超微粉體特性課件

3超微粉體特性

(2課時(shí))目錄3.1表面效應(yīng)3.2小尺寸效應(yīng)3.3量子效應(yīng)超微粉體特性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(xué)特性，如原本導(dǎo)電的銅到某一納米級界限就不導(dǎo)電，原來絕緣的二氧化硅、晶體等，在某一納米級界限時(shí)開始導(dǎo)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、表面原子所占比例大等特點(diǎn)，以及其特有的三大效應(yīng)：表面效應(yīng)小尺寸效應(yīng)量子效應(yīng)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(xué)活性。①比表面積的增加②表面原子數(shù)的增加③表面能材料表面的懸空鍵①比表面積的增加比表面積(specificarea)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。(G代表質(zhì)量)(V代表顆粒的體積)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。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。邊長立方體數(shù)每面面積總表面積1cm10-5cm(100nm)10-6cm(10nm)10-7cm(1nm)11015101810211cm210-8cm210-12cm210-14cm26cm26×105cm26×106cm26×107cm2這樣高的比表面，使處于表面的原子數(shù)越來越多，同時(shí)表面能迅速增加。②表面原子數(shù)的增加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。③表面能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(xì)化時(shí)，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(xì)化時(shí)，體系的表面能增加了。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，很容易與其他原子結(jié)合(表面吸附，為了降低表面能)。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(jī)的納米粒子暴露在空氣中會吸附氣體，并與氣體進(jìn)行反應(yīng)。3.2小尺寸效應(yīng)隨著顆粒尺寸的量變，在一定條件下會引起顆粒性質(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(shí)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①特殊的光學(xué)性質(zhì)：消光性②特殊的熱學(xué)性質(zhì)：熔點(diǎn)降低③特殊的磁學(xué)性質(zhì)：高矯頑力④特殊的力學(xué)性質(zhì)：高強(qiáng)度、高韌性

①特殊的光學(xué)性質(zhì)黃金是什么顏色？當(dāng)黃金被細(xì)分到小于光波波長的尺寸時(shí)，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。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）變成鉑黑，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l％，大約幾微米的厚度就能完全消光。金屬微粒的色彩往往不同于大塊材料，當(dāng)金屬微粒的尺寸小于一定值時(shí)，由于光波的全吸收通常呈現(xiàn)黑色。對太陽光譜似乎具有全吸收性質(zhì)，因此通常又稱為“太陽黑體”。太陽黑體應(yīng)用太陽光中的紫外線是導(dǎo)致灼傷、間接色素沉積和皮膚癌的主要根源，灼傷主要表現(xiàn)皮膚出現(xiàn)紅斑，嚴(yán)重者還可能伴有水腫、水皰、脫皮、發(fā)燒和惡心的癥狀。長期作用于皮膚可造成皮膚彈性降低、皮膚粗糙和皺紋增多等光老化現(xiàn)象，納米氧化鋅能夠吸收紫外線，同時(shí)對可見光的吸收較少，近年來在防曬化妝品中得到廣泛應(yīng)用。②特殊的熱學(xué)性質(zhì)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)微化后卻發(fā)現(xiàn)其熔點(diǎn)將顯著降低，當(dāng)顆粒小于10納米量級時(shí)尤為顯著。例如，金的常規(guī)熔點(diǎn)為1064℃，當(dāng)顆粒尺寸減小到10納米尺寸時(shí)，則降低27℃，2納米尺寸時(shí)的熔點(diǎn)僅為327℃左右；銀的常規(guī)熔點(diǎn)為670℃，而超微銀顆粒的熔點(diǎn)可低于100℃。應(yīng)用因此，超細(xì)銀粉制成的導(dǎo)電漿料可以進(jìn)行低溫?zé)Y(jié)，此時(shí)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，覆蓋面積大，既省料又具高質(zhì)量。③特殊的磁學(xué)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(xì)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(dǎo)航下能辨別方向，具有回歸的本領(lǐng)。磁性超微顆粒實(shí)質(zhì)上是一個生物磁羅盤，生活在水中的細(xì)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(xì)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。磁性納米材料的特性不同于常規(guī)的磁性材料，其原因是關(guān)聯(lián)與磁相關(guān)的特征物理長度恰好處于納米量級，例如：磁單疇尺寸，超順磁性臨界尺寸電子平均自由路程當(dāng)磁性體的尺寸與這些特征物理長度相當(dāng)時(shí)，就會呈現(xiàn)反常的磁學(xué)性質(zhì)。④特殊的力學(xué)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?yàn)榧{米材料具有大的界面，界面的原子排列是相當(dāng)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(xué)性質(zhì)。呈納米晶粒的金屬要比傳統(tǒng)的粗晶粒金屬硬3～5倍。至于金屬-陶瓷等復(fù)合納米材料則可在更大的范圍內(nèi)改變材料的力學(xué)性質(zhì)，其應(yīng)用前景十分寬廣。美國學(xué)者報(bào)道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(qiáng)度，是因?yàn)樗怯闪姿徕}等納米材料構(gòu)成的。碳納米管1991年日本NEC公司飯島等發(fā)現(xiàn)納米碳管，立刻引起了許多科技領(lǐng)域的科學(xué)家們極大關(guān)注。

碳納米管的強(qiáng)度比鋼高100多倍，這是目前可制備出的具有最高比強(qiáng)度的材料，而比重卻只有鋼的1/6；同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性，十分柔軟。它被認(rèn)為是未來的“超級纖維”，是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。3.3量子效應(yīng)各種元素的原子具有特定的光譜線，如鈉原子具有黃色的光譜線。原子模型與量子力學(xué)已用能級的概念進(jìn)行了合理的解釋，由無數(shù)的原子構(gòu)成固體時(shí)，單獨(dú)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)從能帶理論出發(fā)成功地解釋了大塊金屬、半導(dǎo)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(dāng)熱能、電場能或者磁場能比平均的能級間距還小時(shí)，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)用導(dǎo)電的金屬在超微顆粒時(shí)可以變成絕緣體，磁矩的大小和顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(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)經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)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。量子力學(xué)則認(rèn)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)（quantumtunneling）。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、光電子器件的基礎(chǔ)，或者它確立了現(xiàn)存微電子器件