纳米材料导论教案

2024-05-29

纳米材料导论教案（精选6篇）

篇1：纳米材料导论教案

北京石油化工学院

纳米材料论文

课程名称：有序介孔三氧化二铝的催化活性分析及应用前景

实验学期 2013 至 2014 学年第二学期学生所在系部化学工程学院年级 12级专业班级化121 学生姓名郭锴华学号 5120120005 任课教师郝保红

北京石油化工学院化学工程学院

2014年4月25日有序介孔三氧化二铝的催化活性分析及应用前景

郭锴华

(北京石油化工学院化学工程与工艺专业北京 102617)

摘要

随着现代科技水平的高速发展，科学家们正在不断地努力研究一系列有助于材料合成方面的物质，而氧化铝，特别是纳米级别的氧化铝在对物质的催化作用有着显著的作用，在本文中就简单地介绍了一些有关于纳米级别的氧化铝的制备方法以及它在实践生产中的应用情况。

关

键

词：纳米；氧化铝；制备；应用前景;催化活性中图分类号: TQ174

文献标识码: A

Ordered mesoporous three two aluminum oxide analysis and application prospect of catalytic activity

Guo Kaihua(Beijing institute of petrochemical technology)Abstract ：With the rapid development of modern science and technology level,cientists are constantly working on a series of help to materials synthesis material, alumina, especially nano level alumina has a significant role in the catalytic effect on the material, in this paper simply introduces something about nanoscale alumina preparation method and the application in practical production.Keywords: Nanometer;Alumina;Preparation;Application prospect；Catalytic activity

1、引言

纳米（符号为nm）是长度单位，原称毫微米，就是10米（10亿分之一米），即10毫米（100万分之一毫米）。如同厘米、分米和米一样，是长度的度量单位。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。纳米材料一般是指在一维尺度小于100nm，并且具有常规材料和常规微细粉末材料所不具有的多种反常特性的一类材料。当然，纳米材料Al2O3拥有小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等一切纳米材料的特殊性质，所以具备特殊的光电特性、高磁阻现象、非线性电阻现象、在高温下仍具有的高强度、高韧、稳定性好等特性，使Al2O3备受关注研究并且在催化、滤光、光吸收、医药、磁介质及新材料等领域有广阔的应用前景。

近年来从用途大体可以把氧化铝分为两类：第一类是用作电解铝生产的冶金氧化铝，随着氧化铝材料的广泛应用该类氧化铝占产量的大多数；第二类为非冶金氧化铝，主要包括非冶金用的氢氧化铝和氧化铝，也是通常所说的特种氧化铝，因其作用不同而与冶金氧化铝有较大的区别，主要表现在纯度、化学成分、形貌、形态等方面。介孔和超大孔硅铝分子筛比表面已超过1000m2/g、孔径在2～50nm，孔道有序，此类介孔分子筛的制备、生成机理、表面表征方法及催化应用研究已很成功，并推动了其他介孔材料的开发探索。纳米氧化铝可用来制作人造宝石、分析试剂以及纳米级催化剂和载体，用于发光材料可较大的提高其发光强度，对陶瓷、橡胶增韧，要比普通氧化铝高出数倍，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳等。纳米氧化铝已用于YGA激光器的主要部件和集成电路基板，并用在涂料中来提高耐磨性。由于三氧化二铝掺杂在光纤中具有优于二氧化锗的一些特点,被应用于不同的领域,如光纤激光器,光纤放大器和保偏光纤。随着人们对自身健康的关注和环保意识的增强，绿色化学理念正在材料制备与应用领域备受关注。

-6、纳米Al2O3的一般物理化学特性

纳米材料是纳米科学技术的一个重要的发展方向。纳米材料是指由极细晶粒组成，特征维度尺寸在纳米量级（1-100nm）的固态材料。由于极细的晶粒，大量处于晶界和晶粒内缺陷的中心原子以及其本身具有的量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等，纳米材料与同组成的微米晶体（体相）材料相比，在催化、光学、磁性、力学等方面具有许多奇异的性能，因而成为材料科学和凝聚态物理领域中的研究热点。

Al2O3在地壳中含量非常丰富的一种氧化物。Al2O3有许多同质异晶体，根据研究报道的变种有10多种，主要有3种：α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3其中α-Al2O3是最稳定的一种无色晶体粉末，具有比表面大、熔点高、热稳定性极好、硬度高、吸水率极好、电绝缘性能好和耐酸碱腐蚀等许多优点，所以此类粉体广泛应用于各种氧化铝陶瓷的制备；

γ-Al2O3是在400℃到800℃内由水合氧化铝脱水形成，不溶于水，能溶于酸或碱，强热至1273K，经一定保温时间能转变为α-Al2O3；热处理工艺参数对三氧化铝粒子颗粒特性的影响由强到弱：煅烧温度、水合氧化铝在300℃分解温度点的保温时间、在煅烧温度点的保温时间；通过控制其热处理工艺参数，可获得尺寸范围大小均匀、分散性好的球形γ-Al2O3；γ-Al2O3具有强的吸附能力和催化活性，所以其一般又叫活性氧化铝，它属于立方面心紧密堆积构型，四角晶系，与尖晶石结构十分相似。在许多化学反应中被用做吸附剂、催化剂和催化剂载体，如石油的氢化裂化、氢化脱硫及脱氢催化剂的载体等，因此γ-Al2O3在催化领域有着更广泛的应用。

纳米Al2O3的制备方法

纳米粉体由于晶粒尺寸小、表面积大，在磁性、催化性、光吸收、熔点等方面与常规材料比显示出奇特的性能；要使纳米粉体具有良好的性能，制备方法的选择和制备工艺的控制是关键。高纯度纳米氧化铝粉体的制备方法有很多一般大致将它分为固相法、气相法、液相法等。各种方法有其优点，但也存在一些不足因此一般根据实际产品要求来选择相应的制备方法。

3.1化学溶解法

化学溶解法主要包括碳酸铝铵热解法、喷雾热解法、铵明矾热解法三种；铵明矾热解法是通过用硫酸铝铵与硫酸铵反应制得明矾，再根据产品纯度要求再多次重结晶精制，最后将精制的铵明矾加热分解成Al2O3，其反应过程为：

2Al(OH)3+3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 6H2O

Al2(SO4)3 +(NH4)2SO4 + 24H2O → 2NH4Al(SO4)2·12H2O

2NH4Al(SO4)2·12H2O → Al2O3 + 2NH3 + 4SO3 + 13H2O

煅烧过程收集的炉气可制成硫酸铵循环使用。该方法工艺简单，但由于生产周期长，难于应用于实际规模化生产。对铵明矾热解法改进后形成了碳酸铝铵热解法，通过前驱体NH4AlO(OH)HCO3的合成和热解得到高纯度超细氧化铝。有人应用分析纯硫酸铝铵和碳酸氢铵为原料，采用湿化学法制备单分散超细NH4Al2(OH)2CO3先驱沉淀物，在1100℃下灼烧得到平均粒径为20nm的α-Al2O3纳米粉体。该方法不产生腐蚀性气体，无热分解时的溶解现象，有利产品粒径的控制并且能简化操作，适合于工艺化生产。

喷雾热解法是将金属盐溶液以雾状喷入高温气氛中，从而使其中的水分蒸发，金属盐发生分解，析出固相，直接制备出纳米氧化铝陶瓷粉好方法。3.2固相法

固相法主要是将铝或铝盐研磨煅烧，发生固相反应后直接得到纳米氧化铝的方法。该法可分为：机械粉碎法、固相反应法；机械粉碎法是用各种超细粉碎机将原料直接粉碎成超细粉。常见的超细粉碎机有：球磨机、行星磨、塔式粉碎机和气流磨粉碎机等；应用较多的是球磨机，但该法很难使粒径达到100nm以下。固相法制备超细粉比较简单，但是生成的粉体容易产生团聚并且粉末粒度不易控制。固相反应法又可大致化学溶解法、非晶晶化法、燃烧法；

3.3气相法

气相法是指直接应用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气态下发生物理、化学反应，在冷却过程中形成超细粉的方法，该方法一般包括：固相加热挥发法、惰性气体凝聚加压法、AlCl3升华氧化法、激光蒸发CVD法等。该类方法由于其设备操作复杂、成本高，而且不能高产，所以不适合做大规模生产。

3.4溶胶—凝胶法

该类方法主要包括有机铝醇盐水解、无机铝盐水解；有机铝醇盐水解是将醇盐溶解于有机溶剂中，再通过加入蒸馏水形成溶胶，之后随着水的加入溶胶转变为凝胶。凝胶经过低温干燥得到疏松的干凝胶。干凝胶经高温锻烧处理即可得到氧化铝纳米粉体，一般过程为：Al(OR)3 → Al(OH)3 → AlOOH → γ-Al2O3 →δ-Al2O3→ θ-Al2O3 → α-Al2O

3式中RO-可采用异丙醇、2-丁醇、乙醇等。此类方法的优点有：能在很短的时间内获得分子水平的均匀性，容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂、与固相反应相比所需温度较低、选择合适的条件可以制备各种新型材料；不足在于目前所用的原料价格比较贵，并且有些原料对身体有害、通常生产周期长、凝胶干燥过程可能有气体或者有机物逸使得产生收缩。

3.5液相法

液相法合成纳米氧化铝粉体具有不需要苛刻的物理条件，能很好的实现分子原子水平上的混合、产物组分含量精确控制等特点，可用于制备粒度分布窄、形貌规整的粉体。其基本方法是选择一种或多种可溶性金属盐，按成份计量配成溶液，使各元素呈离子或分子态，再用一种沉淀剂，将所需物质均匀沉淀、结晶出来，经脱水或者加热等过程而制得纳米粉。

4、有序介孔Al2O3的催化作用

到目前为止，仅有少数几个反应涉及到改性的介孔氧化铝作为活性组分载体的应用，这可能主要因为介孔氧化铝的合成条件比较苛刻，合成的介孔材料还有缺陷，无法广泛应用。加氢脱硫反应是传统氧化铝作为Co-Mo和Ni-Mo催化剂载体应用的重要反应之一。文献[16]将介孔氧化铝应用于加氢脱硫反应，并与低廉的催化剂相比较。采用长链的羧酸作模板剂经阳离子合成路线制备介孔氧化铝分子筛;用传统的浸渍法改性,将氧化钼进行热分散。与低廉的Mo催化剂不同，介孔氧化铝具有非常大的比表面，在介孔氧化铝上能负载大约30%(质量分数)MoO3，与仅含有15%MoO3的传统催化剂相比具有很高的转化率。文献[17]采用烷氧基金属作铝源、钛源，TritonX-100作模板，室温下合成具有MSU-2结构的含Ti介孔氧化铝分子筛，比表面376m2/g，孔径3nm，引入Ti后，孔容和表面积均有增加，比表面376m2/g，孔径3nm，Ti在介孔氧化铝分子筛的分散性较好。

5、应用与进展

5.1陶瓷材料

氧化铝陶瓷是一种抗氧化、耐腐蚀、耐磨损的高温结构陶瓷材料，但韧性低、脆性大，限制了其应用领域。采用纳米粉末烧结可以大大提高Al2O3的烧结活性；同时在陶瓷基体中引入延性金属第二相，既可以改善陶瓷脆性和提高韧性，又可使陶瓷具有一定的导热性。同单相Al2O3相比，添加Al的摩尔数分数为10％的Al2O3/Al复合陶瓷的断裂韧性提高了86％，复合陶瓷韧性的提高归因于金属Al的引入，陶瓷断裂时金属铝的拔出导致裂纹偏转和裂纹桥联，以及残余应力增加和结构中出现的细小裂纹，裂纹桥联和微裂纹增韧机制协同作用致使复合材料的韧性显著提高。

5.2表面防护层材料

将纳米氧化铝粒子喷涂在金属、陶瓷、塑料、玻璃、漆料及硬质合金的表面上，可明显提高表面强度、耐磨性和耐腐蚀性，且具有防污、防尘、防水等功能，因此可用于机械、刀具、化工管道等表面防护。据说在AlSi3O4不锈钢表面涂氧化铝防护层，使得表面硬度由3.8GPa提高到10.8GPa，并且在受到同样的负载下，表面压痕深度减少了30℅左右。

5.3催化材料

γ 型氧化铝具有明显的吸附剂特征，并能活化许多键，如H-H键，C-H键等，因此在烃类裂化、醇类脱水制醚等反应中可直接作为活性催化剂加入反应体系中，如乙醇脱水产生乙烯。由于γ型氧化铝表面同时存在酸性中心和碱性中心，因此γ型氧化铝本身就是一种极好的催化剂。γ型氧化铝尺寸小，表面所占的体积分数大，表面原子配位不全等导致表面活性位置增加，而且随着粒径的减小，表面光滑程度变差，形成了凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应的接触面，因而纳米氧化铝是理想的催化剂或催化剂载体。近年来研究发现有序介孔氧化铝材料具有较大的比表面积，较大且均已的孔道结构，可以处理较大的分子或基团，是良好的催化剂，催化活性较γ型氧化铝好。

5.4光学材料

纳米氧化铝可以吸收紫外光，并且在某些波长光的激发下可以产生出与粒子尺寸相关的波长的光波。由α-Al2O3可烧结成透明陶瓷，作为高压钠灯管的材料；可用作紧凑型荧光灯中荧光粉层的保护涂膜；还可和稀土荧光粉复合制成荧光灯管的发光材料，提高灯管寿命。此外，纳米Al2O3多孔膜有红外吸收性能，可制成隐身材料用于军事领域；利用其对80nm紫外光的吸收效果可作紫外屏蔽材料和化妆品添加剂。

6、结论

纳米Al2O3粉体与常规的相比，具有独特的物理和化学特性，是一种重要的陶瓷材料及催化剂载体，具有耐磨，耐腐蚀，耐高温等优异性能，纳米Al2O3粉体因其具有高强度、高硬度、绝缘性好等优异特性，是一种重要的功能材料。目前有序介孔氧化铝还在研究阶段,，不管从材料角度还是从催化应用前景来看，有序介孔氧化铝都是一种值得研究的介孔材料，但在研究中还存在着各种问题。由于氧化铝的性质与硅铝分子筛有较大区别，合成介孔结构相对困难，合成工艺比较苛刻，合成的介孔尚未形成长程有序，并且孔结构稳定性差，对介孔氧化铝的合成机理尚无合理解释。关于介孔氧化铝分子筛研究应集中在以下几个方面：

①必须借鉴和改进合成介孔硅铝分子筛的方法，不断开发新的工艺合成路线，寻找简便、廉价、易于工业化的介孔氧化铝合成方法；探索新型的模板剂，合成具有规整孔道的介孔氧化铝。②比表面积大于300 m2 / g、孔径大于3nm且孔径分布窄的介孔氧化铝，尽管有序性较差，但催化应用价值高，应努力合成此类介孔材料，优化合成有序介孔氧化铝的工艺。③研究有序介孔氧化铝的生成机理。

④有序介孔氧化铝的催化性能仅在有限的反应中检验过，必须加速其在各种反应中的应用研究。相信随着这一领域的进一步研究，研究者会很快掌握这种有序介孔氧化铝的合成方法，真正发挥其独特优势，使其成为一种新型实用的优良催化材料。

参考文献

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篇2：纳米材料导论教案

教学院化工与材料工程学院专业化学工程与工艺班级化工0000班学生姓名一二三学生学号 12345678 指导教师四五六

2013年6月1日

第一部分所学内容概述...................................................2

第一章绪论..........................................................2

1.1纳米的定义....................................................2 1.2纳米材料的定义................................................2 1.3纳米科技......................................................3 第二章纳米材料的基本概念............................................6

2.1分类..........................................................6 2.2 纳米材料发展史...............................................6 第三章纳米材料的结构特性与表征......................................7

3.1结构特性......................................................7 3.2纳米结构的检测与表征..........................................8 第四章纳米材料的制备技术...........................................10

4.1物理合成法...................................................10 4.2化学合成法...................................................10 第五章纳米固体材料的结构和性能（略）..............................11

5.1结构特点.....................................................11 5.2性能与应用...................................................12 第六章纳米材料的应用及前景........................................12

6.1应用领域.....................................................12 6.2发展前景.....................................................13

第二部分总结与学习心得................................................14 第三部分参考文献......................................................15 第一部分所学内容概述

第一章绪论 1.1纳米的定义

纳米是一个长度单位，一纳米是一米的十亿分之一，相当于人类头发直径的万分之一。若是做成一个纳米的小球，将其放在一个乒乓球表明的话，从比例上看，就像是把一个乒乓球放在地球表面。因此，纳米科技是在和微观世界“打交道”。相当于4倍原子大小，比单个细菌的长度还要小。1,000,000,000纳米(nm)= 1米(m)1,000,000纳米(nm)= 1毫米(mm)1,000纳米(nm)= 1微米（μm）1纳米(nm)= 10埃米（ANG）1.2纳米材料的定义

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料，它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100一102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分:一是直径为几个或几十个纳米的粒子;二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到l00nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。1.3纳米科技

1.3.1纳米科技的研究范围纳米技术(nanotechnology），也称毫微技术，是研究结构尺寸在1纳米至100纳米范围内材料的性质和应用的一种技术，是用单个原子、分子制造物质的科学技术，研究结构尺寸在0.1至100纳米范围内材料的性质和应用。1981年扫描隧道显微镜发明后，诞生了一门以0.1到100纳米长度为研究分子世界，它的最终目标是直接以原子或分子来构造具有特定功能的产品。因此，纳米技术其实就是一种用单个原子、分子射程物质的技术。

纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术，它是现代科学（混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学）和现代技术（计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术）结合的产物，纳米科学技术又将引发一系列新的科学技术，例如：纳米物理学、纳米生物学、纳米化学、纳米电子学、纳米加工技术和纳米计量学等。

1.3.2纳米科技的分类（1）第一种，是1986年美国科学家德雷克斯勒博士在《创造的机器》一书中提出的分子纳米技术。根据这一概念，可以使组合分子的机器实用化，从而可以任意组合所有种类的分子，可以制造出任何种类的分子结构。这种概念的纳米技术还未取得重大进展。

（2）第二种概念把纳米技术定位为微加工技术的极限。也就是通过纳米精度的“加工”来人工形成纳米大小的结构的技术。这种纳米级的加工技术，也使半导体微型化即将达到极限。现有技术即使发展下去，从理论上讲终将会达到限度，这是因为，如果把电路的线幅逐渐变小，将使构成电路的绝缘膜变得极薄，这样将破坏绝缘效果。此外，还有发热和晃动等问题。为了解决这些问题，研究人员正在研究新型的纳米技术。（3）第三种概念是从生物的角度出发而提出的。本来，生物在细胞和生物膜内就存在纳米级的结构。DNA分子计算机、细胞生物计算机的开发，成为纳米生物技术的重要内容。

1.3.3 纳米材料的发展史 70年代，科学家开始从不同角度提出有关纳米科技的构想，1974年，科学家谷口纪男（Norio Taniguchi）最早使用纳米技术一词描述精密机械加工；1982年，科学家发明研究纳米的重要工具——扫描隧道显微镜，为我们揭示一个可见的原子、分子世界，对纳米科技发展产生了积极促进作用；1990年7月，第一届国际纳米科学技术会议在美国巴尔的摩举办，标志着纳米科学技术的正式诞生；1991年，碳纳米管被人类发现，它的质量是相同体积钢的六分之一，强度却是钢的10倍，成为纳米技术研究的热点，诺贝尔化学奖得主斯莫利教授认为，纳米碳管将是未来最佳纤维的首选材料，也将被广泛用于超微导线、超微开关以及纳米级电子线路等；1993年，继1989年美国斯坦福大学搬走原子团“写”下斯坦福大学英文、1990年美国国际商用机器公司在镍表面用36个氙原子排出“IBM”之后，中国科学院北京真空物理实验室自如地操纵原子成功写出“ 中国”二字，标志着中国开始在国际纳米科技领域占有一席之地；1997年，美国科学家首次成功地用单电子移动单电子，利用这种技术可望在2017年后研制成功速度和存贮容量比现在提高成千上万倍的量子计算机；1999年，巴西和美国科学家在进行纳米碳管实验时发明了世界上最小的“秤”，它能够称量十亿分之一克的物体，即相当于一个病毒的重量；此后不久，德国科学家研制出能称量单个原子重量的秤，打破了美国和巴西科学家联合创造的纪录；到1999年，纳米技术逐步走向市场，全年基于纳米产品的营业额达到500亿美元；2001年，一些国家纷纷制定相关战略或者计划，投入巨资抢占纳米技术战略高地。日本设立纳米材料研究中心，把纳米技术列入新5年科技基本计划的研发重点；德国专门建立纳米技术研究网；美国将纳米计划视为下一次工业革命的核心，美国政府部门将纳米科技基础研究方面的投资从1997年的1.16亿美元增加到2001年的4.97亿美元。中国也将纳米科技列为中国的“973计划”，其间涌出了像“安然纳米”等一系列以纳米科技为代表的高科技企业。1.3.4 纳米科技的研究领域（1）纳米材料

当物质到纳米尺度以后，大约是在0.1—100纳米这个范围空间，物质的性能就会发生突变，出现特殊性能。这种既具不同于原来组成的原子、分子，也不同于宏观的物质的特殊性能构成的材料，即为纳米材料。（2）纳米动力学

主要是微机械和微电机，或总称为微型电动机械系统（MEMS),用于有传动机械的微型传感器和执行器、光纤通讯系统，特种电子设备、医疗和诊断仪器等.用的是一种类似于集成电器设计和制造的新工艺。特点是部件很小，刻蚀的深度往往要求数十至数百微米，而宽度误差很小。这种工艺还可用于制作三相电动机，用于超快速离心机或陀螺仪等。在研究方面还要相应地检测准原子尺度的微变形和微摩擦等。虽然它们目前尚未真正进入纳米尺度，但有很大的潜在科学价值和经济价值。理论上讲：可以使微电机和检测技术达到纳米数量级。(3)纳米生物学和纳米药物学

如在云母表面用纳米微粒度的胶体金固定DNA的粒子，在二氧化硅表面的叉指形电极做生物分子间互作用的试验，磷脂和脂肪酸双层平面生物膜，DNA的精细结构等。有了纳米技术，还可用自组装方法在细胞内放入零件或组件使构成新的材料。新的药物，即使是微米粒子的细粉，也大约有半数不溶于水；但如粒子为纳米尺度（即超微粒子），则可溶于水。纳米生物学发展到一定技术时，可以用纳米材料制成具有识别能力的纳米生物细胞，并可以吸收癌细胞的生物医药，注入人体内，可以用于定向杀癌细胞。(4)纳米电子学

包括基于量子效应的纳米电子器件、纳米结构的光/电性质、纳米电子材料的表征，以及原子操纵和原子组装等。当前电子技术的趋势要求器件和系统更小、更快、更冷，更小，是指响应速度要快。更冷是指单个器件的功耗要小。但是更小并非没有限度。纳米技术是建设者的最后疆界，它的影响将是巨大的。第二章纳米材料的基本概念 2.1分类

（1）按维数，纳米材料的基本单元可以分为：

零维：纳米颗粒(nanoparticle)、原子团簇（atom cluster）一维：纳米线(nanowire)、纳米棒(nanorod)、纳米管(nanotube)；二维：超薄膜(thin film)、纳米片、超晶格(superlattice)(2)按化学组成：纳米金属、纳米陶瓷、纳米高分子、纳米复合材料等。(3)按物性：纳米半导体、纳米磁性材料、纳米光学材、纳米铁电材料等等。2.2 纳米材料发展史

1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。

1959年12月29日理查德•费曼（Richard Feynman）在美国物理学会会议上做了题为“在底部有很多空间”的演讲。虽然没有使用“纳米”这个词，但他实际上介绍了纳米技术的基本概念。

到了20世纪60年代人们开始对分立的纳米粒子进行研究。1963年，Uyeda用气体蒸发冷凝法制的了金属纳米微粒，并对其进行了电镜和电子衍射研究。1984年德国萨尔兰大学（Saarland University)的Gleiter以及美国阿贡实验室的Siegal相继成功地制得了纯物质的纳米细粉。Gleiter在高真空的条件下将粒子直径为6nm的铁粒子原位加压成形，烧结得到了纳米微晶体块，从而使得纳米材料的研究进入了一个新阶段。

1974年日本教授谷口纪男（Norio Taniguchi）在一篇题为：“论纳米技术的基本概念“的科技论文中给出了新的名词——纳米（Nano）。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience&Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。

第三章纳米材料的结构特性与表征 3.1结构特性

一般在宏观领域中，某种物质固体的理化特性与该固体的尺度大小无关。当物质颗粒小于100 nm时，物质本身的许多固有特性均发生质的变化。这种现象称为“纳米效应”。纳米材料具有三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

3.1.1表面效应纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径降到1 nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。

3.1.2小尺寸效应由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，比表面积增加，从而产生一系列新奇的性质：

1)特殊的光学性质：纳米金属的光吸收性显著增强。粒度越小，光反射率越低。所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑。金属超微颗粒对光的反射率通常可低于l％，约几微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金属材料在接近纳米尺度时，出现反光现象。纳米TiO2、纳米SiO2、纳米Al2O3等对大气中紫外光很强的吸收性。2)热学性质的改变：固态物质超细微化后其熔点显著降低。当颗粒小于10 nm量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064C℃，当颗粒尺寸减小到2 nm尺寸时的熔点仅为327℃左右；银的常规熔点为670℃，而超微银颗粒的熔点可低于100℃。

3)特殊的磁学性质：小尺寸的超微颗粒磁性与大块材料显著的不同，大块的纯铁矫顽力约为80A／m，而当颗粒尺寸减小到20 nm以下时，其矫顽力可增加1千倍，当颗粒尺寸约小于6 nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特性，已做成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁卡等。利用超顺磁性，人们已将磁性超微颗粒制成用途广泛的磁性液体。

4)特殊的力学性质：纳米材料的强度、硬度和韧性明显提高。纳米铜的强度比常态提高5倍；纳米金属比常态金属硬3～5倍。纳米陶瓷材料具有良好的韧性，因为纳米材料具有大的界面，界面的原子排列相当混乱，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性。氟化钙纳米材料在室温下可以大幅度弯曲而不断裂。

3.1.3宏观量子隧道效应对超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。当热能、电场能或者磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。例如，导电的金属在超微颗粒时可以变成绝缘体，比热亦会反常变化，光谱线会产生向短波长方向的移动，这就是量子尺寸效应的宏观表现。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，它们可以穿越宏观系统的势垒而产生变化，称之为宏观量子隧道效应。这一效应与量子尺寸效应，确立了现存微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步微型化时必须要考虑上述的量子效应。3.2纳米结构的检测与表征扫描隧道显微镜 scanning tunneling microscope 缩写为STM。它作为一种扫描探针显微术工具，扫描隧道显微镜可以让科学家观察和定位单个原子，它具有比它的同类原子力显微镜更加高的分辨率。此外，扫描隧道显微镜在低温下（4K）可以利用探针尖端精确操纵原子，因此它在纳米科技既是重要的测量工具又是加工工具。

STM使人类第一次能够实时地观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为有关的物化性质，在表面科学、材料科学、生命科学等领域的研究中有着重大的意义和广泛的应用前景，被国际科学界公认为20世纪80年代世界十大科技成就之一。(1)优越性

①具有原子级高分辨率，STM 在平行于样品表面方向上的分辨率分别可达0.1埃，即可以分辨出单个原子。

②可实时得到实空间中样品表面的三维图像，可用于具有周期性或不具备周期性的表面结构的研究，这种可实时观察的性能可用于表面扩散等动态过程的研究。

③可以观察单个原子层的局部表面结构，而不是对体相或整个表面的平均性质，因而可直接观察到表面缺陷。表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附体引起的表面重构等。

④可在真空、大气、常温等不同环境下工作，样品甚至可浸在水和其他溶液中不需要特别的制样技术并且探测过程对样品无损伤．这些特点特别适用于研究生物样品和在不同实验条件下对样品表面的评价，例如对于多相催化机理、超一身地创、电化学反应过程中电极表面变化的监测等。

⑤ 配合扫描隧道谱（STS）可以得到有关表面电子结构的信息，例如表面不同层次的态密度。表面电子阱、电荷密度波、表面势垒的变化和能隙结构等。⑥利用STM针尖，可实现对原子和分子的移动和操纵，这为纳米科技的全面发展奠定了基础。(2)局限性

尽管STM有着EM、FIM等仪器所不能比拟的诸多优点，但由于仪器本身的工作方式所造成的局限性也是显而易见的。这主要表现在以下两个方面

①STM的恒电流工作模式下，有时它对样品表面微粒之间的某些沟槽不能够准确探测，与此相关的分辨率较差。在恒高度工作方式下，从原理上这种局限性会有所改善。但只有采用非常尖锐的探针，其针尖半径应远小于粒子之间的距离，才能避免这种缺陷。在观测超细金属微粒扩散时，这一点显得尤为重要。②STM所观察的样品必须具有一定程度的导电性，对于半导体，观测的效果就差于导体；对于绝缘体则根本无法直接观察。如果在样品表面覆盖导电层，则由于导电层的粒度和均匀性等问题又限制了图像对真实表面的分辨率。宾尼等人1986年研制成功的AFM可以弥补STM这方面的不足[10]。

此外，在目前常用的（包括商品）STM仪器中，一般都没有配备FIM，因而针尖形状的不确定性往往会对仪器的分辨率和图像的认证与解释带来许多不确定因素。

第四章纳米材料的制备技术 4.1物理合成法

1)喷雾法喷雾法是将溶液通过各种物理手段雾化,再经物理、化学途径而转变为超细微粒子。

2)喷雾干燥法将金属盐溶液送入雾化器,由喷嘴高速喷入干燥室获得金属盐的微粒,收集后焙烧成超微粒子,如铁氧体的超微粒子可采用此种方法制备。3)喷雾热解法金属盐溶液经压缩空气由贲嘴喷出而雾化,喷雾后生成的液滴大小随着喷嘴而改变,液滴受热分解生成超微粒子。例如,将Mg(NO3)2-Al(NO3)3的水溶液与甲醇混合喷雾热解(T=800°C)合成镁铝尖晶石,产物粒径为几十纳米。等离子喷雾热解工艺是将相应溶液喷成雾状送入等离子体尾焰中,热解生成超细粉末。等离子体喷雾热解法制得的二氧化锆超细粉末分为两级:平均尺寸为20~50 nm的颗粒及平均尺寸为1 mm的球状颗粒。4.2化学合成法

1)等离子体制备纳米粉末技术等离子体作为物质存在的一种基本形态,由于在地球上很难自然存在,通常条件下,人们使电流通过气体,这样就可以使气体这个良好的绝缘体携带充分的电荷,从而形成“电击穿”,产生等离子体。带电的气体可以是氧化性气体、还原性气体和中性气体等。热等离子体作为高温气体具有高电导率、热导率,高粘度和高温度梯度,材料处于等离子体中,将迅速分解成自由原子、离子和电子,这种处于高激发态的物质通过“淬冷”导致具有独特性质的超细粉体和晶体的核化与生长。天然气加空气的燃烧产物与空气电弧加热器在不同的工作温度条件下加热效率的比较,电弧加热器的加热效率可几倍于用天然气的加热效率,这样就可以弥补电能与一次能源的差价。

2)化学气相沉淀法一种或数种反应气体通过热、激光、等离子体等而发生化学反应析出超微粉的方法,叫做化学气相沉积法。由于气相中的粒子成核及生长的空间增大,制得的产物粒子细,形貌均一,交具有良好的单分散度,而制备常常在封闭容器中进行,保证了粒子具有更高的纯度。CVD技术更多的应用于陶瓷超微粉的制备,如AlN,SiN,SiC,其中源材料为气体或易于气化,沸点低的金属化合物。

3)共沉淀法在含有多种阳离子的溶液中加入沉淀剂,使金属离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。共沉淀法可制备BaTiO3、PbTiO3等PZT系电子陶瓷及ZrO2等粉体。以CrO2为晶种的草酸沉淀法,制备了La、Ca、Co、Cr掺杂氧化物及掺杂BaT-iO3等。以Ni(NO3)2·6H2O溶液为原料、乙二胺为络合剂,NaOH为沉淀剂,制得Ni(OH)2超微粉,经热处理后得到NiO超微粉。

4)均匀沉淀法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,称为均匀沉淀法。本法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。

5)溶剂热合成法用有机溶剂代替水作介质,采用类似水热合成的原理制备纳米微粉。非水溶剂代替水,不仅扩大了水热技术的应用范围,而且能够实现通常条件下无法实现的反应,包括制备具有亚稳态结构的材料。

6)溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法广泛应用于金属氧化物纳米粒子的制备。前驱物用金属醇盐或非醇盐均可。方法实质是前驱物在一定条件下水解成溶胶,再制成凝胶,经干燥纳米材料热处理后制得所需纳米粒子。第五章纳米固体材料的结构和性能（略）5.1结构特点

结构特点：小晶粒＋大界面界面特点：（1）量大（对于5—10nm的固体结构，组成晶界的原子高达15—50％）；（2）原子排列具有变化性、多样性；（3）低能组态：晶界原子在压制时具有足够的移动性调整自己处于低能状态。5.2性能与应用

（1）力学性能与应用：强度和硬度（Hall-Petch公式）；超塑性；（2）光学性能与应用：红外吸收；

第六章纳米材料的应用及前景 6.1应用领域

6.1.1军事国防领域：纳米卫星以及相关的纳米传感器可以灵敏地“感觉”水流、水温、水压等极细微的环境变化, 并及时反馈给中央控制系统, 最低限度地降低噪声、节约能源，其高科技成分的体现还在于它能根据水波的变化提前“察觉”来袭的敌方鱼雷, 使潜艇及时做规避机动;能用较低的辐射功率完成“智能武器”的敌我识别, 以免误伤自己。这其中有些优势恐怕是当今世界其他的侦查设备所望尘莫及的。

6.1.2环境保护领域：在燃煤中加入纳米级助燃催化剂, 可帮助煤充分燃烧, 提高能源利用率, 防止有害气体产生。研究表明, 纳米钛酸钴还可在发动机汽缸内发挥催化作用, 使汽油燃烧时不再产生及排放一氧化硫和氮氧化物, 使汽车尾气无需处理。此技术对我国船舶发动机有很好的应用前景。同时，纳米的净水装置也将为我们的生活提供非常大的便利，新型的纳米级净水剂具有很强的吸附能力, 是普通净水剂的10～ 20 倍。通过纳米孔径的过滤装置, 还能除去水中的细菌,使水分子、矿物质以及微量元素被保留下来, 处理后即可以饮用。

6.1.3医学生物领域：遗传学领域中，通过纳米技术先将DNA 染色体全部分解为单个基因,然后根据需要进行组装, 转基因整合成功率几乎可达100%。而在医疗过程中，纳米级别的诊断和治疗器件能够最大程度减少医疗器械堆对人体组织的损害，再比如纳米传感器能够哦探测早期癌细胞并传递药物，种种事实表明，纳米技术运用于医学遗传领域将有助于化解许多目前的问题，从而为人类做出巨大的贡献。

6.1.4纳米技术的运用——纳米材料。不仅是纳米技术有用处，更重要的是纳米技术能够被转化成实实在在的产品出现在我们每个人的身边，纳米材料就是很好的例子。许多科技新领域的突破迫切需要纳米材料和纳米科技支撑，传统产业的技术提升也急需纳米材料和技术的支持，可以肯定纳米材料和技术对许多领域都将产生极大的冲击和影响。如纳米粒子可以被用于创造新的光学薄膜和创造具有光、磁特性的新功能材料。磁性纳米粒子和量子点将可用于生产10倍于目前芯片存储容量、数百千兆赫速度的超小光盘驱动器。在纳米材料与加工方面，科学家将通过控制纳米晶体、纳米薄膜、纳米粒子和碳纳米管等创造新的功能结构材料，开发超轻、超强结构材料，开发长寿命材料、支撑能量转换的材料和具有新功能的电子材料。另外一个纳米材料的发展方向便是成为化学和能源转化工艺方面具有高度选择性和有效性的催化剂。这不仅对能源和化学生产非常重要，而且从能源转换和环境保护角度上看极具经济价值。

6.1.5其他方面：包括纳米电子学、纳米光电子学、纳米磁学，纳米科技都具有很大的应用价值。6.2发展前景

纳米微粒防菌保洁涂层材料、纳米微粒陶瓷、纳米磁性材料、纳米光学材料、纳米电子材料、纳米敏感材料、纳米生物医学材料、纳米储能材料、纳米隐身材料等等。近年来具有奇异优越性能的纳米材料纷纷出现，为纳米技术进入各行各业、千家万户开辟了广阔前景。目前，全世界以纳米材料为主体的纳米技术产业正方兴未艾，蓬勃兴起。欧盟委员会在1995年进行的一项研究中，预计l0年内纳米技术的开发将成为仅次于芯片制造的世界第二大制造业。

人们普遍认为，纳米技术将是21世纪新产品诞生的源泉，纳米技术会引起新一轮的产业革命，必将推动生产力的发展。人类的劳动力方式将彻底发生巨大变革。人类生活环境将得到空前的改善。由于作为生命基础的细胞中的核酸、蛋白质组织结构的作用基本上是发生在纳米尺度上，所以纳米技术实际上也正在或将要揭示生命自组织过程的秘密，从而开辟了人工干预控制生命自组织过程和使人工自然物质结构具备生命自组织的道路。

美国国家癌症研究所的负责人理查德·克劳斯内指出，纳米科学的发展使未来医疗技术取得革命性的突破，例如可以通过移植微型的传感器来监控发出癌变信号的分子，医生可以应用尺寸比人体红细胞还小的纳米机器人直接打通脑血栓，清洁心脏动脉脂肪沉积物，也可以通过把多种功能的纳米微型机器人注入血管内，许多疑难病症将得到解决。例如还可以制造“生物导弹”在包敷蛋白的磁性三氧化二铁纳米微粒表面携带药物注射进入人体血管，通过磁场导航输运到病变部位释放药物，可减少肝、脾、肾等由于药物产生的副作用。由于纳米技术能使常规材料呈现出非常规物理特性，显示出巨大的市场应用和开发价值，一些发达国家都投人大量的资金进行研究工作。

通过纳米技术改造传统产品的性能并不见得非常昂贵，往往价格略有上升，但性能却要好得多，这意味着这样的产品更具有市场竞争力。钱学森曾预言“纳米左右和纳米以下的结构将是下阶段科技发展的重点，会是一次技术革命。从而将引起2l世纪又一次产业革命。”

第二部分总结与学习心得

通过对该课程的学习，我获得了很多，不仅是在学识方面，而且在学习方法及人际交流方面也有感触。

首先，通过老师系统地详细地介绍，我们学习了有关纳米材料的相关知识。了解了纳米、纳米材料以及纳米科技的定义和分类；学习了纳米材料的结构特征和其表征方法，尤其详细介绍了STM的原理、应用和优缺点；还了解了纳米材料的丰富多样的制备方法。通过对纳米材料的了解，认识到它的重要性，我不禁憧憬起它进一步发展后的世界的新面貌。曾经的世界已经被日益发展的科学技术所改变，生活变的更加便利，生产变的更加高效。随着我们初步踏入纳米时代，身边的一切继续发生着翻天覆地的变化：很多电子器械越来越小，越来越精细；很多的新型纳米材料应运而生，改变了所制成产品的诸多性能，等等。那么，如果纳米科技能够再一次取得突破性的进展，必定将再次掀起新的工业革命，我们的生活质量也将再一次得到大幅度的提升。但是，目前的现状距离理想化的未来还有很长的一段路要走，很多技术还不成熟，很多应用都具有风险，这需要我们共同的努力，去创造一个更加美好的未来。

再者，这门课程不仅教会了我们知识，而且老师还为我们提供了很多相互学习交流的机会，和展开自己想象力，发挥创造力的平台。这使我再次意识到，在学习的同时，要善于利用发散性的思维，去挖掘更多有价值的信息，这将有利于我改善自己目前的学习方法。在轻松愉快的氛围中，我获得了知识，同时和老师以及同学们取得了相互的沟通和交流，这是一段美好的经历。

最后，感谢老师的授课和教导，感谢陪伴的同学们一同完成了纳米材料的学习历程。

第三部分参考文献

[1].张立德,牟季美.纳米材料和纳米结构[M].北京：科学出版社，2002 [2].张万忠,李万雄.纳米材料研究综述[J].湖北农学院学报,2003 [3].Ledenstoy N N,Crystalline growth characteristics,Mater Prog,1998, [4].王林等.纳米材料在一些领域的应用及其前景[J].纳米科技,2005 [5].王结良,梁国正.纳米制备新技术研究进展[J].河南化工,2003 [6].姚斌,丁炳哲.纳米材料制备研究[J].科学通报,1994

篇3：《新材料导论》教学探索

《新材料导论》首先要介绍材料科学的基本知识。因为是非材料专业的课程, 学生以前没有学过有关材料科学的知识。所以首先要打基础, 介绍一些有关材料科学的最基本的知识。包括材料发展的历史、材料的晶体结构、化学键、材料的晶体缺陷、原子的扩散、二元及多元相图及材料的结构与性能。当然这些内容不是全面详细地学习, 一是没有必要, 二是课时远远不够。教学的目的是学生对于材料有一个基本的认识就可以了。一开始通过对人类历史随着材料的发展而进步, 到现在这个社会, 新材料是构成这个新社会的基础。先进材料和先进材料工艺对国家的生活水平、安全及经济实力起着关键性的作用。先进材料是先进技术的奠基石。材料科学与工程对影响美国经济及国防力量的重要工业部门的兴旺发展是至关重要的。但是, 新材料和新材料技术能够切实充分发挥推动社会和科技进步的作用, 就不仅仅是材料科技工作者所能完成的, 开发和使用材料的能力是衡量社会技术水平和未来技术发展的尺度。开发新材料是材料科技工作者的任务, 但仅仅研制出具有优异性能的材料还远远不够, 只有当新材料被广泛应用, 才能真正发挥作用。因为, 合理选择和使用材料是所有工程的各个领域及其设计部门的任务, 而准确判断与资助优先发展方向又是政府的职能。所有这些, 都应建立在相关人员对材料的总体把握与正确认识的基础上。显然, 这就要求从所有工程领域的专业人员到政府官员都要对材料全貌有比较正确的了解。接着导入几个实例, 如神七、登月计划等都离不开材料的支撑, 飞船2/3的性能靠材料 (高温合金、高比强度、高比刚度结构材料) ;在2008年北京奥运会上, 美国游泳运动员菲尔普斯身穿“鲨鱼皮”泳衣获得8枚金牌, 创造了奥运会历史。通过这些知识的介绍提高学生的学习兴趣。对于材料的晶体结构、化学键、材料的晶体缺陷、原子的扩散、二元及多元相图等内容可以讲的简单一点。材料的性能是着重要讲的内容。这个世界之所以这么神奇, 在于各种材料性能的多样性。材料的性能包括使用性能和工艺性能, 使用性能主要包括力学性能、物理性能、化学性能等;工艺性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等。结合例子对各种性能加以解释, 以提高大家接受知识的兴趣。如钢铁、金刚石、玻璃等材料的硬度是如何区分的?为什么金刚石可以作为切割材料?还有银的电阻率最低, 铝的电阻率大, 为什么常用铝而很少用银来做导体?进而为接下来的超导材料的出现打好伏笔。

其次, 从材料物质性分类, 新材料涵盖的内容相当广泛, 它包括无机非金属材料、金属材料、高分子材料和复合材料;从材料功能性分类, 它包括电子材料、超导材料、纳米材料、磁性材料、光学材料、生物材料、各种功能转换材料, 如光电转换材料、热电材料等等。从材料的应用领域分类, 可分为信息材料、生物医用材料、能源材料、生态环境材料、航空航天材料等等。我们不能在有限的课时内将如此庞大的材料系统一一讲解给学生, 因此需要精心组织教学内容。由于材料科学是一个不断发展的科学领域, 随着现代信息技术及纳米科学的飞速发展, 促使材料科学以前所未有的速度向前发展, 新的理论、新材料的发现层出不穷。作为当代大学生, 应该了解材料科学的最新发展状况。在组织教学内容时, 多收集最新资料, 将热点问题带进课堂, 以激发学生学习兴趣。这就对教师要求较高, 要实时跟踪材料领域世界先进水平, 并且还要将这些热点进行剖析, 从理论和实践两个方面, 帮助学生去理解、分析其原理和意义。这些热点内容所涉及的原理一定要和该课程的教学大纲相适应, 让学生在兴趣中积极、主动地学习。比如近年来磁悬浮列车得到飞速发展, 大学生对超导磁悬浮有着浓厚的兴趣, 同时对这些领域所要用到的材料也有着特别的感情。鉴于此, 在教学内容中专门安排一节为超导材料。内容包括超导材料的发展、性能、分类、制备方法、应用以及未来超导材料的的发展趋势。通过实验录像, 展示磁悬浮的原理, 说明它的优越之处, 还有超导的其他应用, 如超导电缆、超导储能、超导托科马克等等。这样, 学生对所学内容产生的兴趣促使他们自觉地学习该课程内容, 并自发地组织课外小组进行专题讨论。通过学习该小节, 学生发现自己学习的知识对社会、对人们的生活竟有如此重要的作用, 这是以前没有想到的。因此组织这种教学内容, 大大促进了学生学习的积极性。

当然并非《新材料导论》教学大纲的内容都要面面俱到, 和我们日常生活接近的可以详细一点, 而另外较远的内容只需要简单提到就行了。我们做到松紧有序, 张弛有度。这样有利于学生对知识的接收。如光学材料、生物材料、各种功能转换材料就可以少讲一点, 而新型陶瓷是这门课程中重要的教学内容。新型陶瓷是在传统陶瓷的研究基础上发展起来的, 现已形成很多分支, 如电介质陶瓷、铁电陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、半导体陶瓷等等。

在整个学习过程中, 收集了大量的材料让学生翻阅, 同时也找了一部分多媒体课件, 加大知识面。让学生了解到尽可能多的材料科学前沿。另一方面, 又从生活出发, 寻找我们身边的新材料, 把我们学到的知识和我们的生活连接起来, 给大家不断创造惊喜。最后的课程考核方式, 我们选择的是论文形式, 学生们在论文中多次提到了学习这门课程的收获, 通过对各种数据的对比, 他们认识了一个新的材料世界。

摘要：必须采取合适的教学方法, 让学生通过《新材料导论》这门课程的学习, 既掌握相关的理论知识, 同时又学会将理论知识运用到实际的材料功能性分析之中。

篇4：纳米材料导论教案

关键词：专业导论；质量保障系统；教学实践；材料化学

中图分类号：G640　文献标识码：A　文章编号：1671-0568(2012)41-0035-03

一、引言

随着对大学新生开设专业导论课的背景、价值和目的日益充分的探讨，越来越多的学校开始重视专业导论课程的设立，任课教师也提出了许多教学改革方法和措施。专业导论课主要对本专业性质、学习内容、学习方法、课程设置及未来就业前景和领域进行介绍，目的是培养学生专业思想和兴趣，引导正确的学习方法，规划四年学习计划和未来就业。专业导论课程的授课质量将会影响本科生大学四年的学习质量，甚至外延到学生的职业生涯。课程教学质量是学校教学水平的具体体现，是教学评估的重要指标，建立课程教学质量保障体系是必要的。

材料化学专业(绿色电子材料方向)是教育部批准2009年开始招生的新专业。上海第二工业大学(以下简称“我校”)基于电子产品制造绿色化和从源头上解决废弃电子产品环境污染问题的行业背景，根据国家环境保护政策和企业需求开设了本专业。材料化学专业(绿色电子材料方向)培养掌握电子信息制造基础知识、材料化学专业知识和电子废弃物资源化技术，从事绿色电子材料设计与制备的专业技术人才，满足微电子及光电子材料与器件制造、电子原辅材料制备、电子废弃物处理等高新技术和环保产业需求。在新专业的培养方案中，大学一年级第一学期开设了“材料化学专业导论”课程。对于新专业建设，应当始终把教育评估的质量观贯穿于教学活动的每个环节。从2009年开始，我校制订和完善了教学大纲、教学进程表；自编了讲义，并制作多媒体课件；在教学内容、教学方法、教学手段等方面进行了探索，从课程目标、课程实施、课程管理和课程评价四方面初步建立了“材料化学专业导论”课程教学质量保障系统。

二、课程目标

材料化学专业导论课是大一新生最早接触到的一门和专业相关的必修课程，1学分，16学时。建立清晰、准确的课程目标是保证教学质量的首要前提。课程教学必须解答新生心中的三大困惑，即这个专业是“干什么”的?要“学什么”?毕业后自己能“做什么”?学生学完之后将对材料化学专业(绿色电子材料方向)有全面的了解，包括本专业在社会发展中与国民经济中的地位与作用；本专业涉及的科学技术研究内容与发展趋势；本专业的教学培养计划及课程设置；本专业学生的知识结构、能力结构与素质要求。从而使学生更明确大学四年学习目标与内容，掌握正确的学习方法，了解就业方向与领域。

三、课程实施

1.课程教学内容

材料化学专业导论课程教学内容涉及专业知识、思想教育、职业创业教育等方面的内容，要实现教育和教学双重目标。通过三部分材料化学专业知识的讲解，使学生首先了解这个专业是“干什么”的。第一部分从什么是材料、材料的分类、材料的用途、新材料入手，让学生有一个从感性到理性的认识过程；第二部分包括一级学科材料科学与工程的内容以及学科专业发展过程；第三部分先介绍传统的材料化学专业涵盖的内容，在材料化学专业框架下讲解材料化学专业(绿色电子材料方向)的设置背景、研究范畴、专业特点等。电子信息产业的迅猛发展带来的电子废弃物对环境的污染问题日益严重，欧盟相继出台了WEEE指令、RoHS指令来应对，电子废弃物的资源化以及电子产品的绿色设计与制造是解决问题的主要技术和方法，本专业的特点就是培养掌握这方面专业知识和技能的应用性人才。为了使学生更深入理解本专业在社会发展和国民经济中的重要性以及开设本专业的意义，在这一部分增加了电子材料概述、电子辅料概述，无公害电子制造技术的发展趋势三个模块的内容。

针对学生希望知道在我校这个专业能“学什么”，课程重点介绍了本专业培养方案，讲述专业学习的课程体系，也增加了本专业学生所能参加的技能考试所需的知识点。培养方案包括本专业对学生的基本要求、毕业生应获得的知识和能力、修学年限、毕业与学位的授予、四年课程安排和学分要求。对专业主干课程要学习的主要内容作一概括。针对公共课、专业基础课、专业课和实践课不同课程的特点，介绍学习这些课程的基本方法。材料化学专业(绿色电子材料方向)有着全新的课程体系，以四大化学(无机化学、有机化学、分析化学、物理化学)课程为基础，材料化学、材料物理、高分子材料、胶体与界面化学等课程为主，增开了电子信息材料、印制电路技术、电子化学品(电子原辅材料)、封装技术与材料等专业课，让学生较全面地了解电子信息产业和产业链；增加了废弃物资源化技术、电子产品和电子化学品中有毒有害物质和毒理学的专业必修课和选修课，让学生了解电子产品和电子化学品中有毒有害物质及其危害，以及资源化技术。增加了纳米材料、薄膜材料制备技术的专业课和绿色电子材料设计的实验课，让学生了解和掌握电子原辅材料绿色设计和制造技术与制备方法。增加的这些课程与材料化学专业的材料制备／合成、组成，结构、测试，表征、性能，应用的专业课程相互衔接，形成了独特的知识体系。

对于学生毕业后能“做什么”的问题，从几个方面来讲授。第一是材料类人才的现状和需求；第二是已开设环境工程(电子废弃物方向)专业、相关材料类专业的学校以及研究所的简介；第三，结合我校开设的职业生涯规划以及自主创业教育，为本专业学生明晰就业方向，树立正确的择业和就业观。

材料化学导论课程中还设计了专题讲座，包括欧盟WEEE指令、欧盟RoHS指令、PCB与绿色生产，通过听取专题报告学生对本专业进行更深层次的了解。

2.课程教学方法与手段

根据材料化学专业导论课的特点分析和教学内容可以看出本课程的教学难度并不大，因此在教学方法上可以实现多层次、多样化，避免单纯枯燥的讲解。在专题讲座中，邀请有经验的企业技术骨干作1～2个报告；以学生为中心，学生体验式教学，学生课后通过各种途径来查阅相关资料，并在课堂上相互交流成果，比如调研电子原辅材料企业、查找开设材料化学专业的学校等；实践环节方面安排学生参观我校的学生实验室以及各研究课题组的专业实验室，激发学生对科研的感觉。

利用多媒体课件与板书相结合的教学手段，教师通过精讲的方式促进学生对重点概念的理解。在课堂上采用讨论教学法，拟定能引起学生兴趣的、有启发性的讨论题目，结合学生课后自己查阅的资料开展讨论。在考核方式上采用期末考试与小论文相结合的方式进行。

四、课程管理与评价

1.课程管理

课程质量不仅受静态的课程资源要素的影响，也与课程管理对课程活动进程中的动态控制有关。材料化学专业导论课程教学质量保障系统包括教师工作的规范管理、学生学习的规范管理和施教过程规范管理。成立了材料化学专业导论课程教学团队，上好导论课不仅需要统观专业教学体系，还应通晓专业应用领域，同时还要对专业就业市场有一定的了解，因此，任课教师团队由系主任和两位教授组成。任课教师严格按照教学大纲制定教学进程表。教学大纲中明确了这门课程的性质与任务、课程基本要求、课程内容、教学时数分配，考核方式，教材。教学进程表是严格按照教学大纲分配一学期内16学时课程，每周1个课时的上课内容。所有相关本课程的教学文件每学期进行归档，由教务部门统一管理。学生学习规范包括有学习条件、学习任务、学习要求，有课后作业，接受诚信教育。教师在施教过程中必须遵守学校的一切教学管理规定。

2.课程评价

材料化学专业导论课程的教学评价包括学生评教，督导和同行评议。学生评教和督导听课由学校层面组织，并将结果反馈到学院；同行评议是由学院组织其他教师听课，结果由学院的学术委员会反馈给授课教师。此外，授课教师在课程学习期中和期末运用课堂调查了解学生的学习情况，以此构成今后改进教学的基础。

五、结语

篇5：先进材料导论

摘要：本文综述了有关填充型导电高分子复合材料的研究进展及其应用，重点介绍并比较了石墨烯/聚合物导电高分子复合材料的制备方法，讨论了石墨烯的功能化改性处理。

关键词：石墨烯；导电高分子；制备方法；改性

导电高分子复合材料自1977年被发现以来[1]，得到了科学家的广泛关注。导电高分子材料按自身结构和制备方法不同可分为结构型（本征型）和复合型两大类，其中复合型导电高分子材料因其制备工艺简便，性能优越，具有较强的实用性而受到工业界更为广泛的关注。目前制备导电高分子复合材料的填料主要有碳系材料和金属系材料两大类，碳系材料中的炭黑、石墨、碳纳米管多年来凭借其优异性能而得到广泛应用，近年来石墨烯凭借其优良的导电导热性能及优异的机械特性而得到更广泛的研究。本文对石墨烯导电高分子复合材料研究进展进行综述。1 石墨烯简介

自2004 年石墨烯（Graphene，Gr）被英国曼彻斯特大学两位科学家Andrew Geim和Konstantin Novoselov[2]用一种简单的胶带剥离方法首次制得后，石墨烯便成为科学家研究的新宠。

石墨烯是一种由单层碳原子紧密堆积排列具有二维蜂窝状结构的新材料[3]，厚度只有原子直径大小（约为0.35 nm），是目前世界上已知的最薄的二维材料[4]。在石墨烯中，相邻两个碳原子以共价键结合，每个碳原子发生sp2杂化，这使得每个碳原子剩余的p轨道上都有一个电子，这些电子之间相互作用，在石墨烯垂直平面上形成一个无穷大的离域大π键，在这个大π键中电子可自由移动，这就使得石墨烯电导率能高达到106 s/m[5]。石墨烯独特的结构特征，使其在能源电池[6~8]、电容导体[9~11]、传感原器件[12]、吸波材料[13]、防腐材料[14]等领域有十分广泛的应用前景。以石墨烯为填料可大大改善聚合物的导电、导热及力学性能。

目前，制备石墨烯的方法主要有化学还原法及物理剥离法。物理剥离法是通过超声剥离等机械手段对石墨进行剥离以得到片层石墨烯。化学还原法中应用比较广泛的是利用Hummers 法：先将石墨氧化成氧化石墨（GO），然后将GO通过还原剂（如水合肼、硼氢化钠等）还原成Gr。除了以上较基本的两种

途径外，还有电泳沉淀法[15]、碳管转换法[16]等新颖的方法来制备高导电性能的石墨烯。石墨烯/聚合物导电复合材料的制备方法

制备石墨烯/聚合物导电复合材料最重要的是提高石墨烯在聚合物基体中的分散程度，这是因为石墨烯的比表面积很大，片层之间较强的范德华力使得其极易团聚[17]。所以通常要采用机械搅拌、超声分离和加入表面活性剂对石墨烯表面进行修饰等方法来提高石墨烯在聚合物基体中的分散性。从石墨烯与聚合物基体的相互作用的本质上来看，上述方法可分为物理混合和化学复合两类。本文中主要介绍熔融共混法、溶液共混法、原位聚合法、原位还原法以及聚合物插层法。2.1 熔融共混法

熔融共混法通常是将GO经过剥离及还原制成Gr，然后将Gr加入到粘流状态的聚合物基体中，通过密炼、挤出、注塑和吹塑成型制得复合材料。

洪江彬等[18]以聚碳酸酯（PC）为基体材料，采用熔融共混法制备了Gr微片/PC、炭黑/PC、Gr微片母料/PC导电复合材料，并研究不同导电填料对导电性能的影响。结果表明，通过控制加工工艺可以有效避免Gr微片结构在熔融加工过程中的破坏，使得Gr能均匀分散在基体中，同时复合材料电导率能达到1.2×10−4 s/cm，Gr微片母料导电复合材料渗滤阀值约为3%（体积分数）。

Ya n 等[19]将体积分数为1.38%的石墨烯和聚苯胺12（PA12）熔融共混，成功制得高导电性的Gr/PA12二元纳米复合材料，纯PA12材料的电导率为2.8×10−14s/m，研究表明Gr/PA12复合材料的电导率迅速增加到6.7×10−2s/m，同时其渗滤阀值仅为0.3%（体积分数）。

熔融共混法要使各组分混合均匀，复合体系就必须进行混合，但如果混合温度过高就会破坏Gr填料在体系中的分布、结构及取向，从而影响复合材料的导电性能，所以必须严格控制混合工艺的条件。同时为了保持导电复合材料的结构完整，在挤出时受应力要足够小，剪切速度要尽可能低，因此使用熔融共混法时选择合适的混炼工艺是十分重要的。2.2 溶液共混法

溶液共混法通常是将Gr稳定的分散在有机溶剂中，然后将聚合物基体加入到G r 分散液中；也有将聚合物基体分散于有机溶剂中，再向分散液中加入

Gr。再通过机械搅拌、超声分散以及冷冻干燥等技术制得Gr/聚合物导电复合材料。一般来说，采用溶液共混法制得的导电复合材料的导电性要比采用熔融共混法制得的材料高。相比较熔融共混法，溶液共混法通过机械搅拌或超声分散等一些物理手段能将石墨烯更均匀地分散于聚合物基体中。

Ahmed S Wajid 等[20]通过将聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）分别溶于乙醇、甲醇、二甲基甲酰胺、二甲亚砜中，然后将膨胀石墨加入到PVP溶液中，室温下通过超声处理直接将膨胀石墨剥离成片层Gr，通过离心、冷冻干燥处理验证了PVP的存在有利于石墨烯在溶剂中的分散，同时对G r/PVP复合材料的导电性能进行分析，发现Gr体积分数为0.27%时电导率比纯PVP材料提升了7个数量级。

Pang 等[21]在200℃ 下制备溶剂为水/乙醇具有隔离结构的G r/超高分子量聚乙烯纳米复合材料，其电导率从10−8s/m（G r体积分数为0.06%）增加到0.076 s/m（Gr体积分数为0.15%），渗滤阀值仅为0.070%（体积分数）。2.3 原位聚合法

所谓原位聚合法就是将Gr与聚合物单体混合，然后通过加入引发剂等方法使单体聚合，最后制得Gr/聚合物复合材料。这种方法可以较为显著地增强Gr与基体之间的相互作用，对电导率的提高有一定的作用。原位聚合法可一定程度上在Gr和聚合物基体间引入化学键，这些化学键的引入对导电复合材料的导电、导热及机械性能都是有帮助的。

Sumanta等[22]以过硫酸铵（APS）为引发剂，将聚吡咯（PPy）和聚苯胺（PAIN）单体加入到Gr/改性Gr分散液中进行聚合反应，制得Gr（改性Gr）/ PPy复合材料，以及Gr（改性Gr）/PAIN复合材料，其中采用了十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）对Gr进行改性。通过对这两类复合材料的导电性能测试发现改性Gr/PAIN的电导率达到了8.12 s/cm，大于聚苯乙烯磺酸钠（PSS）改性Gr/PAIN的电导率（其值为4.96 s/cm）[23]。通过以上可看出通过原位聚合法制备Gr/聚合物复合材料过程中加入的表面活性剂不同对复合材料的导电性能有较大影响。2.4 原位还原法

原位还原法实际上是利用GO易分散于溶剂中的性能，先将分散于溶剂中的GO加到聚合物基体分散液中，通过充分的搅拌、超声振荡等手段将GO与

聚合物基体充分混合均匀，然后加入还原剂（如水合肼）对GO进行充分还原，将反应产物进行干燥即得到Gr/聚合物复合材料。这与前三种方法相比，此法能将Gr均匀地分散于基体中，因此研究较为广泛。

Long等[24]将GO吸附在聚苯乙烯（PS）表面，制成GO/PS微球，再用维生素C对微球上GO进行还原处理，最后在200℃将Gr/PS热压成型制得所需的复合材料。通过对复合材料的导电性能进行测试发现电导率达到了20.5s/m，渗滤阀值仅为0.08%（体积分数）。

Vi e t 等[25]将G O 与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）乳液混合均匀，在80℃下加入水合肼对GO还原处理3 h 制得Gr/PMMA聚合物，通过研究发现在Gr含量为2.7%（体积分数）时电导率达到64s/m，渗滤阀值为0.18%（体积分数）。

原位还原法的缺点就是GO的还原程度问题，其中还原剂的选择、还原温度及还原时间的设定都会对复合材料的导电性能产生较大的影响。现在较常用还原剂主要是水合肼、硼氢化钠等，其他一些如维生素C[26]、L-抗坏血酸[27]等也相继被研究使用。2.5 聚合物插层法

聚合物插层法是指通过机械剪切力或溶剂作用将聚合物分子插入到Gr片层中去，从而得到Gr/聚合物复合材料。通过这种方法制得的复合材料中聚合物分子与Gr之间的相互作用更加显著，因次通过此法能更加提升材料的各方面性能。

Stankovich等[28]先用异氰酸苯酯对GO进行改性处理，将处理后的GO与PS在极性非质子溶剂二甲基甲酰胺（DMF）中进行超声混合处理，并用水合肼进行化学还原，然后将所得样品烘干并热压成型，制得Gr/PS导电复合材料。通过研究发现Gr的加入使复合材料的导电导热性能明显增强，其导电性能与碳纳米管复合材料相当，复合材料的渗滤阀值为0.1%（体积分数），导电率能达到0.1～1s/m。Ramanathan等[29]将片层Gr分别插层填充入PMMA、聚丙烯晴（PAN）两种基体中制得导电复合材料，结果表明复合材料的导电性能得到显著的增强。石墨烯的功能化改性处理

在制备石墨烯/ 聚合物导电复合材料的过程中都会涉及到一个重要的问题，就是石墨烯与聚合物基体和溶剂的相容性。由于石墨烯片层间较强的范德华力使得其十分容易团聚，同时结构相对完整的石墨烯化学稳定性高，与其他介质的相互作用弱，因此纯石墨烯在有机溶剂或是聚合物基体中的分散性差，这就导致复合材料的导电性较低。为了提高其分散性，必须对石墨烯进行有效的功能化改性，引入一些特定的官能团，这样不仅可以提高石墨烯的分散性，同时引入的官能团还能赋予石墨烯一些其他的性质，拓宽了其应用领域。对石墨烯进行功能化改性处理的方法有两种：共价键改性和非共价键改性。非共价键改性依赖于π-π 相互作用、氢键等分子间较弱的相互作用力，易被破坏。而共价键改性引入化学键，不易被破坏，因此得到更广泛的研究。3.1 共价键改性石墨烯

石墨烯的共价键功能化改性主要是通过石墨烯或石墨烯衍生物（如GO）进行多种化学反应，将有机高分子或小分子基团通过共价键与石墨烯片层相连接。根据合成前驱体的种类，共价键改性可分为GO的共价键修饰和非GO的共价键修饰。根据合成方法的不同可分为向石墨烯接枝法（graft-onto）和从石墨烯接枝法（graft-from）。3.1.1 氧化石墨烯的共价键修饰

通过Hummers法制备GO引入各种含氧官能团，并且可以通过其他化学反应将这些含氧官能团转化为多种其他官能团，从而可以达到石墨烯与聚合物基体的成功复合。Wa n g 等[30]通过GO上环氧官能团的开环反应，用十八胺（ODA）对石墨烯单片层进行修饰，修饰后的石墨烯能稳定地分散在有机溶剂中，同时石墨烯的性质未发生改变。

在GO的共价键修饰中，向石墨烯接枝法（graft-onto）和从石墨烯接枝法（graft-from）这两种方法是较常见的。前者首先合成末端带有高活性官能团的高分子链，然后通过偶联反应直接接枝到GO上，Salavagione等[31]通过酯化反应将聚乙烯醇（PVA）与氧化石墨烯边缘的羟基相连接，发现PVA的规整度对偶联反应的活性是有影响的，并且讨论了该复合材料的热稳定性及结晶性。Xu等[32]采用原位聚合法制备石墨烯/尼龙-6（PA6）复合材料，在发生原位聚合反应的过程中，聚合物与GO羧基官能团发生偶联作用，同时改性GO的还

原也在进行中，通过研究发现PA6的接枝含量达到78%（质量分数）时，改性的石墨烯能稳定分散在PA6中。

向石墨烯接枝法的优点是接枝之前可对聚合物结构进行充分的表征，对接枝聚合物的结构能够精确可控。缺点主要是反应条件苛刻以及由于位阻效应导致的石墨烯表面接枝率低。

而从石墨烯接枝法（graft-from）则是在GO上引入所需要的可进一步修饰的官能团，通

过对这些官能团的修饰，再从GO上原位引发聚合。Shen等[33]首次采用原位自由基共聚的方法制备了具有双亲性聚合物功能化的石墨烯。他们首先通过化学氧化及超声分离制备GO分散液，然后用硼氢化钠还原GO制备结构相对较完整的石墨烯。接下来，在自由基引发剂过氧化二苯甲酰（BPO）作用下，采用丙烯酰胺和苯乙烯与石墨烯进行化学共聚反应，获得聚苯乙烯-b-聚丙烯酰胺（PS-b-PAM）嵌段共聚物改性的石墨烯。因为聚苯乙烯和聚丙烯酰胺分别在极性溶剂和非极性溶剂中具有良好的溶解性，使得改性石墨烯既能分散于水中，也能分散于二甲苯中，该方法很好的改善了石墨烯在溶剂中的分散性。3.1.2 非氧化石墨烯的共价键修饰

GO以及由其还原制备的石墨烯的导电性都是远小于完整的石墨烯，因此需要选择新的制备方法来获得导电性好且可加工的石墨烯复合材料。通过非氧化还原法能得到表面少缺陷或无缺陷的非氧化石墨烯（制备过程未经过氧化还原过程）。与氧化还原法制备的石墨烯相比，这种石墨烯表面晶格完整，具有较高的导电性能。

非氧化石墨烯获得的最常用方法是直接剥离法。Hamilton等[34]将高定向热解石墨（HOPG）在邻二氯苯（ODCB）中进行超声离心处理，得到在有机溶剂中分散良好的石墨烯，通过研究发现石墨烯溶度可以达到0.03mg/mL，得到的石墨烯平均厚度在7~10nm间，其中最薄的小于1nm，其宽度在100~500nm间，得到片层石墨烯即可对其表面进行非氧化的共价键修饰。3.2 非共价键改性石墨烯

非共价键功能化改性是指利用π-π相互作用、物理共混、氢键及离子键等非共价键相互作用，促使修饰分子对石墨烯表面进行功能化改性，形成稳定的

分散体系的改性方法。非共价键的功能化改性常常应用于制备石墨烯与其他物质的杂化体系中，例如与聚合物、金属、DNA和氧化物等。

Dreyer等[35]利用异氰酸酯改性GO，分散在PS中，还原后得到石墨烯/PS导电复合材料，研究发现在添加1%（体积分数）石墨烯时，常温下PS的电导率能达到0.1s/m。同时石墨烯的加入降低了PS的渗滤阀值。Li等[36]利用有大π共轭结构的聚乙炔类高分子PmPV与石墨烯间产生π-π相互作用，制备了PmPV改性的石墨烯,在有机溶剂中有较好的分散性。Patil 等采用化学氧化的方法制备GO，加入新解螺旋的单链DNA，然后用肼类还原，利用DNA与石墨烯间的氢键及静电作用，制备了天然高分子非共价键修饰的石墨烯。该复合材料水溶液的溶度可达到0.5~2.5 mg/mL,能稳定存在较长时间。4 石墨烯/聚合物导电复合材料的应用

导电高分子与石墨烯分别是具有一维与二维共轭结构的功能材料。导电高分子具有独特的光电性能与电化学性能，但其力学性能差，在去掺杂的状态下几乎不导电性。将石墨烯复合到导电高分子中能克服上述缺陷。因此，这类复合材料在催化，传感和能量转换与存储方面有着重要应用。本报告将总结导电高分子/石墨烯复合材料的制备与表征技术，并利用其制备气体与生物传感器，太阳能电池与燃料电池以及超级电容器。特别是基于导电高分子/石墨烯复合材料的超级电容器具有高的比电容，快速充放电性能和良好的电化学稳定性。石墨烯为导电高分子提供了原位生长基底，同时能有效地控制其微结构。两种材料的协同作用能提高其传感性能。

石墨烯/ 聚合物导电复合材料的电导率与其使用环境（如温度、湿度、气体浓度等）、填料浓度等相关，因此可将导电复合材料用作温度或浓度的敏感传感器。改变复合材料中石墨烯填料的浓度可以制备适用于任何条件下的高电流或温度传感器。

我国石墨矿资源丰富(约占世界储量的2/3)，如何对其进行高效利用是具有战略性意义的重大课题。由石墨制取石墨烯及石墨烯基宏观材料是实现其高效利用的有效途径。石墨烯即单原子层石墨，是2004 年才发现的新碳结构。从分子的角度看，石墨烯是一种二维大分子。石墨烯性能优异，是制备高强高模、高导电、高导热功能材料的新型构筑单元。然而，石墨烯的难溶及无序团聚等问题严重阻碍了其宏观有序材料的发展。针对这些问题我们做了一些研究工作。

主要是发展了功能化石墨烯方法，制得了高溶解性石墨烯和氧化石墨烯，发现了氧化石墨烯的液晶性，用液晶纺丝制备了连续的纯石墨烯纤维，用功能化石墨烯纺丝获得了连续的仿贝壳层状结构纤维。复合纤维强度高、韧性好、可导电、仿腐蚀能力强，应用面广。5 结语

石墨烯/ 聚合物导电复合材料在实际应用及理论研究中都有重大的意义，在某些领域石墨烯/ 聚合物导电复合材料扮演着更加重要的角色，但真正实现石墨烯/ 聚合物导电复合材料的工业化生产还需要解决一些问题：首先是改进复合材料的制备方法，改善石墨烯在聚合物基体中的分散状态，确定其在得到较好导电性能的同时降低其渗滤阀值，尽可能的使复合材料的导电导热性能及力学性能得到最优化的结合，对石墨烯进行化学改性能提高其在基体中的分散性，但改性剂对复合材料导电性能及力学性能有怎样的影响还需进行更深层次的研究。其次，石墨烯填料在导电高分子材料具体的导电机理如何，石墨烯与聚合物基体之间的相互作用机理等尚未有十分明确的解释，仍需进行大量的研究。6 致谢

感谢杨勇老师和付永胜老师的悉心教导，使我在先进材料导论这门课学习到了与自己研究领域不同的知识，获益匪浅。对于此次老师布置的作业，由于不是所学专业，所以自己的观点较少，更多的是借鉴与学习，希望老师您的理解。祝老师们身体健康，工作顺利。

参考文献

篇6：电子材料导论

1.电子材料在国民经济中有何作用？

电子材料处于材料科学与工程最前沿，它的质量与电子工业的经济效益有密切关系。一个国家的电子材料品种、数量和质量成了衡量该国科技、国民经济水平和国能材料防科力量的主要标志。

2.什么是结构材料、功能材料和先进材料？

a..能承受一定压力和重力，并能保持尺寸和大部分力学性质稳定的一类材料，称为结构（电子）材料。

b.功能（电子）材料指除强度性能外，还有其特殊功能，或能实现光、电、磁、热、力等不同形式的交互作用和转换的非结构材料。

c.先进（电子）材料指具有优异的性能的高科技产品，正在进行商业化或研究之中，并具有一定保密性。

从应用角度把电子材料分为结构电子材料和功能电子材料。按组成分为无机电子材料和有机电子材料。按物理性质分为导电材料、超导材料、半导体材料、绝缘材料、压电铁电材料、磁性材料、光电材料和敏感材料。按所制成元器件和集成电路的应用分微电子材料、电阻器材料、电容器材料、磁性材料、光电子材料、压电材料、电声材料等。

3.晶体有哪些特征？简述晶体与非晶体的异同。主要特征有：①有规则的外形②均匀性③解离性④固定的熔点⑤各向异性。这些特性都反应了晶体原子中排列具有对称性和周期性。

异同：非晶体的原子或离子、分子在空间的排列通常不具有周期性和对称性。

按组成晶体时原子间的作用力，将无机晶体分为离子晶体，共价晶体，金属晶体，分子晶体和氢键晶体等五类。

4.什么叫固溶体？它的类型有哪些？形成连续固溶体的条件有哪些？

固态条件下，在一种组分内溶解了其它组分而形成的均匀的晶态固体称固溶体。有替代型固溶体和间隙式固溶体两种。

连续固溶体条件：原子的尺寸和电负性相接近。

5.晶体中的缺陷及类型有哪些？

电缺陷：传到电子、空穴、极化子陷阱。

几何缺陷：电缺陷、线缺陷、面缺陷、微缺陷。6.简述有机材料的分类方法？

按碳骨架分类：开链化合物，碳环化合物，杂环化合物按有机分子所含官能团分类：……

7.什么是清洁表面与实际表面？

自然界中存在的表面称为实际表面；按其清洁程度分为：未清洁表面，清洁表面和真空清洁表面三种类型。

清洁表面指经过一番清洁处理以后的表面。

8.什么是晶粒晶界？大角度晶界有哪些常用模型？相界有那些类型。

单相多晶材料中，晶粒与晶粒间的过渡区称为晶粒晶界。

大角度常用模型：过冷液体模型和小岛模型。

系统内含有两个或两个以上的相，当处于热力学平衡时，不同相之间界面称相界。

分为：非共格相界，共格相界和准共格相界 9.简述X射线结构分析的基本远离和常用方法。

由于晶体中原子排列的对称性和周期性，对x射线来说，晶体是一种天然的光栅，所以，当x射线通过晶体时就会出现衍射现象，因而通过对衍射花样的研究和计算就可以获得晶体结构的各种参数。单晶衍射法（劳厄法）和粉末法

10.简述近代表面分析方法的基本原理和常用表面分析方法。用一定能量的某种射线或粒子束去激发固体表面后，将产生出带有表面信息的射线后粒子束进行能量分布的分析。

11.简述近代社会对电子材料有哪些要求？

①结构与功能相结合②智能化③减少污染④节省能源⑤长寿命和可控寿命 12.简述纳米材料的结构与性能的特性。

尺寸处于2~10nm，大概有一半以上原子位于表面、界面上。处于表面、界面上的原子具有较高的界面能，活动性强，原子的排列方式跟跟晶态和非晶态都有明显的不同，这种结构称为纳米结构。纳米材料中，表面、界面等缺陷占有很大比例，材料的尺寸与电子的德布罗意波长相当。纳米材料的特殊结构使其具有量子尺寸效应，表面界面效应，小尺寸效应和宏观量子隧道效应

14.什么是复合材料与梯度功能材料？

复合材料系由两种或两种以上的材料经过有关工艺过程组合之后形成的一种材料。梯度功能材料指由一种功能向另一种功能在空间和时间上连续变化的材料。

第二章

1.电导率与电导百分率的定义是什么？他们之间有何区别？电阻率的倒数为电导率，用来表示导体的导电度。电导率与国际标准软铜的电导率之比的百分率，称为百分电导率，单位为％。

导电材料是指电流容易通过的材料，常用作电极，电刷，电线等。

2.列出几种常用的金属导体材料，并写出电导率与百分电导率。

铜-镉合金：88％ 1/1.959 铜-硅合金：50% 1/3.448铜-铍合金：35% 1/4.926μ欧姆每厘米 3.在标准软铜中掺杂其他金属对导电率有何影响？

电导率将急剧下降

4.举例说明电极及电刷材料在电子元件中的应用。对电极材料的要求：①应具有优良的导电性能，体积电阻率要小②具有良好的化学稳定性和抗腐蚀性，不易氧化，并且对戒指材料的老化、催化作用要小③应具有良好的机械性能④密度小，热导率大⑤易于焊接具有适当的熔点和沸点⑥材料来源广泛，价格便宜电刷材料与电阻体匹配要求：①电刷与弹性材料应具有良好的弹性性能、化学稳定性和优良的机械性能，应具有良好的导电性导热性和无磁性②电刷与电阻体要有良好的匹配，接触电阻要小而稳定，磨损要小。

5.厚膜导电材料有何主要特征？影响其性能的因素有哪些？

厚膜导电材料应具有很低的电阻率，容易进行焊接，焊点有良好的机电完整性，与基片粘附牢固的特点。

影响因素是功能相和粘接剂的优劣。

厚膜导电材料对有机载体的要求：①应是化学惰性物质②能形成悬浮体③有适度的流变性④有适度的挥发性⑤粘接性能好 6.什么是玻璃键合、氧化物键合？分别描述其特征。

许多厚膜导电材料含有一般的玻璃，通过离子的相互渗透作用，使它与基片表面形成键合，加入氧化铋能改善导体膜与基片的键合强度，这种键合类型称为玻璃键合。

采用金属氧化物来代替玻璃，这种键合类型称为氧化物键合。

特征：玻璃键合结构包括金属密集的上层和玻璃密集的下层，玻璃占总体记得20%~30%，玻璃密起峰可穿透金属层面露出，因而玻璃键合导体膜表面有疵点。

氧化物键合表明，键合物质集中而且含量很少（<5%）金属层密集有利于导电。

7.对薄膜导体有哪些要求？列出几种常用的薄膜导体材料。

薄膜道题材料分为两类：单元素薄膜和多层薄膜。

要求：导电性好，附着性好，化学稳定性高和耐焊接性好，成本低。

常用材料：铅，镉-金薄膜，钛-金薄膜

8.导电聚合物按结构特征和导电机理分为哪几种类型？

①载流子为自由电子的电子导电聚合物②载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物③以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物

9.试述电子导电型聚合物中掺杂剂，掺杂量跟其电导率之间的关系。加入掺杂剂的目的是为了在聚合物的空轨道中加入电子，或从占有轨道中拉出电子，进而改变现有的π电子能带的能级，出现能量层中的半充满能带，减小能带间的能量差，是自由电子或空穴迁移时阻碍减小，使得电导率增加了n个数量级。

第三章

1.衡量电阻材料电性能的主要参数有哪些？怎样定义的？

电阻率，与材料有关的常数，决定该材料是导体半导体还是绝缘体。

膜电阻Rs,指长宽相等的一块薄膜的电阻。

电阻温度系数R，表示温度每改变一度电阻值的相对变化量。

平均电阻温度系数Rj，指在一定温度范围内，温度改变一度时，电阻的平均相对变化量。

2.常用绕线电阻材料，薄膜电阻材料和厚膜电阻材料有哪些？各有何特点？绕线电阻材料主要指电阻合金线；主要有：锰铜线，特点是电阻稳定性好，电阻温度系数小，具有中等的电阻率和良好的电器性能

在绝缘体上用真空蒸发、化学沉积、热分解等方法制得的膜状电阻材料，其膜厚一般在1μm以下，称为薄膜电阻材料。常用有：碳膜，金属氧化物

厚膜电阻材料是用厚膜浆料通过丝网印刷，烧结在绝缘基体上，形成一层较厚的膜，这层膜具有电阻的特性，故称为厚膜电阻材料。

常用有：二氧化钌等，其化学性能稳定，不跟酸和酸的混合物起作用。

5.蒸发和溅射的金属和合金薄膜电阻材料，为什么常在真空或大气中进行热处理？其目的? 因为在高真空中热处理时，电阻温度系数会迅速增大，电阻值减小，而在大气中热处理时电阻系数变小，电阻值增加。目的是为了达到我们想要的电阻材料，使电阻具有可控性

6.厚膜电阻材料有哪些部分组成，烧结厚膜时为什么要分阶段进行？烧结的作用是什么? 主要由导电相，粘接相，有机载体和改性剂组成第四章

1.超导体的基本电磁特性有哪些？

一是电阻的消失，二是完全抗磁性，即迈斯纳效应。（B=0，M=—H，迈斯纳效应）2.高温超导的结构特征是什么？ ①它们都具有层状钙钛矿型结构，因而也保持了钙钛矿型结构的基本特点②分别由CuO6八面体，CuO5正四方锥，CuO4平面四边形组成的铜氧平面是氧化物超导体中所共有的，即存在二维Cu-O平面，这也是对超导电性至关重要的结构特征。③这些铜氧面叫做电荷库层，被一种电荷源层所隔离，通过化学掺杂，该隔离层能控制Cu-O面的荷电量④氧的含量和分布对氧化物超导体的结构和超导电性都具有重要影响。

5.高低温超导体的结构及性质的主要差异是什么？

6.传统的BCS超导理论的主要思想方法与结论有哪些？

BCS理论：超导电性源于固体重点子的配对，而电子配对的相互吸引作用源于电子和晶格的振动间相互作用，即交换虚声子；配对发生在自旋相反，动量为零的连个电子间，即动量凝聚。

第五章

1.半导体材料有哪几种类型？

无极半导体基体材料（包括元素半导体，化合物半导体，固溶体半导体），非晶态半导体，有机半导体（包括有机分子晶体，有机分子络合物，高分子聚合物）

2.电子的有效质量m*与电子的自由质量m。是否相同？为什么？

不相同。因为半导体中的电子除了受外力F作用外还收到半导体内部原子、电子的相互作用，电子运动状态的变化实际是半导体内部势场和外力作用的综合结果

3.在热平衡时，影响半导体载流子浓度积的因素是什么？只跟半导体材料本身和温度有关。跟杂质无关

4.阐述半导体的电阻率跟杂质浓度和温度的关系。注：半导体物理中哪个温度曲线图

5.什么叫非平衡载流子？

半导体器件内部的热平衡载流子，当其在电场或光照等外加条件下时，常常产生的另一种载流子即非平衡载流子。