易麗娟——超微粉體特性

1、超微粉體的特性主講：易麗娟專業(yè)：食品科學(xué)學(xué)號(hào)：20142097201006郵箱：超微粉體的特性超微粉體的特性超微粉體的特性注：主要內(nèi)容參照張俊等編著的食品微膠囊、超微粉體加工技術(shù)、小木蟲(chóng)論壇、百度文庫(kù)等超微粉體特性超微粉體特性f通常將粒徑在通常將粒徑在1m以下的粒子稱作超微粒子或超以下的粒子稱作超微粒子或超微粉體微粉體( (超微粒子的集合體超微粒子的集合體) )。超微粉體材料具有超微粉體材料具有奇特奇特的物理、化學(xué)特性的物理、化學(xué)特性，如原本導(dǎo)電的如原本導(dǎo)電的CuCu到某一到某一納米級(jí)界限就不導(dǎo)電，原來(lái)絕緣的納米級(jí)界限就不導(dǎo)電，原來(lái)絕緣的SiOSiO2 2、CrystalCrystal等，在某

2、一納米級(jí)界限時(shí)開(kāi)始導(dǎo)電。等，在某一納米級(jí)界限時(shí)開(kāi)始導(dǎo)電。f這由這由于超微粉體于超微粉體具有具有顆粒尺寸小顆粒尺寸小、比表面積大、比表面積大、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點(diǎn)，及其特等特點(diǎn)，及其特有的三大效應(yīng)：有的三大效應(yīng)：表面效應(yīng)表面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)、量子效量子效應(yīng)應(yīng)超微粉體的特殊效應(yīng)超微粉體的特超微粉體的特征效應(yīng)征效應(yīng)表面效應(yīng)表面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng) 表面效應(yīng)表面效應(yīng)f表面效應(yīng)表面效應(yīng)(surface effect)(surface effect)是指納米粒子的表面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

3、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(xué)性質(zhì)的變化。加，從而引起納米粒子物理、化學(xué)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，比表面積迅速增大銅粒子的表面原子百分?jǐn)?shù)、表面能與顆粒尺寸的關(guān)銅粒子的表面原子百分?jǐn)?shù)、表面能與顆粒尺寸的關(guān)系系小尺寸效應(yīng)小尺寸效應(yīng)f隨著顆粒尺寸的隨著顆粒尺寸的量變量變，在一定條件下會(huì)引起顆粒在一定條件下會(huì)引起顆粒性質(zhì)的性質(zhì)的質(zhì)變質(zhì)變。由于顆粒尺寸變小所引起的由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物宏觀

4、物理性質(zhì)理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)超微顆粒而言，尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)尺寸變小，同時(shí)其比表面積亦顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的生一系列新奇的物理化學(xué)性質(zhì)物理化學(xué)性質(zhì)。 3 32 21 14 4質(zhì)變量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)f當(dāng)熱能、電場(chǎng)能當(dāng)熱能、電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常時(shí)，就會(huì)呈現(xiàn)一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)量子尺寸效應(yīng)。f從從能帶理論能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)體、絕緣體之間

5、的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)介于原子、分子與絕緣體之間的聯(lián)系與區(qū)別，對(duì)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)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(jí)；能級(jí)間的間距隨顆的能帶將分裂為分立的能級(jí)；能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸減小而增大。粒尺寸減小而增大。超微粉體的物理化學(xué)特性超微粉體的物理化學(xué)特性010203060504光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)電子性質(zhì)電子性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)催化性質(zhì)催化性質(zhì)化學(xué)反應(yīng)性化學(xué)反應(yīng)性熱力學(xué)性質(zhì)熱力學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì)黃金是什么顏色？黃金是什么顏色？f當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長(zhǎng)的尺寸時(shí)，即失去了原有的

6、富貴光澤而呈富貴光澤而呈黑色黑色。事實(shí)上，所有的金屬在超微顆粒狀態(tài)事實(shí)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。f金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通常可低于金屬超微顆粒對(duì)光的反射率很低，通?？傻陀趌 l，大約，大約幾微米的厚度就能完全消光。幾微米的厚度就能完全消光。舉例：舉例：f納米氧化鋅納米氧化鋅能夠吸收紫外線，同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光的吸收能夠吸收紫外線，同時(shí)對(duì)可見(jiàn)光的吸收較少，在較少，在防曬化妝品防曬化妝品中得到廣泛應(yīng)用。中得到廣泛應(yīng)用。f利用這個(gè)特性可以作為高效

7、率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換利用這個(gè)特性可以作為高效率的光熱、光電等轉(zhuǎn)換材料，可以高效率地將材料，可以高效率地將太陽(yáng)能太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?、電能。此外又有可能?yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)此外又有可能應(yīng)用于紅外敏感元件、紅外隱身技術(shù)等等電子性質(zhì)電子性質(zhì)金屬材料具有導(dǎo)電性，但納米金屬微粒的導(dǎo)電性卻金屬材料具有導(dǎo)電性，但納米金屬微粒的導(dǎo)電性卻顯著下降。顯著下降。當(dāng)超微顆粒粒徑減小時(shí)，將出現(xiàn)量子尺當(dāng)超微顆粒粒徑減小時(shí)，將出現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)寸效應(yīng)，電子電子能級(jí)分立能級(jí)分立，且能級(jí)間距隨著粒徑減小，且能級(jí)間距隨著粒徑減小而增大，當(dāng)電場(chǎng)能低于分立能級(jí)間距時(shí)，金屬將變而增大，當(dāng)電場(chǎng)能低于分立能級(jí)間距時(shí)

8、，金屬將變成電絕緣體。成電絕緣體。磁學(xué)性質(zhì)磁學(xué)性質(zhì)當(dāng)超微粉體顆粒達(dá)到亞微米、納米級(jí)時(shí)，由當(dāng)超微粉體顆粒達(dá)到亞微米、納米級(jí)時(shí)，由于量子尺寸效應(yīng)的發(fā)生，超微顆粒的于量子尺寸效應(yīng)的發(fā)生，超微顆粒的自旋順自旋順磁力磁力呈現(xiàn)明顯的奇偶性，即含有偶數(shù)個(gè)電子呈現(xiàn)明顯的奇偶性，即含有偶數(shù)個(gè)電子和奇數(shù)個(gè)電子時(shí)具有不同的行為。和奇數(shù)個(gè)電子時(shí)具有不同的行為。矯頑力與顆粒尺寸的關(guān)系矯頑力與顆粒尺寸的關(guān)系f鐵磁性物質(zhì)超微鐵磁性物質(zhì)超微顆粒的矯頑力將顆粒的矯頑力將隨顆粒直徑減小隨顆粒直徑減小而上升，當(dāng)達(dá)到而上升，當(dāng)達(dá)到某一臨界尺寸時(shí)，某一臨界尺寸時(shí)，矯頑力達(dá)到極大，矯頑力達(dá)到極大，當(dāng)顆粒直徑再減當(dāng)顆粒直徑再減小到另一個(gè)臨

9、界小到另一個(gè)臨界尺寸是，會(huì)出現(xiàn)尺寸是，會(huì)出現(xiàn)超順磁轉(zhuǎn)變，即超順磁轉(zhuǎn)變，即矯頑力為矯頑力為0 0。舉例舉例f利用磁性超微顆粒具利用磁性超微顆粒具有有高矯頑力高矯頑力的特性，的特性，已作成高貯存密度的已作成高貯存密度的磁記錄磁粉，大量應(yīng)磁記錄磁粉，大量應(yīng)用于磁帶、磁盤、磁用于磁帶、磁盤、磁卡以及磁性鑰匙等?？ㄒ约按判澡€匙等。熱熱力力學(xué)性質(zhì)學(xué)性質(zhì)f固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，固態(tài)物質(zhì)在其形態(tài)為大尺寸時(shí)，其熔點(diǎn)是固定的，超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于超細(xì)微化后其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于1010納納米量級(jí)時(shí)尤為顯著。米量級(jí)時(shí)尤為顯著。f如，如，金金的常規(guī)的常規(guī)熔點(diǎn)為熔點(diǎn)為106

10、41064，當(dāng)顆粒尺寸減小到，當(dāng)顆粒尺寸減小到1010nmnm尺寸時(shí)，則尺寸時(shí)，則降低降低2727，2 2nmnm尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327327左右；左右；f銀銀的常規(guī)熔點(diǎn)為的常規(guī)熔點(diǎn)為670670，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于于100100。熱熱力力學(xué)性質(zhì)學(xué)性質(zhì)( (舉例舉例) )超細(xì)銀粉制成的超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)此時(shí)元件的基片不必采用耐高溫的陶瓷材料，甚至可用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(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面塑料。采用超細(xì)銀粉漿料，可使膜厚均勻，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)

11、量。積大，既省料又具高質(zhì)量。超微顆粒的化學(xué)性質(zhì)超微顆粒的化學(xué)性質(zhì) 納米粒子的表面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能內(nèi)納米粒子的表面原子所處的晶體場(chǎng)環(huán)境及結(jié)合能內(nèi)部原子有所不同，存在許多部原子有所不同，存在許多懸空鍵懸空鍵，具有，具有不飽和不飽和性質(zhì)，因而極易與其他原子相結(jié)合而趨于穩(wěn)定，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(xué)活性。具有很高的化學(xué)活性。比表面積的增加比表面積的增加表面原子數(shù)的增加表面原子數(shù)的增加表面能表面能的增加的增加材料表面的懸空鍵材料表面的懸空鍵比表面積的增加比表面積的增加f比表面積比表面積(specific area)(specific area)常用總表面積與質(zhì)

12、量或常用總表面積與質(zhì)量或總體積的比值表示。質(zhì)量比表面積、體積比表面總體積的比值表示。質(zhì)量比表面積、體積比表面積。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)比表面積的增加（舉例）當(dāng)顆粒細(xì)化時(shí)，粒子逐漸減小時(shí)，總表面積急劇增大，當(dāng)顆粒細(xì)化時(shí)，粒子逐漸減小時(shí)，總表面積急劇增大，比表面積相應(yīng)的也急劇加大。比表面積相應(yīng)的也急劇加大。如：把邊長(zhǎng)為如：把邊長(zhǎng)為1cm1cm的立方體逐漸分割減小的立方體，總的立方體逐漸分割減小的立方體，總表面積將明顯增加。表面積將明顯增加。邊長(zhǎng)邊長(zhǎng)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 n

13、m)10-6 cm (10 nm)10-7 cm (1 nm)11015101810211 cm210-8 cm210-12 cm210-14 cm26 cm26105cm26106cm26107cm2表面原子數(shù)的增加表面原子數(shù)的增加f由于粒子尺寸減小時(shí)，表面積增大，使處于表面由于粒子尺寸減小時(shí)，表面積增大，使處于表面的原子數(shù)也急劇增加的原子數(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)系表面能表面能的的增加增加f由于表層原子的狀態(tài)與本體中不同。表面原子

14、配位由于表層原子的狀態(tài)與本體中不同。表面原子配位不足，因而具有較高的表面能。如果把一個(gè)原子或不足，因而具有較高的表面能。如果把一個(gè)原子或分子從內(nèi)部移到界面，或者說(shuō)增大表面積，就必須分子從內(nèi)部移到界面，或者說(shuō)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(duì)體系做功?？朔w系內(nèi)部分子之間的吸引力而對(duì)體系做功。f顆粒細(xì)化時(shí)，表面積增大，需要對(duì)其做功，所做的顆粒細(xì)化時(shí)，表面積增大，需要對(duì)其做功，所做的功部分轉(zhuǎn)化為表面能儲(chǔ)存在體系中。功部分轉(zhuǎn)化為表面能儲(chǔ)存在體系中?；瘜W(xué)反應(yīng)性化學(xué)反應(yīng)性f由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面由于表面原子數(shù)增多，原子配位不足及高的表面能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，能，使這些表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與很容易與其他原子結(jié)合其他原子結(jié)合( (表面吸附，為了降低表面表面吸附，為了降低表面能能) )。超微粒子的表面活性隨粒徑減小而大大增強(qiáng)，超微粒子的表面活性隨粒徑減小而大大增強(qiáng)，必然導(dǎo)致粒子的化學(xué)反應(yīng)性也隨之增強(qiáng)。必然導(dǎo)致粒子的化學(xué)反應(yīng)性也隨之增強(qiáng)。f如如金屬的納米顆粒在空氣中會(huì)迅速氧化燃燒，甚金屬的納米顆粒在空氣中會(huì)迅速氧化燃燒，甚至爆炸；無(wú)機(jī)的納米粒子暴露在空氣中會(huì)吸附