納米材料的結(jié)構(gòu)和性能

1、 納米材料由于非常小，使納米材料的幾何特點(diǎn)之一是比外表積單位質(zhì)量材料的外表積很大，一般在102104m2/g。它的另一個(gè)特點(diǎn)是組成納米材料的單元外表上的原子個(gè)數(shù)與單元中所有原子個(gè)數(shù)相差不大。例如：一個(gè)由5個(gè)原子組成的正方體納米顆粒，總共有原子個(gè)數(shù)53=125個(gè)，而外表上就有約89個(gè)原子，占了納米顆粒材料整體原子個(gè)數(shù)的71%以上。這些特點(diǎn)完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比外表積在10m2/g以下，其外表原子的個(gè)數(shù)與組成單元的整體原子個(gè)數(shù)相比擬完全可以忽略不計(jì)。 納米材料由于這兩上特殊效應(yīng)的存在，使得它們的物理、化學(xué)性質(zhì)完全不同于普通材料。目前許多實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果已經(jīng)證實(shí)，納米材料的熔點(diǎn)、磁性

2、、電容性、發(fā)光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。例如，將金屬銅或鉛做成幾個(gè)納米的顆粒，一遇到空氣就會(huì)燃燒，發(fā)生爆炸；用碳納米管做成的超級(jí)電容器，其體積比電容到達(dá)600F/cm3，這在同樣體積下電容量為傳統(tǒng)電容的幾百倍；碳納米管的強(qiáng)度比鋼強(qiáng)100倍3、納米材料的性能 運(yùn)用納米技術(shù)，將物質(zhì)加工到一百納米以下尺寸時(shí)，由于它的尺寸已接近光的波長(zhǎng)，加上其具有大外表的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如熔點(diǎn)、磁性、化學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往產(chǎn)生既不同于微觀原子、分子，也不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時(shí)所表現(xiàn)的宏觀性質(zhì)，也即納米材料表現(xiàn)出物質(zhì)的超常規(guī)特性。 3.1 納米材料的特性四個(gè)效應(yīng) 當(dāng)物質(zhì)尺寸度小到一定

3、程度時(shí)，那么必須改用量子力學(xué)取代傳統(tǒng)力學(xué)的觀點(diǎn)來(lái)描述它的行為，當(dāng)粉末粒子尺寸由10微米降至10納米時(shí)，其粒徑雖改變?yōu)?000倍，但換算成體積時(shí)那么將有109倍之巨，所以二者行為上將產(chǎn)生明顯的差異。 當(dāng)小顆粒進(jìn)入納米級(jí)時(shí)，其本身和由它構(gòu)成的納米固體主要有如下四個(gè)方面的效應(yīng)。3.1.1 體積效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 當(dāng)粒徑減小到一定值時(shí)，納米材料的許多物性都與顆粒尺寸有敏感的依賴關(guān)系，表現(xiàn)出奇異的小尺寸效應(yīng)或量子尺寸效應(yīng)。例如，對(duì)于粗晶狀態(tài)下難以發(fā)光的半導(dǎo)體Si、Ge等，當(dāng)其粒徑減小到納米量級(jí)時(shí)會(huì)表現(xiàn)出明顯的可見光發(fā)光現(xiàn)象，并且隨著粒徑的進(jìn)一步減小，發(fā)光強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，發(fā)光光譜逐漸藍(lán)移。又如，在納米磁性材料中

4、，隨著晶粒尺寸的減小，樣品的磁有序狀態(tài)將發(fā)生本質(zhì)的變化，粗晶狀態(tài)下為鐵磁性的材料，當(dāng)顆粒尺寸小于某一臨界值時(shí)可以轉(zhuǎn)變?yōu)槌槾艩顟B(tài)，當(dāng)金屬顆粒減小到納米量級(jí)時(shí)，電導(dǎo)率已降得非常低，這時(shí)原來(lái)的良導(dǎo)體實(shí)際上會(huì)轉(zhuǎn)變成絕緣體。這種現(xiàn)象稱為尺寸誘導(dǎo)的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變。 3.1.2 外表與界面效應(yīng) 粒子的尺寸越小，外表積越大。納米材料中位于外表的原子占相當(dāng)大的比例，隨著粒徑的減小，引起外表原子數(shù)迅速增加。如粒徑為10nm時(shí)，比外表積為90m2/g；粒徑為5nm時(shí)，比外表積為180m2/g；粒徑小到2nm時(shí)，比外表積猛增到450m2/g。這樣高的比外表，使處于外表的原子數(shù)越來(lái)越多，使其外表能、外表結(jié)合能迅速增

5、加致使它表現(xiàn)出很高的粒子化學(xué)性。利用納米材料的這一特性可制得具有高的催化活性和產(chǎn)物選擇性的催化劑。 以上，應(yīng)變速率小于10-4/s時(shí)才能表現(xiàn)出塑性，而許多納米陶瓷在室溫下就可以發(fā)生塑性變形。 3.1.3 量子尺寸效應(yīng) 3.1.4 宏觀量子隧道效應(yīng) 微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。用此概念可定性地解釋超細(xì)鎳微粒在低溫下繼續(xù)保持超順磁性?？茖W(xué)工作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在低溫下確實(shí)存在磁的宏觀量子隧道效應(yīng)。這一效應(yīng)與量子尺寸效應(yīng)一起，確定了微電子器件進(jìn)一步微型化的極限，也限定了采用磁帶磁盤進(jìn)行信息儲(chǔ)存的最短時(shí)間。 由于納米粒子有極高的外表能和擴(kuò)散率，粒子間能充分接近，從而范德華力得以充分發(fā)揮，使納

6、米粒子之間、納米粒子與其它粒子之間的相互作用異常強(qiáng)烈。從而使納米材料具有一系列的特殊的光、電、熱、力學(xué)性能和吸附、催化、燒結(jié)等性能。 3.2 納米材料的性能 3.2.1 力學(xué)性能 3.2.2 光學(xué)性能 納米粒子的粒徑10100nm小于光波的波長(zhǎng)，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬在適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)沉積條件下，可得到易吸收光的黑色金屬超微粒子，稱為金屬黑，這與金屬在真空鍍膜時(shí)形成的高反射率光澤面成強(qiáng)烈比照。由于量子尺寸效應(yīng)，納米半導(dǎo)體微粒的吸收光澤普遍存在藍(lán)移現(xiàn)象，納米材料因其光吸收率大的特色，可應(yīng)用于紅外線感測(cè)器材料。此外，TiO2超細(xì)或納米粒子還可用于抗紫外線用品。 塊狀金屬具有各自的特征顏色

7、，但當(dāng)其晶粒尺寸減小到納米量級(jí)時(shí)，所有金屬便都呈黑色，且粒徑越小，顏色越深，即納米晶粒的吸光能力越強(qiáng)。納米晶粒的吸光過(guò)程還受其能級(jí)別離的量子尺寸效應(yīng)和晶粒及其外表上電荷分布的影響。由于納米材料的電子往往凝集成很窄的能帶，因而造成窄的吸收帶。半導(dǎo)體硅是一種間接帶隙半導(dǎo)體材料，通常情況下發(fā)光效率很弱，但當(dāng)硅晶粒尺寸減小到5nm及以下時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，帶邊向高能帶遷移，觀察到了很強(qiáng)的可見發(fā)射。4nm以下的Ge晶粒也可發(fā)生很強(qiáng)的可見光發(fā)射。 3.2.3 電學(xué)性能 3.2.4 磁學(xué)性能 當(dāng)晶粒尺寸減小到納米級(jí)時(shí)，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對(duì)材料的宏觀磁性有重要的影響。 3.2.5 熱學(xué)性能 3.

8、2.6 燒結(jié)性能 納米材料不同于塊狀材料是由于其外表積相對(duì)增大，也就是超微粒子的外表占據(jù)在局部的結(jié)構(gòu)空間，該結(jié)構(gòu)代表具有高外表能的不安定原子。這類原子極易與外來(lái)原子吸附鍵結(jié)合，同時(shí)因粒徑細(xì)小而提供大外表的活性原子。 納米材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴(kuò)散途徑。高的擴(kuò)散率對(duì)蠕變、超塑性等力學(xué)性能有明顯的影響，同時(shí)可以在較低的溫度對(duì)材料進(jìn)行有效的摻雜，也可以在較低的溫度下使不混溶的金屬形成新的合金相；納米材料的高擴(kuò)散率，可使其在較低的溫度下被燒結(jié)。如12nmTiO2在不添加任何燒結(jié)劑的情況下，可以在低于常規(guī)燒結(jié)溫度400600下燒結(jié)；普通鎢粉需在3000高溫下才能燒結(jié)，而摻入0.1%

9、0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)溫度可降到12001311；納米SiC的燒結(jié)溫度從2000降到1300。很多研究說(shuō)明，燒結(jié)溫度降低是納米材料的共性。納米材料中由于每一粒子組成原子少，外表原子處于不安定狀態(tài)，使其外表晶格震動(dòng)的振幅較大，所以具有較高的外表能量，造成超微粒子特有的熱性質(zhì)，也就是造成熔點(diǎn)下降，同時(shí)納米粉末將比傳統(tǒng)粉末容易在較低溫度燒結(jié)，而成為良好的燒結(jié)促進(jìn)材料。 3.2.7 納米陶瓷的超塑性能 超塑性是指材料在斷裂前能產(chǎn)生很大的伸長(zhǎng)量的性能。這種現(xiàn)象通常發(fā)生在經(jīng)歷中等溫度0.5Tm，中等至較低的應(yīng)變速率條件下的細(xì)晶材料中，主要是由晶界及原子的擴(kuò)散率起作用引起的。一般陶瓷材料屬脆性材料，它們?cè)跀嗔亚暗男巫兟屎苄?。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)