超微颗粒的物理特性概述.ppt

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1、第二章超微颗粒基础本章的教学目的与要求主要通过学习超微颗粒的物理特性、吸附、分散、凝聚，悬浮体流变学等内容，掌握有关超微颗粒的基本知识，重点掌握超微颗粒的热学、磁学、光学性质，分散机理及方法；熟悉超微颗粒的凝聚机理；了解超微颗粒最新发展动态。2.1超微颗粒的物理特性2.2超微颗粒的吸附2.3超微颗粒的分散2.4超微颗粒的凝聚2.5流变学第二章超微颗粒基础2.1超微颗粒的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子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光和表面稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具

2、有广阔应用前景。1）、小尺寸效应（体积效应）当粒子的尺度与光波波长、德波罗意波长及超导态的相干长度或透射深度等物理特性尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，磁性、内压、光吸收、热阻、化学活性、催化性及熔点等与普通晶粒相比都有很大变化，这就是体积效应。即当超细微粒的尺寸不断减小，在一定条件下，会引起材料宏观物理、化学性能的变化，称为小尺寸效应。内容回顾表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而大幅度增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子性质的变化。可制得具有高催化活性和产物选择性的催化剂。2）、表面效应3）、量子尺寸

3、效应（久保效应）当粒子尺寸小到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象称为量子尺寸效应。当粒子的尺寸降到一定值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为分立（离散）能级的现象、纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级和能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。（量子概念：微观世界某些物理量不能连续变化而只能取其分立值，两个分立值之差为一量子。）4）、宏观量子隧道效应微观粒子具有粒子性又具有波动性，因此具有贯穿势垒的能力，称之为隧道效应。　　近年来科学家们发现，一些宏观量如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有

4、隧道效应，它们可以贯穿宏观系统的势垒而产生变化，故称为宏观量子隧道效应。这一效应与量子尺寸效应一起，确定了微电子器件进一步微型化的极限，也限定了采用磁带磁盘进行信息储存的最短时间。2.1超微颗粒的物理特性2.1.1热学性能2.1.2光学性能2.1.3磁学性能2.1.4力学性能1、纳米微粒的熔点比常规粉体的低对于一个给定的材料来说，熔点是指固态和液态间的转变温度。当高于此温度时，固体的晶体结构消失，取而代之的是液相中不规则的原子排列。1954年，M.Takagi首次发现纳米粒子的熔点低于其相应块体材料的熔点。从那时起，不同的实验也证实了不同的纳米晶都具有这种效应。2.1.

5、1热学性能1976年，Buffat等人利用扫描电子衍射技术研究了Au纳米晶的熔点，研究发现：Au纳米晶的熔点比体相Au下降了600K。认为：表面原子具有低的配位数从而易于热运动并引发熔融过程。这种表面熔融过程可以认为是纳米晶熔点降低的主要原因。例如：大块铅的熔点327℃,20nm纳米Pb39℃.纳米铜(40nm)的熔点，由1053℃(体相)变为750℃。块状金熔点1064℃，10nm时1037℃；2nm时，327℃；银块熔点，960℃；纳米银(2-3nm)，低于100℃。用于低温焊接(焊接塑料部件)。Wronski计算出Au微粒的粒径与熔点的关系，如图所示。图中看出，超

6、细颗粒的熔点随着粒径的减小而下降。当粒径小于10nm时，熔点急剧下降。其中3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点的一半。金纳米微粒粒径与熔点的关系大量的实验已经表明，随着粒子尺寸的减小，熔点呈现单调下降趋势，而且在小尺寸区比大尺寸区熔点降低得更明显。高分辨电子显微镜观察2nm的纳米金粒子结构可以发现，纳米金颗粒形态可以在单晶、多晶与孪晶间连续转变，这种行为与传统材料在固定熔点熔化的行为完全不同。熔点下降的原因：由于纳米颗粒尺寸小，表面原子数比例提高，表面原子的平均配位数降低，这些表面原子近邻配位不全，具有更高的能量，活性大(为原子运动提供动力)，纳米粒子熔化时所需

7、增加的内能小，这就使得纳米微粒熔点急剧下降。以Cu为例，粒径为10微米的粒子其表面能量为94Merg/cm2，而当粒径下降到10nm时，表面能量增加到940Merg/cm2，其表面能量占总能量的比例由0.00275%提高到2.75%。超细颗粒的熔点下降，对粉末冶金工业具有一定吸引力。例如，在钨金属颗粒中加入0.1%~0.5%的重量比的纳米Ni粉，烧结温度可以从3000℃降低为1200~1300℃。但是纳米材料熔点降低在很多情况下也限制了其应用领域，例如，纳米材料熔点降低对工艺线宽的降低极为不利。在电子器件的使用中不可避免会带来温度的升高，