内容发布更新时间 : 2024/11/16 19:07:56星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

《纳米材料及技术》课程复习

基本概念

1. 纳米科技: 在纳米尺度（l~100纳米）上研究物质（包括原子、分子的操纵）

的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术。

纳米材料: 三维空间中至少有一维尺寸小于100 nm的材料或由它们作为基本单元构成的具有特殊功能的材料。 纳米材料的类型:0维（在空间3维尺度均在纳米尺度）、1维（..2..）、2维（..3..）、3维（纳米固体，由纳米微粒组成的体相材料）、 特性: 粒度细、比表面积大、分布均匀、表面活性高 成因:

2. 纳米效应：表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应

溶胶:指在液体介质中分散了1~100nm粒子(基本单元)，且在分散体系中保持固体物质不沉淀的胶体体系。

凝胶:是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充

有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。

DLVO理论: 溶胶在一定条件下能否稳定存在取决于胶粒之间相互作用的位能。微粒

间总相互作用能：ΦT= ΦA + ΦR（ΦA微粒间的吸引能，ΦR微粒间的排斥作用能，ΦT微粒间总相互作用能）

水热法: 在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，对反应容器加热，创造一个高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶

溶剂热: 是指在密封的压力容器中，以有机溶剂为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应

超临界水热法: 指以温度及压力都处于临界温度和临界压力之上的流体为介质进行水热合成的方法

装满度：反应混合物占密闭反应釜空间的体积分数

硬模板: 利用材料的内表面或外表面为模板，填充到模板的单体进行化学反应，通过控制反应时间，除去模板后可以得到纳米材料。 软模板:由表面活性剂构成的胶团或反相胶团

胶束（正相、反向）: 两亲分子溶解在水中达一定浓度时，其非极性部分会互相吸引，从而使得分子自发形成有序的聚集体，使憎水基向里、亲水基向外，这种多分子有序聚集体称为胶束。

物理气相沉积:在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法（PVD）

化学气相沉积:利用气态物质通过化学反应在基片表面形成固态薄膜的技术CVD。 化学输运反应: 将待沉积物作为源物质（无挥发性物质），借助适当的气体介质（输运剂）与之反应而形成气态化合物，这种气态化合物经过化学迁移或物理输运到与源区温度不同的沉积区，在基片上再通过逆反应使源物质重新分解出来

矿化剂: 加速结晶过程或物化反应的外加剂

微乳液: 微乳是由水、油、表面活性剂和助表面活性剂按适当比例混和，自发形成的各向同性、（半）透 明、热力学稳定的分散体系。

3. 纳米材料的合成路线、制备方法基本原理、工艺流程、影响因素、设备：

（蒸发-冷凝法、水热合成法、溶剂热合成法、气相沉积（PVD、CVD）、均匀沉淀法、溶胶－凝胶法、微乳液法及其构成要素、模板合成法、自组装法及其特点、VLS机制，VS机制、可控合成技术等） 蒸发-冷凝法：①基本原理（流程）：原材料被加热至蒸发温度时蒸发成气相；气相的原材料原子与惰性气体的原子（或分子）碰撞，迅速降低能量而骤然冷却；骤冷使得原材料的蒸汽中形成很高的局域过饱和，有利于成核；形成原子簇，然后继续生长成纳米微晶；在收集器上收集。②五个基本要素：a气源(固态、气态、液态)b热源：c气氛：真空、惰性、氧化性气体d工艺参数监控系统：e收集系统：

水热合成法：②基本原理：在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，对反应容器加热，创造一个高温、高压的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶。③工艺流程：选择反应物料，确定合成物料的配方→配料顺序→装釜封釜→ 确定反应条件→取釜冷却→开釜取样→过滤干燥④影响因素：反应物料（前驱物）种类；温度，越高，晶体生长速率加快；压强，增加分子间的碰撞机会加快反应的速度；pH值；反应时间；杂质 ⑤设备：反应釜

溶剂热合成法：①制备方法基本原理：用有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等）代替水作介质，采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。②工艺流程：同水热合成法④影响因素：同水热合成法⑤设备：高压反应釜 PVD（物理气相沉积法）：①基本原理：在气体状态下发生物理变化或者化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法

CVD (化学气相沉积) ：①基本原理：利用气态物质通过化学反应在基片表面形成固态薄膜的一种技术。②制备薄膜过程描述：制备薄膜过程描述→反应气体吸附于基体表面→在基体表面上产生的气相副产物脱离表面→留下的反应产物形

成覆层③装置：气源控制部件、沉积反应室、沉积温控部件、真空排气 压强控制部件。CVD系统：、一个反应器、一组气体传输系统、排气系统、工艺控制系统

均匀沉淀法:①原理：在溶液中加入某种能缓慢生成沉淀剂的物质，使溶液中的沉淀均匀出现②合成路线：原料混合→加沉淀剂→沉淀反应→洗涤、脱水、防团聚→煅烧

溶胶－凝胶法：①合成路线：金属醇盐、溶剂（甲醇、乙醇等）、水和催化剂（酸或弱碱）→（水解聚缩）溶胶→（陈化）（涂层、成纤、成型）湿凝胶→（干燥）干凝胶→（热处理）成品。②基本原理：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。③工艺流程：a制取含金属醇盐和水的均相溶液;b制备溶胶;c溶胶凝胶转化d湿凝胶陈化e凝胶的干燥；f对干凝结胶进行热处理。 ④影响因素：加水量的影响（水少，形成低交联度的产物）；醇盐品种的影响；醇盐浓度；pH值的影响；温度的影响：优选低温下反应；滴加速度（快，易形成沉淀）；催化剂及螯合剂，减慢水解反应速率⑤设备：电力搅拌器，磁力搅拌器

微乳液法及其构成要素：①基本原理：两种分别增溶有反应物的微乳液，通过扩散和碰撞，发生物质换或传递，在“反应器”中经过化学反应和后处理得到纳米材料。②制备过程：反应物A+反应物B→（混合、碰撞或凝结）→（反应）反应产物→（加还原剂、加氢气）金属纳米粉末沉淀

→（加反应气体）氧化物纳米粉末沉淀 ③影响因素：微乳液界面稳定性（强度）；水核的直径。（含水量、溶剂、表面活性剂、助表面活性剂、反应物相对浓度） ④构成要素：选择适当的微乳液体系、适当的沉淀条件、选择后处理条件

模板合成法:①基本原理：利用基质材料结构中的空隙或外表面作为模板进行合成③工艺流程：（软模板法）表面活性剂→胶团(空腔）→物质（离子）→空腔内反应→ 洗涤或煅烧→Nanomaterials

自组装法及其特点：①定义：基本结构单元（原子、离子或分子等）在基于弱的和较小方向性的非共价键（氢键、范德华键和弱的离子键）的相互作用下自发的组织或聚集为一个稳定、具有一定规则几何外观的结构。②特点：有序性高：结构比组成部分有序性高；相互作用力弱：氢键、范德华力、静电作用等；组成结构复杂：包含纳米及细观结构。 VLS机制：气－液－固生长机制。（必须有催化剂；催化剂能与生长材料的组元互熔形成液态的共熔物；生长材料的组元不断地从气相中获得；当液态中溶质组元达到过饱和后，将沿着固- 液界面的择优方向析出）（特点：催化剂的尺寸决定纳米线材料的最终直径；反应时间影响纳米线的长径比） VS机制：气－固生长机制。（通过热蒸发、化学还原或气相反应等方法产生气相；随后该气相被传输到低温区并沉积在基底上；以界面上微观缺陷(位错、孪晶等) 为成核中心生长出一维材料。）（特点：气相的过饱和度决定着晶体生长的主要形貌。低晶须，中块状，高粉末） 可控合成技术：

4. 碳纳米材料（C60、碳纳米管、石墨烯）的定义、结构、合成方法、性能。 C60（巴基球）：①定义：由碳组成的五边形和六边形连接而成的封闭多面体②结构：直径~1nm；由60个碳原子构成球形32面体；12个五元环，20个六元环。③合成方法：电弧法；苯火焰燃烧法；等离子体法；有机物真空闪速分解法；表面催化合成，④性能：抗冲击能力强；易溶于CS2、甲苯等非极性溶剂；光学性能：具有非线性光学性能；超导性；可以发生多种化学反应 碳纳米管（巴基管）：①定义：由单层或多层多个碳原子六方点阵的同轴圆柱面套构成的空心小管②结构：单壁碳纳米管由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管。多壁碳纳米管是含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm和0.1～50μm。③合成方法：电弧法；CVD（催化裂解法；激光蒸发法；低温固态热解法；热解聚合物法；离子(电子束) 辐射法；电解法；微电子综合工艺。④性能：力学性能（高机械强度、高长径比、高比表面、高弹性和弯曲刚度）、电学性能、物理储氢性能、吸附性能

石墨烯：①定义：是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料。是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维材料。 ②结构：单原子层构成；基本结构单元为有机材料中最稳定的苯六元环；目前所发现的最薄的二维材料。③合成方法：微机械剥离法、取向附生法、外延生长法、碳纳米管剪切法、化学氧化还原法、化学溶液直接剥离法、化学气相沉积法、液相剥离膨胀石墨法、SiC高温分解法、PMMA碳化法、有机合成法。④性能：导电性、机械特性（强度最高）