第三章 纳米颗粒的物理特性.ppt

1 * * 第三章 纳米微粒的 物理特性 纳米微粒一般为球形或类球形，除了球形外，纳米微粒还具有各种其他形状，这些形状的出现与制备方法密切相关。 例如： 由气相蒸发法合成的铬微粒，当铬粒子尺寸小于 20nm时，为球形，并形成链条状连结在—起。对于尺寸较大的粒子，?-Cr粒子的二维形态为正方形或矩形 ； 镁的纳米微粒呈六角条状或六角等轴形。 Kimoto 和Nishida观察到银的纳米微粒具有五边形10面体形状。 热学性能 磁学性能 光学性能 纳米微粒悬浮液和动力学性质 表面活性及敏感特性 光催化性能 热学性能 纳米微粒同常规物体相比，熔点、开始烧结温度和晶化温度均低得多。 （1）熔点低 例： 大块Pb的熔点为600K，而20nm球形Pb微粒熔点降低288K；纳米Ag微粒在低于373K开始熔化，常规Ag的熔点为1173K。 原因： 纳米微粒颗粒小； 表面能高、比表面原子数； 表面原子近邻配不全，活性大； 体积远小于大块材料； 纳米粒子熔化时所需增加的内能 小。 （2）烧结温度低 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。 例： 常规 A12O3 烧结温度在2073—2l73K，在一定条件下纳米A12O3 ，可在1423K至1773K烧结，致密度可达99．7％。 常规Si3N4烧结温度高于2272K，纳米氮化硅烧结温度降低673-773K。 热学性能 热学性能 纳米TiO2在773K时加热，呈现出明显的致密化，而晶粒仅有微小的增加，致使纳米微粒TiO2在比大晶粒样品低873K的温度下烧结就能达到类似的硬度。 原因： 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，在较低温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。 热学性能 （3）非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体 例：传统非晶氮化硅在1793K晶化成?相，纳米非晶氮化硅微粒在1673K加热4h时全部转变成?相。纳米微粒开始长大的温度随粒径的减小而降低。 磁学性能 1. 超顺磁性 2. 矫顽力 3. 居里温度 4. 磁化率 磁学性能 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，例如：? -Fe，Fe3O4和? -Fe2O3粒径分别为5nm、16nm和20nm时变成顺磁体。这时磁化率χ不再服从居里-外斯定律： （3-1） 式中：C为常数，Tc为居里温度。 在超顺磁状态下，居里点附近没有明显的χ值变化。超顺磁状态的起源可归为以下原因：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观。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁性的临界尺寸是不同的。 磁学性能 磁学性能 矫顽力 纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常至现高的矫顽力Hc。对于纳米微粒具有高矫顽力的起源有两种解释： （1）一致转动模式（2）球链反转磁化模式 一致转动磁化模式基本内容是：当粒子尺寸小到某一尺寸时．每个粒子就是一个单磁畴，例如Fe和Fe3O4单磁畴的临界尺寸分别为12nm和40nm。 每个单滋畴的纳米微粒实际上成为一个永久磁铁，要使这个磁铁去掉磁性，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，即超顺磁状态的纳米微粒具有较高的矫顽力。 球链反转磁化模式：由于静磁作用球形纳米微粒形成链状，对于由球形粒子构成的链的情况，矫顽力 （3-2） （3-3） （3-4） 磁学性能 式中：n为球链中的颗粒数， ?为颗粒磁矩， d为颗粒间距。 Ohshiner 引入缺陷对球链模型进行修正，他认为颗粒表面氧比层可能起着类