纳米材料简介-2012.ppt

五、纳米材料特有的性质 纳米材料一切特有的性质均起源于 四大效应： 表面效应； 小尺寸效应； 量子尺寸效应； 宏观量子隧道效应； 五、纳米材料特有的性质 1. 表面效应 由于粒径很小，表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。 金属的纳米粒子在空气中会燃烧；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应。 利用表面活性，金属纳米颗粒可望成为新一代的高效催化剂和低熔点材料。 粒子的大小与表面原子数的关系 2 20 40 99 表面原子百分比30000 4000 30 原子总数 N 100 10 5 1 直径/nm 五、纳米材料特有的性质 表面效应 粒径 /nm 100 80 60 40 20 0 比例（ % ） 表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 五、纳米材料特有的性质 2.小尺寸效应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。 五、纳米材料特有的性质 3.量子尺寸效应 当微粒纳米尺寸降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级出现由准连续变为离散的现象。当能级间距大于热能、磁能、电能或超导态的凝聚能时，纳米微粒会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为量子尺寸效应。 五、纳米材料特有的性质 4.宏观量子隧道效应 纳米材料中的粒子具有穿过势垒的能力叫隧道效应。宏观物理量在量子相干器件中的隧道效应叫宏观量子隧道效应。 五、纳米材料特有的性质 4. 宏观量子隧道效应 五、纳米材料特有的性质 力学性质 电学性质 光学性质 热学性质 磁学性质 化学性质 五、纳米材料特有的性质 1. 力学性能 ① 超塑性 陶瓷材料超塑性的机制主要为极大的界面以及界面间原子排列混乱。 ② 硬度和强度 随晶粒尺寸减小到纳米量级，纳米材料的强度和硬度提高。 如：纳米相Fe的晶粒尺寸由100nm减少到6nm时，硬度增加4-5倍。 五、纳米材料特有的性质 2.电学性质 电阻高于同类粗晶材料，比电阻随温度的上升而上升； 随颗粒尺寸减小，电阻温度系数下降；当颗粒小于某一临界尺寸时，电阻温度系数可能由正变负； 磁场中电阻显著下降。 五、纳米材料特有的性质 3. 磁学性质 横行霸“道”的螃蟹 纳米材料具有很高的磁化率和矫顽力，具有低饱和磁矩和低磁滞损耗。如20nm纯铁纳米微粒的矫顽力是大块铁的1000倍。 五、纳米材料特有的性质 ②烧结温度显著降低 所谓烧结温度是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。 因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的。 ①熔点显著降低 4. 热学性质 五、纳米材料特有的性质 ①宽频带强吸收 大块金属具有不同的金属光泽，表明它们对可见光中各种波长的光的反射和吸收能力不同。 当尺寸减小到纳米时，各种金属纳米粒子几乎都呈黑色。它们对可见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的反射率为1%，Au纳米粒子的反射率小于10%。 5. 光学性质 五、纳米材料特有的性质 纳米级粉末 黑色 黄色 金 白色 银 灰黑色 铁 有趣的现象 五、纳米材料特有的性质 ②蓝移现象 纳米颗粒的吸收带通常发生蓝移。例如，SiC纳米颗粒的红外吸收峰为814cm-1，而块体SiC固体为794cm-1。 图5 CdS溶胶颗粒在不同尺寸下的吸收光谱 吸收光谱蓝移的原因： a.量子尺寸效应； b.表面效应。 5. 光学性质 五、纳米材料特有的性质 6.化学性质 比表面积大 界面原子数多 界面区原子扩散系数高 表面原子配位不饱和 纳米材料具有较高的化学活性 纳米粒子的催化作用等等 六、纳米材料的应用 1.陶瓷领域 陶瓷是中国的特产，硬度高，绝缘性好，导热系数低，美观，但脆性大、易破碎，经过纳米技术处理后，可以用来代替优质钢做发动机零件。 六、纳米材料的应用 纳米磁性液体材料 是纳米级磁性微粒分散在基液内形成的均匀胶体溶液，同时具有磁体的磁性和液体的流动性。 磁性液体应用最广泛的是磁性密封技术，尤其在要求真空、防尘、密封气体等特殊环境中的动态密封最为适用。 2.磁性材料领域 六、纳米材料的应用 宇航员头盔的密封是纳米磁性材料的最早重要应用之一----磁性液体 六、纳米材料的应用 日本日立中心实验室利用半导体材料砷化镍，率先开发新