纳米材料技术

第1章 概述

1．1 纳米材料技术的发展历史

1．1．1 纳米材料技术的发展历程

1．1．2 纳米材料技术研究方法的转变

1．1．3 纳米科技在20世纪末的发展概况

1．2 纳米材料与结构的奇异特性

1．2．1 尺寸效应

l．2．2 表面与界面效应

1．2．3 体积效应

1．2．4 量子尺寸效应

1．2．5 宏观量子隧道效应

1．3 中国纳米科技研究概况与创新成果

1．3．1 中国纳米科技基金研究项目范畴

1．3．2 中国纳米材料技术研究取得的创新成果

1．4 纳米科技发展的特点及社会影响

1．4．1 纳米科技发展的特点

1．4．2 纳米科技发展的社会影响

1．5 纳米科学技术发展趋向

1．5．1 美国“国家纳米技术倡议”

1．5．2 美国221年投入与分配

. 1．5．3 中国纳米科技发展趋向

1．5．4 开发纳米技术产业的规模预测

1．5．5 需求牵引，市场驱动发展趋向

1．5．6 重点开发领域、应用方向与竞争态势

参考文献

第2章 纳米材料性质与显微组织表征

2．1 纳米材料性质

2．1．1 纳米粉体材料的性质

2．1．2 纳米固体材料的性质

2．2 纳米材料的显微组织表征

2．2．1 纳米粒子的表征

2．2．2 纳米材料化学成分表征

2．2．3 纳米材料表面分析

2．2．4 纳米材料热分析

2．2．5 高分辨电子显微镜（hrem）分析

参考文献

第3章 薄膜材料的性能表征

3．1 薄膜材料的力学性能

3．1．1 薄膜的附着性能——界面结合强度

3．1．2 薄膜的硬度

3．1．3 薄膜的弹性模量

3．1．4 薄膜韧性

3．1．5 薄膜强度

3．1．6 薄膜内应力及其测试方法

3．2 金属薄膜材料的电学性质

3．2．1 连续金属薄膜的导电性质

3．2．2 不连续金属薄膜的导电性质

3．3 介质薄膜的电学性质

3．3．1 介质薄膜的绝缘性能

3．3．2 介质薄膜的介电性能

3．3．3 介质薄膜的压电性质

3．3．4 介质薄膜的热释电性质

3．3．5 介质薄膜的铁电性质

3．4 半导体薄膜的性质

3．4．1 单晶半导体薄膜的性质

3．4．2 多晶半导体薄膜的性质

3．4．3 非晶半导体薄膜的性质

3．4．4 氧化物半导体薄膜的性质

3．5 特种新型薄膜材料的性能

3．5．1 超导薄膜的性能

3．5．2 磁性薄膜的性质

3．5．3 金刚石薄膜的性质

参考文献

……2100433B

纳米科学技术是20世纪末获得创新成果，21世纪初最具发展潜力的新兴学科。作为物质、技术基础的纳米材料技术，得到领先发展，处于核心地位，率先崭露头角，显现优异特性，得到世人关注和广为人知，成果卓著。本书在此背景下，依据收集国内外的最新成果和资料，运用理论联系实际的方法编写而成，是至今系统论述纳米材料技术的专著。旨在普及科学知识，促进科研、开发应用和提供高等院校师生参考。

内容包括概述、纳米材料性质与显微组织表征、薄膜材料的性能表征、纳米材料制备技术、纳米粉体材料、纳米薄膜与涂层材料、纳米晶材料、纳米复合材料、纳米电子材料和纳米材料技术的开发应用，共十章。全书内容新鲜、信息知识丰富，图文并茂。

第1章 绪论1

1.1 纳米科学技术的问世1

1.2 纳米科学技术引发的产业革命3

1.2.1 信息产业3

1.2.2 生物医药技术4

1.2.3 纳米材料使传统产业升级换代5

1.3 纳米科学技术的国际态势6

1.4 我国纳米科学技术的发展11

参考文献12

第2章 纳米材料的结构与性能14

2.1 纳米材料的特性及分类14

2.1.1 纳米材料的特性14

2.1.2 纳米材料的分类16

2.2 纳米微粒17

2.2.1 纳米微粒的结构与形貌17

2.2.2 纳米微粒的物理特性17

2.3 纳米碳材料30

2.3.1 C6030

2.3.2 纳米洋葱状富勒烯32

2.3.3 纳米碳管33

2.4 纳米晶体材料46

2.4.1 纳米晶体材料的结构47

2.4.2 纳米晶体材料的性能56

2.5 纳米复合材料62

2.5.1 纳米复合材料的分类62

2.5.2 纳米复合材料的性能64

参考文献70

第3章 纳米材料测试分析技术78

3.1 电子显微分析78

3.1.1 透射电子显微分析(TEM)78

3.1.2 扫描电子显微分析(SEM)102

3.1.3 X射线能谱仪(EDS)和波谱仪(WDS)107

3.1.4 电子能量损失谱(EELS)112

3.2 扫描隧道显微镜(STM)和原子力显微镜(AFM)117

3.2.1 扫描隧道显微镜117

3.2.2 原子力显微镜120

3.3 X射线衍射分析(XRD)122

3.3.1 X射线衍射原理123

3.3.2 X射线衍射分析方法(XRD)123

3.3.3 样品制备124

3.3.4 X射线衍射分析（XRD）在纳米材料研究中的应用124

3.4 光谱分析129

3.4.1 核磁共振谱129

3.4.2 红外（IR) 、激光拉曼光谱134

3.4.3 紫外（UV) 、可见（VIS）光谱分析139

3.4.4 穆斯堡尔谱分析143

3.4.5 原子光谱分析146

3.4.6 分子荧光光谱分析156

3.4.7 扩展X射线吸收精细结构谱分析158

3.5 能谱分析161

3.5.1 俄歇电子能谱分析（AES) 161

3.5.2 X射线光电子能谱分析(XPS)166

3.5.3 紫外光电子能谱分析(UPS)172

3.6 粒度分析173

3.6.1 粒度分析法173

3.6.2 粒度分析的样品制备174

3.6.3 粒度分析在纳米材料中的应用175

参考文献179

第4章 纳米材料的设计与计算181

4.1 新材料设计概述181

4.1.1 计算机模拟的发展181

4.1.2 纳米材料的分子模拟183

4.2 纳米材料设计与计算的原理与方法186

4.2.1 第一性原理方法186

4.2.2 分子力学方法188

4.2.3 分子动力学方法189

4.2.4 分子蒙特卡洛方法(Monte Carlo method,简称MC)190

4.2.5 实验数据的解析与模拟190

4.3 纳米材料微观结构、性能与分子模拟191

4.3.1 X射线衍射线形精炼方法及结构分析191

4.3.2 纳米结构的计算机模拟195

4.3.3 扩展X射线吸收精细结构(EXAFS)203

4.3.4 分子光谱的模拟204

4.4 电子结构和性质205

4.4.1 C60与纳米碳管理论分析207

4.4.2 纳米碳管的性质208

4.4.3 纳米洋葱状富勒烯（Nano Onion-like Fullerenes, NOLFs) 213

4.4.4 表面与界面的理论研究216

4.4.5 能带-光子晶体217

参考文献220

第5章 纳米材料的制备技术223

5.1 由过饱和蒸气制备纳米团簇和纳米颗粒223

5.1.1 团簇生成技术223

5.1.2 团簇组装材料227

5.1.3 幻数227

5.1.4 溅射法、热蒸发和激光法制备纳米颗粒228

5.2 纳米颗粒的化学合成法235

5.2.1 溶液中的成核与长大236

5.2.2 细微颗粒稳定与抗聚集长大236

5.2.3 纳米颗粒237

5.3 半导体纳米团簇的合成243

5.3.1 表征方法及合成中的问题243

5.3.2 胶体/胶束/气泡245

5.3.3 聚合物246

5.3.4 玻璃247

5.3.5 晶型主体和沸石主体247

5.3.6 单一尺寸团簇248

5.4 机械研磨法制备纳米结构250

5.4.1 高能球磨和机械研磨251

5.4.2 纳米结构形成的现象学252

5.4.3 晶粒尺寸减小的机理257

5.5 人工多层材料258

5.5.1 微观结构259

5.5.2 加工260

5.6 纳米碳管的制备264

5.6.1 纳米碳管的特性264

5.6.2 纳米碳管的合成265

5.6.3 定向纳米碳管的制备270

参考文献290

第6章 纳米材料的加工291

6.1 溶胶-凝胶法加工纳米材料291

6.1.1 引言291

6.1.2 氧化物的制备292

6.1.3 凝胶形成的无粉加工295

6.1.4 凝胶制备中的干燥与脱水297

6.1.5 固化凝胶：烧结298

6.1.6 加工纳米结构材料的基体299

6.1.7 纳米材料溶胶-凝胶加工前景展望301

6.2 纳米晶材料的成形与烧结302

6.2.1 引言302

6.2.2 纳米晶颗粒的干法成形302

6.2.3 纳米晶颗粒的湿法成形304

6.2.4 无压烧结过程中的理想致密化304

6.2.5 无压烧结过程中的非理想致密化309

6.2.6 无压烧结过程中的晶粒生长311

6.2.7 无压烧结过程中孔对晶界的钉扎作用313

6.2.8 无压烧结过程中晶粒生长的极小化和致密化的极大化314

6.2.9 加压烧结和烧结锻压315

6.2.10 其他烧结方法简介318

6.2.11 结语320

参考文献320

第7章 纳米材料的应用321

7.1 纳米材料在结构件领域的应用321

7.1.1 纳米复合材料321

7.1.2 纳米材料在机械工程中的应用324

7.1.3 纳米材料在汽车工业中的应用327

7.1.4 纳米碳管与金刚石328

7.2 纳米材料和纳米技术在电子器件方面的应用331

7.2.1 纳米磁性材料331

7.2.2 纳米光功能材料338

7.2.3 纳米技术在电子器件方面的应用355

7.2.4 碳材料在电子器件方面的应用373

7.3 纳米材料在化学化工领域中的应用375

7.3.1 纳米材料作为催化剂375

7.3.2 作为增强、增韧和抗腐用的纳米塑料376

7.3.3 在材料表面防腐及功能化中的应用385

7.3.4 纳米材料在环保领域中的应用392

7.3.5 纳米碳管的化学修饰402

7.4 纳米材料在生物医药和健康卫生等领域的应用404

7.4.1 常用的生物材料及其特点404

7.4.2 纳米药物载体405

7.4.3 应用实例417

7.4.4 纳米技术在生物材料中的应用434

7.4.5 碳纳米材料在医学上的应用435

7.5 纳米材料在纺织品中的应用436

7.5.1 抗紫外线型化纤437

7.5.2 反射红外线（含抗红外线）型化纤438

7.5.3 抗菌、抑菌和除臭型化纤439

7.5.4 导电型化纤超细粉体材料442

7.5.5 功能化纤材料442

7.6 纳米材料在其他领域的应用443

7.6.1 纳米技术在体育方面的应用443

7.6.2 纳米技术在农业中的应用443

7.6.3 纳米技术在能源领域中的应用444

7.6.4 纳米功能材料在航空航天领域的应用446

7.6.5 碳纳米材料在其他方面的应用449

参考文献450 2100433B

《纳米材料及应用技术》从原子、分子层次设计与计算机模拟计算电子、原子、晶体结构、表征设备与技术、性能表征、制备技术到应用领域对纳米材料进行了较详细的论述。

本书是高等学校教材。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。本书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。

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。