易丽娟——超微粉体特性

1、超微粉体的特性主讲：易丽娟专业：食品科学学号：20142097201006邮箱：超微粉体的特性超微粉体的特性超微粉体的特性注：主要内容参照张俊等编著的食品微胶囊、超微粉体加工技术、小木虫论坛、百度文库等超微粉体特性超微粉体特性f通常将粒径在通常将粒径在1m以下的粒子称作超微粒子或超以下的粒子称作超微粒子或超微粉体微粉体( (超微粒子的集合体超微粒子的集合体) )。超微粉体材料具有超微粉体材料具有奇特奇特的物理、化学特性的物理、化学特性，如原本导电的如原本导电的CuCu到某一到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的纳米级界限就不导电，原来绝缘的SiOSiO2 2、CrystalCrystal等，在某

2、一纳米级界限时开始导电。等，在某一纳米级界限时开始导电。f这由这由于超微粉体于超微粉体具有具有颗粒尺寸小颗粒尺寸小、比表面积大、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大表面能高、表面原子所占比例大等特点，及其特等特点，及其特有的三大效应：有的三大效应：表面效应表面效应、小尺寸效应小尺寸效应、量子效量子效应应超微粉体的特殊效应超微粉体的特超微粉体的特征效应征效应表面效应表面效应小尺寸效应小尺寸效应量子尺寸效应量子尺寸效应 表面效应表面效应f表面效应表面效应(surface effect)(surface effect)是指纳米粒子的表面是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大

3、原子数与总原子数之比随着粒子尺寸的减小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增幅度的增加，粒子的表面能及表面张力也随着增加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。加，从而引起纳米粒子物理、化学性质的变化。100纳米纳米10纳米纳米1纳米纳米0.1纳米纳米随着尺寸的减小，比表面积迅速增大随着尺寸的减小，比表面积迅速增大铜粒子的表面原子百分数、表面能与颗粒尺寸的关铜粒子的表面原子百分数、表面能与颗粒尺寸的关系系小尺寸效应小尺寸效应f随着颗粒尺寸的随着颗粒尺寸的量变量变，在一定条件下会引起颗粒在一定条件下会引起颗粒性质的性质的质变质变。由于颗粒尺寸变小所引起的由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物宏观

4、物理性质理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生一系列新奇的生一系列新奇的物理化学性质物理化学性质。 3 32 21 14 4质变量子尺寸效应量子尺寸效应f当热能、电场能当热能、电场能、磁场能比平均的能级间距还小磁场能比平均的能级间距还小时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常时，就会呈现一系列与宏观物体截然不同的反常特性，称之为特性，称之为量子尺寸效应量子尺寸效应。f从从能带理论能带理论出发成功地解释了大块金属、半导体、出发成功地解释了大块金属、半导体、绝缘体之间

5、的联系与区别，对介于原子、分子与绝缘体之间的联系与区别，对介于原子、分子与大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续大块固体之间的超微颗粒而言，大块材料中连续的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗的能带将分裂为分立的能级；能级间的间距随颗粒尺寸减小而增大。粒尺寸减小而增大。超微粉体的物理化学特性超微粉体的物理化学特性010203060504光学性质光学性质电子性质电子性质磁学性质磁学性质催化性质催化性质化学反应性化学反应性热力学性质热力学性质光学性质光学性质黄金是什么颜色？黄金是什么颜色？f当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的当黄金被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的

6、富贵光泽而呈富贵光泽而呈黑色黑色。事实上，所有的金属在超微颗粒状态事实上，所有的金属在超微颗粒状态都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）都呈现为黑色。尺寸越小，颜色愈黑，银白色的铂（白金）变成变成铂黑铂黑，金属铬变成铬黑。金属铬变成铬黑。f金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于金属超微颗粒对光的反射率很低，通常可低于l l，大约，大约几微米的厚度就能完全消光。几微米的厚度就能完全消光。举例：举例：f纳米氧化锌纳米氧化锌能够吸收紫外线，同时对可见光的吸收能够吸收紫外线，同时对可见光的吸收较少，在较少，在防晒化妆品防晒化妆品中得到广泛应用。中得到广泛应用。f利用这个特性可以作为高效

7、率的光热、光电等转换利用这个特性可以作为高效率的光热、光电等转换材料，可以高效率地将材料，可以高效率地将太阳能太阳能转变为热能、电能。转变为热能、电能。此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术此外又有可能应用于红外敏感元件、红外隐身技术等等电子性质电子性质金属材料具有导电性，但纳米金属微粒的导电性却金属材料具有导电性，但纳米金属微粒的导电性却显著下降。显著下降。当超微颗粒粒径减小时，将出现量子尺当超微颗粒粒径减小时，将出现量子尺寸效应寸效应，电子电子能级分立能级分立，且能级间距随着粒径减小，且能级间距随着粒径减小而增大，当电场能低于分立能级间距时，金属将变而增大，当电场能低于分立能级间距时

8、，金属将变成电绝缘体。成电绝缘体。磁学性质磁学性质当超微粉体颗粒达到亚微米、纳米级时，由当超微粉体颗粒达到亚微米、纳米级时，由于量子尺寸效应的发生，超微颗粒的于量子尺寸效应的发生，超微颗粒的自旋顺自旋顺磁力磁力呈现明显的奇偶性，即含有偶数个电子呈现明显的奇偶性，即含有偶数个电子和奇数个电子时具有不同的行为。和奇数个电子时具有不同的行为。矫顽力与颗粒尺寸的关系矫顽力与颗粒尺寸的关系f铁磁性物质超微铁磁性物质超微颗粒的矫顽力将颗粒的矫顽力将随颗粒直径减小随颗粒直径减小而上升，当达到而上升，当达到某一临界尺寸时，某一临界尺寸时，矫顽力达到极大，矫顽力达到极大，当颗粒直径再减当颗粒直径再减小到另一个临

9、界小到另一个临界尺寸是，会出现尺寸是，会出现超顺磁转变，即超顺磁转变，即矫顽力为矫顽力为0 0。举例举例f利用磁性超微颗粒具利用磁性超微颗粒具有有高矫顽力高矫顽力的特性，的特性，已作成高贮存密度的已作成高贮存密度的磁记录磁粉，大量应磁记录磁粉，大量应用于磁带、磁盘、磁用于磁带、磁盘、磁卡以及磁性钥匙等。卡以及磁性钥匙等。热热力力学性质学性质f固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，固态物质在其形态为大尺寸时，其熔点是固定的，超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于超细微化后其熔点将显著降低，当颗粒小于1010纳纳米量级时尤为显著。米量级时尤为显著。f如，如，金金的常规的常规熔点为熔点为106

10、41064，当颗粒尺寸减小到，当颗粒尺寸减小到1010nmnm尺寸时，则尺寸时，则降低降低2727，2 2nmnm尺寸时的熔点仅为尺寸时的熔点仅为327327左右；左右；f银银的常规熔点为的常规熔点为670670，而超微银颗粒的熔点可低，而超微银颗粒的熔点可低于于100100。热热力力学性质学性质( (举例举例) )超细银粉制成的超细银粉制成的导电浆料导电浆料可以进行可以进行低温烧结低温烧结，此时此时元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用元件的基片不必采用耐高温的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面塑料。采用超细银粉浆料，可使膜厚均匀，覆盖面积大，既省料又具高质

11、量。积大，既省料又具高质量。超微颗粒的化学性质超微颗粒的化学性质 纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能内纳米粒子的表面原子所处的晶体场环境及结合能内部原子有所不同，存在许多部原子有所不同，存在许多悬空键悬空键，具有，具有不饱和不饱和性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，性质，因而极易与其他原子相结合而趋于稳定，具有很高的化学活性。具有很高的化学活性。比表面积的增加比表面积的增加表面原子数的增加表面原子数的增加表面能表面能的增加的增加材料表面的悬空键材料表面的悬空键比表面积的增加比表面积的增加f比表面积比表面积(specific area)(specific area)常用总表面积与质

12、量或常用总表面积与质量或总体积的比值表示。质量比表面积、体积比表面总体积的比值表示。质量比表面积、体积比表面积。积。GSSg/VSSv/(G代表质量代表质量) (V代表颗粒的体积代表颗粒的体积)比表面积的增加（举例）当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，当颗粒细化时，粒子逐渐减小时，总表面积急剧增大，比表面积相应的也急剧加大。比表面积相应的也急剧加大。如：把边长为如：把边长为1cm1cm的立方体逐渐分割减小的立方体，总的立方体逐渐分割减小的立方体，总表面积将明显增加。表面积将明显增加。边长边长立方体数立方体数每面面积每面面积总 表 面总 表 面积积1 cm10-5 cm (100 n

13、m)10-6 cm (10 nm)10-7 cm (1 nm)11015101810211 cm210-8 cm210-12 cm210-14 cm26 cm26105cm26106cm26107cm2表面原子数的增加表面原子数的增加f由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表面由于粒子尺寸减小时，表面积增大，使处于表面的原子数也急剧增加的原子数也急剧增加。表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系表面原子数占全部原子数的比例和粒径之间的关系表面能表面能的的增加增加f由于表层原子的状态与本体中不同。表面原子

14、配位由于表层原子的状态与本体中不同。表面原子配位不足，因而具有较高的表面能。如果把一个原子或不足，因而具有较高的表面能。如果把一个原子或分子从内部移到界面，或者说增大表面积，就必须分子从内部移到界面，或者说增大表面积，就必须克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。克服体系内部分子之间的吸引力而对体系做功。f颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功，所做的颗粒细化时，表面积增大，需要对其做功，所做的功部分转化为表面能储存在体系中。功部分转化为表面能储存在体系中。化学反应性化学反应性f由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与很容易与其他原子结合其他原子结合( (表面吸附，为了降低表面表面吸附，为了降低表面能能) )。超微粒子的表面活性随粒径减小而大大增强，超微粒子的表面活性随粒径减小而大大增强，必然导致粒子的化学反应性也随之增强。必然导致粒子的化学反应性也随之增强。f如如金属的纳米颗粒在空气中会迅速氧化燃烧，甚金属的纳米颗粒在空气中会迅速氧化燃烧，甚至爆炸；无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附