纳米材料的特异性质课件.ppt

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1、第五讲纳米材料的特异性质5.1纳米材料的热学性质5.2纳米材料的电学性质5.3纳米材料的光学性质5.4纳米材料的磁学性质5.5纳米材料的力学性质5.1纳米材料的热学性质2、烧结温度比常规粉体显著降低所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。纳米粒子尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面附近的原子扩散。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的。•常规Al2O3的烧结温度为2073－2173K，在一定条件下，纳米

2、Al2O3可在1423－1773K烧结，致密度达99.7％。•常规Si3N4的烧结温度高于2273K,纳米Si3N4的烧结温度降低673－773K。3、非晶纳米粒子的晶化温度低于常规粉体例如，传统非晶氮化硅在1793K晶化成α相，纳米非晶氮化硅粒子在1673K加热4小时全部转变成α相。此外，纳米粒子在加热时开始长大的温度随粒径的减小而降低（见右图）。熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表（界）面效应5.2纳米材料的电学性质1、纳米金属与合金的电阻特性1）与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；2）比电阻

3、随粒径的减小而逐渐增加；H.Gleiter对Cu,Pd,Fe纳米相材料开展了先驱性工作。研究发现（见右图）：3）比电阻随温度的升高而上升；10nm粗晶25nm13nm22nm12nm不同晶粒尺寸Pd材料的比电阻随温度的变化。■—10nm▲—12nm;X—13nm;+—22nm;▼—25nm;□—粗晶。电子在纳米相材料中的传播特点理论上讲，周期势场对电子的传播没有障碍，即不存在电阻。但是在实际晶体中，存在原子在平衡位置附近的热振动，存在杂质或缺陷以及晶界。此时电子的传播由于散射使运动受障碍，因此产生了电阻。对纳米相材料来说，大量晶界的存在，使得

4、电子散射非常强。晶界原子排列越混乱，晶界厚度越大，对电子散射能力就越强。界面这种高能垒是使电阻升高的主要原因。一般对电子的散射可以分为颗粒（晶内）散射贡献和界面（晶界）散射贡献两个部分。当颗粒尺寸与电子的平均自由程相当时，界面对电子的散射有明显的作用。而当颗粒尺寸大于电子平均自由程时，晶内散射贡献逐渐占优势。尺寸越大，电阻和电阻温度系数越接近常规粗晶材料，这是因为后者主要是以晶内散射为主。当颗粒尺寸小于电子平均自由程时，界面散射起主导作用，这时电阻与温度的关系以及电阻温度系数的变化都明显地偏离粗晶情况，甚至出现反常现象。例如，电阻温度系数变负

5、值就可以用占主导地位的界面电子散射加以解释。金属纳米颗粒材料的电阻增大与临界尺寸现象归因于小尺寸效应。当颗粒尺寸与电子运动的平均自由程可比拟或更小时，小尺寸效应不容忽视。2、纳米材料的介电特性常规粗晶电介质材料的介电常数和介电损耗可分别表示为：ε*(ω)=ε′-iε″tgδ=ε″/ε′其中ε′:静电场（ω—>0）下的介电常数;ε″:交变电场下的介电常数。如果在交变电场作用下，材料的电位移（D=ε*E=ε0E+P）及时响应，没有相角差，这时介电损耗趋近于零。如果电位移响应落后于电场的变化，其间存在一个相角差，便发生了介电损耗。相角差越大，损耗越

6、严重。电介质显示高的介电性必须在电场作用下极化的建立能跟得上电场变化，极化损耗十分小。电位移与介质的极化过程有关，极化过程落后于电场变化时就会发生介电损耗。（各向同性电介质，极化强度P=χeε0，其中χe：极化率；ε0：真空介电常数）。根据介质的极化理论，极化机理可分为：1）电子位移极化4）偶极子转向极化2）离子位移极化5）空间电荷极化3）热松弛极化6）自发极化等（电子松弛极化、离子松弛极化）纳米材料的极化通常有几种机制同时起作用，特别是界面极化（空间电荷极化）、转向极化和松弛极化（电子或离子的场致位移），它们对介电常数的贡献比常规材料高得多

7、。因此呈现出高介电常数。1.高介电常数：纳米材料的介电常数通常高于常规材料。且随测量频率的降低呈明显的上升趋势（见图示）。2.在低频范围，介电常数强烈依赖于颗粒尺寸：如图示，随粒径呈峰形变化：粒径很小时，介电常数较低；随粒径增加，逐渐增大，然后又变小。3.介电损耗强烈依赖于颗粒尺寸：例如，α-Al2O3纳米相材料的介电损耗频率谱上出现一个损耗峰，损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。5.3纳米材料的光学性质固体材料的光学性质与其内部的微结构，特别是电子态、缺陷态和能级结构有密切的关系。纳米结构材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大的差别，表现为

8、：小尺寸、能级离散性显著、表（界）面原子比例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶态的新现象。1、宽