纳米材料与纳米技术

第1章 绪论1

1.1 纳米材料与纳米技术发展历史1

1.1.1 纳米材料与纳米技术的诞生1

1.1.2 纳米材料与纳米技术的发展1

1.2 中国纳米材料与技术发展概况3

1.3 纳米材料热点领域的新进展6

1.3.1 纳米组装体系的设计和研究6

1.3.2 高性能纳米结构材料的合成7

1.3.3 纳米添加使传统材料改性7

1.3.4 纳米涂层材料的设计与合成7

1.3.5 纳米颗粒表面修饰和包覆的研究8

参考文献8

第2章 纳米材料9

2.1 纳米材料的分类9

2.1.1 纳米微粒9

2.1.2 纳米固体10

2.1.3 纳米组装体系11

2.2 纳米材料的性质11

2.2.1 纳米材料的表面效应12

2.2.2 纳米材料的小尺寸效应12

2.2.2.1 特殊的光学性质13

2.2.2.2 特殊的热学性质13

2.2.2.3 特殊的磁学性质14

2.2.2.4 特殊的力学性质14

2.2.2.5 电学性质14

2.2.3 纳米材料的宏观量子隧道效应14

2.3 纳米材料的团聚与分散15

2.3.1 纳米材料的团聚15

2.3.2 纳米颗粒在液体介质中的团聚机理16

2.3.3 纳米颗粒在气体介质中的团聚机理18

2.3.4 纳米颗粒的分散19

2.3.5 气体介质中纳米粉体分散技术与机理19

2.3.6 液体介质中纳米粉体分散技术与机理20

2.4 纳米颗粒表面修饰21

2.4.1 表面物理改性21

2.4.2 表面化学改性21

参考文献23

第3章 纳米粉体制备25

3.1 纳米粉体材料的物理法制备25

3.1.1 蒸发冷凝法25

3.1.1.1 电阻加热法26

3.1.1.2 高频感应法26

3.1.1.3 溅射法26

3.1.1.4 流动液面真空蒸镀法26

3.1.1.5 通电加热蒸发法27

3.1.1.6 混合等离子体法27

3.1.1.7 激光诱导化学气相沉积（LICVD）28

3.1.1.8 化学蒸发凝聚法（CVC）29

3.1.1.9 爆炸丝法29

3.1.2 机械合金化（MA）29

3.1.2.1 MA物理过程29

3.1.2.2 MA工艺过程30

3.1.2.3 MA工艺特点30

3.1.2.4 MA工艺的主要影响因素31

3.1.2.5 MA工艺中的理论研究33

3.2 纳米粉体材料的湿化学法制备37

3.2.1 液相中生成固相微粒的机理37

3.2.2 溶胶凝胶法（SolGel）39

3.2.2.1 溶胶凝胶技术的原理39

3.2.2.2 溶胶凝胶技术的前驱体分析40

3.2.2.3 溶胶凝胶技术的应用举例41

3.2.3 微乳液技术44

3.2.3.1 微乳反应器原理45

3.2.3.2 微乳反应器的形成及结构45

3.2.3.3 微乳液法的应用举例47

3.2.4 喷雾热分解（SP）法48

3.2.4.1 喷雾技术48

3.2.4.2 喷雾热分解合成步骤49

3.2.4.3 喷雾热分解应用举例51

3.2.5 水热法52

3.2.5.1 水热法原理及特点53

3.2.5.2 水热法的装置——高压釜54

3.2.5.3 水热法的分类54

3.2.5.4 水热法应用举例55

3.2.6 沉淀法56

3.2.6.1 沉淀法的原理56

3.2.6.2 沉淀法原料选择及溶液配制57

3.2.6.3 沉淀法的应用举例57

3.3 纳米粉体材料的湿声化学法制备59

3.3.1 湿声化学法简介59

3.3.2 湿声化学法工艺过程与特点60

3.3.3 湿声化学法的机理61

3.3.4 湿声化学法的应用举例61

3.3.4.1 PZT粉体合成61

3.3.4.2 SBT粉体合成61

参考文献62

第4章 一维纳米材料——纳米碳管67

4.1 纳米碳管的性质及其应用67

4.1.1 纳米碳管的结构67

4.1.2 纳米碳管的性质68

4.1.3 纳米碳管的应用69

4.1.3.1 纳米电子学方面69

4.1.3.2 复合材料领域70

4.1.3.3 能源方面71

4.1.3.4 医疗领域及生物工程71

4.1.3.5 化学领域72

4.2 纳米碳管的制备73

4.2.1 电弧法73

4.2.2 催化裂解法（CVD）74

4.2.3 激光蒸发法75

4.2.4 化学气相沉积法76

4.2.5 热解聚合物法76

参考文献77

第5章 纳米固体材料79

5.1 纳米固体材料的分类79

5.2 纳米固体材料的微结构及其特性81

5.2.1 类气态模型82

5.2.2 扩展结构82

5.2.3 短程有序82

5.2.4 界面缺陷态模型82

5.2.5 界面可变结构模型82

5.3 纳米陶瓷83

5.3.1 纳米陶瓷的性质与应用83

5.3.1.1 力学性能及应用83

5.3.1.2 电学性能及应用83

5.3.1.3 光学性能及应用83

5.3.1.4 磁学性能及应用84

5.3.1.5 催化性能及应用84

5.3.1.6 敏感性能及应用84

5.3.1.7 其他性能及应用84

5.3.2 纳米陶瓷的制备84

5.3.2.1 纳米陶瓷的成型84

5.3.2.2 纳米陶瓷的烧结85

5.4 纳米薄膜86

5.4.1 纳米薄膜的分类86

5.4.2 纳米薄膜的特性87

5.4.2.1 机械力学性能87

5.4.2.2 电磁学性能87

5.4.2.3 光学性能88

5.4.2.4 气敏特性88

5.4.3 纳米薄膜的制备88

5.4.3.1 薄膜的形成过程与影响因素88

5.4.3.2 纳米薄膜的制备技术简介89

5.4.4 纳米薄膜的研究进展93

5.4.4.1 纳米磁性膜93

5.4.4.2 纳米光学膜93

5.4.4.3 纳米气敏膜94

5.4.4.4 纳米润滑膜94

5.5 纳米复合材料94

5.5.1 纳米复合材料的分类95

5.5.1.1 按基体材料分类95

5.5.1.2 按纳米改性剂分类95

5.5.1.3 按制备方法分类95

5.5.2 纳米复合材料的性能与特点95

5.5.2.1 纳米复合材料的基本性能95

5.5.2.2 纳米复合材料的特殊性质96

5.5.3 纳米复合材料的制备方法96

5.5.4 纳米复合材料的研究举例98

5.5.4.1 高介电常数的聚合物基纳米复合电介质材料98

5.5.4.2 模板法合成含镧的层状无机有机纳米复合材料99

5.5.5 纳米固体材料的发展99

参考文献99

第6章 介孔材料103

6.1 介孔材料的分类及特性103

6.2 介孔材料的合成机理104

6.2.1 液晶模板机理104

6.2.2 棒状自组装模型106

6.2.3 电荷密度匹配机理106

6.2.4 协同作用机理106

6.2.5 层状折叠机理107

6.3 介孔材料的制备108

6.3.1 模板剂109

6.3.1.1 模板剂的作用109

6.3.1.2 模板剂的分类及发展110

6.3.1.3 模板剂的脱除111

6.3.2 无机介孔材料的制备112

6.3.3 无机有机杂化介孔材料的制备112

6.4 介孔材料的应用研究112

6.4.1 应用研究113

6.4.1.1 择形吸附与分离113

6.4.1.2 催化113

6.4.1.3 光催化反应113

6.4.1.4 在气体检测传感器方面的应用研究113

6.4.1.5 电容、电极、储氢材料114

6.4.1.6 信息储运114

6.4.2 有序介孔材料的应用领域114

6.4.2.1 化工领域114

6.4.2.2 生物医药领域115

6.4.2.3 环境和能源领域115

6.5 介孔材料研究热点及未来趋势116

参考文献116

第7章 纳米材料的表征120

7.1 粒度表征120

7.1.1 颗粒及颗粒粒度120

7.1.2 粒度分析的意义122

7.1.3 粒度分析方法122

7.1.3.1 显微镜法123

7.1.3.2 电镜观察粒度分析123

7.1.3.3 激光粒度分析123

7.1.3.4 沉降法124

7.1.3.5 X射线衍射线宽法125

7.1.3.6 粒度分析的新进展125

7.2 形貌表征125

7.3 成分分析127

7.4 热分析技术及宏观性质129

7.5 纳米测试技术的发展130

参考文献131

第8章 纳米材料与纳米技术的应用132

8.1 纳米技术在陶瓷领域方面的应用132

8.1.1 纳米技术在普通陶瓷中的应用132

8.1.2 纳米技术在特种陶瓷中的应用133

8.1.2.1 结构陶瓷中的应用133

8.1.2.2 功能陶瓷中的应用134

8.1.3 纳米技术在陶瓷应用中的问题135

8.2 纳米技术在陶瓷工业环保领域的应用136

8.2.1 纳米材料对大气污染的治理136

8.2.2 纳米材料对废水的治理137

8.2.3 纳米材料对噪声的治理138

8.3 纳米技术在微电子学上的应用与前景138

8.3.1 纳米技术在微电子学上的应用138

8.3.2 纳米技术在微电子学上的应用前景139

8.4 纳米材料在化工生产中的应用140

8.4.1 纳米材料在催化方面的应用140

8.4.2 纳米材料在涂料方面的应用140

8.4.3 纳米材料在其他精细化工方面的应用141

8.5 纳米技术在生物工程及医学上的应用141

8.5.1 纳米材料在生物学领域的应用142

8.5.2 纳米生物医学材料的应用142

8.5.3 纳米技术在临床诊断与检测中的应用143

8.5.4 纳米技术在临床治疗中的应用144

8.5.5 纳米技术在基础医学中的应用145

8.6 纳米技术在军事领域上的应用146

8.6.1 纳米电子技术在军事领域的应用146

8.6.1.1 纳米计算机系统147

8.6.1.2 纳米航天及航空技术147

8.6.1.3 微机电系统、“纳米武器”和“纳米军队”148

8.6.2 纳米技术将改变战争形态149

8.6.3 纳米技术在装备上的应用149

8.6.3.1 纳米技术将使发动机产生质的飞跃150

8.6.3.2 纳米技术在润滑油中的应用150

8.6.3.3 纳米技术在燃油上的应用150

8.6.3.4 纳米技术在车辆轮胎上的应用150

8.6.3.5 纳米技术改善车辆尾气150

8.6.3.6 未来纳米装备的轮廓素描151

8.7 纳米技术在其他领域上的应用151

8.7.1 纳米技术在光电领域的应用151

8.7.2 纳米技术在分子组装方面的应用152

8.7.3 纳米技术在能源方面的应用153

8.8 纳米材料与纳米技术的应用前景153

参考文献154

第9章 纳米材料的潜在危害157

参考文献158

《纳米材料与纳米技术》是高等学校教材。全书介绍了纳米材料的结构和性能以及制备方法，并讲述了纳米材料的应用和纳米材料与技术的新进展。《纳米材料与纳米技术》主要任务是使材料专业本科生对纳米材料有一个比较广泛的了解。通过本课程的学习可了解到纳米材料和技术的发展趋势，掌握纳米材料的基本知识和基本理论，包括纳米颗粒，纳米管线，纳米薄膜，纳米固体材料，纳米结构的概念、特点、性能和制备方法等。全书共分9章，第1章综述了纳米材料与纳米技术的发展历程；第2章讲述了纳米材料的分类、概念及其特性；第3章讲解了纳米粉体材料的制备技术及其特点；第4章到第6章分别介绍了一维纳米碳管、纳米固体材料、介孔材料的特点及其制备方法；第7章是纳米材料的分析表征技术；第8章叙述了纳米材料的应用；第9章为有关纳米材料的潜在危害。 《纳米材料与纳米技术》适合从事或有兴趣于纳米材料与纳米技术研究或教学的教师、研究生、本科生等人员阅读，另外，有些章节也可作为科普读物。

本书介绍了纳米材料的结构和性能以及制备方法，并讲述了纳米材料的应用和纳米材料与技术的新进展。全书共分9章，主要内容包括：绪论·纳米材料·纳米粉体制备·一维纳米材料——纳米碳管·纳米固体材料·介孔材料等。本书适合从事或有兴趣于纳米材料与纳米技术研究或教学的教师、研究生、本科生等人员阅读，另外，有些章节也可作为科普读物。