圖解粉體和納米材料

第1章粉體及其性質
1.1粉體及其特殊性能（1）——小粒徑和高比表面積2
1.1.1常見粉體的尺寸和大小2
1.1.2粉粒越小比表面積越大4
1.1.3塗料粒子使光（色）漫反射的原理6
1.1.4粉碎成粉體後成形加工變得容易8
1.2粉體及其特殊性能（2）——高分散性和易流動性10
1.2.1粉體的流動化10
1.2.2粉體的流動模式12
1.2.3粉體的浮游性——靠空氣浮起來輸運14
1.2.4地震中因低級液態化而引起的災害16
1.3粉體及其特殊性能（3）——低熔點和高化學活性18
1.3.1顆粒做細，變得易燃、易於溶解18
1.3.2禮花彈的構造及粉體材料在其中的應用20
1.3.3小麥筒倉發生粉塵爆炸的瞬間22
1.3.4電子複印裝置（影印機）的工作原理24
1.3.5臭氧層孔洞的擴大與微粒子相關？26
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為什麼夕陽是紅色的，而天空是蔚藍的？28

第2章粉體參數如何測量
2.1粉體的特性及測定（1）——粒徑和粒徑分佈的測定30
2.1.1如何定義粉體的粒徑30
2.1.2不同的測定方法適應不同的粒徑範圍32
2.1.3粉體粒徑及其計測方法34
2.1.4複雜的粒子形狀可由形狀指數表示36
2.1.5粒徑分佈如何表示38
2.1.6納米粒子大小的測量——微分型電遷移率分析儀(DMA)和動態光散射儀40
2.2粉體的特性及測定（2）——密度及比表面積的測定42
2.2.1粒子密度的測定——比重瓶法和貝克曼比重計法42
2.2.2比表面積的測定——透氣法和吸附法44
2.3粉體的特性及測定（3）——折射率和附著力的測定46
2.3.1粉體的折射率及其測定46
2.3.2粉體層的附著力和附著力的三個測試方法48
2.3.3粒子的親水性與疏水性及其測定50
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微小水滴構成的宏偉畫作——彩虹52

第3章粉體的製備與操作
3.1從上到下(top-down)製備工藝——破碎和粉碎54
3.1.1固體粉碎化技術的變遷——從石磨到氣流粉碎機（jetmill）54
3.1.2粉體越細繼續粉碎越難56
3.1.3介質攪拌粉碎機58
3.1.4粉碎技術的分類及發展動態60
3.1.5新型粉碎技術簡介62
3.2分級和集塵——小粒徑和高比表面積64
3.2.1振動篩和移動篩64
3.2.2幹式分級機的工作原理66
3.2.3集塵率的定義和代表性的集塵裝置68
3.2.4布袋集塵器和電氣集塵裝置70
3.3混料及造粒——小粒徑和高比表面積72
3.3.1代表性的混料機72
3.3.2造粒及造粒的目的74
3.3.3自足造粒76
3.3.4強製造粒78
3.4輸送及供給——小粒徑和高比表面積80
3.4.1各種粉體輸送機80
3.4.2各種粉體供給（加料）機82
3.4.3各種幹式分散機84
3.4.4粉體微細化所表現的性質86
3.5從下到上(bottom-up)——非機械式粉體制作方法88
3.5.1PVD法制作粉體88
3.5.2CVD法制作粉體90
3.5.3液相化學反應法制作粉體92
3.5.4介面活性劑法制作粉體94
3.6粉體精細化技術——細微性精細化及粒子形狀的改善96
3.6.1粉體的噴霧乾燥96
3.6.2粉體顆粒附著、凝聚、固結的分類98
3.6.3利用介面反應生成球形粒子的機制100
3.6.4複合粒子的分類及其製作102
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沙塵暴和“核冬天”104

第4章粉體的應用
4.1日常生活用的粉體106
4.1.1主婦的一天——日常生活中的粉體106
4.1.2食品、調味品中的粉體——綿白糖與砂糖的對比108
4.1.3粉體粒子的附著現象110
4.1.4古人用沙子製作的防盜墓機構112
4.2粉體在高新技術中的應用114
4.2.1液晶顯示器中的隔離子114
4.2.2CMP用研磨劑116
4.2.3粉體技術用於緩釋性藥物118
4.2.4粉體技術用於癌細胞分離120
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PM10和PM2.5122

第5章納米材料和納米技術
5.1納米概念及相關技術124
5.1.1為什麼“納米”範圍定義為1～100nm124
5.1.2納米材料應用實例126
5.1.3如何用光窺視納米世界128
5.1.4對原子、分子進行直接操作130
5.1.5積體電路晶片——高性能電子產品的心臟132
5.1.6納米材料的製備方法134
5.2納米世界和納米領域136
5.2.1納米世界136
5.2.2包羅萬象的納米領域138
5.2.3納米技術應用領域140
5.2.4納米技術之樹142
5.3納米技術的應用領域144
5.3.1納米結構與納米組織144
5.3.2半導體積體電路微細化有無極限？146
5.3.3納米光合作用和染料敏化太陽能電池148
5.3.4在利用納米技術的環境中容易實現化學反應150
5.3.5幹法成膜和濕法成膜技術（bottom-up方式）152
5.3.6幹法刻蝕和濕法刻蝕加工技術（top-down方式）154
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納米材料156

第6章碳納米管和石墨烯
6.1碳納米管的結構158
6.1.1最小的管狀物質158
6.1.2單層石墨片、富勒烯、碳納米環和碳納米螺旋管160
6.1.3從單層石墨片卷成碳納米管162
6.1.4單層和多層碳納米管164
6.2碳納米管的製作166
6.2.1電弧法制作碳納米管166
6.2.2化學氣相沉積等製作碳納米管168
6.3碳納米管的性質170
6.3.1碳納米管優異的特性170
6.3.2需要解決的特異性問題——以碳納米管三極管為例172
6.4碳納米管的應用174
6.4.1試探性應用（1）——可能的應用領域174
6.4.2試探性應用（2）——場發射顯示器（FED）176
6.4.3試探性應用（3）——碳納米管電子槍178
6.4.4試探性應用（4）——使用碳納米管的顯示器180
6.5石墨烯的結構和製作方法182
6.5.1何謂石墨烯182
6.5.2石墨烯的製作方法——“自上而下”的方式184
6.5.3石墨烯的製作方法——“自下而上”的方式186
6.6石墨烯的應用188
6.6.1試探性應用（1）——產品的潛在用途188
6.6.2試探性應用（2）——柔性顯示190
6.6.3試探性應用（3）——石墨烯超級電容器和鋰電池192
6.6.4試探性應用（4）——石墨烯量子點光源194
6.6.5試探性應用（5）——石墨烯3D列印196
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碳納米管天梯198

第7章納米材料的應用
7.1在微電子及IC晶片製作中的應用202
7.1.1利用納米技術改變半導體的特性202
7.1.2MOSFET器件進一步微細化204
7.1.3納米技術引入積體電路制程206
7.1.4光刻膠的光化學反應208
7.1.5藉由STM探針預啟動進行自組織化210
7.1.6在晶圓表面製作納米結構212
7.1.7單個離子注入法214
7.2納米生物自組裝和納米醫療216
7.2.1自然界是納米技術的寶庫216
7.2.2納米技術為生物醫學產業插上騰飛的翅膀218
7.2.3生物體中發揮重要作用的分子機械220
7.2.4在金剛石表面製作生物分子222
7.2.5未來有可能利用生物納米技術製作雞蛋和雛雞224
7.2.6藉由分子集合改變結構和性質226
7.2.7作為藥物輸送載體的高分子納米膠態粒子228
7.2.8利用高分子納米膠態粒子實現DDS230
7.3在新材料和新能源領域的應用232
7.3.1原子和分子尺度的自組裝232
7.3.2介孔多孔體納米材料設計234
7.3.3納米間隙的活用236
7.3.4對分子進行分離的色譜管238
7.3.5燃料電池提供清潔能源240
7.3.6儲氫合金——利用氫能的關鍵242
7.4納米技術用於量子電腦244
7.4.1電子通道中也有“行車線”——基於電子波動性的新現象244
7.4.2納米技術在量子電腦中的應用246
7.4.3功能更強的量子電腦248
7.4.4量子通信確保資訊安全250
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以納米技術為基礎的量子電腦252
參考文獻253
作者簡介254

粉體，是指微小顆粒物的集合體，即顆粒群；而粉體材料一般是指保留原固體鍵合狀態的小尺寸顆粒的鬆散集合體。

一提到“粉體”，人們按先後次序舉出的例子往往是白糖、食鹽、胡椒粉、味素、奶粉、即溶咖啡、藥粉、洗衣粉、化妝粉等，但對於大多數人來說，能舉出20種以上也並非容易，說明在日常生活中，身邊的粉體似乎並不很多。但實際上，雖然目不見“粉”，但與“粉”密切相關的產品卻早已進入我們的日常生活。從平板電視等家電製品，到電腦、手機、汽車等，如果隨所用材料及製作工藝去尋找，可以說無一不與粉體相關。

例如，螢光燈管玻璃內壁上所塗的，便是受紫外線（汞蒸氣的發光）照射而發可見光的螢光粉；錄影帶等視頻記錄介質所塗覆的就是以γ-Fe2O3為首的磁性體粉；影印機複印文字圖像採用的是炭粉；TFTLCD兩塊玻璃板間放置的是隔離子；鋰離子電池正極採用的是層狀氧化物粉，負極採用的是石墨粉；汽車車身用的塗料中，底層加入提高附著力的粉，中層加入防劃傷的粉，上層加入增加美觀效果的顏料粉；防紫外線化妝品中加入的是TiO2粉；禮花彈中的爆發劑、燃燒劑、發光劑、發色劑都採用了各種各樣的粉體。

另外，儘管最終產品並非粉體，但許多製作過程卻離不了粉體。例如，無論是金屬冶煉、陶瓷燒結、玻璃熔凝，還是塑膠成型，都要從粉體入手。有些材料，例如難熔金屬都是由粉體直接做出的。電容器、半導體器件、壓電元件等電子器件等採用的是由“精細粉”製作的精細陶瓷（或稱先進陶瓷、高技術陶瓷）。這些都是通過粉碎、配料、混料、成形、固化、燒結等工序，充分利用粉體的功能而創造出來的。

進一步，還有保證宇航員安全返回的超耐熱瓦，高溫超導材料，生物技術和醫療領域等也都離不開粉體。近年來發展火熱的納米材料也屬於粉體材料之列。

納米材料可定義為在三維空間中至少有一維處於納米尺度範圍（1～100nm）或由它們作為基本單元而構成的材料。納米材料的製備，無論採用從上至下（topdown），還是從下至上（bottomup）的方式，都是在粉體中做文章。納米材料的性能、功能、效能都是粉體材料基礎之上發揮出來的。

鑒於粉體與納米材料存在和應用的廣泛性與複雜性，有關粉體的知識和技術是多方面的，包括顆粒的自然屬性、測量技術、力學特性、運動特性、聚集特性、處理技術、形成和製備技術。

《圖解粉體和納米材料》是“名師講科技前沿系列”中的一本，本書內容包括粉體及其性質、粉體參數如何測量、粉體的製備與操作、粉體的應用、納米材料和納米技術、碳納米管和石墨烯、納米材料的應用等7章。

本書採用圖文並茂的形式，集趣味性、實用性與理論性為一體，內容涉獵廣泛，思維跨度大，將把讀者的思維和視野帶向一個更為廣闊的世界。

通過對本書的學習，理解和掌握粉體與納米材料的基本概念、基本理論、基礎知識，以及有關粉體製備與處理的原理、工藝、流程及裝備技術，瞭解粉體加工設備的工作原理、特性參數與性能使用等知識，培養讀者發現問題、分析問題、解決問題和預測問題的能力，激發讀者的科研和實踐的創新意識和能力，為今後從事與粉體與納米材料相關的工作打下基礎，為培養高級應用型工程技術人才創造必要條件。

本書可作為微電子、材料、物理、化學、電腦、精密儀器等行業人員的專業讀物。

本書得到清華大學本科教材立項資助並受到清華大學材料學院的全力支持，在此致謝。作者水準和知識面有限，不妥之處在所難免，懇請讀者批評指正。

田民波