纳米材料特性.doc

《纳米材料导论》作业
什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？
答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。
纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。
答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，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和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分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容与所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。
纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？
答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们与旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。
纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。
答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒内。位错与晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5时，位错的行为决定了材料的力学性能。随着晶粒尺寸的减小，位错的作用开始减小。2）当晶粒尺寸在30—50nm时可认为基本上没有位错行为。3）当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难。4）当晶粒小于约2nm时，开动位错源的应力达到无位错晶粒的理论切应力。
总结纳米材料的合成与制备方法。
答：纳米材料的合成与制备方法概括如下图:
方法制备特点气相法
物理气相沉积将高温的蒸气在冷阱中冷凝或在衬底上沉积和生长出低维纳米材料的方法超细粉末，粉末的纯度高，圆整度好，表面清洁，粒度分布比较集中缺点是粉体的产生率低

化学气相沉积当前驱体气相分子被吸附到高温衬底表面时将发生热分解或与其它气体或蒸气分子反应然后在衬底表面形成固体。可制备出不同的超晶格材料，外延表面和界面可达原子级的平整度，但有杂质、产物少液相法

沉淀法以沉淀反应为基础形成不溶性沉淀高物经过过滤、洗涤、烘干及焙烧，得到所需的纳米氧化物粉体。
纯度高，均匀性好、设备简单、原料容易获得、化学组成控制准确，
微乳液法在微乳液的微区控制胶粒的形核与长大粒子分散性好，但粒径较大不易控制
溶胶－凝胶法由水溶胶得到凝胶，经热处理得到纳米颗粒粒度小、可控，粒子易团聚
电解沉积法在溶液中通以电流后在阴极表面沉积大量的晶粒尺寸在纳米量级的纯金属、合金以及化合物投资少，生产效率高，不受试样尺寸和形状的限制，可制成薄膜、涂层或块体材料，所得样品密度较高固相法
机械合金化高能球磨或冲击破碎投资少、适用材料范围广可大批量生产，但易造成环境污染、晶粒粗化
固相反应固相物质在热能、电能或机械能的作用下发生合成或分解反应而生成纳米材料的方法设备简单，但是生成的粉容易结团，常需要二次粉碎
大塑性变形压力扭转，等通道积压可生产出较大的样品不含空