8.3.2 纳米标记技术在环境监测中的应用 (15)8.4 纳米固废处理 (15)8.4.1 纳米材料在固废处理中的应用 (15)8.4.2 纳米复合材料在固废处理中的应用 (15)第9章纳米材料在新型显示领域的应用 (15)9.1 纳米发光材料 (15)9.1.1 纳米荧光材料 (15)9.1.2 纳米磷光材料 (15)9.2 纳米显示器件 (15)9.2.1 纳米发光二极管 (15)9.2.2 纳米电致发光器件 (16)9.3 纳米透明导电膜 (16)9.3.1 纳米透明导电膜概述 (16)9.3.2 纳米透明导电膜的应用 (16)9.4 纳米光学薄膜 (16)9.4.1 纳米光学薄膜的制备与功能 (16)9.4.2 纳米光学薄膜在显示领域的应用 (16)第10章纳米制造技术的未来发展趋势 (16)10.1 纳米制造技术的挑战与机遇 (16)10.1.1 技术挑战 (16)10.1.2 机遇 (16)10.2 纳米制造技术的创新方向 (17)10.2.1 新型纳米材料的研究与应用 (17)10.2.2 纳米制造工艺的创新 (17)10.3 纳米制造技术的产业应用前景 (17)10.3.1 电子与信息技术 (17)10.3.2 生物医学领域 (17)10.3.3 能源与环保 (17)10.4 纳米制造技术的可持续发展策略 (17)10.4.1 绿色纳米制造 (17)10.4.2 产业协同发展 (18)10.4.3 政策法规与标准体系建设 (18)第1章纳米技术概述1.1 纳米技术发展历程纳米技术作为一门跨学科的前沿科技领域，起源于20世纪80年代。
材料科学中的纳米制造技术纳米制造技术是材料科学中一个先进的制造技术，具有许多优势，包括尺寸小、性能优异、催化效果等等。
纳米制造技术已广泛应用于许多领域，包括电子技术、医学、环保、能源等。
在本文中，将会介绍纳米制造技术的原理、途径、应用等方面。
一、纳米制造技术的原理纳米制造技术的原理是通过物理、化学的方法将材料体系的尺寸控制在1-100纳米之间，在这一范围内，材料的独特性质会显现出来。
例如，金属纳米粒子与宏观材料相比，具有更好的催化性能和表面积，可以提高化学反应的速率和效率。
此外，由于纳米材料的粒子大小与光波长相当，因此可以产生强烈的光学效应，如表现出独特的颜色和折射率。
二、纳米制造技术的途径制备纳米材料有多种途径，主要包括物理方法和化学方法。
物理方法主要包括气相沉积、溅射、机械球磨等，而化学方法主要包括溶胶凝胶法、沉淀法、电化学沉积法等等。
每一种方法都有其优缺点，应根据不同的材料体系和制备要求进行选择。
近年来，生物合成法是制备纳米材料的热门途径之一，它是通过生物学的方法将金属或者半导体纳米材料制备出来。
常见的生物合成方法包括植物法、微生物法、昆虫法等等。
生物合成法的优点在于无需采用高温、高压等复杂的条件，可以制备出纯度高、无毒副作用、生物可降解的高质量纳米颗粒。
三、纳米制造技术的应用纳米制造技术在电子技术、医学、环保、能源等领域都得到了广泛应用。
在电子技术领域，纳米制造技术可以制备高效、高亮度的LED、液晶显示器等电子器件，还可以制备高密度、高速度的计算机芯片，提高处理器的运行速度和效率。
在医学领域，纳米制造技术可以用于制备药物纳米载体，将药物固定在纳米材料表面，使得药物更容易被吸收，提高药物的治疗效果和药效的持续时间。
此外，纳米材料还可以用于图像化学和光学化学疗法，为医学诊断和治疗提供了创新的工具。
在环保领域，纳米制造技术可以用于制备高效的废水处理剂、除臭剂等环保材料，通过优化材料表面微观结构，可以增加污垢物的吸附能力和去除效率。
完整版)纳米技术资料纳米材料是指尺寸介于1纳米至100纳米之间的材料，其结构单元的尺寸已经接近电子的相干长度，因此其性质会因为强相干所带来的自组织而发生很大变化。
纳米材料的尺度已经接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。
纳米材料包括纳米金属材料、纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。
纳米颗粒材料是由纳米粒子组成的超微颗粒材料。
纳米粒子是指尺寸在1至100纳米之间的粒子，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，具有表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。
当宏观物体细分成超微颗粒后，其光学、热学、电学、磁学、力学以及化学方面的性质和大块固体时相比将会有显著的不同。
纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术、纳米加工技术、纳米测量技术和纳米应用技术等方面。
纳米材料技术主要着重于纳米功能性材料的生产和性能检测技术。
纳米加工技术包含精密加工技术和扫描探针技术。
纳米材料具有独特性，当物质尺度小到一定程度时，则必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为。
当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时则将有10的9次方倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。
纳米粒子表面布满了阶梯状结构，代表具有高表面能的不安定原子，这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。
纳米材料的特性纳米粉末因其表面原子处于不稳定状态，具有较高的表面能量，导致其熔点下降，并易于在低温下烧结，成为优秀的烧结促进材料。
此外，当材料的粒子尺寸小到无法区分出其磁区时，就会形成单磁区的磁性材料，因此超微粒子或薄膜制成的磁性材料具有优异的性能。
纳米材料的粒径小于光波的长度，因此与入射光产生复杂的交互作用，这使得纳米材料具有高光吸收率的特点，可用于红外线感测器材料。
纳米材料的发现1980年，德国物理学家XXX在驾车横穿澳大利亚的大沙漠时，思维变得特别活跃和敏锐。
1，（1）纳米科技的基本内涵：纳米科技必须包括纳米材料，纳米器件和纳米尺度的检测与表征。
纳米科技是指在纳米尺度(1 nm到100 nm之间)上研究物质(包括原子、分子的操纵)的特性和相互作用（主要是量子特性），以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。
（2）纳米科技的研究方法：我们可以根据纳米科技与传统学科领域的结合而细分纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米化学、纳米机械学与纳米加工等等，进而进行研究。
(3):重要意义：纳米科技已不能归附于任何一门传统的学科领域，人们必须重新审视、理解和创立新理论，随着人类对客观世界认知的革命，纳米科技将引发一场新的工业革命。
2，四大效应：光催化效应，巨磁阻效应，巨霍尔效应，压电效应。
3，久保理论解释：金属超微粒子在费米面能级附近电子能级产生离散现象，假设把超微粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子气，并且它们的能级是准量子态的不连续能级，从一个超微粒子中取走一个电子或加进一个电子都是十分困难的，因此，当尺寸减小到20nm以下时，导体将变成绝缘体。
4纳米金属在空气中自然：金属纳米颗粒表面上的原子十分活泼，由自身催化的情况下，将很容易在空气正发生热效应，从而发生自燃现象。
5，纳米材料的分类：纳米粉体、纳米纤维、纳米膜、纳米块体。
6,纳米粉体团聚原因以及解决方法：在纳米微粒形成过程中，表面往往带有静电，粒子极不稳定，在微粒的相互碰撞过程中，它们很容易团聚在一起形成表面能较低的、带有弱连接界面的、尺寸较大的团聚体。
解决方法：（1）对粉体表面进行物理修饰，用表面活性剂对无机纳米微粒的表面进行修饰，，表面沉积法。
(2)表面化学修饰：偶联剂法，酯化反应法，表面接枝改性法。
7,冷凝蒸发法：（1）基本原理：利用低压惰性气体，在真空室内，通过旋转冷阱与蒸发务反应，制备出纳米材料，并在收集漏斗收集。
（2）优点：一，本法是纳米材料制备的基本物理方法，二，制得的纳米粒子表面清洁，可以原位加压进而制备纳米块体，三，纳米粒子的粒径可以通过调节加热温度、压力和气氛等参数在几纳米至500nm范围内调控；四，利用相同的原理可以制备纳米薄膜（称为蒸镀技术）。
纳米制造技术的详细介绍和应用的详细资料概述史铁林，教育部“微纳制造与纳米测量技术”创新团队负责人、中国振动工程学会常务理事、中国振动工程学会动态信号分析专业委员会主任委员、中国振动工程学会故障诊断专业委员会副主任委员、中国微米纳米技术学会理事。
他先后获多项中国青年科技奖、全国优秀博士后、湖北省五四青年奖章、中国机械工程学会杰出青年科技奖和首批“新世纪百千万人才工程”国家级人选等荣誉称号。
他发表学术论文250余篇，其中SCI收录150多篇，申请国家发明专利80多项，授权50多项。
问：纳米技术、信息技术和生物技术并列为21世纪的三大科技，而纳米制造则是支撑它们走向应用的基础。
那么，纳米制造是如何定义的？其主要特征是什么？史铁林：美国科学基金会将纳米制造定义为构建适用于跨尺度集成的、可提供具有特定功能的产品和服务的纳米尺度的结构、特征、器件和系统的制造过程。
纳米制造已远远超出常规制造的理论和技术范畴，相关技术的发展将依赖于新的科学原理和理论基础，依赖于多学科交叉融合。
纳米制造从牛顿力学、宏观统计分析和工程经验为主要特征的传统制造技术走向基于现代多学科综合交叉集成的先进制造科学与技术。
其主要特征在于：（1）制造对象与过程涉及跨尺度；（2）制造过程中界面/表面效益占主导作用；（3）制造过程中原子/分子行为及量子效应影响显著；（4）制造装备中微扰动影响显著。
问：纳米制造的关键结构从尺度上主要体现为结合微米与纳米的跨尺度制造和纳米范畴的纳尺度制造，请介绍一下这两种关键结构的特点，以及您的团队在该领域取得的成果。
史铁林：跨尺度集成制造是将不同尺度的结构组合、加工形成多尺度整体的过程。
微纳集成结构可以根据它们的结构特性分为无序分级结构、一维纳米分支结构、层叠分级结构、几何形状可控分级结构和纳米悬浮分级结构等。
微纳集成结构可以有不同的形状、尺寸、层数等几何特征，其关键的一点是要实现纳结构在微结构上的定点、可控集成。
