《纳米材料概论》教学大纲.docx

纳米材料概论教学大纲纳米材料概论教学大纲 课程名称：纳米材料概论 英文名称：Introduction to nanomaterials 课程编号： 课程学时：36 课程学分：2 课程性质：专业选修课 适用专业：应用化工技术、环境监测与治理技术、材料加工技术等 大纲执笔人： 王晓华 一、课程的性质、任务与基本要求 1.本课程的性质与任务 纳米材料学科是近年来兴起并受到普遍关注的一个新的科学领域，它涉及到凝聚态物理、化学、材料、生物等多种学科的知识，对凝聚态物理和材料学科产生了深远的影响。该课程是材料学、材料物理与化学或材料加工工程等专业学生的一门专业选修课程。本课程的目的是通过课堂教学、课堂讨论使学生了解、掌握纳米材料的概念、分类及其特点；了解纳米材料的物理性能和化学性能；了解纳米材料的主要制备方法及其原理、工艺过程和适用范围；掌握纳米材料粒度、成分、结构、形貌的测试和表征方法；了解纳米材料在不同领域的应用现状和应用前景以及研究进展。培养学生在交叉学科和创新能力等方面的综合能力。 2.课程的基本内容和要求 本课程主要讲授纳米材料的基本概念与性质、制备纳米粒子的物理和化学方法、纳米薄膜材料、纳米固体材料、纳米复合材料等，其目的是使学生掌握各种纳米材料的性能和制备工艺，为正确选择各种纳米材料的制备工艺提供依据，同时也为研究新材料、新性能、新工艺打下理论基础。 3.教学环节与学时分配 课堂教学：32学时 实验：4学时 总计：36学时 二、教学内容与教学计划 绪论 1学时 纳米科技的兴起、纳米材料的研究历史、纳米材料的主要研究内容、本课程的特点和学习方法 第一章 纳米材料的基本概念与性质 7学时 教学内容与学时 1、纳米材料的基本概念 1学时 2、纳米微粒的基本性质 3学时 电子能级的不连续性 量子尺寸效应 小尺寸效应 表面效应 宏观量子隧道效应 3纳米微粒的物理特性 3学时 纳米微粒的结构与形貌 纳米微粒的热学性质 纳米微粒的磁学性质 纳米微粒的光学性质 重点与难点 1重点：物质层次可以分为微观、介观和宏观三个层次。纳米科技的诞生是以扫描隧道显微镜和原子力显微镜为先导的。微观粒子具有二象性，既具有粒子性，又具有波动性。量子效应：原子和分子中的电子等粒子的能量量子化是电子受到原子核和其它电子所产生的力场的束缚而产生的，这些粒子可以存在多种运动状态，粒子分布呈现波动性。由N个原子组成的固体材料，当原子间距缩小时，每个原子中的电子就会受到邻近原子中的电子和原子核的作用，其结果是每个分立的电子能级分裂成N个彼此相隔很小的能级，形成近似连续的密集的能量范围叫能带。K空间：又称波矢空间，描述微观粒子运动状态的空间，K空间中的一个点对应着一个确定的状态。久保理论。 2难点：量子尺寸效应、久保理论。 习题：习题1、习题2、习题3 第二章 纳米粒子的制备方法 8学时 教学内容与学时 1纳米粒子制备方法评述 1学时 2制备纳米粒子的物理方法 3学时 1）机械粉碎法 2）蒸发凝聚法 3）离子溅射法 4）冷冻干燥法 5）其它方法 3制备纳米粒子的化学方法 3.5学时 1）气相化学反应法 2）沉淀法 3）水热合成法 4）喷雾热解法 5）溶胶凝胶法 4制备纳米粒子的综合方法 0.5学时 激光诱导气相化学反应法 其它综合方法 重点与难点 1重点：物理方法制备纳米粒子的粉碎法和构筑法；蒸发法制备纳米粒子，按加热蒸发的不同，可以分为电阻蒸发、等离子体蒸发、激光束加热蒸发、电子束加热蒸发、电弧放电加热蒸发、高频感应电流加热蒸发、太阳炉加热蒸发等；简述以Y(NO3) 3、Ba(NO3) 2和Cu(NO3) 2为原料用冷冻干燥法制备Y-Ba-Cu-Y体系的超导纳米粒子的工艺过程。比较制备纳米粒子的化学方法，并分析其各自特点。 2难点：制备纳米粒子的各种方法的比较及应用范围。 习题：习题1、习题2、习题3 第三章 纳米薄膜材料 6学时 教学内容与学时 1概述 0.5学时 2纳米薄膜材料的功能特性 1.5学时 薄膜的光学特性 电学特性 磁阻效应 3纳米薄膜材料制备技术 3学时 物理气相沉积法 化学气相沉积 溶胶凝胶法 电化学方法 4纳米薄膜材料的应用 1学时 重点与难点 1重点：陶瓷薄膜；薄膜厚度是薄膜的重要参数之一，它对薄膜的其它物理性能有影响，可以利用天平法、电学法和光学法等方法来测量；铁电薄膜是陶瓷薄膜中很重要的一类，这类薄膜具有压电效应、热释电效应、电光效应和非线性光学效应等多种效应，便于器件的小型化及微电子学和光电子学集成；真空蒸发制备陶瓷薄膜是采用较早、也较简单的方法，其基本原理是通过蒸发源将原料加热或升华，使气相原子或分子穿过真空空间后凝结成膜；多源反应共蒸发是指在高真空条件下，由几个蒸发源同时将所需金属组分蒸发到加热衬底上，在此过程中不断向其上吹反应气体；离子束溅射沉积制膜；凝胶-溶胶方法制备陶瓷薄膜的工艺过程。 2难点：制备陶瓷薄膜与纳米粒子工艺要素的不同及工艺控制。 习题：习题1、习题2、习题3、习题4 第四章 纳米固体材料 6学时 教学内容与学时 1 概述 0.5学时 2纳米固体材料结构特点 1.5学时(1) 纳米固体材料的结构特点 (2) 纳米固体材料的结构模型 (3) 纳米固体材料的结构缺陷 3 纳米固体材料的性能 1学时 (1)力学性能 (2)磁学性能 (3)电学性能 4 纳米固体材料制备方法 2.5学时 (1) 惰性气体蒸发原位加压法 (2) 高能球磨法 (3) 非晶晶化法 (4) 无压烧结 (5) 热压烧结 (6) 微波烧结 5 纳米固体材料的应用 0.5学时重点与难点 1重点：纳米结构材料的基本构成是纳米微粒以及它们之间的界面，后者所占的体积分数几乎可与纳米微粒所占的体积分数相当；三叉晶界；纳米材料的致密化问题有两种观点；对各种纳米固体材料，可能偏离Hall-Petch关系；从界面特点分析超塑性的产生；高能球磨制备纳米粒子；非晶晶化化；试比较无压烧结、热压烧结和微波烧结的工艺特点，并比较其优缺点。 2难点：纳米固体材料烧结过程中晶粒长大的机制及控制 习题： 习题1，习题2 第五章 纳米复合材料 4 学时 教学内容与学时 1 纳米复合材料的分类 2 学时 2 纳米复合材料的性能 高强度、高韧性 高比强度、高比模量 抗蠕变、抗疲劳 2 陶瓷基纳米复合材料 2.5 学时 (1)反应烧结 (2)原位复合法 重点与难点 1 重点：复合材料的纳米级增强体包括纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等；0-0纳米复合材料；复合材料的基体和增强体的界面粘结形式有机械粘结和化学粘结两种，界面结合的强弱对陶瓷韧性的影响；反应烧结和原位复合法制备陶瓷基复合材料的异同之处。 2 难点 复合材料的组织控制 习题 习题1，习题2 三、实验 本课程共安排1个实验，4学时。 1. 纳米氧化铁材料的制备及材料的表征 4学时 四、教材与参考书 1.教材：哈尔滨工业大学出版社 曹茂盛、关长斌、徐甲强等编著纳米材料导论 2.主要参考书 科学出版社 张立德著纳米材料与纳米结构 化学工业出版社，高濂，纳米陶瓷 五 、教学改革 在教学过程中，结合课程内容，列出45个学术问题向选修同学公布，学生根据兴趣自愿报名参加相应的题目，指导学生广泛查阅国内外文献，了解国内外最新进展，撰写文献阅读报告，并在材料液态结构及其遗传性教育部重点实验室展开实验。