纳米技术与材料制备

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一、纳米材料测试分析技术1、纳米材料分析包括哪些方面的内容？包括性能研究和组分、结构表征2、纳米材料的分析技术有那几类？包括纳米材料的分析技术有透射电镜、扫描隧道显微镜、光电子能谱、振动光谱、EXAFS、NMR、ESR、质譜、超快激光光谱、差热与热重分析、液相色譜、磁学和电学分析系统等。3、电子显微镜有哪些种类？电子显微镜的种类主要有：TEM、SEM、EPMA、STEM。另外还有EDS、WDS、EELS。4、电子显微分析的优点及局限性有哪些？电子显微分析主要是使用电子显微镜来进行分析，它的优点是：可作形貌观察，因为具有高空间分辨率，所以又可作结构分析。这是其他微结构研究方法无法做到的。电子显微分析的局限性在于：仪器价格昂贵，操作复杂，样品制备较困难。5、X射线衍射分析（XRD）的原理？利用X射线研究晶体结构中的各类问题，主要是通过X射线在晶体中产生的衍射现象进行的。6、X射线衍射分析（XRD）中衍射波的两个基本特征？衍射波的两个基本特征：衍射线在空间分布规律（衍射方向）和衍射强度。7、X射线衍射分析（XRD）中衍射波的方向和强度由哪些因素决定？衍射线的衍射方向是由晶胞的大小形状和位相决定；衍射线的衍射强度取决于原子在晶胞中的位置、数量和种类。8、根据X射线衍射图谱和衍射数据能够得到什么信息？根据X射线衍射图谱和衍射数据①鉴定纳米材料的物相；②计算晶胞（晶粒）尺寸。9、常用的电子能谱有哪些？常用的电子能谱分析是：AES、XPS、UPS。10、电子能谱分析的基本原理？电子能谱分析是一种研究物质表层元素组成与离子状态的表层分析技术。其基本原理是用单色射线照射样品，使样品中原子或分子的电子受激发射，然后测量这些电子的能量分布。11、光谱分析技术有哪些？光谱分析包括①NMR；②IR；③激光拉曼光谱；④UV、Vis光谱；⑤穆斯堡尔譜；⑥原子光谱；⑦分子荧光光谱；⑧EXAFS。12、X射线光电子能谱分析（XPS）定性和定量的依据各是什么？XPS定性的依据是电子结合能，定量的依据是光电子峰强度。二、纳米微粒尺寸的评估1、什么是晶粒？什么是一次颗粒？晶粒――单晶颗粒。颗粒内部为单相，无晶界；一次颗粒――含有低气空率的独立的粒子。颗粒内部可以有界面，如相界晶界等；2、什么是团聚体？什么是二次颗粒？团聚体――由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内部含有相互连接的气孔网络。团聚体可以分为硬团聚体和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。7 二次颗粒――人为制造的粉料团聚粒子。3、球形颗粒的尺寸怎样定义？球形颗粒――颗粒尺寸为直径；4、不规则颗粒的尺寸怎样定义？不规则颗粒：颗粒尺寸为等当直径（如体积等当直径，投影面积直径等）。5、透射电镜观察法（TEM）测量纳米粒子平均粒径的方法有哪些？透射电镜观察法（TEM）测量纳米粒子平均粒径的方法有：交叉法；绘制分布图法。6、透射电镜观察法（TEM）测量纳米粒子平均粒径的方法有什么缺点？缺点是（1）测得的颗粒粒径往往是团聚体的粒径；（2）测量结果缺乏统计性。7、X射线衍射线线宽法（谢乐公式）测定晶粒度时，当颗粒为单晶时测得的是什么尺度？当颗粒为单晶时，测得的是颗粒度。8、X射线衍射线线宽法（谢乐公式）测定晶粒度时，当颗粒为多晶时测得的是什么尺度？当颗粒为多晶时，测得的是组成颗粒的单个晶粒的平均晶粒度。9、比表面积法测量纳米粒子粒径容量法测定的原理。容量法――测定已知量的气体在吸附前后的体积差，进而得到气体的吸附量。10、比表面积法测量纳米粒子粒径重量法测定的原理。重量法――直接测定固体吸附前后的重量差，计算吸附气体的量。11、比表面积法测量纳米粒子粒径有容量法和重量法，其中容量法又有两种不同的操作，分别是什么？分别是ⓐ保持气体体积不变，测定吸附平衡前后系统压力变化——定容法ⓑ保持系统压力不变，测定吸附平衡前后气体体积变化——定压法12、比表面积法测量粒经的测定范围是多少？比表面积法测量粒经的测定范围约为0.1～1000m2/g三、纳米材料的主要研究内容及基本理论1、纳米材料从狭义来说如何定义？纳米材料从狭义来说是指原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料。2、纳米材料从广义来说如何定义？纳米材料从广义来说是指晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸水平的材料。3、纳米材料按传统材料学科分为哪几类？纳米材料按传统材料学科分为纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。4、纳米材料按应用目的分为哪几类？纳米材料按应用目的分为纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米隐身材料、纳米生物材料。5、原子团簇的独特性质是什么？原子团簇的独特性质是（1）表面效应；（2）幻数效应；（3）光的量子尺寸效应和非线性效应；（4）库仑堵塞与量子隧穿；（5）电导的几何尺寸效应。6、纳米微粒、原子团簇和通常的微粉的尺寸由大至小的排列顺序：原子团簇<纳米微粒<通常的微粉7、什么是纳米碳管？纳米碳管是由纯碳元素组成，是类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物。纳米碳管直径一般在1～20nm，长度可以从纳米至微米量级。8、纳米棒、纳米丝和纳米线的长度/直径的比值如何定义？长度/直径<1000nm――纳米棒长度/直径>1000nm――纳米丝或纳米线9、量子尺寸效应的两种不同表达方式是：（1）当粒子尺寸下降到某一值时，7 金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。（2）纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能隙变宽现象。10、纳米微粒的基本理论包括哪些？包括：①电子能级的不连续性——久保(Kubo)理论②量子尺寸效应③小尺寸效应④表面效应⑤宏观量子隧道效应⑥库仑堵塞与量子隧穿⑦介电限域效应四、纳米微粒的制备与表面修饰1、制备纳米微粒的方法分为几类？制备纳米微粒的方法分为：①气相法；②液相法；③高能球磨法。2、利用高能球磨法能够制备哪几类纳米晶材料？利用高能球磨法可以制备下列纳米晶材料①不互溶体系纳米结构；②纳米晶纯金属；③纳米金属间化合物。3、液相制备纳米微粒的方法有哪几种？液相制备纳米微粒的方法有①沉淀法；②水热法；③喷雾法；④溶剂挥发分解法；⑤溶胶－凝胶法；⑥辐射化学合成法；4、气相制备纳米微粒的方法有哪几种？气相制备纳米微粒的方法有以下九种①低压气体中蒸发法；②活性氢－熔融金属反应法；③溅射法；④流动液面上真空蒸度法；⑤通电加热蒸发法；⑥混合等离子法；⑦激光诱导化学气相沉积；⑧爆炸丝法；⑨化学气相凝聚法与燃烧火焰－化学气相凝聚法。5、通过对纳米微粒表面的修饰可以达到哪4个方面的目的？通过对纳米微粒表面的修饰可以达到①改善或改变纳米粒子的分散性；②提高微粒表面活性；③使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能；④改善纳米粒子与其他物质之间的相容性。7 5、纳米微粒的表面修饰分为哪两大类方法？物理方法和化学方法。6、纳米微粒表面化学修饰有几种方法？纳米微粒表面化学修饰有①偶联剂法；②酯化反应法；③表面接枝改性法。7、表面接枝改性法中又分为几种类型？表面接枝改性法中又分为①聚合和表面接枝同步进行法；②颗粒表面聚合生长接枝法；③偶连接枝法。8、纳米微粒表面物理修饰的原理是什么？通过范氏力等将异质材料吸附在无机纳米微粒的表面来防止纳米微粒团聚。复习资料21、X射线衍射线线宽法（谢乐公式）测定晶粒度时，当颗粒为单晶时测得的是什么尺度？当颗粒为多晶时测得的又是什么尺度？答：当颗粒为单晶时，测得的是颗粒度。当颗粒为多晶时，测得的是组成颗粒的单个晶粒的平均晶粒度2、透射电镜观察法（TEM）测量纳米粒子平均粒径的方法有哪些？答：透射电镜观察法（TEM）测量纳米粒子平均粒径的方法有：交叉法；绘制分布图法。3、请解释纳米结构的概念。答：纳米结构是以纳米尺度的物质单元为基础，按一定规律构筑或营造的一种新体系。这些物质单元包括纳米微粒、稳定的团簇或人造原子、纳米管、纳米棒、纳米丝以及纳米尺寸的孔洞等。4、什么是晶粒？什么是一次颗粒？答：晶粒――单晶颗粒。颗粒内部为单相，无晶界；一次颗粒――含有低气孔率的独立的粒子。颗粒内部可以有界面，如相界、晶界等。5、纳米微粒表面化学修饰有几种方法？答：偶联剂法；酯化反应法；表面接枝改性法。6、纳米材料从广义如何定义？答：纳米材料从广义来说是指晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸水平的材料。7、纳米材料按传统材料学科分为哪几类？答：纳米材料按传统材料学科分为：纳米金属材料、纳米陶瓷材料、纳米高分子材料、纳米复合材料。8、原子团簇的独特性质是什么？答：原子团簇的独特性质是：（1）表面效应；7 （2）幻数效应；（3）光的量子尺寸效应和非线性效应；（4）库仑堵塞与量子隧穿；（5）电导的几何尺寸效应。9、利用高能球磨法能够制备哪几类纳米晶材料？答：利用高能球磨法可以制备下列纳米晶材料：①不互溶体系纳米结构；②纳米晶纯金属；③纳米金属间化合物。10、请说明纳米科学技术的内涵？答：纳米科学技术是20世纪末期刚刚诞生并正在迅速崛起的、是用单个原子、分子制造物质的科学技术；纳米科学技术是现代科学和现代技术结合的产物；纳米科学技术是研究尺寸范围在1~100nm之间的物质的织成的技术。11、纳米科学与技术主要包括哪七个学科？答：纳米科学与技术主要包括：纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米电子学、纳米生物学、纳米加工学、纳米力学七个学科。12、人类对物质的认识分为几个层次？纳米材料属于哪一层次？答：人类对物质的认识分为宏观、介观、微观三个层次。纳米材料属于介观领域。13、X射线衍射分析（XRD）中衍射波的方向和强度由哪些因素决定？答：衍射线的衍射方向是由晶胞的大小形状和位相决定；衍射线的衍射强度取决于原子在晶胞中的位置、数量和种类。14、透射电镜观察法（TEM）测量纳米粒子平均粒径的方法有什么缺点？答：（1）测得的颗粒粒径往往是团聚体的粒径；（2）测量结果缺乏统计性。15、什么是团聚体？什么是二次颗粒？答：团聚体――由一次颗粒通过表面力或固体桥键作用形成的更大的颗粒。团聚体内部含有相互连接的气孔网络。团聚体可以分为硬团聚体和软团聚体两种。团聚体的形成过程使体系能量下降。二次颗粒――人为制造的粉料团聚粒子。16、通过对纳米微粒表面的修饰可以达到哪4个方面的目的？答：①改善或改变纳米粒子的分散性；7 ②提高微粒表面活性；③使微粒表面产生新的物理、化学、机械性能及新的功能；④改善纳米粒子与其他物质之间的相容性。17、纳米材料从狭义如何定义？答：纳米材料从狭义来说是指原子团簇、纳米颗粒、纳米线、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料。18、纳米材料按应用目的分为哪几类？答：纳米材料按应用目的分为：纳米电子材料、纳米磁性材料、纳米隐身材料、纳米生物材料。19、什么是纳米碳管？答：纳米碳管是由纯碳元素组成，是类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物。纳米碳管直径一般在1～20nm，长度可以从纳米至微米量级。20、液相制备纳米微粒的方法有哪几种？答：液相制备纳米微粒的方法有①沉淀法；②水热法；③喷雾法；④溶剂挥发分解法；⑤溶胶－凝胶法；⑥辐射化学合成法；21、纳米科学技术正式诞生的标志是什么？答：其标志是美国巴尔的摩首届NST（纳米科学技术）会议和两种专业国际刊物“Nanotechnology”和“Nanobiology”的出版。22、纳米科学与技术主要包括哪三个研究领域？答：纳米科学与技术主要包括：纳米材料、纳米器件及纳米尺度的检测与表征三个研究领域。23、一维纳米材料如何定义？举例说明。答：一维纳米材料指三维空间中有二维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等，统称为纳米纤维。24、什么是纳米颗粒的准确定义？答：物质颗粒体积效应和表面效应两者之一显著变化者或两者都显著出现的颗粒称为纳米颗粒或纳米微粒。25、用高能球磨法制成的粉体有哪两种？答：一种是由单个纳米粒子组成的粉体，单个纳米粒子7 另一种是混合粉体微米或亚微米级大颗粒26、什么是纳米微粒的量子尺寸效应？答：当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级的现象。或说是纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道，能隙变宽现象。27、什么是纳米微粒的小尺寸效应？答：当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，将使原晶体周期性的边界条件被破坏，或非晶态微粒的颗粒表面层附近原子密度减小而导致颗粒在声、光、电、磁、热、力学等性能呈现新的小尺寸效应。如：①光吸收显著增加，产生吸收峰的等离子共振频移；②磁有序态向磁无序态转变；③超导相向正常相转变；④声子譜发生改变。28、纳米材料发展有哪三个阶段？答：第一阶段——主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒粉体，合成块体（包括簿膜），研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于常规材料的特殊性质。第二阶段——人们关注的热点是如何利用纳米材料已挖掘出来的奇特物理、化学性能，设计纳米复合材料。第三阶段——是纳米组装体系，人工组装合成的纳米结构的材料（或者称为纳米尺度的图形材料）体系越来越受到人们的关注。29、纳米材料的物理性质包括：1、热学性能：熔点下降、烧结T下降、晶化T下降；2、磁学性能：超顺磁性、矫顽力、居里温度、磁化率3、光学性能：宽频带强吸收；篮移、红移现象；丁达尔效应4、动力学性能：布朗运动、扩散、沉降与沉降平衡5、表面活性及敏感性能6、光催化特性30、纳米材料的化学特性包括：1、吸附（双电层概念）2、分散与团聚3、流变学7