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纳米材料制备与成形（孙宏飞）
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spContent=纳米科学与技术，是当今的科技发展的重点方向。现今，信息技术，生命医用技术和纳米科学与技术成为世界科研领域中最具活力的三个重点方向。本课程中，孙宏飞老师带领大家从纳米材料的基本概念入手，了解纳米材料的特殊的物理化学性质及其成因，向大家展示各种类型的纳米材料的制备方法和最新成型技术。
—— 课程团队
课程概述

纳米材料制备及成形课程的开设，一方面为学生了解现代纳米材料领域的最新知识体系和理论体系，使学生了解发展动向，掌握纳米材料的基本制备方法，另一方面将使学生熟练掌握纳米科学与技术在材料加工成形领域中的最新应用，同时培养学生掌握获得本学科最新信息的能力，并培养学生在信息获得的基础上开展科学研究的思路与方法。

序号

教学内容

教学要求

1

1.概述

介绍本课程的主要内容和要求、学习方法和主要参考书。相关数据库使用。

了解本课程的重要意义及主要内容。掌握相关数据库使用。

2

2.纳米材料基础知识

（1）纳米概念，纳米材料概念

（2）纳米材料特殊性质及成因

（3）纳米材料的分类。

（4）纳米材料的发展阶段

掌握纳米概念及实质内涵，重点掌握理解纳米材料概念，了解分类及发展

3

3.隧道扫描显微技术

（1）STM：隧道扫描显微镜的基本原理及其表征应用。

（2）AFM：原子力显微镜的特点，基本原理及其使用方法。

（3）SFM：扫描力显微镜的基本原理及其应用。

掌握STM，AFM，SFM的基本原理及其表征中的应用。了解创新性思维的建立及交叉学科思想建立

4

4.纳米加工成型技术

（1）原子搬迁技术：在SPM基础上利用原子搬迁实现原子级加工成形。

（2）纳米加工成型技术

直接雕刻加工技术，电子束光刻加工技术，局部氧化加工技术，自组装成形技术，多针尖加工系统。

掌握原子级加工技术的基本方法，了解其基本原理；广泛了解纳米加工技术发展及其应用

5

5.微米加工成形技术

（1）微米及亚微米级加工的发展现状及应用。

（2）微米及亚微米级加工主要加工成型方法：机械加工的微米化，特种加工技术的微米化，微米加工成型特有技术

（3）现代科学研究基本思路及论文写作

掌握微米及亚微米加工成型技术常用方法。了解微米加工技术在现代工业中的应用，掌握新领域进入方法，理解科研论文写作过程

序号

教学内容

教学要求

6

6.低维度纳米材料制备

（1）团簇：团簇的概念及特点；团簇常用制备方法，常用团簇介绍。

（2）纳米粉末：纳米粉末特点及应用；常用制备方法：CVD，PVD，激光溅射，共沉淀

（3）纳米纤维：特点，典型一维纳米材料-CNTs，常用制备方法，应用

（4）纳米膜：纳米膜分类，特有制备方法，低维度纳米材料制备方法总结

掌握低维度纳米材料的制备方法，了解纳米科学与技术领域的最新发展动态。

7

7.三维纳米材料制备

（1）纳米块体材料：纳米块体材料特点及应用，原位加压制备技术，高能球磨制备技术，高温高压固相淬火技术，非晶晶化技术，大塑性变形技术

（2）纳米复合材料：纳米复合材料的分类及特点，纳米陶瓷复合材料制备方法，纳米金属材料制备方法

掌握块体纳米材料及超细晶材料制备方法，了解纳米复合材料制备方法。



授课目标

课程指标要求如下：

课程目标1：使学生掌握纳米材料领域的基本知识与基本理论，熟悉基本概念，了解制备方法，掌握在本专业及相关方向的应用。

课程目标2：使学生在基本知识与基本理论学习的基础上，能够独立查阅本领域的最新发展动态获得知识更新。

课程目标3：能利用本课程讲授的科研基本方法建立适合自己的进入新领域的基本技能和方法。


成绩要求

考核环节

所占分值

考核与评价细则

课堂测验

10

（1）考察学生对专业知识的掌握；（2）对学生的学习效果进行间接了解

课后作业

20

（1）根据不同内容设置不超过1000字的作业报告；（2）考核学生文献获得能力；（3）根据课程进程了解学生获得信息及解决实际问题能力的提高程度。

研究报告

70

（1）论文要求和纳米科学与技术相关，要求学生在自己选择方向的同时，能把平时所学融会其中；（2）文献要求参考文献10篇，其中英文文献2篇，进一步考核学生文献及信息获取能力。


课程大纲
预备知识

1、简单物理知识

2、简单化学知识

3、科研文献检索与信息获得方法

参考资料

【1】Guokui Liu. Nanoscience and nanotechnology in prepective. Tsinghua university press.

【2】Zhonflin Wang. Handbook of nanophase and nano structured materials-systems and

 applications(1, 2). Tsinghua university press.

【3】Scanning Microscopy for Nanotechnology,Weilie Zhou,Zhong Lin Wang;Springer Science Business Media, LLC,2006

【4】张立德，牟季美． 纳米材料和纳米结构[M]. 北京：科学出版社

【5】王世敏，许祖勋． 纳米材料制备技术[M]. 北京：化学工业出版社

【6】张志焜，崔作林． 纳米技术与纳米材料[M]. 北京：国防工业出版社

【7】曹茂盛，李大勇等. 纳米材料学[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社

以上书籍仅为简单参考知识内容，无需购买。

由于本课程主要内容紧跟现代纳米科学与技术的研究前沿，所以没有教科书，具体学习内容以电子讲义为准。


常见问题

1、 什么是纳米材料？

    纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）或者

    由他们作为基本构成单元的材料。

2、 纳米材料采用维度分类法如何进行分类？

维度分类：0维；1维；2维；3维

    零维，指其在空间三维尺度均在纳米尺度；

    一维，指在空间有两维处于纳米尺度；

    二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度。

3、 简单叙述纳米材料采用维度分类法得到的各实体分类？

    零维，如纳米尺度颗粒、原子团簇、人造超原子、纳米尺寸的孔洞等；

    一维，如纳米丝、纳米棒、纳米管等；

    二维，如超薄膜、多层膜材料等。

4、 把纳米材料的实体分类中的各分类与维度分类相对应。

实体分类：团簇（0维）；纳米粉末(0维)；纳米纤维(1维)；纳米膜(2维)；纳米块体(3维)；纳米复合材料；纳米结构。

5、 C60属于哪种实体分类，并简单叙述该种实体分类。

（1）团簇

（2）原子分子团簇，简称团簇(cluster)或微团簇(microcluster)是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。

（3）原子团簇不同于具有特定大小形状的分子，也不同于周期性很强的晶体，原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未形成规整的晶体，除了惰性气体外，它们都是以化学键紧密结合的聚集体。

      6、 简单叙述制备纳米粉末的PVD制备方法和CVD制备方法。

物理气相合成（PVD)：原则上，任何固态物质的蒸发—冷凝过程都会形成纳米粒子，鉴于加热源、周围气相环境(真空或惰性气体)和收集产物的方式不同，具体工艺方法很多，但不涉及严格意义的化学反应，所以统称物理气相合成。而把与它相关的反应性气体蒸发一类归类于化学气相合成。

化学气相合成法：CVD（chemical vapor deposition)法是以挥发性金属卤化物和氢化物或有机金属化合物等蒸气为原料，进行气相热分解和其它化学反应来合成纳米颗粒。它是合成高熔点无机化合物纳米颗粒最引人注目的方法。

7、 说明制备纳米粉末的PVD法和CVD法的主要差别。

（1）物理气相合成（PVD)：原则上，任何固态物质的蒸发—冷凝过程都会形成纳米粒子，鉴于加热源、周围气相环境(真空或惰性气体)和收集产物的方式不同，具体工艺方法很多，但不涉及严格意义的化学反应，所以统称物理气相合成。而把与它相关的反应性气体蒸发一类归类于化学气相合成。

（2）化学气相合成法：CVD（chemical vapor deposition)法是以挥发性金属卤化物和氢化物或有机金属化合物等蒸气为原料，进行气相热分解和其它化学反应来合成纳米颗粒。它是合成高熔点无机化合物纳米颗粒最引人注目的方法。

（3）制备过程中是否发生严格意义上的化学反应

8、 简单叙述C的同素异构体的构成。

卡宾         链状结构     

石墨         片层结构     

金刚石     四面体结构     

富勒烯     近球形32面体结构

纳米碳管：纳米碳管可看作是由石墨层片卷成、直径为纳米尺度的圆筒。其两端由富勒烯半球封帽而成。和富勒烯一样，纳米碳管在特性上更接近石墨和石墨有关的材料而不是金刚石

9、 简单叙述金属基纳米复合材料的定义及其性能特点。

金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强相人工结合的复合材料。金属基纳米复合材料具有机械性能好、剪切强度高、工作温度较高、耐磨损、导电导热性好、不吸湿不吸气、尺寸稳定、不老化等优点．因此引起各国的重视。

10、 叙述纳米碳管的三种主要制备方法。

（1）直流电弧放电法：电弧放电法是制备纳米碳管最原始的方法，也是最重要的方法之一。该方法也用于制备其它一维纳米材料

（2）化学气相沉积法:化学气相沉积法通常是指反应物经过化学反应和凝结过程，生成特定产物的化学方法。采用CVD方法制备纳米线和纳米管时，多采用催化裂解方式。该方法可是想纳米碳管的大批量生产。

（3）激光溅射法：是制备一维纳米材料的重要方法，主要用于制备单壁纳米碳管。

11、 简单叙述一下制备纳米碳管的直流电弧放电法。

直流电弧放电法：电弧放电法是制备纳米碳管最原始的方法，也是最重要的方法之一。该方法也用于制备其它一维纳米材料。

12、 简单叙述一下制备纳米碳管的化学气相沉积法。

化学气相沉积法:化学气相沉积法通常是指反应物经过化学反应和凝结过程，生成特定产物的化学方法。采用CVD方法制备纳米线和纳米管时，多采用催化裂解方式。该方法可是想纳米碳管的大批量生产。

13、 简单叙述一下制备纳米碳管的激光溅射法。

     激光溅射法：是制备一维纳米材料的重要方法，主要用于制备单壁纳米碳管。

14、 简单叙述制备纳米块体材料的4种主要制备方法。

（1）惰性气体蒸发原位加压法：惰性气体蒸发原位加压法属于“一步法”．即制粉和成型是一步完成的。“一步法”的步骤是：制备纳米颗粒－颗粒收集－压制成块体。上述步骤一般都是在真空下进行的。

（2）高能球磨是一种用来制备具有可控微结构的金属基或陶瓷基复合粉末的技术。在干燥的球型装料机内，在高真空Ar2气保护下，通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对粉末粒子反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使晶粒不断细化，达到纳米尺寸

（3）非晶晶化法是近年来发展极为迅速的一种新工艺，它是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程使产物晶化为纳米尺寸的晶粒，它通常由非晶态固体的获得和晶化两个过程组成。

（4）高压、高温固相淬火法法是将真空电弧炉熔炼的样品置入高压腔体内，加压至数GPa后升温，通过高压抑制原子的长程扩散及晶体的生长速率，从而实现晶粒的纳米化。然后再从高温下固相淬火以保留高温、高压组织。

（5）大塑性变形方法

15、 简单叙述金属纳米复合材料的粉末冶金法的优缺点。

（1）热等静压或无压烧结温度低于金属熔点、因而由高温引起的增强体材料与金属基体界面反应少，以减小界面反应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或无压烧结时的温度、压力利时间等工艺参数来控制界面反应。

（2）可以根据所设计的金属基纳米复合材料的性能要求，使增强体材料与基体金属粉末以任何比例混合增强体含量可达50％以上。

（3）可以降低增强体与基体互相湿润的要求，也降低了增强体与基体粉末的密度差要求，使纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须等均匀分布在金属基纳米复合材料中。  

（4）采用热等静压工艺时，其组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷。可使孔隙和其它内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能。

（5）粉末冶金工艺制备的金属基纳米复合材料可以通过传统的金属加工方法进行二次加工，得到所需形状的复合材料零件毛坯。

（6）粉末冶金法工艺过程比较复杂，特别是金属基体必须制成金属粉末，增加了工艺的复杂性和成本。

16、 综合叙述纳米材料的四大效应。

   （1）量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到接近或小于某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续态变为离散能级态的现象和纳米半导体微粒存在能隙变宽现象均称为量子尺寸效应

   （2）小尺寸效应：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的效应，称为小尺寸效应

   （3）表面效应：表面效应是指纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象

   （4）宏观量子隧道效应：电子具有粒子性又具有波动性，具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观物理量，如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量等亦显示出隧道效应，称之为宏观的量子隧道效应

17、 简单叙述制备纳米块体材料的原位加压法。

惰性气体蒸发原位加压法：惰性气体蒸发原位加压法属于“一步法”．即制粉和成型是一步完成的。“一步法”的步骤是：制备纳米颗粒－颗粒收集－压制成块体。上述步骤一般都是在真空下进行的。

18、 简单叙述制备纳米块体材料的高能球磨法。

高能球磨是一种用来制备具有可控微结构的金属基或陶瓷基复合粉末的技术。即在干燥的球型装料机内，在高真空Ar2气保护下，通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨体之间相互碰撞，对粉末粒子反复进行熔结、断裂、再熔结的过程使晶粒不断细化，达到纳米尺寸

19、 简单叙述制备纳米块体材料的非晶晶化法。

非晶晶化法是近年来发展极为迅速的一种新工艺，它是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程使产物晶化为纳米尺寸的晶粒，它通常由非晶态固体的获得和晶化两个过程组成。

20、 简单叙述制备纳米块体材料的高温高压固相淬火法。

高压、高温固相淬火法法是将真空电弧炉熔炼的样品置入高压腔体内，加压至数GPa后升温，通过高压抑制原子的长程扩散及晶体的生长速率，从而实现晶粒的纳米化。然后再从高温下固相淬火以保留高温、高压组织。

21、 简单叙述制备纳米块体材料的大塑性变形法。

在采用大塑性变形方法制备块状金属纳米材料方面，俄罗斯科学院Valiv领导的研究小组开展了卓有成效的研究工作。早在20世纪90年代初，他们就发现采用纯剪切大变形方法可获得亚微米级晶粒尺寸的纯铜组织，近年来他们在发展多种塑性变形方法的基础上，又成功地制备了晶粒尺寸为20一200nm的纯Fe、F-1.2％C钢、Fe-C-Mn-Si-V低合金钢、AI-Cu-Zr、Al-Mg-Li—Zr、Mg·Mn·Ce、Ni3Al金属间化合物、Ti-A1-Mo-Si等合金的块体纳米材料.

22、 什么是团簇？举例说明典型的团簇。

（1）原子分子团簇，简称团簇(cluster)或微团簇(microcluster)是由几个乃至上千个原子、分子或离子通过物理和化学结合力组成相对稳定的聚集体，其物理和化学性质随着所含的原子数目不同而变化。

（2）原子团簇不同于具有特定大小形状的分子，也不同于周期性很强的晶体，原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未形成规整的晶体，除了惰性气体外，它们都是以化学键紧密结合的聚集体。

（3）C60

23、 以纳米粉末制备过程为例简单叙述PVD法与CVD法的概念及差别。

（1）物理气相合成（PVD)：原则上，任何固态物质的蒸发—冷凝过程都会形成纳米粒子，鉴于加热源、周围气相环境(真空或惰性气体)和收集产物的方式不同，具体工艺方法很多，但不涉及严格意义的化学反应，所以统称物理气相合成。而把与它相关的反应性气体蒸发一类归类于化学气相合成。

（2）化学气相合成法：CVD（chemical vapor deposition)法是以挥发性金属卤化物和氢化物或有机金属化合物等蒸气为原料，进行气相热分解和其它化学反应来合成纳米颗粒。它是合成高熔点无机化合物纳米颗粒最引人注目的方法。

     （3）制备过程中是否发生严格意义上的化学反应

24、 简单叙述一下纳米颗粒的量子尺寸效应。

量子尺寸效应：当粒子尺寸下降到接近或小于某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续态变为离散能级态的现象和纳米半导体微粒存在能隙变宽现象均称为量子尺寸效应

25、 简单叙述一下纳米颗粒的小尺寸效应。

当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等物性呈现新的效应，称为小尺寸效应。

26、 简单叙述一下纳米颗粒的表面效应。

表面效应：表面效应是指纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳米微粒尺寸的减小而大幅度增加，粒子表面结合能随之增加，从而引起纳米微粒性质变化的现象。

27、 简单叙述纳米材料的概念、分类。

（1）纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1～100nm）或者由他们作为基本构成单元的材料

（2）维度分类：0维；1维；2维；3维

零维，指其在空间三维尺度均在纳米尺度；

一维，指在空间有两维处于纳米尺度；

二维，指在三维空间中有一维在纳米尺度。

28、 简单叙述纳米材料的概念、分类之间的对应关系。

零维：如纳米尺度颗粒、原子团簇、人造超原子、纳米尺寸的孔洞等；

一维：如纳米丝、纳米棒、纳米管等；

二维：如超薄膜、多层膜材料等。

实体分类：团簇（0维）；纳米粉末(0维)；纳米纤维(1维)；纳米膜(2维)；纳米块体(3维)；纳米复合材料；纳米结构