纳米微粒的物理特性

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1、纳米微粒具有大的表面积，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子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子，这就使的它具有广阔应用前景。第四章纳米微粒的物理特性7/5/202114.1热学性能纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低很多。由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子，熔化时所需增加的内能比常规材料小得多，这就使的纳米微粒熔点急剧下降。7/5/20212大块Pbmp=600Kd=

2、20nmPb微粒mp=288K纳米Agmp=373K常规Agmp=1173K例如:7/5/20213Wronskt计算Au微粒的粒径与mp的关系，结果如图所示：由图可以看出：d>10nm熔点下降很少d<10nm,熔点开始明显下降;d<3-5nm时,熔点开始急剧下降.7/5/20214所谓烧结温度：是指把粉末高压压制成形，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。烧结温度：7/5/20215纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块体后的界面具有较高能量，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

3、。因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。7/5/20216常规Al2O3烧结温度在2073K～2173K在一定条件下，纳米Al2O3可在1423K～1773K烧结致密度可达99.7%常规Si3N4烧结温度高于2273K纳米Si3N4烧结温度降低673K～773K例如：7/5/20217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，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。7/5/20218例如：非晶氮化硅在1793K晶化成α相。纳米非晶氮化硅在1673K加热4h，全部转变成α相

4、。纳米微粒开始长大的起始温度随粒径的减小而降低。非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体7/5/20219从图可以看出：8nm,15nm和35nm粒径的Al2O3粒子快速长大的开始温度分别为：1073K，1273K1423K。1，8nm；2，15nm；3，35nm7/5/2021104.2磁学性能纳米微粒的小尺寸效应，量子尺寸效应，表面效应等使的它具有常规晶粒材料所不具有的磁特性，归纳一下有：7/5/202111顺磁体：指磁化率是数值较小的正数的物体，它随温度T成正比关系。χ=μ0C/Tμ0:真空磁导率=4πX10-7亨/mC:常数⑴超顺磁性7/5/202112

5、这类固体的磁化率是特别大的正数，在某个临界温度Tc以下纵使没有外磁场，材料中会出现自发的磁化强度，在高于Tc的温度它变成顺磁体，其磁化率服从居里—外斯定律：χ=μ0C/(T-Tc)C：常数Tc：居里温度μ0=4π×10-7亨/米真空磁导率铁磁体：7/5/202113我们知道αFe，Fe3O4，和α-Fe2O3这些都是铁磁体，当它们的微粒尺寸到一定临界值是就进入超顺磁状态，这时磁化率χ不再服从居里—外斯定律。其磁化强度Mp可用朗之万公式来描述。7/5/202114对于µH/kBT〈〈1时，Mp≈µ2/3kBT，µ为粒子磁矩，在居里点附近没有明显的χ值突变。例

6、如：d=85nmNi微粒，矫顽力Hc很高，χ服从居里—外斯定律。d=15nmNi微粒Hc→0，说明它们进了超顺磁态。7/5/202115Ni微粒的Hc与颗粒直径d的关系曲线7/5/202116图3.9粒径为85nm，13nm和9nmNi的V(χ)—T曲线V(χ)是与交流磁化率有关的检测电信号。由图可以看出：85nmNi微粒在居里点附近V(χ)发生突变，这意味着χ的突变，而9nm和13nmV(χ)随着温度变化缓慢，未见有突变现象即χ的突变现象。7/5/202117超顺磁状态的起源可归为以下原因：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向不再

7、固定在一个磁化方向，易磁化方向做无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现出超顺磁的临界尺寸是不相同的。7/5/202118⑵矫顽力：纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力Hc例如：惰性气体蒸发冷凝制备纳米Fe微粒，随着粒径减矫顽力显著增加，这可由矫顽力与颗粒粒径与温度发关系来说明。7/5/202119由图可以看出：粒径为16nm的Fe微粒,在5.5K时Hc达1.27×105A/m，室温下7.96×104A/m。而Fe块体，矫顽力低于79.62A/m。对于5.5K,100K测量的Hc均随d减小而增加。随温度升高Hc下降。

8、7/5/202120纳米Fe-Co的Hc为1.64×103A/m。