1、第1頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二1參 考 資 料 化學(xué)功能材料概論 史鴻鑫；王農(nóng)躍；項(xiàng)斌 等編 化學(xué)工業(yè)出版社納米材料學(xué)概論 徐云龍；趙崇軍；錢秀珍 等編 華東理工大學(xué)出版社第2頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二2主 要 內(nèi) 容概述納米材料的基本效應(yīng)納米復(fù)合材料第3頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二3人類對(duì)客觀世界的認(rèn)識(shí)的兩個(gè)層次肉眼觀察的范圍宏觀領(lǐng)域（Macroscopical Domain）分子、原子為最大起點(diǎn)-無限的微觀領(lǐng)域肉眼可見最小物體為下限-無限大的宇宙天體的宏觀領(lǐng)域微觀領(lǐng)域（Microcosmic Domai

2、n）介觀領(lǐng)域第4頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二4介觀領(lǐng)域的奇異：Size100nm1nmNanoNano:量子效應(yīng)、物質(zhì)的局限性、巨大的表面及界面效應(yīng)物質(zhì)性質(zhì)發(fā)生質(zhì)變,既不同于宏觀物體，也不同于單個(gè)孤立的原子納米是一個(gè)長(zhǎng)度單位第5頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二5一.納米科技的起源：著名的物理學(xué)家、諾貝爾獲得者：查理德.費(fèi)曼（Richard Feynman），美國(guó)人。提出了費(fèi)曼圖、費(fèi)曼規(guī)則和重正化的計(jì)算方法，這些是研究量子電動(dòng)力學(xué)和粒子物理學(xué)的重要工具 納米科技第6頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二6費(fèi)曼 最早提出 納米尺

3、度上科學(xué)和技術(shù)問題1959年一次著名演講預(yù)言：“如果人類能夠在原子/分子的尺度上來加工材料、制備裝置，將有許多激動(dòng)人心的新發(fā)現(xiàn)；人們需要新型的微型化儀器來操縱納米結(jié)構(gòu)并測(cè)定其性質(zhì)。那時(shí)，化學(xué)將變成根據(jù)人們意志逐個(gè)地準(zhǔn)確放置原子的問題?！钡?頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二7上個(gè)世紀(jì)90年代后，納米科技得到科技界廣泛的關(guān)注！美國(guó)IBM公司的首席科學(xué)家阿姆斯壯 預(yù)言：“正像20世紀(jì)70年代微電子技術(shù)產(chǎn)生信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為21世紀(jì)信息時(shí)代的核心！”第8頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二8二.納米科技的研究?jī)?nèi)容：納米究竟有多大？1 nm 相當(dāng)

4、于10個(gè)氫原子緊密地排列在一起所具有的長(zhǎng)度！1 nm = 10-9 m細(xì)如發(fā)絲：頭發(fā)一般直徑：2050 m單個(gè)細(xì)菌：顯微鏡觀察：5um第9頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二9納米科技定義： 在納米尺度（1100nm）上研究物質(zhì)的特性和相互作用，同時(shí)利用這些特性在這一尺度范圍內(nèi)對(duì)原子和分子進(jìn)行操作和加工的多學(xué)科交叉的科學(xué)和技術(shù)。第10頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二10納米科技的研究?jī)?nèi)容：1.創(chuàng)造和制備優(yōu)異性能的納米材料2.設(shè)計(jì)和制備各種納米器件和裝置3.探測(cè)與分析納米區(qū)域的性質(zhì)和現(xiàn)象4.以原子、分子為起點(diǎn)，去設(shè)計(jì)制造具有特殊功能的產(chǎn)品。第11頁，共

5、65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二11納米科技的研究與應(yīng)用領(lǐng)域：納米科技納米科學(xué)納米科技納米物理學(xué)納米化學(xué)納米材料學(xué)納米生物學(xué)納米醫(yī)學(xué)納米器件納米測(cè)量納米材料納米加工納米電子器件納米傳感器納米芯片納米機(jī)械納米探針納米掃描零維納米材料一維納米材料二維納米材料三維納米材料納米操縱納米光刻納米壓痕第12頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二12納米材料學(xué)（Nanomaterials）：研究納米材料的設(shè)計(jì)、制備、性能和應(yīng)用的一門納米應(yīng)用科學(xué)。尺寸大小：（1）影響物質(zhì)中電子的波動(dòng)性；原子的相互作用（2）不改變化學(xué)成分，可以調(diào)節(jié)尺寸控制材料的基本性質(zhì)，如熔點(diǎn)、磁性、電容及

6、顏色等第13頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二13三、 納米科技的研究意義夢(mèng)想：利用物質(zhì)在納米尺度上表現(xiàn)出來的特性，直接以原子、分子構(gòu)筑和制造具有特定功能的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)方式的飛躍。第14頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二14重視：1.美國(guó)： 美國(guó)商業(yè)周刊將納米科技列為21世紀(jì)可能取得重要突破的三個(gè)領(lǐng)域之一（其他兩個(gè)為生命科學(xué)和生物技術(shù)，從外星球獲得能源）。 從1999年開始，美國(guó)政府決定把納米科技研究列入21世紀(jì)十一個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一。2.日本： 日本政府宣布，將納米技術(shù)列為新五年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)，并實(shí)行“管產(chǎn)學(xué)”聯(lián)合攻關(guān)，加速這一高新技術(shù)的開發(fā)

7、。第15頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二153.德國(guó)： 德國(guó)政府宣布，將納米技術(shù)列為新五年科技基本計(jì)劃的研發(fā)重點(diǎn)，并實(shí)行“管產(chǎn)學(xué)”聯(lián)合攻關(guān)，加速這一高新技術(shù)的開發(fā)。4.英國(guó)： 英國(guó)貿(mào)工部公布國(guó)家科學(xué)與創(chuàng)新白皮書，宣布增加2.5億英鎊預(yù)算，以加強(qiáng)包括納米科技在內(nèi)的四大領(lǐng)域的研究。5.其他： 聯(lián)合國(guó)的19家著名研究機(jī)構(gòu)，建立專門的納米科技研究網(wǎng)第16頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二16廣義地講：納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1-100nm）或由它們作為基本單元構(gòu)成的宏觀材料。一.納米材料的研究對(duì)象：納米材料第17頁，共65頁，2

8、022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二17二.納米材料的研究?jī)?nèi)容：1.納米材料制備中的科學(xué)技術(shù)問題。2.納米材料結(jié)構(gòu)表征與評(píng)估方法。3.納米材料物理化學(xué)性質(zhì)的測(cè)試方法。第18頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二181.納米材料制備實(shí)驗(yàn)室制備技術(shù)較為成熟工業(yè)制備技術(shù)嚴(yán)重滯后1.根據(jù)制備原料狀態(tài)分：固體法、液體法及氣體法三種分類方法2.按反應(yīng)物狀態(tài)分：干法、濕法3. 物理法、化學(xué)法和綜合法第19頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二19 物理法、化學(xué)法和綜合法 細(xì)分物理法：蒸汽冷凝法（Vapour Condensation）爆炸法（blasting）電火花法

9、離子濺射法（Ion Splashing）機(jī)械研磨法低溫等離子體法（Low Temperature Plasm）第20頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二20化學(xué)法：水熱法（Hydrothermal Method）水解法（Hydrolysis Method）熔融法（Melting Method）化學(xué)法由于成本低、易于連續(xù)生產(chǎn)，最適于納米材料的大規(guī)?；苽?。納米材料的制備方法很多，不同的方法適合與不同材料的制備，同一組成的材料采用不同的制備工藝可以獲得不同形態(tài)和特性的納米結(jié)構(gòu)。第21頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二212.納米材料表征1.紫外-可見光光譜

10、（Ultraviolet Visible Spectrum，UV-Vis）可觀察能級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，通過吸收峰位置的變化可以考察能級(jí)的變化表征方法很多，很多新表征方法相繼出現(xiàn)，對(duì)納米科學(xué)的發(fā)展起到推動(dòng)作用2.掃描隧道顯微鏡（STM）STM具有較高的分辨率，可直接觀察納米薄膜表面的近原子像，如觀察納米硅薄膜、納米晶體表面。第22頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二223.透射電子顯微鏡（Transmission Electron Microscopy,TEM）高分辨TEM為直接觀察納米微晶結(jié)構(gòu)，尤其是對(duì)界面原子結(jié)構(gòu)提供了有效手段；它可觀察微小顆粒固體外觀。4.光聲光譜（Photo

11、-acoustic Spectroscopy）光聲光譜提供帶隙位移及能量變化信息，主要是通過吸收峰位移體現(xiàn)的。5.拉曼光譜（Roman Spectroscopy）揭示了材料中的空位、間隙原子、位錯(cuò)、晶界和相界等方面的關(guān)系，提供相應(yīng)信息，可用作納米材料的分析。根據(jù)納米固體材料的拉曼光譜進(jìn)行計(jì)算，可望能夠得到納米表面原子的具體位置。第23頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二236.廣延X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)光譜（Extended X-ray Absorption Fine Structure，EXAFS）EXAFS能提供X射線吸收邊界之外所發(fā)射的精細(xì)光譜，該法已成為分析缺少長(zhǎng)程有序

12、體系的有效表征方法它能獲取有關(guān)配位原子種類、配位數(shù)、鍵長(zhǎng)、原子間距等吸收X射線的關(guān)于原子化學(xué)環(huán)境方面的信息國(guó)內(nèi)尚缺乏此類表征儀器。第24頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二247.傅里葉變換遠(yuǎn)紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，F(xiàn)TIR）：FTIR檢驗(yàn)金屬離子與非金屬離子成鍵、金屬離子的配位等化學(xué)環(huán)境情況及變化，而紅外、遠(yuǎn)紅外分析精細(xì)結(jié)構(gòu)也很有效。 第25頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二25納米材料的機(jī)遇和挑戰(zhàn)在充滿生機(jī)的21世紀(jì)，信息、生物技術(shù)、能源、環(huán)境、先進(jìn)的制造技術(shù)和國(guó)防的高速發(fā)展一.納米

13、化機(jī)遇：對(duì)材料提出新要求：1.元件的小型化、智能化、高集成、高密度儲(chǔ)存和超快運(yùn)輸?shù)葘?duì)材料尺寸要求越來越??；2.航空航天、新型軍事裝備及先進(jìn)制造技術(shù)等對(duì)材料性能要求越來越高納米科技競(jìng)爭(zhēng)中，我國(guó)起步不算晚，這是我國(guó)趕上世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的又一不可多得的機(jī)遇第26頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二26二.納米安全性：安全性的爭(zhēng)論有害：1.1997年，英國(guó)牛津大學(xué)和蒙特利爾大學(xué)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)防曬霜中二氧化鈦/氧化鋅納米顆粒能引發(fā)皮膚細(xì)胞的自由基，破壞DNA。2.2002年3月，美國(guó)斯坦福大學(xué)Mark Wiesner博士發(fā)現(xiàn)功能納米顆粒在實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的器官中聚集，并被細(xì)胞所吸收。第27頁，共6

14、5頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二27有害：3.紐約羅切斯特大學(xué)（Rochester University）醫(yī)學(xué)和牙科學(xué)院的病毒學(xué)家Oberdorster發(fā)現(xiàn)： 在含有直徑為20nm的“特氟龍”塑料（聚四氟乙烯）顆粒的空氣中生活了15min的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)鼠會(huì)在隨后4h內(nèi)死亡；而暴露在含直徑120nm顆粒（相當(dāng)于細(xì)菌大?。┑目諝庵械膶?duì)照組卻安然無恙。第28頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二28無害：1.Thomas Jefferson大學(xué)Kimmel癌癥中心和Jefferson醫(yī)學(xué)院的科學(xué)家利用透明的斑馬魚晶胚證明：納米顆粒（富勒烯衍生物）能幫助保護(hù)正常組織免受

15、輻射損傷。第29頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二29無害：2.東京大學(xué)、日本電氣公司等機(jī)構(gòu)證實(shí)，在使用量正常的情況下，不含金屬等雜志的純凈碳納米管對(duì)人體細(xì)胞基本無害。具體實(shí)驗(yàn)：制成不含雜質(zhì)且直徑統(tǒng)一在100納米的“標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)”，把碳納米管放進(jìn)人體細(xì)胞培養(yǎng)液中使得它們?nèi)芙?，觀察其是否妨礙細(xì)胞分裂結(jié)果顯示：當(dāng)1L培養(yǎng)液混有0.1g碳納米管時(shí)，細(xì)胞分裂不受影響；當(dāng)培養(yǎng)液中的碳納米管含量1g/L的極高濃度時(shí)，仍然有75%的細(xì)胞正常分裂。第30頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二30縱觀以上研究進(jìn)展，由于存在一些方法學(xué)的問題，仍然不能證明人造納米材料一定有害，特

16、別不能說明存在的問題是由納米材料本身造成的。第31頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二31Questions：第二節(jié) 納米材料的基本效應(yīng)1. 納米的八個(gè)基本效應(yīng)？不同納米效應(yīng)適用的對(duì)象？第32頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二322. 納米材料的特征與納米尺度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系？3. 如何應(yīng)用納米效應(yīng)的基本原理分析和解釋納米材料的新奇現(xiàn)象與特殊本質(zhì)？4. 納米隱身材料的隱身原理及應(yīng)用？第33頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二33一、 表 面 效 應(yīng)定義：表面效應(yīng)又稱界面效應(yīng)，它是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨粒徑減小而急劇增大

17、后所引起的性質(zhì)上的變化粒徑/nm表面原子相對(duì)于總原子數(shù)的比例/ 100%20101100第34頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二34機(jī)理：隨著納米粒子尺寸的減小，處于表面的原子數(shù)越來越多，同時(shí)表面能迅速增加。納米顆粒的表面原子所處環(huán)境與內(nèi)部原子不同，它周圍缺少相鄰的原子，存在許多懸空鍵，具有不飽和性，易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定。第35頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二35機(jī)理導(dǎo)致的性質(zhì)的變化：納米晶粒尺寸減小的結(jié)果導(dǎo)致了其表面積、表面能及表面結(jié)合能都迅速增大，進(jìn)而使納米晶粒表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性。并且表面原子的活性也會(huì)引起表面電子自旋構(gòu)象電子能譜的變化，

18、從而使納米粒子具有低密度、低流動(dòng)速率、高吸氣體、高混合性等特點(diǎn)。第36頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二36舉例：1.金屬納米粒子暴露在空氣中會(huì)燃燒。2.無機(jī)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)。第37頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二37二 小尺寸效應(yīng)（Small size effect ） 隨著顆粒尺寸的變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化。 定義:（體積效應(yīng)）第38頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二38一）特殊的熱性質(zhì)：熔點(diǎn)：固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低。第39頁，共65

19、頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二39舉例：1.金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064 C，當(dāng)顆粒尺寸減小到2 nm時(shí)，熔點(diǎn)僅為500 C左右。2. 銀在粒子尺度為150 nm以上時(shí)，熔點(diǎn)不變，為960.3 C，即通常的熔點(diǎn)；然后銀粒子的熔點(diǎn)隨尺寸的變小而下降，當(dāng)粒子尺度下降到5nm時(shí)，熔點(diǎn)為100 C。第40頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二40舉例：3.熔點(diǎn)下降對(duì)冶金工業(yè)的吸引：在鎢顆粒中附加0.1%-0.5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到1200-1300 C.特殊的熱力學(xué)性質(zhì)：在納米尺度，熱運(yùn)動(dòng)的漲落和布朗運(yùn)動(dòng)將起到重要的作用。因此許多熱力學(xué)

20、性質(zhì)，包括相變和“集體現(xiàn)象”（Collective phenomena），如鐵磁性（Ferromagnetism）、鐵電性（Ferroelectricity）、超導(dǎo)性（Superconductivity）和熔點(diǎn)等都與粒子尺度有重要關(guān)系。第41頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二41二）特殊的磁學(xué)性質(zhì)：小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料顯著不同。例如：1.大塊的純鐵矯頑力約為80A/m,而當(dāng)顆粒尺寸減小到20nm以下時(shí)，其矯頑力可增加1000倍；若進(jìn)一步減小其尺寸，當(dāng)顆粒尺寸小于6nm時(shí)，其矯頑力反而降低到零，呈現(xiàn)出超順磁性（Superparamagnetism）第42頁，共65

21、頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二42例如：2.利用磁性納米微粒導(dǎo)航：美國(guó)科學(xué)家對(duì)東海岸福羅里達(dá)的海龜進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)十分有趣的現(xiàn)象：海龜通常在福羅里達(dá)的海邊上產(chǎn)卵，幼小的海龜為了尋找食物通常要到大西洋的另一側(cè)靠近英國(guó)的小島附近的海域生活，從福羅里達(dá)到這個(gè)島嶼的海面再回到福羅里達(dá)來回的路線不一樣，相當(dāng)于繞大西洋一圈，需要5-6年的時(shí)間。這樣準(zhǔn)確無誤地航行靠什么導(dǎo)航？美國(guó)的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)海龜頭部有磁性的納米微粒，它們就是憑借這種納米微粒準(zhǔn)確無誤地完成幾萬公里的遷移。第43頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二43三）特殊的力學(xué)性質(zhì)：例如：1.陶瓷材料在通常情況

22、下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。原因：納米材料具有大的界面，界面原子排列是相當(dāng)混亂的，在由于外部作用力而產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力的情況下，邊界原子很容易發(fā)生遷移而消耗掉內(nèi)應(yīng)力，從而表現(xiàn)出極強(qiáng)的韌性與一定的延展性。第44頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二44例如：2.美國(guó)學(xué)者報(bào)道氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。3.人的牙齒之所以具有很高的強(qiáng)度，是因?yàn)樗橇姿徕}等納米材料構(gòu)成的。4. 納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3-5倍。第45頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二45三、量子尺寸效應(yīng)定義：以下兩種情形均稱為量子尺

23、寸效應(yīng)：金屬費(fèi)米能級(jí)（Fermi Level）附近電子能級(jí)在高溫或宏觀尺寸情況下一般是連續(xù)的，但當(dāng)粒子尺寸下降到某一納米值時(shí)，金屬費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象;納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)而使能隙（Energy Gap）變寬的現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。第46頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二46 當(dāng)能級(jí)間距大于熱能、磁能、靜磁能、靜電能、光子能量或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時(shí)，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，如光譜線頻移、導(dǎo)體變絕緣體。第47頁，共65頁，

24、2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二47光譜線頻移： 微粒下降到納米尺寸時(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)，吸收光譜閾值向短波方向移動(dòng)。波長(zhǎng)/nm吸光度CdSe納米粒子的吸收光譜示意圖11.5nm1.2nm第48頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二48導(dǎo)電性能的轉(zhuǎn)變： 用久保關(guān)于能級(jí)間距的公式，估計(jì)Ag微粒在1K時(shí)，當(dāng)粒徑小于20nm時(shí)，Ag納米微粒變?yōu)榻^緣體第49頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二49四、 宏觀量子隧道效應(yīng)定義：微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近年來，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，如微粒的磁化強(qiáng)度，量子相干器件中的

25、磁通量等亦具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。第50頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二50研究意義：1. 它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息存儲(chǔ)的時(shí)間極限。2. 量子尺寸效應(yīng)、隧道效應(yīng)將會(huì)是未來微電子器件的基礎(chǔ)，或者它們確定了現(xiàn)存微電子器件進(jìn)一步微型化的極限。當(dāng)微電子器件進(jìn)一步細(xì)微化時(shí)，必須要考慮上述的量子效應(yīng)。 例如：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)，電子就通過隧道效應(yīng)而溢出器件，使器件無法正常工作，經(jīng)典電路的極限尺寸大概0.25um。第51頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二51應(yīng)用實(shí)例例子： 1991年海灣戰(zhàn)爭(zhēng)，美國(guó)首次使用，由于飛機(jī)的

26、機(jī)身表面涂覆了多種納米尺度的紅外和微波隱身材料，飛機(jī)對(duì)雷達(dá)電磁波優(yōu)異的寬頻帶微波吸收能力和散射能力，躲避了伊拉克雷達(dá)和紅外探測(cè)器的監(jiān)視。通過激子制導(dǎo)或巡航導(dǎo)彈準(zhǔn)確擊中了伊拉克95%的重要軍事基地，美國(guó)F117A隱身飛機(jī)無一受損。第52頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二52原理： 納米微粒尺寸遠(yuǎn)小于紅外及雷達(dá)波波長(zhǎng)，比表面積比常規(guī)粗顆粒大3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。導(dǎo)致對(duì)紅外、電磁波段的透過率和吸收率比常規(guī)宏觀材料大得多，使得紅外探測(cè)器及雷達(dá)得到的反射信號(hào)很微弱，很難發(fā)現(xiàn)被探測(cè)目標(biāo)，起到隱身作用。第53頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二53Questions： 納

27、米復(fù)合材料的功能設(shè)計(jì)、制備方法、特性？ 納米復(fù)合材料第54頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二54納米復(fù)合材料復(fù)合材料是由兩種或兩種以上性質(zhì)不同的材料，通過各種工藝手段組合而成的復(fù)合體。復(fù)合材料由于各組分材料的協(xié)同作用，因而兼具剛度大、強(qiáng)度高、質(zhì)量輕等單一材料無法比擬的優(yōu)異性能。復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)是以一個(gè)相為連續(xù)相（稱為基體），而另一相是以一定的形態(tài)分布于連續(xù)相中（稱為增強(qiáng)體）。如果增強(qiáng)體是納米顆粒、納米晶片、納米晶須、納米纖維等納米結(jié)構(gòu)單元，那么就稱為納米復(fù)合材料。第55頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二55納米復(fù)合材料：按基體種類分按增強(qiáng)體種類分 分類

28、：金屬基納米復(fù)合材料陶瓷基納米復(fù)合材料高分子基納米復(fù)合材料顆粒增強(qiáng)納米復(fù)合材料晶須增強(qiáng)納米復(fù)合材料纖維增強(qiáng)納米復(fù)合材料按基體形狀分 結(jié)構(gòu)納米復(fù)合材料功能納米復(fù)合材料智能納米復(fù)合材料分類：納米復(fù)合材料：一、 納米復(fù)合材料的分類分類：第56頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二56設(shè)計(jì)思路：二、 納米復(fù)合材料的設(shè)計(jì)納米復(fù)合材料因匯聚納米材料和復(fù)合材料兩者的優(yōu)勢(shì)，而成為未來新材料設(shè)計(jì)的首選對(duì)象。在納米材料設(shè)計(jì)中，主要關(guān)注納米材料的功能設(shè)計(jì)、合成設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性設(shè)計(jì)，力求解決復(fù)合材料組分的選擇、復(fù)合時(shí)的混和與分散、復(fù)合工藝、復(fù)合材料的界面作用及復(fù)合材料物理穩(wěn)定性等問題，最終獲得高性能、多

29、功能的納米復(fù)合材料。第57頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二57一：納米復(fù)合材料的功能設(shè)計(jì)功能設(shè)計(jì)，就是賦予材料以一次功能或二次功能特性。以聚合物基納米復(fù)合材料為例來說明：步驟一： 增強(qiáng)體材料的選擇：依據(jù)設(shè)計(jì)意圖選擇。例如: 為了賦予復(fù)合材料超順磁性，可以選擇鐵或鐵系氧化物等單一或復(fù)合型納米材料；為了賦予復(fù)合材料發(fā)光特性，可以選擇含稀有金屬銪的鈦系氧化物等納米材料步驟二： 基體聚合物的選擇：依據(jù)復(fù)合材料的適用環(huán)境選擇。例如：如高溫環(huán)境，必須選擇聚酰亞胺等耐高溫的聚合物第58頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二58二：納米復(fù)合材料的合成設(shè)計(jì)合成設(shè)計(jì)，就是

30、以最簡(jiǎn)單、最簡(jiǎn)便的手段獲得納米級(jí)均勻分散的復(fù)合材料的科學(xué)方法論。合成設(shè)計(jì)中，最關(guān)心的是納米材料的粒度與分散度。目前納米復(fù)合材料的合成發(fā)展?fàn)顩r看，主要有4種方法，即溶膠凝膠法、插層法、共混法和填充法。第59頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二59溶膠凝膠法：得到的復(fù)合材料中納米顆粒具有較小的粒度和較均勻的分散度，但合成步驟較復(fù)雜，且納米材料與聚合物材料的選擇空間較小。插層法：能夠獲得單一分散的納米片層的復(fù)合材料，容易工業(yè)化生產(chǎn)，但不足之處是可供選擇的納米材料不多，目前主要限于黏土中的蒙脫土。第60頁，共65頁，2022年，5月20日，10點(diǎn)3分，星期二60共混法：是納米粉體和聚合物粉體混合最簡(jiǎn)單、最方便的操作方法，但難以保證納米級(jí)的分散力度和分散強(qiáng)度，如果利用諸如蒙脫土插層聚合物改性的納米復(fù)合母料，然后利用共混法則是比較好的，既經(jīng)濟(jì)又能得到納米級(jí)分散的效果。填充法：目前仍處于發(fā)展階段，但它已顯示諸多的優(yōu)點(diǎn)。例如，納米材料與基體聚合物材料的選擇空間大；納米材料不然可以任意組合，而已可以