《8.5綜合與實踐納米材料的奇異特性》練習(xí)題

1、8.5 綜合與實踐 納米材料的奇異特性1、填空題 1) 掃描探針顯微鏡（SPM）兩大主體技術(shù)包括_STM_和ATM。 2) 磁帶中的磁記錄粉利用了磁性納米顆粒的_宏觀量子隧道效應(yīng)_特性。 3) 1997年，美國科學(xué)家利用量子隧穿效應(yīng)和_庫侖堵塞_首次成功地實現(xiàn)了單電子移動單電子。 4) 界面原子的擴散速率_大于_應(yīng)變速率時，利于陶瓷材料超塑性的產(chǎn)生。 5) 冷凍干燥法、噴霧干燥法都屬于納米材料液相制備法中的_噴霧法_。 6) 顯微鏡法可以對納米材料的粒度和_粒度分布_進行評估。 7) 納米粉末在較低溫度下就能實現(xiàn)高致密性燒結(jié)，主要源于其壓制成塊體材料后具有高的_致密度_。 8) 體系內(nèi)富有油，

2、水相以均勻的小珠滴形式分散于連續(xù)相中，形成_油包水_微乳液。 9) 引起納米固體材料紅外吸收帶寬化、紅移或者藍移的因素有尺寸分布效應(yīng)和_ _介電限域效應(yīng)_。 10) 古代銅鏡的防銹層采用的是_納米氧化錫顆粒構(gòu)成的一層薄膜_。 11) 居里溫度是鐵磁體轉(zhuǎn)變?yōu)開順磁體_時的溫度。 12) 在粒徑分析法中，_X射線衍射線線寬_的測試結(jié)果為一次顆粒的粒徑，且具有代表性。 2、選擇題 (多選、至少有一個正確答案) 1) 納米帶屬于_B_納米材料。 A、零維 B、 一維 C、二維 D、 三維 2) 采用了沉淀劑緩釋技術(shù)的是_B_。 A、共沉淀 B、均相沉淀 C、直接沉淀 D、凝膠網(wǎng)絡(luò)共沉淀 3) 下面_C

3、_所測結(jié)果為納米材料比表面。 A、顯微鏡法 B、動態(tài)光散射法 C、BET法 D、X射線衍射線線寬法 4)下列可以作為合成碳納米管模板的材料最可能是： BA、三氧化二鋁 B、二氧化硅 C、碳酸鈣 D、草酸鈉 5）最簡便的方法合成顆粒均一的納米二氧化硅粉末，應(yīng)該選擇下列那種原料？ AA、SiC B、硅酸鈉 C、二氧化硅 D、硅烷 6）最簡便的方法合成納米氧化鈣粉末，應(yīng)該選擇下列那種原料？BA、碳酸鈣 B、氯化鈣 C、硅烷 D、氧化鈣、 7）用模板技術(shù)合成二氧化鈦納米管，選擇下列原料中的： DA、二氧化鈦 B、TiOSO4 C、H2TiO3 D、鈦酸脂類 8）測定合成產(chǎn)物是否為目標晶體結(jié)構(gòu)的納米材料

4、，應(yīng)該選擇下列測試技術(shù)的： AA、AFM B、FTIR C、SEM D、XRD 9）表征納米材料顆粒粒徑，選擇下列測試技術(shù)中的：C A、DSC B、SEM C、XRD D、FTIR 10）表征納米材料聚集狀態(tài)，可以選擇下列測試技術(shù)中的： CA、TEM B、FTIR C、SEM D、XRD 3、簡答題、簡述題 1) 為什么掃描探針顯微鏡被稱為納米科技的“眼”和“手”？ 2) 納米微粒表面改性的方法有哪些？化學(xué)修飾方法 化學(xué)偶聯(lián)法 酯化反應(yīng)法 表面接枝技術(shù)物理修飾方法 物理包敷法 機械球磨法 3）納米結(jié)構(gòu)與納米材料有什么區(qū)別與聯(lián)系？納米結(jié)構(gòu)：是指以納米尺度的物質(zhì)單元為基元。按一定的規(guī)律排列，形成一

5、維的、二維的及三維的陣列，這種結(jié)構(gòu)體系就稱為“納米結(jié)構(gòu)”。納米結(jié)構(gòu)物質(zhì)的主體可能是非納米結(jié)構(gòu)的。納米材料，通常是指構(gòu)成物質(zhì)的“單元”的三維尺寸中至少有一維是納米級的；也就是有一維尺寸的0.1100nm，10-1010-7m之間的材料。 4）如果合成納米Al2O3粉末，將選用哪種合成技術(shù)？如何合成納米Al2O3膜？ 溶膠凝膠法，用Al（Ac）3 作前軀體，乙二醇甲醚和無水乙醇（EtOH）作為溶劑，乙醇胺（DEA）作為穩(wěn)定劑：將一定量的Al（Ac）3溶解在乙二醇甲醚和無水乙醇混合溶劑中，加入和Al（Ac）3等摩爾量的乙醇胺（DEA）和少量的甲酰胺（CH3NO）充分攪拌后，形成透明均勻的溶胺。采用載

6、玻片作為底襯材料，在涂膜前分別用重鉻酸鉀洗液，去離子水，乙醇和丙酮在超聲波中清洗。采用旋涂法進行涂膜，涂抹速率3000r/s旋轉(zhuǎn)時間為30s，涂膜結(jié)束后立即放入恒溫箱中干燥10min，然后進行多次涂膜，反復(fù)進行到所需厚度。放入馬弗爐中，在600oC進行熱處理1h。5）什么是超導(dǎo)臨界溫度？何謂巨磁電阻效應(yīng)？ 超導(dǎo)體從正常態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)態(tài)時的溫度。6）納米材料與常規(guī)尺寸材料物理化學(xué)性質(zhì)有那些主要區(qū)別？ 力學(xué)性能 超塑性、強度與硬度，納米材料的塑性，韌性也都高于常規(guī)材料熱學(xué)性能 熱容，熱膨脹，熱穩(wěn)定光學(xué)性能 紫外，可見光及紅外吸收可見熒光磁特性 超順磁性 巨磁電阻效應(yīng)電學(xué)性能 納米材料粒徑小于某一臨界

7、值，電阻溫度系數(shù)可能由正變負。7）如果以堿式碳酸銅為原料，合成納米銅粉，請說明用什么方法？簡述原理，說明理由。 8）如果以堿式碳酸銅為原料，合成納米氧化銅粉末，請說明用什么方法？簡述原理。 9）合成Al摻雜納米二氧化硅，應(yīng)選擇什么方法？簡述合成原料及化學(xué)原理。 10）合成硅摻雜碳納米管，應(yīng)選擇什么方法較為合適？簡述合成原料及化學(xué)原理。4、綜合練習(xí) 舉實例介紹下列納米材料常用合成技術(shù)的化學(xué)原理、合成哪些類型（形貌、化學(xué)組成）的納米材料、有何優(yōu)缺點等。 1）溶膠-凝膠（sol-gel）法 由鹽水解制得高濃度的溶液，然后局部去除溶劑化后形成凝膠，再干燥、熱處理得到納米微料或者納米膜2）化學(xué)氣相沉積法

8、(CVD) 3）超聲波化學(xué)沉淀法 在非溶液及非水溶液中能形成沉淀的所有類型的化合物4）固相化學(xué)反應(yīng)法 在較高溫度下條件下的固相化學(xué)反應(yīng)5）熱化學(xué)沉淀法 6）熱化學(xué)分解法 ：Zn（NO3）2固體在300oC500oC下分解，可得到納米ZnO粉體，可合成氧化物，金屬、非金屬單質(zhì)，復(fù)合氧化物合金。7）高能球磨法 8）模板技術(shù)、分子自組裝技術(shù) 5、指出下列英文或者縮寫的中文意義、中文的英文含義 1）Nano-Structure： 納米結(jié)構(gòu) ； 2）Nano-ST： 納米技術(shù) ； 3）sol-gel： 溶膠凝膠法 ； 4）CVD： 氣相化學(xué)沉積法 ； 5）intercalate/insert： 嵌入 ；

9、 6）AFM： 原子力顯微鏡 ； 7）SEM： 掃描電鏡法 ； 8）TEM： 透射電鏡法 ； 9）XRD： X射線衍射法 ； 10）HRTEM： 高分辨率投射電鏡 ； 11）XPS： 多孔聚苯乙烯 ； 12）STM： 掃描隧道顯微鏡 ； 13）HEBM： 高能球磨 ； 14）FTIR： 紅外光譜分析 ； 15）EDS： 電子器件協(xié)會 ； 16）模板材料： Template-based synthesls of matencal ； 17）納米膜： nanolayer ； 18）摻雜： dope ；19）接枝： Graft ； 20）修飾： modified ； 21）缺陷： deffect ；

10、 22）納米材料： Nano materials ； 23）燃燒合成： Combustion synthesis ； 24）碳納米管： carbon nanotubes ； 25）納米自組裝膜：Nano selfassembled ； 26）原子團族： Atomic llusters ； 27）表面與界面效應(yīng)： surface and inteface ； 28）小尺寸效應(yīng)： Small size effect ； 29）超分子體系： super molecular systems ； 30）隧穿效應(yīng)： tunneling effect 。7、名詞解釋及原理、補充內(nèi)容 1）納米材料(nano

11、material)：納米材料又稱為超微顆粒材料，由納米粒子組成。 2）納米粒子(nano particle)：納米粒子也叫超微顆粒，一般是指尺寸在1100nm間的粒子，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，從通常的關(guān)于微觀和宏觀的觀點看，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)，是一種典型人介觀系統(tǒng)，它具有表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。當人們將宏觀物體細分成超微顆粒（納米級）后，它將顯示出許多奇異的特性，即它的光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、力學(xué)以及化學(xué)方面的性質(zhì)和大塊固體時相比將會有顯著的不同。 納米材料的奇異特性: 1）表面效應(yīng)：粒子直徑減少到納米級，不僅引起表面原子數(shù)的迅速增加，

12、而且納米粒子的表面積、表面能都會迅速增加。這主要是因為處于表面的原子數(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。表面原子周圍缺少相鄰的原子，有許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，易與其它原子相結(jié)合而穩(wěn)定下來，故具有很大的化學(xué)活性，晶體微?；橛羞@種活性表面原子的增多，其表面能大大增加。 2）小尺寸效應(yīng)：指納米粒子尺寸下降到一定值時，費米能級附近的電子能級由連續(xù)能級變?yōu)榉至⒛芗壍默F(xiàn)象。這一效應(yīng)可使納米粒子具有高的光學(xué)非線性、特異催化性和光催化性質(zhì)等。 3）體積效應(yīng)：指納米粒子的尺寸與傳導(dǎo)電子的德布羅意波長相當或更小時，周期的邊界條件將被破壞，磁性、內(nèi)壓、光吸收、熱阻、化學(xué)活性、催化性及熔點

13、等都較普通粒子發(fā)生了很大的變化。如光吸收顯著增加并產(chǎn)生吸收峰的等離子共振頻移，由磁有序態(tài)向磁無序態(tài)，超導(dǎo)相向正常相轉(zhuǎn)變等。 4）宏觀量子隧道效應(yīng)：微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。近來年，人們發(fā)現(xiàn)一些宏觀量，例如微顆粒的磁化強度、量子相干器件中的磁通量以及電荷等亦具有隧道效應(yīng)，它們可以穿越宏觀系統(tǒng)的勢壘而產(chǎn)生變化，故稱為宏觀的量子隧道效應(yīng)MQT（Macroscopic Quantum Tunneling）。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)一起，確定了微電子器件進一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進行信息儲存的最短時間。 納米材料的分類 1）納米顆粒型材料：應(yīng)用時直接使用納米顆粒的形態(tài)稱為納米顆

14、粒型材料。 2) 納米固體材料：納米固體材料通常指由尺寸小于15納米的超微顆粒在高壓力下壓制成型，或再經(jīng)一定熱處理工序后所生成的致密型固體材料。 3）納米膜材料：顆粒膜材料是指將顆粒嵌于薄膜中所生成的復(fù)合薄膜，通常選用兩種在高溫互不相溶的組元制成復(fù)合靶材，在基片上生成復(fù)合膜，當兩組份的比例大致相當時。就生成迷陣狀的復(fù)合膜，因此改變原始靶材中兩種組份的比例可以很方便地改變顆粒膜中的顆粒大小與形態(tài)，從而控制膜的特性。對金屬與非金屬復(fù)合膜，改變組成比例可使膜的導(dǎo)電性質(zhì)從金屬導(dǎo)電型轉(zhuǎn)變?yōu)榻^緣體。 4、納米磁性液體材料：磁性液體是由超細微粒包覆一層長鍵的有機表面活性劑，高度彌散于一定基液中，而構(gòu)成穩(wěn)定的

15、具有磁性的液體。 二、納米材料的研究歷史 從20世紀70年代納米顆粒材料問世，80年代中期實驗室合成納米塊體材料，到現(xiàn)在有20多年的歷史，從研究內(nèi)涵和特點大致可分三個階段： 1、 第一階段（1990年以前）探索用各種手段制備各種材料的納米顆粒粉體，合成塊體(包括薄膜)，研究評估表征的方法，探索納米材料不同于常規(guī)材料的特殊性能。 2 、第二階段（1994年以前） 人們關(guān)注的熱點是如何利用納米材料已挖掘出來的奇特物理、化學(xué)和力學(xué)性能，設(shè)計納米復(fù)合材料，通常采用納米微粒與納米微粒復(fù)合，納米微粒與常規(guī)塊體復(fù)合及發(fā)展復(fù)合材料的合成及物性的探索一度成為納米材料研究的主導(dǎo)方向。 3、第三階段（1994年以后

16、） 納米組裝體系、人工組裝合成的納米結(jié)構(gòu)的材料體系越來越受到人們的關(guān)注，正在成為納米材料研究的新的熱點。國際上，把這類材料稱為納米組裝材料體系或者稱為納米尺度的圖案材料。 第三階段的研究對象主要是：納米絲、管、微孔等。 三、納米材料的制備方法 納米材料的制備方法物理方法 1、真空冷凝法 用真空蒸發(fā)、加熱、高頻感應(yīng)等方法使原料氣化或形成等粒子體，然后驟冷。其特點純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。 2、物理粉碎法 通過機械粉碎、電火花爆炸等方法得到納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。 3、機械球磨法 采用球磨方法，控制適當?shù)臈l件得到純元素、合金或復(fù)合材料的

17、納米粒子。其特點操作簡單、成本低，但產(chǎn)品純度低，顆粒分布不均勻。 能制備所有金屬單質(zhì)，金屬合金，非金屬，氧化物，有機固體，金屬/非金屬/有機/無機/高分子等的復(fù)合材料及前驅(qū)體材料等，此外還可以進行納米材料的包敷改性納米材料的制備方法化學(xué)方法 1、氣相沉積法 利用金屬化合物蒸氣的化學(xué)反應(yīng)合成納米材料。其特點產(chǎn)品純度高，粒度分布窄。含有C源的氣體激活（前驅(qū)物），在極低的氣體壓強下，使C原子在一定的區(qū)域沉淀下來，C原子在凝聚沉淀過程中形成C60 ，金剛石，碳納米等。金剛石在硅片上生長，然后再除去硅，得到金剛石薄膜，金屬，非金屬單質(zhì)，氧化物多元金屬，非金屬合金或氧化物。2、沉淀法 把沉淀劑加入到鹽溶液

18、中反應(yīng)后，將沉淀熱處理得到納米材料。其特點簡單易行，但純度低，顆粒半徑大，適合制備氧化物。 3、水熱合成法 高溫高壓下在水溶液或蒸汽等流體中合成，再經(jīng)分離和熱處理得納米粒子。其特點純度高，分散性好、粒度易控制。 4、溶膠凝膠法 金屬化合物經(jīng)溶液、溶膠、凝膠而固化，再經(jīng)低溫熱處理而生成納米粒子。其特點反應(yīng)物種多，產(chǎn)物顆粒均一，過程易控制，適于氧化物和族化合物的制備。5、微乳液法兩種互不相溶的溶劑在表面活性劑的作用下形成乳液，在微泡中經(jīng)成核、聚結(jié)、團聚、熱處理后得納米粒子。其特點粒子的單分散和界面性好，族半導(dǎo)體納米粒子多用此法制備。 四、納米復(fù)合永磁材料 什么是納米復(fù)合永磁材料 1、納米復(fù)合永磁材

19、料 納米復(fù)合永磁材料是由納米晶硬磁相和納米晶軟磁相組成，而在硬磁相和軟磁間具有交換作用的復(fù)合永磁材料。由于成分和微結(jié)構(gòu)上的復(fù)雜性，與傳統(tǒng)的永磁材料相比，復(fù)相納米永磁具有全新的特征。 2、納米復(fù)合永磁材料的特點 理論磁能積高達960kJ/m3（120MGOe）；由于含鐵量高，成本相對較低；有更好的加工性能；有更好的抗腐蝕性能。 納米復(fù)合永磁材料的內(nèi)稟磁性 1、與傳統(tǒng)永磁材料內(nèi)稟磁性的差別 傳統(tǒng)的“內(nèi)稟磁性”僅依賴于材料成分和晶體結(jié)構(gòu)。在納米復(fù)相永磁中，由于晶粒細化引起的各種交換作用的改變，一些內(nèi)稟磁性已不再完全由成分和晶體結(jié)構(gòu)決定，而依賴于晶粒尺寸、形狀和分布。2、納米復(fù)相永磁內(nèi)稟磁性居里溫度

20、居里溫度是指鐵磁材料的自發(fā)磁化消失所對應(yīng)的溫度。納米復(fù)相永磁的居里溫度為自發(fā)磁化消失溫度最低的相對應(yīng)的溫度。對于通常的Nd2Fe14B/-Fe雙相納米永磁，其中Nd2Fe14B的自發(fā)磁化消失溫度低，故為復(fù)相材料的居里溫度。硬軟磁相的交換耦合作用顯著增強居里溫度。 3、納米復(fù)相永磁內(nèi)稟磁性飽和磁化強度 雙相納米永磁的飽和磁化強度為：s=fMSS+(1-f)MHS，但復(fù)相納米永磁中晶粒尺寸、分布等微結(jié)構(gòu)因素對硬磁相和軟磁相的飽和磁化強度也有影響。 4、納米復(fù)相永磁內(nèi)稟磁性磁晶各向異性 對于復(fù)相納米永磁，由于各相之間的交互作用，磁晶各向異性不再由成分和晶體結(jié)構(gòu)唯一確定。 納米復(fù)合永磁的“剩磁增強”現(xiàn)

21、象 1、納米復(fù)合永磁的“剩磁增強”現(xiàn)象 根據(jù)Stoner-Wohlfarth模型，對于由單軸磁各向異性的單疇粒子組成的各向同性的磁體，其剩磁比（剩磁Mr/飽和磁化強度Ms）的最大值為0.5。到目前為止，所有大晶粒各向同性磁體的剩磁都沒有超越上述界限，但在復(fù)相納米永磁中，剩磁通常大于Ms/2，這就是“剩磁增強”現(xiàn)象（Remanence enhancement）。 2、 納米復(fù)合永磁的“剩磁增強”的判據(jù) 有人把Mr/Ms0.5作為復(fù)相納米永磁材料產(chǎn)生剩磁增強的標準，這是不準確的。0.5作為評判標準只適合構(gòu)成復(fù)相納米永磁的各個相都具有單軸磁晶各向異性的情形，而目前幾乎所有被研究的復(fù)相納米永磁系都不具備這一特征。實際上對于三軸晶系的各向同性多晶體（如-Fe），按Stoner-Wlhlfarth模型，其最大剩磁為0.832Ms，因此對Nd2Fe14B /-Fe雙相納米系，剩磁增強的判據(jù)應(yīng)為：r=0.832fMSS+0.5(1-f)MHS 。 納米復(fù)合永磁的矯頑力機理 通常的反磁化過程可分為形核型和釘扎型兩類，它們在熱退磁狀態(tài)后的磁化曲線和磁滯回線上表現(xiàn)出不同的特征：以形核為主的磁化曲線上升很快，起始磁導(dǎo)率較高，用不大的外場就能達到飽和，其矯頑力