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纳米材料基础知识及制备方法简介
2014年12月15日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:9497
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      纳米材料是指任意一维的尺度小于l00nm 的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料。当粒子尺寸小至纳米级时,其本身将具有表面与界面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,这些效应使得纳米材料具有很多奇特的性能。


      纳米材料的基本单元按空间维数可以分为三类(1)零维纳米材料,指在空间三维尺度上均在纳米尺度,如:纳米颗粒、原子团簇等;(2) —维纳米材料,指在空间上有两维处于纳米尺度,如:纳米线、纳米棒等;(3) 二维纳米材料,指在三维空间中有一维在纳米尺度,如超薄膜、多层膜、超晶格等。因为这些单元往往具有量子性质,所以对零维、一维和二维的基本单元分别又有量子点、量子线和量子阱之称。


      纳米材料由于具有特异的光、电、磁、催化等性能,可广泛应用于国防军事和民用工业的各个领域。它不仅在高科技领域有不可替代的作用,也为传统的产业带来生机和活力。随着纳米材料制备技术的不断开发及应用范围的拓展,工业化生产纳米材料必将对传统的化学工业和其它产业产生重大影响。


      纳米材料因其尺寸、结构的特殊性导致了以下宏观物质所不具有的基本物理效应:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子險道效应。这四种效应是纳米粒子与纳米固体的基本特性,它使纳米粒子和固体呈现许多奇异的物理性质和化学性质,如高强度、高韧性、高热膨胀系数、高比热和低恪点、异常的导电率和磁化率、极强的吸波性、高扩散性等。


      小尺寸效应(Small Size Effeet)


      当物质的体积减小时,通常会出现两种情况:(1)一些与体积密切相关的性质发生相应的变化而物质本身的性质不发生变化,比如磁体的磁区变小,半导体的电子自由程变小等;(2)与前一种不同的是物质本身的性质也会发生变化,条件是纳米粒子的尺寸要足够小,和德布罗意波长、光波的波长以及透射深度或者超导态的相干长度等物理特征尺寸相当或者更小时,晶体周期性的边界条件将会被破坏;纳米微粒的表面层附近原子密度会减小,从而导致在磁学、电学、光学声学等特性会产生极大的变化,这就是纳米材料的小尺寸效应,又称体积效应。


       表面效应(Surface Effect)


       当材料的粒径大于原子的直径时,表面原子可以近似忽略不计。但是,随着粒子尺寸减小到纳米级时,表面积急剧的变大,纳米粒子的表面原子与总原子数之比会显著的增加,粒子的表面能与表面张力也随着相应的增加,从而引起了纳米粒子性质上的一些变化,这些特异效应被统称为表面效应(界面效应)。


       量子尺寸效应(Quantum Size Effeet)


       当纳米粒子的尺寸下降到某一值时,金属粒子费米面附近的电子能级由准连续变为离散的;并且纳米半导体微粒存在不连续的最低未被占据的分子轨道能级和最高被占据的分子轨道能级,从而使能隙变宽的这种现象,被称之为量子尺寸效应。量子尺寸效应引起了能级改变和能隙变宽,这将会导致微粒的发射能量增加,也就是吸收带蓝移(即短波长方向),直观上将会以样品颜色变化表现出来。


       宏观量子隧道效应(Macroscopic QuantumTunneling Effeet)


      宏观量子隧道效应是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。近年来,人们发现一些宏观量,例如微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应,称为宏观的量子隧道效应。早期曾用来解释纳米镍粒子在低温继续保持超顺磁性。


       纳米材料的制备方法


      近30年来,已经发展出了多种制备纳米材料的方法和技术。按反应物状态可分为干法和湿法;按反应介质可分为固相法、液相法和气相法;按反应类型可分为物理法和化学法其中气相法是直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体,使之在气体状态下发生物理变化或化学反应,最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米材料的方法。气相法大致又可分为化学气相反应法、化学气相凝聚技术、溅射法等。液相法制备纳米微粒的共同特点是该方法均从均相的溶液出发,通过各种途径使溶质与溶剂分离,溶质形成一定形状和大小的颗粒,得到所需粉末的前驱体,热解后得到纳米材料。主要制备方法有:沉淀法、水解法、喷雾法、水热和溶剂热法、蒸发溶剂热解法、氧化-还原法(常压)、微乳液法、辖射化学合成法、溶胶-凝胶法等。固相法是通过从固相到固相的变化来制造粉体。固相法可细分为热分解法、固相反应法、火花放电法、溶出法、球磨法等。每种合成方法都有自身特点,可根据不同的实验要求,选择适当的合成方法。

粉体圈  作者:梧桐)




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