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[]3 纳米结构及物理特性

第三章 纳米微粒的结构 与物理特性 纳米微粒的形貌 纳米银的形貌 物理特性 纳米微粒具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量于隧道效应等特点.从而导致纳米微粒的热,磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于正常粒子,这就使得它具有广阔应用前景. 纳米微粒热学性质 熔点:由于颗粒小,纳米颗粒的表面能高,比表面原子数多,表面原子最近邻配位数不全,原子活性大,体积远小于大块材料,因此纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多,这就使得纳米微粒的熔点急剧下降。 熔点 纳米微粒热学性质 纳米TiO2在773K加热呈现出明显的致密化,而晶粒仅有微小的增加,而通常大晶粒样品在1400K下烧结才能出现明显的致密化趋势,结果如右图所示。 纳米微粒热学性质 通常纳米晶粒的起始长大温度随粒子粒径的减小而降低,这是由于纳米粒子越小,其比表面能越高,颗粒越不稳定,通过长大而降低其表面能。如粒径分别为35nm,15nm,8nm的Al2O3粒子快速长大的起始温度分别为1423K,1273K和1073K。 纳米微粒的磁学性质 (1)超顺磁性 纳米微粒尺寸小到一定临界值时进人超顺磁状态,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?不再服从居里一外斯定律 (3-1) 式中C为常数,Tc为居里(Curie)温度。 超顺磁性 超顺磁性 起因: 在小尺寸条件下,粒子的磁各向异性能减小到与热运动能相比拟时,磁性粒子的易磁化方向就不在固定在一个方向上,而做无规律的变化,因此其磁化强度随外磁场的增强而线性增加,表现为超顺磁性。 矫顽力 在磁学性能中,矫顽力的大小受晶粒尺寸变化的影响最为强烈。 对于大致球形的晶粒,矫顽力随晶粒尺寸的减小而增加。 纳米粒子尺寸高于其超顺磁临界尺寸时通常呈现出高的矫顽力。 当纳米材料的晶粒尺寸小于某一尺寸后,矫顽力随晶粒尺寸的减小急剧降低。 居里温度 (Curie tem.) 居里温度Tc是物质磁性的重要参数,通常与交换积分Je成正比,并与原子的构型和间距有关。 按照公式估算, V(K1+MsH)=25kBT 其中中V为粒子体积,K1为室温有效磁各向异性常数(?5.8?105erg/(c.c)。 磁化率 (Magnetization) 纳米微粒的磁性与它所含的总电子数的奇偶性密切相关。电子数为奇或偶数的粒子磁性有不同温度特点。 电子数为奇数的粒子集合体的磁化率服从居里-外斯定律, 量子尺寸效应使磁化率遵从d-3规律;而电子数为偶数的系统,??kBT,并遵从d2规律。它们在高场下为泡利顺磁性。 纳米微粒的力学性能 晶粒大小是影响传统金属多晶材料(晶粒尺寸在微米以上量级)力学性能的重要因素。随晶粒减小,材料的强度和硬度增大。 纳米材料的力学性能的研究的结果: (1) 纳米材料的弹性模量低于常规晶粒材料的弹性模量。 (2) 纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒(大于1?m)金属硬度或强度的2-7倍。 (3) 纳米材料可具有负的Hall-Petch关系,即随着晶粒尺寸的减小,强度降低。 (4) 在较低的温度下,如室温附近,脆性的陶瓷或金属间化合物在具有纳米晶时,由于扩散相变机制而具有塑性或超塑性。 纳米微粒的力学性能 弹性模量 弹性模量是反映材料内原子、离子键合强度的重要参量。由于纳米材料中存在大量的晶界,而晶界的原子结构和排列不同于晶粒内部,且原子间间距较大,因此,纳米晶的弹性模量要受晶粒大小的影响,晶粒越细,所受的影响越大,弹性模量的下降越大。对纳米Fe、Cu和Ni等样品的测试结果显示,其弹性模量比普通多晶材料略小(小于5%),并且随晶粒减小,弹性模量降低。 纳米微粒的力学性能 纳米金属的强度 纳米Pd、Cu等块体试样的硬度试验表明,纳米材料的硬度一般为同成分的粗晶材料硬度的2~7倍。由纳米Pd、Cu、Au等的拉伸试验表明,其屈服强度和断裂强度均高于同成分的粗晶金属。 纳米微粒的力学性能 纳米金属的塑性 在拉伸和压缩两种不同的应力状态下,纳米金属的塑性和韧性显示出不同的特点。 在拉应力作用下,与同成分的粗晶金属相比,纳米金属的塑、韧性大幅下降,即使是粗晶时显示良好塑性的fcc金属,在纳米晶条件下拉伸时塑性也很低,常呈现脆性断口 纳米微粒的力学性能 超塑性 材料在特定条件下可产生非常大的塑性变形而不断裂的特性被称为超塑性(通常指在拉伸情况下)或超延展性(轧制条件下)。对于金属或陶瓷多晶材料,其产生条件是高温(通常高于熔点的一半)和稳定的细晶组织。材料超塑变形基本上是晶界在高温下滑移造成的。

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