什么是三维纳米材料？

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三维纳米材料

三维纳米材料的定义

由尺寸为1-100nm的粒子为主体形成的块状材料。

它包括：

(1) 纳米玻璃

(2) 纳米陶瓷

(3) 纳米介孔材料

(4) 纳米金属

(5) 纳米高分子

一、纳米玻璃

定义

纳米玻璃属于无机非晶质材料，它是指在透明玻璃连续相中周期排列着纳米尺寸的第2相(微粒子、分相、结晶或气孔)。

研究层次：

(1) 原子、分子级控制技术(1nm左右)：通过组成控制和引入结构缺陷等，控制局部配位场，发现新的光、电功能。

(2) 超微粒子结构控制技术(1～数10nm)：利用气相法、溶液法等加工技术和超短脉冲激光、超高压、附加高电压等外来能源，对微粒子、分相和结晶、气孔的周期排列进行控制，创造超高亮度发光体、环境激素分离元件、光集成元件等基础材料。

(3) 高次结构控制技术(数10nm以上)：利用无机、有机复合 析出各向异性的晶体和控制其界面状态等，进行高次异型结构、周期规则结构形成技术的研究，进一步研究可能用于太阳电池、运输机械、oa(办公自动化)器械等的超轻质、高强度玻璃基板材料。

纳米玻璃的应用前景

不受温度影响的玻璃

超高亮度发光玻璃

高性能过滤器用玻璃。

光开光非线性玻璃

三维光玻导(实现每根光纤芯有10tb／s·10000km的传输能力(现在小于1tb／s·1000km)

宽带域、高效率光放大元件

大容量光存储用材料

二、纳米陶瓷

定义

由于纳米陶瓷粉体制备、成型、烧结而得的一种具有特殊性质的固体材料。

特性：

(1) 低烧结温度

(2) 有良好的硬度和断裂韧度和低温延展性

(3) 防雾和自清洁能力

纳米陶瓷的应用前景

陶瓷改性

外墙建筑材料

储氢材料

热交换器

微孔过滤器

检测温度气体的传感器

三、纳米介孔材料

定义

孔径在2-50nm间的多孔纳米材料

特性：

比表面积大，吸附容量大，具有特殊的催化性能

纳米介孔材料的应用前景

应用于石油化工方面的催化加氢、裂解和重整

有机合成

新一代的聚合催化剂

应用于多种碳化学反应，提高其转化率

环保

四、纳米金属

定义

纳米尺寸的金属材料

特性：

高温强度、可塑性、耐磨性和韧性都优于一般金属。

纳米金属材料的应用前景

金属改性应用

高密度磁性材料 如纳米钴

用于表面导电涂层微电子技术 如纳米铜

高性能磁性材料 如纳米铁

高效催化剂、助燃剂、导电浆料 如纳米镍

五、纳米高分子复合材料

定义

高分子材料分散相尺寸中至少有一维小于100nm的复合材料。

特性：

把无机纳米材料的刚性、尺寸稳定性和热稳定性与高分子材料的韧性、可加工性和介电性完美的结合起来

(1) 阻隔性能 阻氧 (2) 生物功能 细菌培养 (3) 电学磁学性能 充当锂电池的电解质 (4) 光学性能 发光电子元件 (5) 催化性能　

高分子纳米复合材料的应用前景

(1) 磁性材料 可提高记录密度, 信噪比。

(2) 介电材料 利用纳米颗粒的电学性质,可以制成导 电涂料,导电胶,绝缘糊,介电糊等。

(3) 静电屏蔽材料 解决静电问题,提高安全性。

(4)光学材料 如光吸收材料,隐身材料,光通讯材料,非线性光学材料和光电材料等。

(5)敏感材料 如气体传感器,红外线传感器,压电传感器,温度传感器和光传感器等。

纳米组装

一、原子操纵

二、电子束诱导沉积

在较高电压下，金属探针成为微小发射源，原子或纳米颗粒从探针沉积到样品表面

三、刻蚀

化学分解，局部熔化

四、纳米压印

纳米压印术是软刻印术的发展，它采用绘有纳米图案的刚性压模将基片上的聚合物薄膜压出纳米级图形，再对压印件进行常规的刻蚀、剥离等加工，最终制成纳米结构和器件 。

五、准分子激光直写

六、聚焦离子束技术

利用电透镜将离子束聚焦成非常小尺

寸的显微切割仪器。

应用：

1. 定点切割-利用离子的物理碰撞来达到切割之目的。 广泛应用于集成电路(IC)和LCD的Cross Section加工和分析。

　2. 选择性的材料蒸镀-以离子束的能量分解有机金属蒸气或气相绝缘材料，在局部区域作导体或非导体的沉积。

3. 强化性蚀刻或选择性蚀刻-辅以腐蚀性气体，加速切割的效率或作选择性的材料去除。

4. 蚀刻终点侦测-侦测二次离子的讯号，藉以了解切割或蚀刻的进行状况。

七、自组装纳米结构

自组装 为系统之构成元素（如分子)在?受人类外?之介入下，自?聚集、组织成规则结构的现象

纳米结构的自组装体系是指通过弱的和较小方向性的非共价键，如氢键、范德瓦耳斯键和弱的离子键协同作用把原子、离子或分子连接在一起构筑成一个纳米结构或纳米结构的花样(pattern).

自组装过程的关键不是大量原子、离子、分子之间弱作用力的简单叠加，而一种整体的、复杂的协同作用.

纳米结构的自组装体系的形成有两个重要的条件：一是有足够数量的非共价键或氢键存在；二是自组装体系能量较低，否则很难形成稳定的自组装体系.

八、分子器件

分子导线 分子开关 分子整流器

分子机器：分子镊子，分子剪刀， 分子马达等

粉体工程的资料

5）淬冷法研究相平衡

陶瓷烧成，金属的热处理等工艺参数的确定经常需要用相图来指导。相图的制作是一项十分严谨且非常耗时的工作。淬冷法是静态条件下研究系统状态图(相图)最常用且最准确的方法之一。通过该实验让学生掌握静态研究相平衡的实验方法之一——淬冷法研究相平衡的实验方法及其优缺点，掌握浸油试片的制作方法及显微镜的使用，验证Na2O-SiO2系统相图。

主要设备：管式电阻炉、温度控制器、偏光显微镜 (与实验9共用)。

需增添设备：管式电阻炉10台，温度控制器10台。

6）热分析实验

差热分析是研究材料在加热过程中脱水、相变、分解、熔融等物理和化学变化的一种常用分析方法。利用差热曲线在工艺上可以确定材料的烧成制度及玻璃的转变与受控结晶等工艺参数，还可以对矿物进行定性、定量分析。材料的热膨胀系数是评价材料在高温下热稳定性的重要指标，也是不同种类材料能否相互配合使用的重要依据。通过该实验让学生了解差热分析的基本原理与仪器装置，学习使用差热分析方法鉴定未知矿物，掌握材料热膨胀系数的测定方法及对测定结果的影响因素。

主要设备：差热膨胀分析仪。

现有设备：LCP-1差热膨胀仪1台（需升级改造为微机控制，与WCP-2功能相同）。

需增添设备：WCP-2微机差热膨胀仪2台。

7）材料的显微结构观察

材料的显微结构与材料制备中的物理化学变化密切相关，通过显微结构分析，可以将材料的“组成-工艺过程-结构-性能”等因素有机地联系起来，对设计材料性能、开发新材料有重要指导作用。通过该实验让学生学会用显微镜分析矿物的显微结构，掌握显微照相技术，用金相显微镜观察材料的显微结构。

主要设备：电子显微镜，数码金相显微镜、金相显微镜、金相切割机、金相试磨抛机，镶嵌机。

现有设备：KYKY2000电子显微镜1台(需改造)，金相显微镜22台

需增添设备：KYKY2000电子显微镜功能升级，4XB-Z数码金相显微镜2台，4XB金相显微镜10台，PA-2金相试磨抛机4台，内圆切割机2台，镶嵌机2台。

8）晶体单形分析

晶体单形的认识是晶体聚形分析的基础，常见的晶体晶型有47种单形。通过让学生对单形形态和特征的分析，了解晶系晶族，掌握晶体的结构。

主要设备：47种单形模型、矿物模型、矿物标本。

现有设备：47种单形模型3套，矿物模型2套，矿物标本3套。

需补充设备：47种单形模型15套，矿物模型15套；矿物标本15套。

9）晶体、矿物在偏光显微镜下的观察与鉴定

偏光显微镜是了解晶体结构的常用仪器，通过该实验让学生熟悉显微镜的结构，掌握显微镜的操作方法，通过观察在镜下区分自形晶、半自形晶和他形晶。

主要设备：偏光显微镜、矿物标本(与实验8共用)。

现有设备：偏光显微镜26台(其中10台已淘汰)，

需补充设备：XP-7偏光显微镜15台(带陶瓷三相薄片60片、玻璃结石薄片60片)；AXIOPLAN2多功能显微镜1台。

10）有机与无机化合物拉曼光谱分析

拉曼光谱分析仪利用激光振动光谱进行物质的定性与定量分析，通过该实验让学生熟悉仪器原理、结构及使用方法。

需补充设备：拉曼光谱分析仪

粉体材料的制备方法有几种？各有什么优缺点？（20分）

答：粉末的制备方法: 气相合成、湿化学合成、机械粉碎.

1. 物理方法

(1)真空冷凝法

用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体，然后骤冷。其特点纯度高、结晶组织好、粒度可控，但技术设备要求高。

(2)物理粉碎法

通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

(3)机械球磨法

采用球磨方法，控制适当的条件得到纯元素纳米粒子、合金纳米粒子或复合材料的纳米粒子。其特点操作简单、成本低，但产品纯度低，颗粒分布不均匀。

2. 化学方法

(1)气相沉积法

利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。其特点产品纯度高，粒度分布窄。

(2)沉淀法

把沉淀剂加入到盐溶液中反应后，将沉淀热处理得到纳米材料。其特点简单易行，但纯度低，颗粒半径大，适合制备氧化物。

(3)水热合成法

高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成，再经分离和热处理得纳米粒子。其特点纯度高，分散性好、粒度易控制。

(4)溶胶凝胶法

金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。

(5)微乳液法

两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。其特点粒子的单分散和界面性好，Ⅱ～Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备

2. 为什么要对粉体材料的表面进行改性？什么是物理吸附？什么是化学吸附？试举例说明。（20分）

答: 材料表面改性的目的

力学性能：表面硬化、防氧化、耐磨等

电学性能：表面导电、透明电极

光学性能：表面波导、镀膜玻璃

生物性能：生物活性、抗菌性

化学性能：催化性

装饰性能：塑料表面金属化

材料表面改性的意义

通过较为简单的方法使一个部件 部件或产品 产品具有更为综合的性能第一节 材料表面结构的变化

粉体表面改性是指用物理、化学、机械等方法对粉体材料表面进行处理，根据应用的需要有目的改变粉体材料表面的物理化学性质，如表面组成、结构和官能团、表面能、表面润湿性、电性能、光、吸附特性等等，以满足现代新材料、新工艺和新技术发展的需要。

在使用无机填料的时候，由于无机粉体填料与有机高聚物的表面或界面性质不同，相容性较差，因而难以在基质中均匀分散。故而必须对无机粉体填料表面进行改性，以改善其表面的物理化学特性，增强其与有机高聚物或树脂等的相容性和在有机基质中的分散性，以提高材料的机械强度及综合性能。

基本目的是增加与基体的相容性和润湿性，提高它在基体中的分散性，增强与基体的界面结合力。

在此基础上还可赋予材料新功能，扩大其应用范围和应用领域，如用氧化铝、二氧化硅包覆钛白粉可改善其耐候性。

物理吸附也称范德华吸附，它是由吸附质和吸附剂分子间作用力所引起，此力也称作范德华力。吸附剂表面的分子由于作用力没有平衡而保留有自由的力场来吸引吸附质，由于它是分子间的吸力所引起的吸附，所以结合力较弱，吸附热较小，吸附和解吸速度也都较快。被吸附物质也较容易解吸出来，所以物理吸附是可逆的。如：活性炭对许多气体的吸附，被吸附的气体很容易解脱出来而不发生性质上的变化。

吸附质分子与固体表面原子(或分子)发生电子的转移、交换或共有，形成吸附化学键的吸附。由于固体表面存在不均匀力场，表面上的原子往往还有剩余的成键能力，当气体分子碰撞到固体表面上时便与表面原子间发生电子的交换、转移或共有，形成吸附化学键的吸附作用。

3. 利用热力学、动力学知识试分析FeC或WC生产过程的条件。（10分）

答：在WC生产过程中，其原理是W+C===WC，从热力学角度看，因为W和C都是比较稳定的物质，所以通常条件下不会发生反应，G大于0，所以要在高温条件下（1350-1550℃），当在这个温度下，C比较活跃，就是W碳化，从而形成WC。

4. 什么是均匀沉淀法、直接沉淀法、共沉淀法、各有什么优缺点？（20分）

答：均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。通常加入的沉液剂, 不立刻与被沉淀组分发生反应, 而是通过化学反应使沉淀剂在整个溶液中缓慢生成，克服了由外部向溶液中直接加入沉淀剂而造成沉淀剂的局部不均匀性。

直接沉淀法是制备超细微粒广泛采用的一种方法，其原理是在金属盐溶液中加入沉淀剂，在一定条件下生成沉淀析出，沉淀经洗涤、热分解等处理工艺后得到超细产物。不同的沉淀剂可以得到不同的沉淀产物，常见的沉淀剂为：NH3?H2O、NaOH、(NH4)2CO3、Na2CO3、(NH4)2C2O4等。

直接沉淀法操作简单易行，对设备技术要求不高，不易引入杂质，产品纯度很高，有良好的化学计量性，成本较低。缺点是洗涤原溶液中的阴离子较难，得到的粒子粒经分布较宽，分散性较差。

共沉淀法是指在溶液中含有两种或多种阳离子，它们以均相存在于溶液中，加入沉淀剂，经沉淀反应后，可得到各种成分的均一的沉淀，它是制备含有两种或两种以上金属元素的复合氧化物超细粉体的重要方法。

5. 试述溶胶—凝胶法制备粉体材料的基本原理。（20分）

答：溶胶－凝胶法的基本原理

溶胶—凝胶(简称Sol—Gel)法是以金属醇盐的水解和聚合反应为基础的。其反应过程通常用下列方程式表示：

（1）水解反应： M(OR)4 + χ H2O = M(OR)4- χ OH χ + χ ROH

（2）缩合-聚合反应：

失水缩合 －M-OH + OH-M－ ＝－M-O-M－ ＋H2O

失醇缩合 －M-OR + OH-M－＝－M-O-M－ ＋ROH

缩合产物不断发生水解、缩聚反应，溶液的粘度不断增加。最终形成凝胶——含金属—氧—金属键网络结构的无机聚合物。正是由于金属—氧—金属键的形成，使Sol—Gel法能在低温下合成材料。Sol—Gel技术关键就在控制条件发生水解、缩聚反应形成溶胶、凝胶

凝胶－溶胶（Sol-gel）技术是指金属有机或无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化、在经过热处理而成氧化物或其它化合物固体的方法。

6. 利用粉体材料的制备方法，设计一个粉体材料的制备（包括工艺路线、温度、烧法时间），并说明原因。

答：制备工艺对铁基粉末冶金航空刹车材料组织与性能的影响

摘要

该论文针对某种牌号铁基粉末冶金航空刹车材料的制备工艺进

行研究，系统研究了制备工艺对其组织与性能的影响，系统分析了压

制压力、烧结温度、烧结压力、冷却水流量等重要的工艺参数变化对

材料显微组织、致密化、力学性能的影响规律以及由此引起的材料摩

擦磨损性能和行为的改变。结果表明：

(1)压制压力增大，促使铁粉重排，移动加速，塑性好的粉末

发生局部的塑性变形，塑性较差的硬质颗粒产生碎化，使得各组元的

接触面积增大，这些因素的综合作用，有效地减少了孔隙的数量及尺

寸，使得材料密度和硬度逐渐升高，进而，材料的耐磨性能得到有效

改善。

(2)烧结温度由900℃升高到930℃时，铜粉和铁粉的塑性得以

进一步提高，更容易产生塑性变形，促进致密化过程的进行，同时，

异晶转变的存在，使铁的自扩散系数略有增加，然而，碳在铁中的扩

散系数降低，这些因素的综合作用使得密度缓慢增加，组织以软韧相

的铁素体为主，材料的耐磨性较差；烧结温度由930℃增加至1020

℃，铁粉和铜粉的变形程度更大，原子扩散系数显著提高，材料致密

化程度迅速增加，组织中珠光体数量增多且分布比较均匀，同时，颗

粒间的结合由机械啮合转变为冶金结合，提高了材料的强度，材料磨

损性能显著提高。

(3)烧结压力由1．6MPa增加到2．8MPa时，材料变形程度增

大，有效地消除了材料内部及晶界处的孔隙，材料密度和硬度显著提

高，磨损性能得到改善；烧结压力由2．8MPa提高到3．2MPa时，材

料密度和硬度变化不显著，摩擦磨损性能变化不大，说明继续提高烧

结压力对材料的致密化程度以及摩擦磨损性能影响不大。

(4)冷却水流量由0增至0．04m3／s，冷却速度出现先增大后减

小的趋势，这与烧结炉的结构有关，水流量越大，内罩与冷却水的接

触面上的水花喷溅越剧烈，使材料的冷却效果降低，当冷却水流量为

0．027 n13／s时，冷却速度最快，其组织以片状珠光体和粒状珠光体为

主，此时片状珠光体的片间距最小，材料的硬度和摩擦磨损性能随冷

却速度的增加而提高。关键词：粉末冶金，摩擦材料，铁基，摩擦磨损，制备工艺

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