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1、,甲}}友学’浮卜学位沦文2003年7月1.1纳米粉体材料简介沙‘、,,纳米颗粒(nanometerpowders)是颗粒尺寸为纳米级(20一gm)的超微颗拉,它的尺寸大于原子团簇、小于通常的微粒,一般为1一100nm。当小颗粒尺寸进入纳米量级时,其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子效应,因而展现出许多奇特的性质。它断裂强度高、韧性好、耐高温、纳米复合时能提高材料的硬度、弹性模量、W七ibull模数,并对热膨胀系数、热导率、抗热震性产生影响。在宇航技术、电子、冶金、生物和医学等方面有广阔的应用前景,同时对纳米颗粒结构、形态和特性
2、的研究会推进基础理论研究的发展,对材料独特性能的追求和对其进行控制的渴望不断促使人们研究新的纳米材料。、纳米颗粒的尺寸大小各异,粒子集合体的形态(离散态、链状、网络状、聚合状)迥然不同,而承载粒子的载体亦千姿百态,载体与粒子的界面也变化多端,当把颗粒尺寸在(1一100nln)数量级的小颗粒保持新鲜表面的情况下制成块状固体或沉积成膜时,会产生许多异常的物理现象。这表明纳米材料具有特殊的结构。首先,由于组成纳米材料的颗粒为纳米级龚其界面原子数的比率极大,一般占总原子数的50%或更大,即使这种超微二颗粒由晶粒或非晶态物质构成,其界面也呈无规则分布,纳米
3、固体中的原:子排列既不同于长程有序的晶体,也不同于长程无序、短程有序的“气体状”固体结构。因此,一些研究人员把纳米材料称为晶态、非晶态之外的“第三态固体材料”。纳米材料的特殊结构使它具有许多与传统材料不同的物理、化学性能,具有更高的强度、韧性。例如,纳米铁材料的断裂应力比一般铁材料高12倍,气体通过纳米材料的扩散速度为通过其它材料的上千倍,此点应用于催化可使催化效率大大提高。1984年在伯林召开了第三届国际超微粒子和离子簇会议,这是一次历史性的重要会议。它使超细颗粒技术和物理的发展成为世界性的热点之一。这次会议成功地唤起了全世界的科学家对超微颗粒
4、研究与应用的高度重视,_使超微颗粒成为一个新的科学分支。科学家们普遍地认为,超微颗粒科学与技术将成为21世纪新材料的基础与前沿。四川人尹个再卜学位沦_走2003半7月子在空气中会燃烧,无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体,并与气体进行反应。1.2.4宏观量子隧道效应[9]微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来,人们发现一些宏观量,例如超微颗粒的磁化强度,量子相干器件中的磁通量等亦具有隧道效应,称为宏观的量子隧遒效应。早期曾用来解释超细镍微粒在低温继续保持超顺磁性。近年来人们发现Fe一Ni薄膜中畴壁运动速度在低于某一临界温度时基本上与温度无
5、关。于是,有人提出量子力学的零点振动可以在低温起着类似热起伏的效应,从而使零温度附近超微颗粒磁化矢量的重取向,保持有限的弛豫时间,即在绝对零度仍然存在非零的磁化反转率。相似的观点解释高磁晶各向异性单晶体在低温产生阶梯式的反转磁化模式,以及量子干涉器件中一些效应。宏观量子隧道效应的研究对基础理论研究及实际应用研究都有着重大意义。它限定了磁带,磁盘进行信息储存的时间极限。量子尺寸效应,隧道效应将会是未来微电子器件的基础,或者说它确定了现存微电子器件进一步微型化的极限。当微电子器件进一步细微化时,必须要考虑上述的量子效应。.3纳米微粒的物理特性爹纳米微
6、粒具有大的比表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径的下降急剧增加,小尺寸效应.量子尺寸效应及宏观量子遂道效应等导致纳米微粒的热.磁.光.敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子,这就使得它具有广阔的应用前景。1.3.1热学性能纳米微粒的熔点,开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多,由于颗粒小,纳米微粒的表面能高,比表面原子数多,这些表面原子近邻配位不全,活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多,这就使得纳米微粒熔点急剧下降。例如,大块的Pb的熔点为600K,而20nm球形Pb微粒熔点降低T288K〔,,。纳米微粒尺寸小
7、,表面能高,压制成块材后的界面具有很高的能量,在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力,有利于界面中的孔洞收缩,空位团的湮没。因此,在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的,即烧结温度降低。例如,常规A12O,烧结温度在2073K一2173K,在一定条件下,纳米级AI:o:。可在一423K一773K烧结,致密度可达99.7%“o,,常规51剑;烧结温度四川义学哄卜学位论文2003年7J’]1.2纳米材料的性能简介当粒子尺寸进入纳米量级(l~10nm)时,其本身具有量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应,因而展现出许多特有的性质,在催化、滤光、光吸
8、收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景。同时也将推动基础理论研究的发展。1.2.1小尺寸效应[6l当超细微粒的尺寸与光波波长、德
