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纳米材料的制备方法纳米材料导论复习2011-06-14纳米材料的制备方法纳米材料导论复习纳米材料的制备方法纳米材料导论复习一:名词解释1纳米材料:=指在三维空间，至少有一维处于纳米范围(1-100nm)或由其作为基本单元构成的材料。2纳米粒子:=又称为纳米粉末,一般是指粒度在100nm以下的固体粉末或纳米颗粒。3原子团簇:=几个至几百个原子的聚集体(粒径小于等于1个纳米)4表面效应:=界面效应，纳米粒子的表面原子数与总原子数之比，随粒径减小而急剧增大后，引起的性质上的变化。5超塑性:=指晶体材料在受到拉伸应力时，显示出很大的伸长率而不产生颈缩与断裂现象，其伸长率一般大于100%，有些材料的伸长率甚至可打到1000%。6溅射制膜:=在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术。7量子尺寸效应:=金属费米能级附近电子能级在宏观尺寸情况下一般是连续的，当粒子尺寸下降到某一纳米值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象，以及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而使能隙变宽。8小尺寸效应:=当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以、超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等物性均会发上变化。9纳米陶瓷:=指陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平。包括晶粒尺寸，晶界宽度，第二相分布，气孔尺寸，缺陷尺寸都是纳米级。由于纳米陶瓷晶粒的细化，晶界数量大幅增加，使得材料的韧性和塑性大幅度提高，并对材料的电、热、磁、光学等性能产生重要影响。10纳米薄膜:=尺寸在纳米量级的晶粒构成的薄膜，或将纳米晶粒镶嵌于某种薄膜中构成的复合膜，以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜。11自上而下:由大变小，粉碎法，严重塑性变形方法。12自下而上:=由小变大，构筑法，制备纳米粒子的主流技术，易于在原子、分子尺度上对纳米粒子的结构和性能进行设计和剪裁，制备的纳米粒子形态规整、粒径分布均匀。13人造原子:=由一定数量的实际原子组成的聚集体，尺寸小鱼100nm。14纳米管:纳米管比人的头发丝还要细1万倍，而它的硬度要比钢材坚硬100倍。它可以耐受6500F(3593)的高温，并且具有卓越的导热性能。纳米管既可以用作金属导电体，比金的电高多得多，也可以用作制造电脑芯片所必须的半导体。纳米管在极低的温度下还具有超导性。15量子点:=准零维的纳米材料，由少量的原子所构成。粗略地说，量子点三个维度的尺寸都在100纳米(nm)以下，也称为人造原子。16库伦堵塞与量子隧道效应:=库伦堵塞:当体系的尺度进入到纳米级，体系是电荷量子化的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电荷所需能量Ec=e2/2c，e越小，能量Ec越大。量子隧道效应:微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。17宏观量子效应:在超低温等某些特殊条件下，由大量粒子组成的宏观系统呈现出的整体量子现象。18介电限域效应:介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强的现象，主要来源于微粒表面和内部局域强的增强。当介质的折射率比微粒的折射率相差很大时，就产生了折射率边界，这就导致微粒表面和内部的场强比入射场强明显增加，这种局域强的增强称为介电限域。19ECAP:=等通道转角挤压是一种通过对块体材料施加剧烈的塑性变形直接细化其内部组织，植被具有大角度晶界的块体纳米材料的方法。可使材料在塑性变形时不改变式样断面因而建立了重复形变的可能性。20HPT:HPT是高压试验(High-PressureTest)的简称，高压电气试验具体就是试验设备绝缘性能的好坏以及设备的运行状态等等。试验项目具体包括吸收比和极化指数的试验、介质损耗和电容试验、直流泄漏电流试验、空载损耗和负载损耗试验、直流电阻试验等等。21ARB:=累积叠轧焊，通过金属板带循环累积叠轧的方法使同种或不同种金属材料获得超大压下量，从而实现材料在强加工下的良好结合，并细化金属组织，大幅度提高材料的性能。易于在传统轧机上实现，制备的板材具有层压复合钢板的特性，因此可用于各种材料的制备。整个过程需在低于在结晶温度的高温条件下进行。22碳纳米管:=它由纯碳元素组成，是由类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物，管子两端一般由含五边形的半球面网格封口。纳米碳管直径一般在1-20nm之间，长度可以从纳米至微米量级。23分子束外延:=是一种可在原子尺度上精确控制外延厚度、掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备技术。外延就是在一定的晶体材料衬底上，沿着衬底表面外延伸生长出一层其原材料的分子束强度，把分子束射入被加垫的底片上而进行外延生长。24溅射:=利用溅射现象代替蒸发，可制备高熔点的纳米金属粉，溅射法也可用于制备金属薄膜。溅射法包括多种制备技术，但主要分为辉光溅射法和离子束溅射法两大类。25蒸镀:=在高真空中用加热蒸发的方法使源物质转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。26介孔材料:=介孔材料是一种孔径介于微孔(2nm)与大孔(50nm)之间的具有巨大表面积和三维孔道结构的新型材料。27严重塑性变形:=SPD，一种力致材料纳米化方法，强大的晶粒细化能力可产生超细晶材料。SPD法避免了残留孔隙或粉末杂质污染产生的危害，保证各种金属材料的形状不发生明显变化，避免厚度及直径尺寸的减小，具有良好的室温抗拉强度，高温超塑性及摩擦性能。28溶胶凝胶:=从金属的有机或无机化合物的溶液出发，在溶液中通过化合物的加水分解、聚合，把溶液制成溶有金属氧化物微粒子的溶胶液，进一步反应发生凝胶化，再把凝胶加热，除去凝胶中的剩余有机物和水分，最后形成所需的薄膜，可制成水晶玻璃，多晶陶瓷等。二:简答1纳米材料表面改性的目的是什么?=(1)改变过改善纳米粒子的分散性，流动性。(2)提高粒子的表面活性(3)使粒子表面产生新的物理、化学、生物性能，赋予新的功能。(4)改善纳米粒子与其它物质之间的相容性。2纳米技术的发展大致可以划分为哪几个阶段?=划分为3个阶段，第一阶段:开始1990年实验室制备纳米材料第二阶段:1990年1994年纳米复合材料设计第三阶段:1994年现在纳米器件3引起纳米固体材料光吸收带红移的因素?=吸收带移向长波方向，从谱线的能级跃迁而言，谱线的红移是能隙减小，带隙、能级间距变窄，从而导致电子由低能级向高能级及半导体电子由价带到导带跃迁引起的光吸收带和吸收边发生红移。4人造原子与真正原子的区别?=(1)人造原子含有一定数量的真正原子。(2)人造原子的形状和对称性是多种多样的，真正原子可以用简单的球形和立方形来描述。(3)人造原子电子间强交互作用比实际原子复杂的多。(4)实际原子中电子受原子核吸引作轨道运动，而人造原子中的电子处于抛物线的势阱中，具有自由电子的特征。5惰性气体凝聚原位加压成型法?=(1)装置:蒸发源、液氮冷却的纳米微粉收集系统、刮落输运系统及原位加压系统组成。(2)工艺:A、真空B、ArHe充入C、蒸发D、冷阱E、输运F、加压15GPa(3)适用材料:Pd、Cu、Fe、Ag、Mg、Sb、Ni3Al、TiAl、Fe5Si95(4)特点:适用范围广，微粉表面洁净，但工艺设备复杂，产量极低，存在大量的微孔隙，致密度仅能达金属体积密度的75%90%。7纳米材料的研究包括哪几个方面?=(1)纳米材料制备，结构表征和评估方法(2)纳米材料物理化学性质的测试方法(3)纳米材料物理化学性质的特殊变化规律和产生机理(4)纳米材料使用过程中的老化失效8根据显微结构纳米薄膜如何分类?=(1)含有纳米颗粒与原子团簇的基质薄膜(2)纳米尺寸厚度的薄膜9简述介孔材料的特点?=(1)长程结构有序(2)孔径分布窄，并可在1.5-10nm之间系统调变(3)比表面积可高达1000m2/g(4)孔隙率高(5)表面富含不饱和基团10什么是纳米粒子的超顺磁性?产生原因?=当一任意场发生变化后，磁性材料的磁化强度经过时间t后达到平衡态的现象。产生原因:当微粒体积足够小时，热运动能对微粒自发磁化方向的影响引起的磁性。11纳米材料的光学现象=(1)宽频带强吸收:纳米粒子几乎都呈黑色，对可见光的反射率极低，对可见光低反射率,强吸收率导致金属粒子变黑。(2)发光现象:纳米粒子的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。12纳米颗粒的表面物理修饰及化学修饰=物理修饰:(1)通过范德瓦耳斯力等将异质材料吸附在纳米粒子的表面，来防止纳米粒子之间团簇(2)表面沉淀法:将一种物质沉淀到纳米粒子表面，形成与颗粒表面无化学结合的异质包覆层。化学修饰:(1)通过纳米粒子表面与修饰剂之间进行化学反应，改变纳米粒子表面结构和状态，实现表面改性(地位及其重要)(2)包括:偶联剂法、酯化反应法、表面接枝法。14列举3种基于严重塑性变形原理制备纳米材料的方法，并详述其中一种的工艺=等通道转角挤压(ECAP)，高压扭转(HPT)，累计叠轧焊(ARB)，多向锻造(MF)等。等通道转角挤压:是一种通过对块体材料施加剧烈的塑性变形直接细化其内部组织，植被具有大角度晶界的块体纳米材料的方法。可使材料在塑性变形时不改变式样断面因而建立了重复形变的可能性。15分子束外延生长特点=(1)系统真空度高达8-10Pa，有利于获得原子级厚度和平整度的外延膜，而且厚度可以精确控制。(2)分子束外延层界面清晰，可以形成界面突变的超精细结构。(3)可以根据需要在喷射室内安放多个喷射炉，分别调制多个组分的分子束流，可同时精确控制生长层厚度、组分和掺杂。(4)分子束外延式一个动力学过程，可以用来生长按照普通热力学平衡生长法难以生长的薄膜。(5)分子束外延可以用多种仪器实时观察生长面上的成分，晶体结构和生长过程，进行生长机制的研究和实时监控。16按几何结构纳米材料如何分类原子团簇，纳米颗粒，纳米线，纳米薄膜，纳米涂层，纳米碳管，纳米碳球，纳米固体材料，纳米复合材料。17列举3种纳米材料的物理制备方法，并讲述其中一种=真空蒸发法，磁控溅射法，离子束溅射法，分子束外延。分子束外延:是一种可在原子尺度上精确控制外延厚度、掺杂和界面平整度的超薄层薄膜制备技术。外延就是在一定的晶体材料衬底上，沿着衬底表面外延伸生长出一层其原材料的分子束强度，把分子束射入被加垫的底片上而进行外延生长。离子束溅射法:利用直流或高频电场使惰性气体发生电离，产生辉光放电等里字体，电力产生正离子和点子高束轰击靶材，是吧才上的源自或分子建设出来，然后沉积到基片上形成薄膜。18简述topdown和bottomup两种纳米材料制备工艺路线Topdown自上而下:由大变小，粉碎法，严重塑性变形方法。Bottomup自下而上:由小变大，构筑法，制备纳米粒子的主流技术，易于在原子、分子尺度上对纳米粒子的结构和性能进行设计和剪裁，制备的纳米粒子形态规整、粒径分布均匀。19纳米粒子表面修饰=即纳米表面工程，就是利用物理化学方法改变纳米粒子表面的结构和状态，实现人们对纳米粒子表面的控制。目的:(1)改变过改善纳米粒子的分散性，流动性。(2)提高粒子的表面活性(3)使粒子表面产生新的物理、化学、生物性能，赋予新的功能。(4)改善纳米粒子与其它物质之间的相容性。20介孔材料的软模板制备法=主要指以表面活性剂或两亲高分子为模板剂，在溶液中利用有机相和无机相物种之间的界面组装作用力，通过纳米自组装技术来和合成介孔材料。合成机理主要是:液晶模板机理和协同作用。软模板法合成路线的核心过程是溶胶-凝胶，通过对含有表面活性剂，硅源，钛源的溶胶凝胶经历晶化过程制得。软模板法合成路线分为:水热合成，室温合成，微波合成。三:问答1简述等通道角挤压(ECAP)制备纳米结构材料的基本原理。并画图说明严重塑性变形ECAP法制备纳米结构材料的四种工艺路线。以铜为例画图说明显微组织细化机理，并说明系用该工艺制备的纳米材料的力学性能特点。答:是一种通过对块体材料施加剧烈的塑性变形直接细化其内部组织，植被具有大角度晶界的块体纳米材料的方法。可使材料在塑性变形时不改变式样断面因而建立了重复形变的可能性。先在剪切作用下粗大晶粒被粉碎成一系列具有小角度晶界的亚晶，沿着一定方向亚晶被拉长成形带状组织，随后亚晶粒被继续破坏，开始出现部分具有大角度界面的等轴晶组织，最后亚晶带消失，显微组织主要为具有大角度晶界的等轴晶组织，晶粒位相差随剪切变形量的增大而增大。2讨论纳米粉体制备过程中粒子的团聚及控制方法纳米颗粒随尺寸减小，颗粒之间的静电吸引力，范德华作用力，毛细管作用力等较弱的相互作用显得越来越重要，形成软团聚。当颗粒尺寸小于50nm时，颗粒之间范德华力非常强，另一方面颗粒比表面积增大，水蒸气在颗粒之间凝结的趋势加剧，在颗粒之间形成化学键，加剧了团聚，形成硬团聚。团聚有害。纳米作用能是纳米粒子易于团聚的内在因素。防止纳米粒子团聚的方法:(1)化学分散，加入反絮凝剂形成双电层，加入表面活性剂包裹微粒。(2)超声分散，将需要处理的颗粒悬浮体直接至于超声场中，用适当频率和功率的超声波处理，是一种精度很高的分散手段(3)机械分散，包括研磨，普通球磨，振动球磨，胶体磨，空气膜等。3