纳米材料与技术- 纳米微粒的基本特性.doc

Forpersonaluseonlyinstudyandresearch;mercialuse第三章纳米微粒的基本特性一、纳米微粒的结构二、纳米微粒的基本特性热学、磁学、光学、动力学、表面活性、光催化性能一、纳米微粒的结构—纳米态:物质的第?态!区别于固、液、气态,也区别于“等离子体态”(物质第四态)、地球内部的超高温、超高压态(物质第五态),与“超导态”、“超流态”也不同。纳米态的物质一般是球形的。物质在球形的时候,在等体积的条件下,它的界面最小、能量最低、自组织性最强、对称性也最高,有着很好的强关联性。超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2nm)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体、十面体、二十面体等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态。尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。纳米微粒一般为球形或类球形,可能还具有其他各种形状(与制备方法有关)。纳米微粒的结构一般与大颗粒的相同,内部的原子排列比较整齐,但有时也会出现很大的差别:高表面能引起表层(甚至内部)晶格畸变。二、,其熔点是固定的;超细微化后发现其熔点将显著降低,当颗粒小于10纳米量级时尤为显著。Ø大块Pb的熔点为600K,而20nm的的球形Pb微粒熔点降低288K。ØAg的熔点:常规粗晶粒为960°C;纳米Ag粉为100°CØCu的熔点:粗晶粒为1053°C;粒度40nm时为750°C—纳米微粒的熔点降低:由于颗粒小,纳米微粒的表面能高、比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全、活性大,因此纳米粒子熔化时所需增加的内能比块体材料小得多,使纳米微粒的熔点急剧下降。?应用:降低烧结温度。纳米微粒尺寸小,表面能高,压制成块材后的界面具有高能量,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利于界面中的孔洞收缩,空位团的湮没,因此,在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的,即烧结温度降低。(烧结温度:指把粉末先用高压压制成形、然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块、密度接近常规材料的最低加热温度。)ø材料磁性的分类①抗磁性(ism)②顺磁性(ism)③铁磁性(ism)④反铁磁性(ism)⑤亚铁磁性(ism)人们发现鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趋磁细菌等生物体中存在超微的磁性颗粒(实质上是一个生物磁罗盘),使这类生物在地磁场导航下能辨别方向,具有回归的本领。小尺寸的超微颗粒的磁性与大块材料的有显著不同。i)超顺磁性:纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态,这时磁化率c不再服从常规的居里-外斯定律。例如:a-Fe、Fe3O4和a-Fe2O3粒径分别为5nm、16nm和20nm时变成顺磁体。Ni粒径小于15nm时,矫顽力Hc→0,说明进入了超顺磁状态。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸是不相同的。?超顺磁状态的原因:由于小尺寸下,当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时,磁化方向就不再固定在一个易磁化方向,易磁化方向作无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现。—超顺磁性:铁磁性的特点