纳米材料特性

《纳米材料导论》作业

1、什么是纳米材料？怎样对纳米材料进行分类？

答：任何至少有一个维度的尺寸小于100nm或由小于100nm的基本单元组成的材料称作纳米材料。它包括体积分数近似相等的两部分：一是直径为几或几十纳米的粒子，二是粒子间的界面。纳米材料通常按照维度进行分类。原子团簇、纳米微粒等为0维纳米材料。纳米线为1维纳米材料，纳米薄膜为2维纳米材料，纳米块体为3维纳米材料，及由他们组成的纳米复合材料。

按照形态还可以分为粉体材料、晶体材料、薄膜材料。

2、纳米材料有哪些基本的效应？试举例说明。

答：纳米材料的基本效应有：一、尺寸效应，纳米微粒的尺寸相当或小于光波波长、传导电子的德布罗意波长、超导态的相干长度或投射深度等特征尺寸时，周期性的边界条件将被破坏，声、光、电、磁、热力学等特征性即呈现新的小尺寸效应。出现光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；

磁有序态转为无序态；超导相转变为正常相；声子谱发生改变等。例如，纳米微粒的熔点远低于块状金属；纳米强磁性颗粒尺寸为单畴临界尺寸时，具有很高的矫顽力；库仑阻塞效应等。二、量子效应，当能级间距δ大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须考虑量子效应，随着金属微粒尺寸的减小，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和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分子轨道，能隙变宽的现象均称为量子效应。例如，颗粒的磁化率、比热容和所含电子的奇、偶有关，相应会产生光谱线的频移，介电常数变化等。

三、界面效应，纳米材料由于表面原子数增多，晶界上的原子占有相当高的

比例，而表面原子配位数不足和高的表面自由能，使这些原子易和其它原子相结合而稳定下来，从而具有很高的化学活性。引起表面电子自旋构象和电子能谱的变化；纳米微粒表面原子运输和构型的变化。四、体积效应，由于纳米粒子体积很小，包含原子数很少，许多现象不能用有无限个原子的块状物质的性质加以说明，即称体积效应。久保理论对此做了些解释。

3、纳米材料的晶界有哪些不同于粗晶晶界的特点？

答：纳米晶的晶界具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：1）晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积，2）低的配位数和密度，3）大的原子均方间距，4）存在三叉晶界。此外，纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，晶界还存在有空位团、微孔等缺陷，它们和旋错、晶粒内的位错、孪晶、层错以及晶面等共同形成纳米材料的缺陷。

4、纳米材料有哪些缺陷？总结纳米材料中位错的特点。

答：纳米材料的缺陷有：一、点缺陷，如空位，溶质原子和杂质原子等，这是一种零维缺陷。二、线缺陷，如位错，一种一维缺陷，位错的线长度及位错运动的平均自由程均小于晶粒的尺寸。三、面缺陷，如孪晶、层错等，这是一种二维缺陷。纳米晶粒内的位错具有尺寸效应，当晶粒小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒，而当粒径大于该临界尺寸时，位错便稳定地存在于晶粒

T 内。位错和晶粒大小之间的关系为：1）当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5

m

时，位错的行为决定了材料的力学性能。随着晶粒尺寸的减小，位错的作用开始减小。2）当晶粒尺寸在30—50nm时可认为基本上没有位错行为。3）当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难。4）当晶粒小于约2nm时，开动位错源的应力达到无位错晶粒的理论切应力。

5、总结纳米材料的合成和制备方法。

方法制备特点

气相法物理气相沉积将高温的蒸气在冷阱中冷

凝或在衬底上沉积和生长

出低维纳米材料的方法

超细粉末，粉末的纯度高，

圆整度好，表面清洁，粒度

分布比较集中缺点是粉体的

产生率低

化学气相沉积当前驱体气相分子被吸附

到高温衬底表面时将发生

热分解或和其它气体或蒸

气分子反应然后在衬底表

面形成固体。

可制备出不同的超晶格材

料，外延表面和界面可达原

子级的平整度，但有杂质、

产物少

液相法

沉淀法以沉淀反应为基础形

成不溶性沉淀高物经过过

滤、洗涤、烘干及焙烧，得

到所需的纳米氧化物粉体。

纯度高，均匀性好、设备简

单、原料容易获得、化学组

成控制准确，

微乳液法在微乳液的微区控制胶粒

的形核和长大

粒子分散性好，但粒径较大

不易控制

溶胶－凝胶法由水溶胶得到凝胶，经

热处理得到纳米颗粒

粒度小、可控，粒子易团聚

电解沉积法在溶液中通以电流后在阴

极表面沉积大量的晶粒尺

寸在纳米量级的纯金属、合

金以及化合物

投资少，生产效率高，不受

试样尺寸和形状的限制，可

制成薄膜、涂层或块体材料，

所得样品密度较高

固相法机械合金化高能球磨或冲击破碎投资少、适用材料范围广可

大批量生产，但易造成环境

污染、晶粒粗化

固相反应固相物质在热能、电能或机

械能的作用下发生合成或

分解反应而生成纳米材料

的方法

设备简单，但是生成的粉容

易结团，常需要二次粉碎

大塑性变形压力扭转，等通道积压可生产出较大的样品不含空

隙类缺陷，晶界洁净，但含

有较大的残余应力，晶粒尺

寸较大

非晶晶化熔融金属快冷成非晶，控制

晶化高密度、产量少，使用范围有限

表面纳米化将材料的表层晶粒细

化至纳米量级而基体仍保

持原粗晶状态，可以采用表

面机械加工、反复摩擦的方

法实现材料表面纳米化大幅度提高了块体材料的表面性能，可以实现材料表面结构选择性化学反应

其它方法

自组装技术在合适的物理、化学条件

下，原子团、大分子、纳米

丝或纳米晶体等结构单元

通过氢键、范德瓦尔斯键、

静电力等非共价键的相互

作用，亲水-疏水相互作用

自发地形成具有纳米结构

材料的过程

使用广泛，在光、电、磁及

催化等领域具有很大的潜在

使用价值。自组装技术已经

扩展到液相，气相合成过程

中。可以自组装成有序的排

列结构，

模板合成法在模板孔洞限制的介质环

境中填充模板中孔洞的过

程，多种方法填充模板中的

孔洞，以获得具有模板孔洞

尺寸和排列相同的纳米材

料或结构

可以合成和制备多种低维纳

米材和纳米结构，如碳纳米

管料、有序分布的GaN纳米

丝陈列、ZnO单晶晶须陈列、

单晶Si纳米线以及在每一个

微孔中含有数个单分散胶体

粒子的有序微孔结构

纳米平板印刷术一种制备纳米结构的精细

加工技术，利用光、掩膜和

腐蚀胶来完成纳米级图案

的转移

可制备出多种材料的量子点

和量子线陈列，可实现在原

子尺度上的加工，线宽可达

0.1～1nm，使用前景广阔

6

答：一、弹性模量，纳米晶的弹性模量要受晶粒大小的影响，晶粒越细，所受的影响越大，E的下降越大。但是只有当晶粒小于20nm时，规一化模量才开始下降，晶粒很小时（小于5nm）时，弹性模量才大幅度下降。二、强度，由于Hall-Petch公式是建立在粗晶材料上的经验公式，建立在位错理论基础上的，而纳米材料本身位错的特点决定了其屈服强度随晶粒尺寸d的变化不服从Hall-Petch关系。纳米材料的硬度和强度大于同成分的粗晶材料的硬度和强度。三、塑性，在拉应力作用下，和同成分的粗晶金属相比，纳米晶金属的塑、韧性大幅下降；而在压应力状态下纳米晶金属能表现出很高的塑性和韧性。总之，在位错机制不起作用的情况下，在纳米晶金属的变形过程中，少有甚至没有位错行为。此时晶界的行为可能起主要作用，这包括晶界的滑动、和旋错有关的转动，同时可能伴随有由短程扩散引起的自愈合现象。此外，机械孪生也可能在纳米材料变形过程中起到很大的作用。四、纳米材料的蠕变，纳米材料的蠕变扩散速率并不明显大于微米晶的蠕变速率，无论在低温或中温范围内晶界扩散蠕变或Coble蠕变并不适用于纳米材料。