納米材料的性能與制備方法(編輯修改稿)
2025-06-08 12:06 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ，敢于大膽想象，敢于創(chuàng)新 碳納米管的主要制備方法 電弧法 兩根石墨電極直流放電，在陰極上產(chǎn)生碳納米管。 熱解法 通過碳?xì)浠锏姆纸獾玫教技{米管。 激光蒸發(fā)法 采用激光刻蝕高溫爐中的石墨靶。 Nanometer fibers （ 1） 三維納米材料 晶粒尺寸在三維方向上均在 100ｎｍ范圍內(nèi)的納米顆粒集合體； （ 2） 二維納米材料 具有層狀結(jié)構(gòu)的納米薄膜、多層膜、納米涂層； （ 3） 一維納米材料 具有纖維結(jié)構(gòu)的納米絲、納米棒； （ 4） 零維納米材料 原子簇和原子束結(jié)構(gòu) 。 由以上基本結(jié)構(gòu)單元組成的納米材料可分為四類： 167。 納米粒子的性質(zhì) 已經(jīng)知道，納米粒子是尺寸在 1— 100 nm之間的粒子，處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域。通常的納米材料是由納米粒子組成的。 從一般微觀和宏觀的觀點(diǎn)看，這樣的系統(tǒng)既非典型的微觀系統(tǒng)亦非典型的宏觀系統(tǒng)，是一種典型的介觀系統(tǒng)，具有下述效應(yīng)，并由此派生出傳統(tǒng)固體不具有的許多特殊性質(zhì)。 表面效應(yīng) 體積效應(yīng) /小尺寸效應(yīng) 量子尺寸效應(yīng) 宏觀量子隧道效應(yīng) 表面效應(yīng) 當(dāng)材料粒徑遠(yuǎn)大于原子直徑時 ， 表面原子可忽略；但當(dāng)粒徑逐漸接近于原子直徑時 ， 表面原子的數(shù)目及其作用就不能忽略 ， 而且晶粒的表面積 、 表面能和表面結(jié)合能等都發(fā)生了很大的變化 ，由此而引起的種種特異效應(yīng)統(tǒng)稱為 表面效應(yīng) 。 原因 ： 處于表面的原子數(shù)較多，表面原子的晶場環(huán)境和結(jié)合能與內(nèi)部原子不同所引起的。 表面效應(yīng) 圖中可看出，當(dāng)粒徑為 10nm時，表面原子數(shù)為完整晶粒原子總數(shù)的 20％；而粒徑為 1nm時，其表面原子百分?jǐn)?shù)增大到 99％，此時組成該納米晶粒的所有約 30個原子幾乎全部集中在其表面。 ?表面原子數(shù)迅速增加 。 由于表面原子周圍缺少相鄰的原子 ， 有許多懸空鍵 ， 具有不飽和性 ， 易與其他原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來 ， 故表現(xiàn)出很高的化學(xué)活性 。隨著粒徑的減小 ， 納米材料的表面積 、 表面能及表面結(jié)合能都迅速增大 。 ?界面原子所占的體積分?jǐn)?shù)迅速增加 。 對于材料性能的影響非常顯著 。 因?yàn)榧{米材料的許多物性主要是由界面決定的 。 隨著納米材料粒徑的減小， 坯體在燒成過程中的變化 如納米固體 Cu中的自擴(kuò)散系數(shù)比晶格擴(kuò)散系數(shù)高 14～ 20個數(shù)量級。 表面效應(yīng)導(dǎo)致的 納米材料的幾個重要特性 ： （ 1）擴(kuò)散系數(shù) 大 原因 ：因?yàn)榧{米晶界的原子密度很低， 大量界面的存在 大量的界面為原子擴(kuò)散提供了高密度的短程快擴(kuò)散路徑。此外，擴(kuò)散系數(shù)的增大也部分來源于 三叉晶界 處的高擴(kuò)散系數(shù)。 如 納米 CaF2離子晶體中的離子晶體導(dǎo)電率比相應(yīng)的單晶和粗晶材料中的值分別高兩個和一個數(shù)量級，這一離子導(dǎo)電率的改善直接來源于納米晶界中的高擴(kuò)散行為。 原因：主要?dú)w因于大量的界面因素。納米材料的塑性變形主要是通過晶粒之間的相對滑移而實(shí)現(xiàn)的。納米材料中晶界區(qū)域擴(kuò)散系數(shù)非常大，存在著大量的短程快擴(kuò)散過程使得形變過程中一些初發(fā)的微裂紋能夠得以迅速彌合，從而在一定程度上避免了脆性斷裂的發(fā)生。 （ 2）陶瓷增韌 如 納米 TiO2在室溫下的應(yīng)變速率已接近軟金屬鉛的1/4， 180℃ 時塑性變形可達(dá) 100%，帶預(yù)裂紋的試樣在180℃ 彎曲時不發(fā)生裂紋擴(kuò)展。隨著粒徑的減小，納米陶瓷的應(yīng)變速率敏感率迅速增大。在 納米 ZnO也觀察到了類似的塑性行為。 各種 納米微粒的熔點(diǎn) 隨著顆粒度的減小而急劇下降等實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象 ， 都與其大量的界面或表面密切相關(guān) 。 原因： 表面原子缺少近鄰配位的原子 ， 極不穩(wěn)定 ，具有強(qiáng)烈的與其它原子結(jié)合的能量 。 這種高能量的表面原子不但引起納米粒子表面原子輸運(yùn)和結(jié)構(gòu)的變化 ， 同時也引起表面電子自旋構(gòu)象和電子能譜的變化 ， 在化學(xué)變化 、 燒結(jié) 、 擴(kuò)散等過程中 成為物質(zhì)傳遞的巨大驅(qū)動力 ， 同時還影響相變化 、晶形穩(wěn)定性等平衡狀態(tài)的性質(zhì) 。 （ 3） 納米陶瓷粉末燒結(jié)溫度 的大大降低： 固體 顆粒的尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。 當(dāng)固體 顆粒的尺寸與德布羅意波長相當(dāng)或更小時，顆粒的周期性邊界條件消失，在聲、光、電磁、熱力學(xué)等特征方面出現(xiàn)一些新的變化稱為 體積效應(yīng) （小尺寸效應(yīng)） 。 體積效應(yīng)（小尺寸效應(yīng)） ?常規(guī)體系 ：物質(zhì)本身的性質(zhì)不發(fā)生變化（熔點(diǎn)等），而只有那些與體積密切相關(guān)的性質(zhì)發(fā)生變化（如半導(dǎo)體電子自由程變小 ,磁體的磁區(qū)變小等） 當(dāng)物質(zhì)體積減小時，將會出現(xiàn)的情況： ?納米體系 ：物質(zhì)本身的性質(zhì)也發(fā)生了變化，由于納米粒子體積極小，所包含的原子數(shù)或分子數(shù)很少，相應(yīng)的質(zhì)量極小，改變了原來由無數(shù)個原子或分子組成的集體屬性。因此，許多現(xiàn)象（磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點(diǎn)等）就不能用通常有無限個原子的塊狀物質(zhì)的性質(zhì)加以說明。 ?隨著納米材料粒徑的變小 ， 其熔點(diǎn)不斷降低 ，燒結(jié)溫度也顯著下降 ， 從而為粉末冶金工業(yè)提供了新工藝； ?利用等離子共振頻移隨晶粒尺寸變化的性質(zhì) ，可通過改變晶粒尺寸來控制吸收波的位移 ， 從而制造出具有一定頻寬的微波吸收納米材料 ，用于電磁波屏蔽 、 隱形飛機(jī)等 。 體積效應(yīng)的體現(xiàn)舉例： （針對金屬納米粒子費(fèi)米面附近電子能
教學(xué)課件相關(guān)推薦
鄂ICP備17016276號-1