纳米材料的结构和性能

1、 纳米材料由于非常小，使纳米材料的几何特点之一是比外表积单位质量材料的外表积很大，一般在102104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元外表上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如：一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒，总共有原子个数53=125个，而外表上就有约89个原子，占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比外表积在10m2/g以下，其外表原子的个数与组成单元的整体原子个数相比拟完全可以忽略不计。 纳米材料由于这两上特殊效应的存在，使得它们的物理、化学性质完全不同于普通材料。目前许多实验和应用结果已经证实，纳米材料的熔点、磁性

2、、电容性、发光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。例如，将金属铜或铅做成几个纳米的颗粒，一遇到空气就会燃烧，发生爆炸；用碳纳米管做成的超级电容器，其体积比电容到达600F/cm3，这在同样体积下电容量为传统电容的几百倍；碳纳米管的强度比钢强100倍3、纳米材料的性能 运用纳米技术，将物质加工到一百纳米以下尺寸时，由于它的尺寸已接近光的波长，加上其具有大外表的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、化学、导热、导电特性等等，往往产生既不同于微观原子、分子，也不同于该物质在整体状态时所表现的宏观性质，也即纳米材料表现出物质的超常规特性。 3.1 纳米材料的特性四个效应 当物质尺寸度小到一定

3、程度时，那么必须改用量子力学取代传统力学的观点来描述它的行为，当粉末粒子尺寸由10微米降至10纳米时，其粒径虽改变为1000倍，但换算成体积时那么将有109倍之巨，所以二者行为上将产生明显的差异。 当小颗粒进入纳米级时，其本身和由它构成的纳米固体主要有如下四个方面的效应。3.1.1 体积效应小尺寸效应 当粒径减小到一定值时，纳米材料的许多物性都与颗粒尺寸有敏感的依赖关系，表现出奇异的小尺寸效应或量子尺寸效应。例如，对于粗晶状态下难以发光的半导体Si、Ge等，当其粒径减小到纳米量级时会表现出明显的可见光发光现象，并且随着粒径的进一步减小，发光强度逐渐增强，发光光谱逐渐蓝移。又如，在纳米磁性材料中

4、，随着晶粒尺寸的减小，样品的磁有序状态将发生本质的变化，粗晶状态下为铁磁性的材料，当颗粒尺寸小于某一临界值时可以转变为超顺磁状态，当金属颗粒减小到纳米量级时，电导率已降得非常低，这时原来的良导体实际上会转变成绝缘体。这种现象称为尺寸诱导的金属-绝缘体转变。 3.1.2 外表与界面效应 粒子的尺寸越小，外表积越大。纳米材料中位于外表的原子占相当大的比例，随着粒径的减小，引起外表原子数迅速增加。如粒径为10nm时，比外表积为90m2/g；粒径为5nm时，比外表积为180m2/g；粒径小到2nm时，比外表积猛增到450m2/g。这样高的比外表，使处于外表的原子数越来越多，使其外表能、外表结合能迅速增

5、加致使它表现出很高的粒子化学性。利用纳米材料的这一特性可制得具有高的催化活性和产物选择性的催化剂。 以上，应变速率小于10-4/s时才能表现出塑性，而许多纳米陶瓷在室温下就可以发生塑性变形。 3.1.3 量子尺寸效应 3.1.4 宏观量子隧道效应 微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。用此概念可定性地解释超细镍微粒在低温下继续保持超顺磁性。科学工作者通过实验证实了在低温下确实存在磁的宏观量子隧道效应。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。 由于纳米粒子有极高的外表能和扩散率，粒子间能充分接近，从而范德华力得以充分发挥，使纳

6、米粒子之间、纳米粒子与其它粒子之间的相互作用异常强烈。从而使纳米材料具有一系列的特殊的光、电、热、力学性能和吸附、催化、烧结等性能。 3.2 纳米材料的性能 3.2.1 力学性能 3.2.2 光学性能 纳米粒子的粒径10100nm小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光泽面成强烈比照。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象，纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。此外，TiO2超细或纳米粒子还可用于抗紫外线用品。 块状金属具有各自的特征颜色

7、，但当其晶粒尺寸减小到纳米量级时，所有金属便都呈黑色，且粒径越小，颜色越深，即纳米晶粒的吸光能力越强。纳米晶粒的吸光过程还受其能级别离的量子尺寸效应和晶粒及其外表上电荷分布的影响。由于纳米材料的电子往往凝集成很窄的能带，因而造成窄的吸收带。半导体硅是一种间接带隙半导体材料，通常情况下发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm及以下时，其能带结构发生了变化，带边向高能带迁移，观察到了很强的可见发射。4nm以下的Ge晶粒也可发生很强的可见光发射。 3.2.3 电学性能 3.2.4 磁学性能 当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要的影响。 3.2.5 热学性能 3.

8、2.6 烧结性能 纳米材料不同于块状材料是由于其外表积相对增大，也就是超微粒子的外表占据在局部的结构空间，该结构代表具有高外表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结合，同时因粒径细小而提供大外表的活性原子。 纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。高的扩散率对蠕变、超塑性等力学性能有明显的影响，同时可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的金属形成新的合金相；纳米材料的高扩散率，可使其在较低的温度下被烧结。如12nmTiO2在不添加任何烧结剂的情况下，可以在低于常规烧结温度400600下烧结；普通钨粉需在3000高温下才能烧结，而掺入0.1%

9、0.5%的纳米镍粉后，烧结温度可降到12001311；纳米SiC的烧结温度从2000降到1300。很多研究说明，烧结温度降低是纳米材料的共性。纳米材料中由于每一粒子组成原子少，外表原子处于不安定状态，使其外表晶格震动的振幅较大，所以具有较高的外表能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。 3.2.7 纳米陶瓷的超塑性能 超塑性是指材料在断裂前能产生很大的伸长量的性能。这种现象通常发生在经历中等温度0.5Tm，中等至较低的应变速率条件下的细晶材料中，主要是由晶界及原子的扩散率起作用引起的。一般陶瓷材料属脆性材料，它们在断裂前的形变率很小。科学家们发现