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納米材料基礎知識及制備方法簡介
2014年12月15日 發布 分類:粉體加工技術 點擊量:10778
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      納米材料是指任意一維的尺度小于l00nm 的晶體、非晶體、準晶體以及界面層結構的材料。當粒子尺寸小至納米級時,其本身將具有表面與界面效應、量子尺寸效應、小尺寸效應和宏觀量子隧道效應,這些效應使得納米材料具有很多奇特的性能。


      納米材料的基本單元按空間維數可以分為三類(1)零維納米材料,指在空間三維尺度上均在納米尺度,如:納米顆粒、原子團簇等;(2) —維納米材料,指在空間上有兩維處于納米尺度,如:納米線、納米棒等;(3) 二維納米材料,指在三維空間中有一維在納米尺度,如超薄膜、多層膜、超晶格等。因為這些單元往往具有量子性質,所以對零維、一維和二維的基本單元分別又有量子點、量子線和量子阱之稱。


      納米材料由于具有特異的光、電、磁、催化等性能,可廣泛應用于國防軍事和民用工業的各個領域。它不僅在高科技領域有不可替代的作用,也為傳統的產業帶來生機和活力。隨著納米材料制備技術的不斷開發及應用范圍的拓展,工業化生產納米材料必將對傳統的化學工業和其它產業產生重大影響。


      納米材料因其尺寸、結構的特殊性導致了以下宏觀物質所不具有的基本物理效應:小尺寸效應、表面效應、量子尺寸效應和宏觀量子險道效應。這四種效應是納米粒子與納米固體的基本特性,它使納米粒子和固體呈現許多奇異的物理性質和化學性質,如高強度、高韌性、高熱膨脹系數、高比熱和低恪點、異常的導電率和磁化率、極強的吸波性、高擴散性等。


      小尺寸效應(Small Size Effeet)


      當物質的體積減小時,通常會出現兩種情況:(1)一些與體積密切相關的性質發生相應的變化而物質本身的性質不發生變化,比如磁體的磁區變小,半導體的電子自由程變小等;(2)與前一種不同的是物質本身的性質也會發生變化,條件是納米粒子的尺寸要足夠小,和德布羅意波長、光波的波長以及透射深度或者超導態的相干長度等物理特征尺寸相當或者更小時,晶體周期性的邊界條件將會被破壞;納米微粒的表面層附近原子密度會減小,從而導致在磁學、電學、光學聲學等特性會產生極大的變化,這就是納米材料的小尺寸效應,又稱體積效應。


       表面效應(Surface Effect)


       當材料的粒徑大于原子的直徑時,表面原子可以近似忽略不計。但是,隨著粒子尺寸減小到納米級時,表面積急劇的變大,納米粒子的表面原子與總原子數之比會顯著的增加,粒子的表面能與表面張力也隨著相應的增加,從而引起了納米粒子性質上的一些變化,這些特異效應被統稱為表面效應(界面效應)。


       量子尺寸效應(Quantum Size Effeet)


       當納米粒子的尺寸下降到某一值時,金屬粒子費米面附近的電子能級由準連續變為離散的;并且納米半導體微粒存在不連續的最低未被占據的分子軌道能級和最高被占據的分子軌道能級,從而使能隙變寬的這種現象,被稱之為量子尺寸效應。量子尺寸效應引起了能級改變和能隙變寬,這將會導致微粒的發射能量增加,也就是吸收帶藍移(即短波長方向),直觀上將會以樣品顏色變化表現出來。


       宏觀量子隧道效應(Macroscopic QuantumTunneling Effeet)


      宏觀量子隧道效應是基本的量子現象之一,即當微觀粒子的總能量小于勢壘高度時,該粒子仍能穿越這一勢壘。近年來,人們發現一些宏觀量,例如微顆粒的磁化強度,量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效應,稱為宏觀的量子隧道效應。早期曾用來解釋納米鎳粒子在低溫繼續保持超順磁性。


       納米材料的制備方法


      近30年來,已經發展出了多種制備納米材料的方法和技術。按反應物狀態可分為干法和濕法;按反應介質可分為固相法、液相法和氣相法;按反應類型可分為物理法和化學法其中氣相法是直接利用氣體或者通過各種手段將物質變成氣體,使之在氣體狀態下發生物理變化或化學反應,最后在冷卻過程中凝聚長大形成納米材料的方法。氣相法大致又可分為化學氣相反應法、化學氣相凝聚技術、濺射法等。液相法制備納米微粒的共同特點是該方法均從均相的溶液出發,通過各種途徑使溶質與溶劑分離,溶質形成一定形狀和大小的顆粒,得到所需粉末的前驅體,熱解后得到納米材料。主要制備方法有:沉淀法、水解法、噴霧法、水熱和溶劑熱法、蒸發溶劑熱解法、氧化-還原法(常壓)、微乳液法、轄射化學合成法、溶膠-凝膠法等。固相法是通過從固相到固相的變化來制造粉體。固相法可細分為熱分解法、固相反應法、火花放電法、溶出法、球磨法等。每種合成方法都有自身特點,可根據不同的實驗要求,選擇適當的合成方法。

粉體圈  作者:梧桐)




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