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2020-09-20 浏览次数 164

1、 什么是纳米材料?怎样对纳米材料进行分类?

    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?

    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 容与所含电子的奇、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,使这些原子易与其它原子 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?

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,它们与旋错、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。

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内。

位错与晶粒大小之间的关系为:

1)当晶粒尺寸在 0~100nm 之间, 温度<0.5 m T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。


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