-超微粉體特性

1、4- 超微粉體特性（附加）超微粉體特性（附加）目錄目錄4.1 表面效應(yīng)表面效應(yīng)4.2 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)4.3 量子效應(yīng)量子效應(yīng)超微粉體特性超微粉體特性超微粉體材料超微粉體材料具有傳統(tǒng)材料所不具備的奇異或反常的物理、化學特性，如原本導電的銅到某一納米級界限就不導電，原來絕緣的二氧化硅晶體等，在某一納米級界限時開始導電。這是由于超微粉體材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表這是由于超微粉體材料具有顆粒尺寸小、比表面積大、表面能高、表面原子所占比例大等特點，以及其特有的三大效應(yīng)：面原子所占比例大等特點，以及其特有的三大效應(yīng)：1）表面效應(yīng)）表面效應(yīng)2）小尺寸效應(yīng)）小尺寸效應(yīng)3）量子效應(yīng)）量子

2、效應(yīng)4.1 表面效應(yīng)表面效應(yīng) 表面效應(yīng)表面效應(yīng)(surface effect)-是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著粒子尺寸的減小而大幅度的增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子物理、化學性質(zhì)的變化。100納米納米10納米納米1納米納米0.1納米納米隨著尺寸的減小，比表面積迅速增大隨著尺寸的減小，比表面積迅速增大 納米粒子的表面原子所處的晶體場環(huán)境及結(jié)合能與內(nèi)部原子有所不同，存在許多懸空鍵，具有不飽和性質(zhì)，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，具有很高的化學活性。 比表面積的增加 表面原子數(shù)的增加 表面能的改變比表面積的增加比表面積的增加 比表面積比表面積(specifi

3、c area)常用總表面積與質(zhì)量或總體積的常用總表面積與質(zhì)量或總體積的比值表示。質(zhì)量比表面積、體積比表面積。比值表示。質(zhì)量比表面積、體積比表面積。GSSg/VSSv/(G代表質(zhì)量代表質(zhì)量) (V代表顆粒的體積代表顆粒的體積) 當顆粒細化時，粒子逐漸減小時，總表面積急劇增大，比表面積相應(yīng)的也急劇加大。 如：把邊長為1cm的立方體逐漸分割減小的立方體，總表面積將明顯增加。邊長邊長立方體數(shù)立方體數(shù)每面面積每面面積總 表 面總 表 面積積1 cm10-5 cm (100 nm)10-6 cm (10 nm)10-7 cm (1 nm)11015101810211 cm210-8 cm210-12 cm

4、210-14 cm26 cm26105cm26106cm26107cm2這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來越多，同時表面能迅速增加。表面原子數(shù)的增加表面原子數(shù)的增加 由于粒子尺寸減小時，表面積增大，使處于表面的原子數(shù)也急劇增加。表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的比例和粒徑之間的關(guān)系表面能表面能 由于表層原子的狀態(tài)與內(nèi)部不同。表面原子配位不足，因而具有較高的表面能。如果把一個原子或分子從內(nèi)部移到界面，或者說增大表面積，就必須克服體系內(nèi)部分子之間的吸引力而對體系做功。 顆粒細化時，表面積增大，需要對其做功，所做的功部分轉(zhuǎn)化為表面能儲存在體系中。 因此，顆粒細化

5、時，體系的表面能增加。例如-金屬的納米顆粒在空氣中會迅速氧化燃燒，甚至爆炸；無機的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進行反應(yīng)。準固體準固體 超微顆粒的表面與大塊物體的表面是十分不同的，若用高倍率電子顯微鏡對金超微顆粒（直徑為 2nm）進行電視攝像，實時觀察發(fā)現(xiàn)這些顆粒沒有固定的形態(tài)，隨著時間的變化會自動形成各種形狀（如立方八面體，十面體等），它既不同于一般固體，又不同于液體，是一種準固體。在電子顯微鏡的電子束照射下，表面原子仿佛進入了“沸騰”狀態(tài)，尺寸大于10納米后才看不到這種顆粒結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定性，這時微顆粒具有穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。4.2 小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng) 隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下

6、會引起顆粒性質(zhì)的質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對超微顆粒而言，尺寸變小，同時其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生如下一系列新奇的性質(zhì)。 質(zhì)變質(zhì)變特殊的光學性質(zhì)：消光性特殊的光學性質(zhì)：消光性特殊的熱學性質(zhì)：特殊的熱學性質(zhì)：熔點降低熔點降低特殊的磁學性質(zhì)：高矯頑力特殊的磁學性質(zhì)：高矯頑力特殊的力學性質(zhì)：高強度、高韌性特殊的力學性質(zhì)：高強度、高韌性 矯頑力矯頑力(coercivity)也稱為矯頑性或保磁力,是磁性材料的特性之一,是指在磁性材料已經(jīng)磁化到磁飽和后,要使其磁化強度減到零所需要的磁場強度。特殊的光學性質(zhì)特殊的光學性質(zhì)黃金是什么顏色？黃金是什么顏色？ 當黃金被細分

7、到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的當黃金被細分到小于光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈富貴光澤而呈黑色黑色。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)。事實上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）都呈現(xiàn)為黑色。尺寸越小，顏色愈黑，銀白色的鉑（白金）變成變成鉑黑鉑黑，金屬鉻變成鉻黑。，金屬鉻變成鉻黑。 由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通常可低于由此可見，金屬超微顆粒對光的反射率很低，通?？傻陀趌，大約幾微米的厚度就能完全消光。，大約幾微米的厚度就能完全消光。 利用這個特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電?/p>

8、。此外又有可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等。特殊的熱學性質(zhì)特殊的熱學性質(zhì) 固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時，其熔點是固定的，超細微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當顆粒小于化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點將顯著降低，當顆粒小于10納米量級時納米量級時尤為顯著。尤為顯著。 例如，金的常規(guī)熔點為1064，當顆粒尺寸減小到10納米尺寸時，則降低27，2納米尺寸時的熔點僅為327左右； 銀的常規(guī)熔點為670，而超微銀顆粒的熔點可低于100。應(yīng)用應(yīng)用 因此，超細銀粉制成的導電漿料可以進行低溫燒結(jié)，此時元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用塑料。采用超細銀粉漿料，可使膜

9、厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具有高質(zhì)量。 超微顆粒熔點下降的性質(zhì)對粉末冶金工業(yè)具有一定的吸引力。例如，在鎢顆粒中附加0.10.5重量比的超微鎳顆粒后，可使燒結(jié)溫度從3000降低到12001300，以致可在較低的溫度下燒制成大功率半導體管的基片。特殊的磁學性質(zhì)特殊的磁學性質(zhì) 人們發(fā)現(xiàn)鴿子、海豚、蝴蝶、蜜蜂以及生活在水中的趨磁細菌等生物體中存在超微的磁性顆粒，使這類生物在地磁場導航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。 磁性超微顆粒實質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的細菌依靠它游向營養(yǎng)豐富的水底。通過電子顯微鏡的研究表明，在趨磁細菌體內(nèi)通常含有直徑約為 2*10-2微米的磁性氧化物顆粒。趨磁細菌（Magn

10、etotactic bacterium）是一類在外磁場的作用下能作定向運動并在體內(nèi)形成納米磁性顆粒磁小體（Magnetosome）的細菌，其主要分布于土壤、湖泊和海洋等水底污泥中。 特殊的力學性質(zhì)特殊的力學性質(zhì) 陶瓷材料在通常情況下呈脆性，然而由納米超微顆粒壓制成的納米陶瓷材料卻具有良好的韌性。 因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當混亂的，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現(xiàn)出甚佳的韌性與一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力學性質(zhì)。 呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬35倍。至于金屬-陶瓷等復合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。 美國學者報道

11、氟化鈣納米材料在室溫下可以大幅度彎曲而不斷裂。研究表明，人的牙齒之所以具有很高的強度，是因為它是由磷酸鈣等納米材料構(gòu)成的。碳納米管碳納米管 碳納米管1991 年一種更加奇特的碳結(jié)構(gòu)碳納米管被日本電子公司（NEC）的飯島博士發(fā)現(xiàn),立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學家們極大關(guān)注。 具有極好的可彎折性具有極好的可彎折性具有極好的可扭曲性具有極好的可扭曲性 碳納米管的強度比鋼高100多倍， 這是目前可制備出的具有最高比強度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認為是未來的 “超級纖維”，是復合材料中極好的加強材料。4.3 量子效應(yīng)量子效應(yīng) 各種元素的原子具有特定的光譜線

12、，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學已用能級的概念進行了合理的解釋，由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時，單獨原子的能級就并合成能帶，由于電子數(shù)目很多，能帶中能級的間距很小，因此可以看作是連續(xù)的。量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導體、絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對介于原子、分子與大塊固體之間的超微顆粒而言，大塊材料中連續(xù)的能帶將分裂為分立的能級；能級間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。 當熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時，就會呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。應(yīng)用應(yīng)用 導電的金屬在超微顆粒時可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是

13、偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會反常變化，光譜線會產(chǎn)生向短波長方向的移動，這就是量子尺寸效應(yīng)的宏觀表現(xiàn)。 因此，對超微顆粒在低溫條件下必須考慮量子效應(yīng)，原有宏觀規(guī)律已不再成立。量子隧道效應(yīng)量子隧道效應(yīng) 經(jīng)典物理學認為，物體越過勢壘，有一閾值能量；粒子能量小于此能量則不能越過，大于此能量則可以越過。 例如騎自行車過小坡，先用力騎，如果坡很低，不蹬自行車也能靠慣性過去。如果坡很高，不蹬自行車，車到一半就停住，然后退回去。 閾值閾值指的是觸發(fā)某種行為或者反應(yīng)產(chǎn)生所需要的的最低值 量子力學則認為，即使粒子能量小于閾值能量，很多粒子沖向勢壘，一部分粒子反彈，還會有一些粒子能過去，好像有一個隧道，故名隧道效應(yīng)（quantum tunneling）。 電子具有粒子性又具有波動性，因此存在隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱為隧道效應(yīng)。隧道效應(yīng)示意圖隧道效應(yīng)示意圖 量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)將會是未來微電子、光電子器件的