纳米材料的物理性能.

《材料科学前沿》

学号：S1*******

流水号：S2*******

姓名：张东杰

指导老师：郝耀武

纳米晶材料的物理性能

摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。

关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能

1、引言

纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。

纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。

纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。

2、纳米晶材料的物理性能

纳米结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、平均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（高密度缺陷）而呈现特殊的物理、化学和力学性能。下表所列的一些纳米晶材料与通常多晶体或非晶态时的性能比较，明显地反映了其变化特点。

纳米晶金属与通常多晶或非晶的性能 性能

单位 金属 多晶 单晶 纳米晶 热膨胀系

数

10-6K -1 Cu 16 18 31 比热容

(295K)

J/(g ?K) Pd 0.24 - 0.37 密度

g/cm 3 Fe 7.9 7.5 6 弹性模量

GPa Pd 123 - 88 剪切模量

GPa Pd 43 - 32 断裂强度

MPa Fe-1.8%C 700 - 8000 屈服强度

MPa Cu 83 - 185 饱和磁化

强度(4K)

4π?10-7Tm 3/kg Fe 222 215 130 磁化率

4π?10-9Tm 3/kg Sb -1 -0.03 20 超导临界

温度

K Al 1.2 - 3.2 扩散激活

能

eV Ag 于Cu 中 2.0 - 0.39

Cu 自扩散 2.04 - 0.64 德拜温度 K Fe 467 - 3

纳米晶材料的力学性能远高于其通常多晶状态，上表中所举的高碳铁（质量分数)(C ω=1.8%）就是一个突出的例子，其断裂强度由通常的700MPa 提高到8000MPa ，增加达1140％。但一些实验结果表明霍尔- 佩奇公式的强度与晶粒尺寸关系并不延续到纳米晶材料，这是因为霍尔- 佩奇公式是根据位错塞积的强化作用而导出的，当晶粒尺寸为纳米级时，晶粒中可存在的位错极少，甚至只有一个，故霍尔-佩奇公式就不适用了；此外，纳米晶材料的晶界区域在应力作用下会发生弛豫过程而使材料强度下降；再者，强度的提高不能超过晶体的理论强度，晶粒变细使强度提高应受此限制。

纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能也异常于通常材料。纳米晶导电金属的电阻高于多晶

材料，因为晶界对电子有散射作用，当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界散

射作用加强，电阻及电阻温度系数增加。但纳米半导体材料却具有高的电导率，

如纳米硅薄膜的室温电导率高于多晶硅3个数量级，高于非晶硅达5个数量级。

纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强

度、高的磁化率和低的矫顽力，

纳米晶材料的其他性能，如超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性

质、触媒催化作用等也是引人注目的。以下详细的介绍纳米金材料的各种力学性

能。

2.1 纳米晶材料的力学性能

力学性能是材料能否作为结构应用的最重要依据。常用的金属、非金属以及有关的复合材料，人们对其力学性能进行过许许多多的研究，有了相当充分的了解，而且建立了诸如位错理论、形变和断裂理论等一系列的理论，能够比较好地描述实验现象。今天甚至能够在一定程度上进行材料设计，按照所需要的性能来指导材料的生产。

比较早期关于纳米材料力学性能的研究，明确地发现了下述几点：①弹性模量比通常晶粒材料的要低30％- 50％；②晶粒度约10nm的纯金属的强度和硬度比粒度大于lmm的金属要高2- 7倍；③具有负的Hall-Petch斜率，即在纳米晶粒度内，硬度随粒度的减小而减小；④韧性好，或许还具有超塑性。虽然这些早期的观察得到了随后研究的证实，但是早期所使用的体纳米材料样品守包含了太多的孔洞或其他一些在制备过程中人为引入的掺杂，就是说真实的性能还需要进一步研究。下面对纳米晶材料的主要力学性能进行讨论。

2.1.1 强度

由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在, 使其杨氏模量减小了百分之三十以上。此外, 由于晶粒减小到纳米量级, 使纳米材料的强度和硬度比粗晶材料高4~5倍。14nm晶粒的金属钯样晶, 其0.2%屈服强度为250MNm-2, 而5-微米晶粒的仅为52MNm-2。

Hall-Petch关系式给出了0.2%屈服强度随晶粒尺寸变化的规律：

式中d 为晶粒尺寸,为0.2%屈服强度或硬度, 为移动单个位错的晶格摩擦应力或d趋近于无穷大时单晶样品的硬度,n为晶格尺寸指数（一般为一0.5）, K H为常数。

由上式可以看出, 材料的屈服强度或者硬度随晶粒的减小而增大, 但当晶粒减小到一定程度时, 由于晶界效应, 使强度降低, 即出现逆Hall-Petch效应。这显然不能解释纳米材料高强度的原因, 这是由于Hall-Petch关系是从单原子堆积位错的概念中推导出来的, 但由于纳米材料结构非常精细, 不能形成堆积位错, 从而使Hall-Petch关

系不适用于纳米材料。关于纳米材料高强度产生的原因, 国内外已有很多报道，但是目前尚无统一看法。

2.1.2 塑性

在普通金属材料中, 当晶粒尺寸减小时, 不仅材料的强度会提高, 而且塑性也提高。但是已有的试验结果表明, 纳米晶材料的塑性都比较低, 与人们的期望相差甚远。不同纳米金属和合金的伸长率和晶粒大小的关系曲线表明, 随着晶粒减小, 伸长率明显下降。当晶粒尺寸小于30 nm 时, 大多数材料的伸长率均小于3%。压制制备的纳米铜（晶粒尺寸小于25 nm），其伸长率低于10%, 比粗晶铜小得多, 并且伸长率随晶粒的减小而减小。但界面洁净、高致密纳米铜（晶粒尺寸为30 nm）的伸长率大于30%, 与粗晶铜差不多, 而强度是粗晶铜的2 倍。以晶粒尺寸为函数来阐述不同的塑性变形机制分子动力学模拟结果表明：（a）晶粒尺寸d >1 μm，材料中的位错和加工硬化现象控制了塑性变形；（b）在最小的晶粒尺寸d <10 nm，其中晶内位错数量和活性有限，晶粒边界剪切被认为是主要的变形机制。（c）中间的晶粒尺寸范围（10 nm~1 μm）内，人们的理解仍然很少，正是这些不为人们所熟知的机理强烈地影响了材料的延展性。

2.1.3 弹性模量

纳米晶材料的弹性模量与其孔隙率密切相关, 随孔隙率减小, 弹性模量增加。纳米晶银的弹性模量随密度的变化规律呈现三个明显的阶段, 即当密度小于约92%时, 弹性模量随密度增加而增加; 当相对密度为92%~ 94%时, 弹性模量对密度变化不敏感;而当相对密度大于94%时, 弹性模量又随密度增加而迅速增加。可见纳米晶材料中的孔隙、缺陷或裂纹使其弹性模量降低。如纳米晶铁的弹性模量随着孔隙率的降低快速增大。试样中如存在空隙和裂纹, 杨氏模量可降低很多[ 12]。高致密度纳米晶材料的弹性模量与普通材料相近, 或稍微低一些。无空隙纳米晶铁、铜及镍的测试结果显示其弹性模量比粗晶材料略小。有学者认为纳米晶材料的弹性模量与其晶界及三叉晶界所占的体积分数有关, 随着晶粒尺寸的减小, 晶界及三叉晶界本征固有结构的影响使纳米晶材料的弹性模量比普通粗晶材料稍有下降。Yulin Lu 等的工作也显示纳米

晶（晶粒尺寸直到小于5 nm）材料的弹性模量与普通晶粒尺寸材料几乎相同。有试验结果表明, 纳米晶铜和微米晶铜具有相同的弹性模量。

2.1.4 蠕变

对纳米晶材料, 高温变形可导致晶粒长大, 因此很难得到微观结构变化对本质蠕变行为的影响。根据Coble 蠕变关系, 纳米材料的蠕变速率应该很高, 但试验结果却非如此。在惰性气体冷凝加原位压制法制备的纳米晶铜、铅及铝-锌合金中发现其蠕变速率比Coble 蠕变关系的计算值低2~ 4 个数量级, 但与对数蠕变公式的计算值相符。大量的低能晶界( 孪晶界、小角度晶界以及其他低能晶界) 以及小晶粒对位错运动的阻碍可能是导致低蠕变速率的原因。

晶粒尺寸越小, 蠕变、超塑性开始温度越低, 以致在室温下就可观察到蠕变, 纳米铜和钯在室温下观察到对数蠕变。电沉积纳米晶镍静态、动态蠕变试验结果显示其存在明显的室温蠕变行为。纳米钯在室温及低于屈服强度的应力水平下就可观测到拉伸蠕变。在室温下纳米晶镍在高应力下也发生蠕变。

2.1.5 疲劳

纳米晶材料疲劳试验研究少有报道。对纳米晶铜的疲劳研究显示, 与粗晶材料相比, 纳米晶铜具有更高的疲劳极限。对电沉积制备的纳米镍( 晶粒尺寸为51~ 100nm) 的大块试样的高周疲劳研究表明, 其高周疲劳行为与相应的普通材料相似。对纳米晶材料目前没有足够的关于疲劳周期和疲劳裂纹生长速率关系的试验数据。Weertman 等研究了惰性气体冷凝和原位热压方法制备的纳米铜小型试样的旋转拉伸疲劳行为, 发现试样可承受几万转的室温旋转拉伸疲劳试验。停止试验后发现试样发生了一定的永久性变形, 应变量与其室温蠕变试验的应变量相近, 同时试样的晶粒尺寸在试验后增大了30% 。

2.2 纳米晶材料的热学性能

纳米晶材料的热物理性能包括运输性质和热力学性质两大类。其中，物质的运输性质是指能量和动量传递过程有关的导热系数、热扩散率、黏度、热膨胀系数以及热辐射性质（发射率、吸收率、反射率）等，热力学性质是指比热容和热焓等。

2.2.1 导热率

就单个纳米而言，内部的热输运在现实应用上意义不大，纳米颗粒往往用来合成纳米复合材料，因此纳米颗粒复合材料内的热输运具有重要的应用价值。纳米颗粒的

有效导热系数为：

其中K是相应的体材料的导热系数，δ1指颗粒半径和平均自由程的比值。

2.2.2 热膨胀系数

纳米晶材料的热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由界

面原子排列较为混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱的结果。因此在储热

材料、纳米复合材料的机械耦合性能应用方面有其广泛的应用前景。例如：晶粒

尺寸为8 nm的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019倍。

2.2.3 热扩散率

纳米晶材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。高的扩

散率对蠕变、超塑性等力学性能有明显的影响，同时可以在较低的温度对材料进

行有效的掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的金属形成新的合金相：纳米材

料的高扩散率，可使其在较低的温度下被烧结。例如，12 nm TiO2在不添加任何

烧结剂的情况下，可以在低于常规烧结温度400～600℃下烧结。

2.2.4 热辐射性质

将物质纳米化后，破坏了原来物质内部固有的各种化学键，减弱了粒子间的

各种作用了，增大了组成物质的基本微观粒子之间的平均距离，因而单位体积内

粒子数会显著地减小，能够提高热辐射的透射深度以降低吸收系数，从而最终提

高物体的发射率与吸收率。

2.2.5 热容

纳米晶材料的界面原子比较混乱，约束较小，而且纳米材料的界面原子分数较大，所以纳米材料的熵远大于粗晶材料，相应的比热容大于粗晶材料。研究发现：晶粒的尺寸越小，相对的比表面积越大，则热熔增强越大。1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。

2.2.6 晶格参数，结合能，内聚能

纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1.45 nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。结合能的确比相应块体材料的结合能

要低。通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。

2.2.7 纳米粒子的熔解热力学

熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度（T /T m）的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和熔解焓建立的块体材料的熔解温度（有时称熔点）熔解焓（或称熔解热）和熔解熵一般是常数，但对于纳米材料则非如此实验表明：纳米微粒的熔解温度依赖于微粒的尺寸。

2.3 纳米晶材料的光学性能

2.3.1 宽频带强吸收

大块金属具有不同颜色的光泽，这表明它们对可见光范围各种颜色（波长）的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低，吸收则很强。纳米微粒因为表面键态不平衡而使化学键振动的一致性下降，故使对红外光的吸收带宽化。

因为纳米颗粒具有表面效应和量子尺寸效应,这时纳米粒子的粒径与超导相干波长、玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当,与此同时,颗粒表面的原子、电子与处于颗粒内部的原子、电子的行为有很大的差别,这个特点对纳米微粒的光学特性有很大的影响。这表明它们对可见光范围各种波长的反射和吸收能力不同。而当尺寸减小到纳米级时各种金属纳米微粒几乎都成黑色，说明它们对可见光的反射率极低。

2.3.2 蓝移和红移现象

与大块材料相比，纳米微粒的吸收带普遍存在“蓝移”现象，即吸收带移向短波长方向。出现此现象的原因有二：一是量子尺寸效应：因为已被电子占据分子轨道能级与未被占据分子轨道能级之间的宽度随颗粒直径的减小而增大。二是表面效应：由于纳米微粒粒径小，大的表面张力引起晶格畸变使键长缩短，导致红外吸收带移向高波

数。但是在某些情况下，当粒径减小到纳米级时，可以观察到光吸收带相对粗晶材料呈现“红移”，即吸收带移向长波长方向，这是因为粒径减小的同时，巨大的表面张力使晶格畸变，颗粒内部的内应力增加，电子波函数重叠加大，能级间距变窄。

2.3.3 量子限域效应

当量子点的尺寸接近其激子波尔半径aB时，随着尺寸的减小，其载流子（电子、空穴）的运动将受限，导致动能的增加，原来连续的能带结构变成准分立能级，并且由于动能的增加而使得量子点的有效带隙增加，相应的吸收光谱和荧光光谱发生蓝移，而且尺寸越小，蓝移程度越大，这就是量子限域效应。

2.3.4 纳米微粒的发光效应

纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光激发下发光。例如，当硅的粒径小于6 nm时，室温下就可以发射可见光，随粒径减小，发射带强度增加并移向短波方向，当粒径大于6 nm时，发光现象消失。这是由量子限域效应引起的，即电子的平均自由程受小粒子的限制被局限在很小的范围，空穴很易与之形成激子，电子和空穴的波函数重叠产生激子吸收带。

2.3.5 纳米微粒分散物系的光学性质-丁达尔效应

纳米微粒分散于分散介质中形成分散物系（溶胶），纳米微粒在这里又称作胶体粒子或分散相。由于在溶胶中胶体的高分散性和不均匀性使得分散物系具有特殊的光学特征。例如，如果让一束聚集的光线通过这种分散物系，在入射光的垂直方向可看到一个发光的圆锥体。这种现象是在1869年由英国物理学家丁达尔（Tyndal）所发现，故称丁达尔效应。这个圆锥为丁达尔圆锥。丁达尔效应与分散粒子的大小及投射光线波长有关。当分散粒子的直径大于投射光波波长时，光投射到粒子上就被反射；如果粒子直径小于入射光波的波长，光波可以绕过粒子而向各方向传播，发生散射，散射出来的光，即所谓乳光。由于纳米微粒直径比可见光的波长要小得多，所以纳米微粒分散系应以散射的作用为主。

2.4纳米晶材料的电学性能

同一种材料，当颗粒达到纳米级时，它的电阻、电阻温度系数都会发生变化。如银是良导体，但是10~15nm大小的银颗粒的电阻会突然升高，失去金属的特征；对于典型的绝缘体氮化硅、二氧化硅等，当其颗粒尺寸小到15~20nm 时，电阻却大大下降使它们具有导电性能。

2.4.1 纳米晶金属与合金的电阻特性

H. Gleiter 对Cu, Pd, Fe纳米相材料开展了先驱性工作。研究发现：（1）与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；（2）比电阻随粒径的减小而逐渐增加；（3）比电阻随温度的升高而上升；（4）随着粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸；（5）当颗粒小于某一临界尺寸（电子平均自由程）时，电阻温度系数可能会由正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似)。

主要原因：纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大，当尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位，导致总电阻趋向于饱和值，随温度的变化趋缓。当粒径低于临界尺寸时，量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视，最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大，即温度系数变负。

2.4.2 纳米晶材料的介电特性

（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。

（2）在低频范围，介电常数强烈依赖于颗粒尺寸，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， -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。

2.5 纳米晶材料的磁学性能

2.5.1 超顺磁性

图1 Ni颗粒的矫顽力H c与颗粒直径d的关系曲线

铁磁性纳米颗粒的尺寸减小到一定临界值时，进入超顺磁状态。其原因是：在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可比拟时，磁化方向就不再固定在一个易磁化方向上，易磁化方向做无规律的变化,结果导致超顺磁性的出现。此时磁化率不再服

从居里－外斯定律。上图1给出Ni 纳米粒子的矫顽力随粒径的变化，85 nm 时矫顽力很高，而粒径小于15nm 时，矫顽力趋向于0，进入超顺磁状态。

2.5.2 高矫顽力

纳米粒子尺寸高于超顺磁临界尺寸时，通常呈现高的矫顽力。这起源有两种模型：一致转动模型和球链反转磁化模型。前者的解释是：当粒子尺寸小到某一尺寸时，每个粒子就是一个单磁畴。例如Fe 的单磁畴临界尺寸为12 nm ，Fe 3O 4 为40 nm 。每个单磁畴的纳米粒子实际上成为一个永久磁铁，要使该磁铁去磁，必须使每个粒子整体的磁矩反转，这需要很大的反向磁场，因此具有较高的矫顽力。该模型预测值通常偏高。球链模型认为，由于净磁作用球形纳米Ni 粒子形成链状，以此作为理论推导的前提。

2.5.3 居里温度降低

例如，70 nm 的Ni 粒子的居里温度比常规粗晶Ni 低约40oC 。有人认为这是由于大量界面引起的。常规块体Ni 的居里温度约为358℃。

2.5.4 磁化率提高

纳米磁性金属的磁化率是常规金属的20倍。纳米粒子的磁性与其所含的总电子数的奇偶性密切相关：

电子数为奇数的粒子集合体的磁化率χ服从居里－外斯定律：T T C C

-=χ

此时量子尺寸效应使磁化率遵从d -3规律；电子数为偶数的系统，χ∝ K B T ，并遵从d -2规律。

2.5.5 抗磁性到顺磁性的转变

由于纳米材料颗粒尺寸很小，这就可能一些抗磁体转变成顺磁性。例如，金属Sb 通常为抗磁性的（χ<0）。但是，Sb 的纳米晶的磁化率χ > 0，表现出顺磁性。

2.5.6 顺磁到反铁磁的转变

当温度下降到某一特征温度尼尔温度（也有称奈尔温度）时，某些纳米晶顺磁体转变为反铁磁体。这时磁化率χ随温度降低而减小，且几乎与外加磁场强度无关。例如，粒径为10 nm 的FeF 2纳米晶的顺磁到反铁磁体的转变等。

3、结语

综上所述，纳米晶材料的优异物理特性是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。当宏观大的物体细分成超微粒子的时候，在一定的尺寸下，它显示出许多奇异的物理特性。即它的力、热、光、电和磁性质与传统的固体相比显著不同。纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。各种结构（纳米管，纳米薄膜，纳米晶等）纳米材料的制备及其制备机理研究是实现这些材料优异性能的基础。

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《金属材料的物理特性》参考教案

金属材料的物理特性 一、教学设计思路 金属材料是与我们的生活密切联系的教学内容，本课题围绕学生熟悉的生活用品开展学习，通过学生分组实验、讨论、归纳总结得出金属的一些共同的物理性质和各自的特性，通过阅读课文了解常见金属与合金的主要成分性能和用途，让学生体会到化学就在我们的生活中，增强学生发现生活、感受生活的意识，从而实现“教学生活化”的教学理念。 教学过程围绕课程目标的三个维度（知识与技能、过程与方法、情感态度与价值观），注意培养学生从化学视角观察生活的习惯，教会学会将化学知识应用于生活实践的方法，使他们能对化学有关的生活问题做出合理的解释，感受学习化学的乐趣，体会学习化学的价值。 教学目标 知识技能：使学生了解金属的物理性质，了解常见合金的成分性能和用途。 能力培养：通过情景设置，使学生具有较强的问题意识，能够发现和提出有探究价值的化学问题。通过学生动手实验，培养学生的实验能力和分析问题的能力。 科学品质：通过实验激发学生学习化学的兴趣，培养学生实事求是的科学态度。培养学生将化学知识应用于生活实践的意识，能够对与化学有关的社会问题和生活问题做出合理的解释。 科学方法：指导学生用实验的方法认识事物的性质，培养学生科学的认知方法。 美育渗透：从生活中的金属制品，感受其丰富多彩的形状、颜色美。 重点 1、金属材料的物理性质 2、物质性质与用途的关系 3、合金的物理性质 难点 1、培养学生运用探究方法得出相关结论的能力 2、提高学生综合分析问题的能力

教学方法 采用实验探究法：按照问题—实验—观察—分析—结论的程序实行探究式讨论教学。 仪器、药品 铁片、铜片、铝片、干电池、小灯泡、导线、酒精灯、火柴、砂纸、黄铜、铜，与钛有关的资料和新型的合金的资料。

纳米材料物理-磁光性能

纳米材料的磁光性能 磁光效应 磁光效应就是指极化光与磁性物质交互作用后所产生的一种效应。它分为Faraday效应和Kerr效应。1846年，Faraday发现在玻璃样品上加上磁场时，透射光的极化面发生旋转，这就是Faraday效应。如图1(a)所示，红色表示加在物质上的磁场或磁化作用，黄线表示极化光，极化光通过被磁化的物质后产生Faraday效应。注意，所加磁场的方向与光束行进的方向平行。1877年Kerr在观察极化光束从磁性物质反射后，光束的极化以及强度有了改变，这就是磁光科尔效应(magneto-ptical Kerr effect, MOKE)。如图1(b)所示。 图 1 随着铁磁物质磁化强度矢量M的方向相对于材料的表面和人射光束的人射平面的取向，MOKE实际上分为3种效应:纵向MOKE、极性MOKE(Polar MOKE)和横向MOKE。可以用图形清晰地分别表示如下。 纵向MOKE是由于磁化强度矢量处于材料的表面内并平行于入射平面，如图2(a)所示。通常用s极化和P极化分别表示垂直和平行于入射平面光的极化。纵向MOKE简单，其人射光束或者只在s平面或者只在P平面极化，因此其反射光就转变为椭圆极化光。椭圆的主轴常常围绕着主平面有些微的旋转，称之为Kerr旋转。这种椭圆率称为Kerr椭圆率。 透射中也存在着同样的效应，当然通常这只能在薄膜中才看得到，因为绝大多数磁物质在磁光活跃的区域是不透明的。 这些效应的符号和数量比例于M和它的方向。在垂直人射方向没有观察到

什么效应。 图(b)所示的为横向MOKE 梗概图，此时磁化强度垂直于外加磁场和人射平面。与纵向MOKE 不同，第一，它只是在P 平面内极化；第二，反射光仍然保持线性极化，只有反射振幅的变化，即M 的变化只是从+M 变为-M ，反射率从R+?R 变为R-?R 。在垂直人射上没有什么效应。 图(c)所示的是极化MOKE 梗概图，此时磁化矢量垂直于样品表面。像纵向MOKE 一样，它只是在p 平面或s 平面内发生。这种效应中的人射光处于这些线性极化态的一种，反射时转化为椭圆极化光。在垂直人射方向可观察到效应。 金属纳米粒子和纳米粒子薄膜的磁光效应 Menendez 等制备了嵌人于非晶态Al 2O 3层中的Fe 纳米粒子A ，B 和C 三种样品，它们的粒径分别为2.4nm ，4nm 和8nm ，含量分别为10%，30%和40% ， Al 2O 3层的厚度分别17nm ，18nm 和18.5nm ，测定了它们的MOKE 。图3是这三个样品的Kerr 椭圆率和旋转角与能量关系的测定结果。最明显的特点是在所有的样品中，不论是椭圆率还是旋转角谱，由于干涉的作用，都在4--4.5 e V 附近出现峰值。作者应用不同的有效媒介近似的广义方法描述了实验结果，从理论与实验符合程度发现，在纳米平均粒径大于4 nm 时，两则符合得较好，而在粒径为约2nm 时，两者的偏差大。这就说明，在粒径小于4nm 时，纳米粒子的磁光性能，因为其电子结构与体材的不同。 图 2

纳米材料物理

纳米材料的基本效应 纳米材料的特殊性能是由于纳米材料的特殊结构，使之产生四大效应，即尺寸效应(量子尺寸效应、小尺寸效应)/表(界)面效应/量子效应(宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿)/介电限域效应,从而具有传统材料所不具备的物理、化学性能。 宏观尺度的金属材料在高温条件下，其能带可以看作是连续的。 (久保理论) 对于纳米金属颗粒来说，低温下能带的离散性会凸现出来。相邻电子能级之间的间隔d将随颗粒体积V的减小而增加。量子尺寸效应: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；纳米半导体颗粒存在不连续的最高被占据分子轨道（HOMO）和最低未被占据分子轨道能级（LUMO），能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。 能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸情况下才成立。对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，低温下能级是离散的，对于宏观物体包含无限个原子(即导电电子数N→∞)，由久保公式可得能级间距d→0，即对大粒子或宏观物体能级间距几乎为零；而对纳米微粒，所包含原子数有限，N值很小，这就导致d有一定的值，即能级间距发生分裂。当能级间距大于热能、磁能、静磁能、静电能、光子能量或超导态的凝聚能时，必须要考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同。

Ag的电子数密度n = 6 × 1022/cm3，由公式 当T=1K时，能级最小间距d/kB=1，代入上式，求得d=20nm。根据久保理论，当d＞kB时才会产生能级分裂，出现量子尺寸效应.由此得出，当粒径d＜20nm，Ag纳米微粒变为 非金属绝缘体，如果温度高于1K，则要求d << 20nm才有可能变为绝缘体。这里应当指出，实际情况下金属变为绝缘体除了满足d＞kB外，还需满足电子寿命>h/d的条件。实验表明，纳米Ag的确具有很高的电阻，类似于绝缘体，这就是说，纳米Ag满足上述两个条件。 Shift to higher energy in smaller size Discrete structure of spectra Increased absorption intensity

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？ 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。 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。位错与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

纳米材料论文

纳米材料的特性与应用 摘要：纳米材料在结构、光电和化学性质等方面的诱人特征，引起物理学家、材料学家和化学家的浓厚爱好。80年代初期纳米材料这一概念形成以后，世界各国对这种材料给予极大关注。它所具有的独特的物理和化学特性，使人们意识到它的发展可能给物理、化学、材料、生物、医药等学科的研究带来新的机遇。纳米材料的应用前景十分广阔。近年来，它在化工、催化、涂料等领域也得到了一定的应用，并显示出它的独特魅力。 关键词：纳米材料特性应用 1. 纳米发展简史 1959年，着名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德。费曼预言，人类可以用小的机器制作更小的机器，最后实现根据人类意愿逐个排列原子、制造产品，这是关于纳米科技最早的梦想。 1991年，美国科学家成功地合成了碳纳米管，并发现其质量仅为同体积钢的1/6，强度却是钢的10倍，因此称之为超级纤维.这一纳米材料的发现标志人类对材料性能的发掘达到了新的高度。1999年，纳米产品的年营业额达到500亿美元。 2．什么是纳米材料 纳米（nm）是长度单位，1纳米是10-9米（十亿分之一米），对宏观物质来说，纳米是一个很小的单位，不如，人的头发丝的直径一般为7000-8000nm，人体红细胞的直径一般为3000-5000nm，一般病毒的直径也在几十至几百纳米大小，金属的晶粒尺寸一般在微米量级；对于微观物质如原子、分子等以前用埃来表示，1埃相当于1个氢原子的直径，1纳米是10埃。 一般认为纳米材料应该包括两个基本条件：一是材料的特征尺寸在1-100nm之间，二是材料此时具有区别常规尺寸材料的一些特殊物理化学特性。 3. 纳米材料的特性 广义地说，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。 3.1表面与界面效应 这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。主要原因就在于直径减少，表面原子数量增多。再例如，粒子直径为10纳米和5纳米时，比表面积分别为90米2/克和180米2/克。如此高的比表面积会出现一些极为奇特的现象，如金属纳米粒子在空中会燃烧，无机纳米粒子会吸附气体等等。 3.2小尺寸效应

金属的物理性能测试

金属的物理性能测试 金属材料的性能一般可分为使用性能和工艺性能两大类。使用性能是指材料在工作条件下所必须具备的性能，它包括物理性能、化学性能和力学性能。物理性能是指金属材料在各种物理条件任用下所表现出的性能。包括：密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。化学性能是指金属在室温或高温条件下抵抗外界介质化学侵蚀的能力。包括：耐蚀性和抗氧化性。力学性能是金属材料最主要的使用性能，所谓金属力学性能是指金属在力学作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力—应变关系的性能。它包括：强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 1密度：密度就是某种物质单位体积的质量。 2热性能：熔点：金属材料固态转变为液态时的熔化温度。 比热容：单位质量的某种物质，在温度升高1℃时吸收的热量或温度降低1℃时所放出的热量。 热导率：在单位时间内，当沿着热流方向的单位长度上温度降低1℃时，单位面积容许导过的热量。 热胀系数：金属温度每升高1℃所增加的长度与原来长度的比值。 3电性能： 电阻率：是表示物体导电性能的一个参数。它等于1m长，横截面积为1mm2的导线两端间的电阻。也可用一个单位立方体的两平行端面间的电阻表示。 电阻温度系数：温度每升降1℃，材料电阻的改变量与原电阻率之比，称为电阻温度系数。 电导率：电阻率的倒数叫电导率。在数值上它等于导体维持单位电位梯度时，流过单位面积的电流。

4磁性能： 磁导率：是衡量磁性材料磁化难易程度的性能指标，它是磁性材料中的磁感应 强度（B）和磁场强度（H）的比值。磁性材料通常分为：软磁材料（μ值甚高，可达数万）和硬磁材料（μ值在1左右）两大类。 磁感应强度：在磁介质中的磁化过程，可以看作在原先的磁场强度（H）上再 加上一个由磁化强度（J）所决定的，数量等于4πJ的新磁场，因而在磁介质中的磁场B=H+4πJ的新磁场，叫做磁感应强度。 磁场强度：导体中通过电流，其周围就产生磁场。磁场对原磁矩或电流产生作 用力的大小为磁场强度的表征。 矫顽力：样品磁化到饱和后，由于有磁滞现象，欲使磁感应强度减为零，须施 加一定的负磁场Hc，Hc就称为矫顽力。 铁损：铁磁材料在动态磁化条件下，由于磁滞和涡流效应所消耗的能量。 其它如力学性能，工艺性能，使用性能等。

举例说明纳米材料的结构与其性质的关系

代鹏程无机化学2009级硕博连读学号：200911461 题目：举例说明纳米材料的结构与其性质的关系 答： 目录 1、纳米材料定义 2、纳米材料的结构 3、纳米材料的性能 4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系 5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系 1、纳米材料定义 纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米，在通常情况下不超过10纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度（1～100nm）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂层）及三维纳米材料。 2、纳米材料的结构 材料学研究认为：材料的结构决定材料的性能，同时材料的性能反映材料的结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料，其特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显的差异。 纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上，大多数纳米粒子呈现为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元；即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。 纳米材料由于非常小，使纳米材料的几何特点之一是比表面积（单位质量材料的表面积）很大，一般在102～104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如：一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒，总共有原子个数53=125个，而表面上就有约89个原子，占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如，普通材料的比表面积在10m2/g以下，其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。 由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点，从物理学的观点来看，就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来，这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应，另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时，描述它的物理规律完全不同

金属材料的物理特性教案及练习题

教学案例 学校名称：乌丹五中 课程名称：化学 内容主题：6、1金属材料的物理特性教材版本：科学粤教版 教师姓名： 456 教龄： 26年

《6、1金属材料的物理特性》问题导读——评价单 班级：姓名：学号：设计者：审核者： 1、通读教材，勾划知识点 2、精读课文，完成填空。 金属共有并区别于非金属的物理性质是、、、。金属还具有各自的特性：最难熔的金属是，最易熔的金属是，最重的金属是，最轻的金属是，最硬的金属是。 3、金属之最： 最早被人类广泛利用的金属——铜 目前世界年产量最高的金属——铁 地壳含量最高的金属元素——铝 人体中含量最高的金属元素——钙 导电、导热性最好的金属——银 延性最好的金属——铂 展性最好的金属——金 4、什么是合金 5、合金有什么特性 我的问题是： 《6、1金属材料的物理特性》问题训练——评价单：

一：填空题 1、金属共有并区别于非金属的物理性质是、、 、。 2、最难熔的金属是，最易熔的金属是，最重的金属是，最轻的金属是，最硬的金属是。 二、选择题 1、下列物质属于金属单质的是（） A、水 B、木炭 C、氮气 D、铜 2、钨用来制造灯丝，因为钨具有导电性且（） A、密度大 B、熔点高 C、硬度大 D、延展性好 3、铁是一种应用广泛的金属，下列有关铁的说法中，正确的是（） A、铁丝在氧气中燃烧生成氧化铁 B、钢是一种纯净物 C、铁是地壳里含量最多的金属元素 D、用铁锅炒菜可使食物中增加微量的铁元素 4、钛和钛合金被认为是21世纪的重要材料，它们具有很多优良的性能，如 熔点高、密度小、可塑性好、易于加工，钛合金与人体有很好的“相容性”。 根据它们的主要性能，下列用途不切合实际的是（） A、用来作保险丝 B、用来制造航天飞机 C 、用来制造人造骨 D、用于制造船舶 三、简答题 1、为什么菜刀、锤子等通常用铁制而不用铜制或铅制 2、银的导电性比铜好，为什么导线一般用铜制而不用银制

纳米材料的物理性能.

《材料科学前沿》 学号：S1******* 流水号：S2******* 姓名：张东杰 指导老师：郝耀武

纳米晶材料的物理性能 摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。 关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能 1、引言 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。 纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。

纳米材料特性

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？ 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。

纳米材料的热学性质

纳米材料与团簇物理结课论文 纳米材料的热学性质 纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l5～5 0％。纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。 纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。 纳米材料的热学性质概述 一、纳米材料的熔点及内能 材料热性能与材料中分子、原子运动行为有着不可分割的联系。当热载子(电子、声子及光子)的各种特征尺寸与材料的特征尺寸(晶粒尺寸、颗粒尺寸或薄膜厚度)相当时，反应物质热性能的物性参数如熔化温度、热容等会体现出鲜明的尺寸依赖性。特别是，低温下热载子的平均自由程将变长，使材料热学性质的尺寸效应更为明显。

图1 几种纳米金属粒子的熔点降低现象 上图（图1）为几种纳米金属粒子的熔点降低现象。随粒子尺寸的减小，熔点降低。当金属粒子尺寸小于10nm后熔点急剧下降，其中3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点的一半，用高倍率电子显微镜观察尺寸2nm的纳米金粒子结构可以发现，纳米金颗粒形态可以在单晶、多晶与孪晶间连续转变。这种行为与传统材料在固定熔点熔化的行为完全不同，伴随着纳米材料的熔点降低，单位质量粒子熔化时的潜热吸收(焓变)也随尺寸的减小而减少。人们在具有自由表面的共价半导体的纳米晶体、惰性气体和分子晶体也发现了熔化的尺寸效应现象。 根据固体物理的基本原理，可以说明材料热学性质出现尺寸效应的根本原因，一般情况下，晶体材料的内能U可依据其晶格振动的波特性在德拜假设下估计出，即： (1) 式中，Θ为德拜温度；k为波矢；T为热力学温度；h为普朗克常数；k B为玻尔兹曼常数。求和是对于所有可能的k值进行的。k的允许值由其分量表示为： (2) 式中，L为晶格长度；N为状态度；△k x为特定方向上连续波矢的差。在其他方向的k分量也存在类似关系。 在块体材料内，式(1)通常简化为： (3) 式中，u bulk是块体材料单位容积的U值；n为原子数密度；x D为与德拜温度对应的积分限。上述关于u的表述只给出了来自块体材料声子模式的贡献，而表面声子的贡献则被忽略了。在块体材料中，表面声子的贡献确实可以忽略；但当材料至少一维尺寸大幅减少至纳米量级时，这

纳米材料的物理化学性能

第四章纳米材料的物理化学性能 纳米微粒的物理性能 第一节热学性能 ※1.1. 纳米颗粒的熔点下降 由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子多，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要增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。 金的熔点：1064o C；2nm的金粒子的熔点为327o C。 银的熔点：960.5o C；银纳米粒子在低于100o C开始熔化。 铅的熔点：327.4o C；20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。 铜的熔点：1053o C；平均粒径为40nm的铜粒子，750o C。 ※1.2. 开始烧结温度下降 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结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。 纳米颗粒尺寸小，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，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭，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。 ※1.3. NPs 晶化温度降低 非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末，且纳米颗粒开始长大温度随粒径的减小而降低。 ※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。 第二节电学性能 2.1 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. 比电阻随粒径的减小而逐渐增加； 3. 比电阻随温度的升高而上升 4. 随粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。 随着尺寸的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。当粒径为11nm时，电阻随温度的升高而下降。 5. 当颗粒小于某一临界尺寸时（电子平均自由程），电阻的温度系数可能会由正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）. 电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻，而产生电阻。 ※纳米材料的电阻来源可以分为两部分： 颗粒组元（晶内）：当晶粒大于电子平均自由程时主要来自晶内散射 界面组元（晶界）：晶粒尺寸与电子平均自由程相当时，主要来自界面电子散射?纳米材料中大量的晶界存在，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。 ?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。 ?界面的这种高能垒是使电阻升高的主要原因。 总之：纳米材料体系的大量界面使得界面散射对电阻的贡献非常大，当纳米材料尺寸非常小时，这种贡献对总电阻占支配地位。当粒径低于临界尺寸时，量子尺寸效应造成的能级离散性不可忽视，最后温升造成的热激发电子对电导的贡献增大，即温度系数变负。 ※金属纳米颗粒材料的电阻增大的现象主要归因于小尺寸效应。 第三节磁学性能 许多生物体内就有天然的纳米磁性粒子，如向磁性细菌，蜜蜂，螃蟹，海龟等。

纳米材料的应用及发展前景

纳米材料的应用及发展前景 摘要 纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并简述了纳米材料在各方面的应用及其在涂料和力学性能材料方面的发展前景。 关键词：纳米材料、纳米技术、应用、发展前景 一、前言 从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在0.1微米以下（注1米=100厘米，1厘米=10000微米，1微米=1000纳米，1纳米=10埃），即100纳米以下。因此，颗粒尺寸在1～100纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。纳米金属材料是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米半导体薄膜、纳米陶瓷、纳米瓷性材料和纳米生物医学材料等。 纳米级结构材料简称为纳米材料(nanometer material)，是指其结构单元的尺寸介于1 纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。 纳米技术的广义范围可包括纳米材料技术及纳米加工技术、纳米测量技术、纳米应用技术等方面。其中纳米材料技术着重于纳米功能性材料的生产（超微粉、镀膜、纳米改性材料等），性能检测技术（化学组成、微结构、表面形态、物、化、电、磁、热及光学等性能）。纳米加工技术包含精密加工技术（能量束加工等）及扫描探针技术。 纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。 纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。 二、纳米材料的发现和发展

举例说明纳米材料的结构与其性质的关系.

代鹏程无机化学2009级硕博连读学号:200911461 题目:举例说明纳米材料的结构与其性质的关系 答: 目录 1、纳米材料定义 2、纳米材料的结构 3、纳米材料的性能 4、以量子点为例说明纳米材料结构与其性质的关系 5、以纳米线为例说明纳米材料结构与其性质的关系 1、纳米材料定义 纳米材料是纳米级结构材料的简称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料,其中纳米颗粒的尺寸最多不超过100纳米,在通常情况下不超过10纳米;从广义上说,纳米材料,是指微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1~100nm限制的各种固体超细材料,它包括零维的原子团簇(几十个原子的聚集体和纳米微粒;一维纳米纤维;二维纳米微粒膜(涂层及三维纳米材料。 2、纳米材料的结构 材料学研究认为:材料的结构决定材料的性能,同时材料的性能反映材料的结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料,其特性既不同于原子,又不同于结晶体,可以说它是一种不同于本体材料的新材料,其物理化学性质与块体材料有明显的差异。

纳米材料的结构特点是:纳米尺度结构单元,大量的界面或自由表面,以及结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上,大多数纳米粒子呈现为理想单晶,也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种结构单元;即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成,这些原子严格地位于晶格位置;界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成,这些原子由超微晶粒的表面原子转化而来。 纳米材料由于非常小,使纳米材料的几何特点之一是比表面积(单位质量材料的表面积很大,一般在102~104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如:一个由5个原子组成的正方体纳米颗粒,总共有原子个数53=125个,而表面上就有约89个原子,占了纳米颗粒材料整体原子个数的71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。例如,普通材料的比表面积在10m2/g以下,其表面原子的个数与组成单元的整体原子个数相比较完全可以忽略不计。 由于以上纳米材料的两上显著不同于普通材料的几何特点,从物理学的观点来看,就使得纳米材料有两个不同于普通材料的物理效应表现出来,这是一个由量变到质变的过程。一个效应我们称之为量子尺寸效应,另一个被称之为表面效应。量子尺寸效应是由于材料的维度不断缩小时,描述它的物理规律完全不同 于宏观(普通材料的规律,不但要用描述微观领域的量子力学来描述,同时要考虑到有限边界的实际问题。关于量子尺寸效应处理物理问题,到目前为止,还没有一个较为成熟的适用方法。表面效应是由于纳米材料表面的原子个数不可忽略,而表面上的原子又反受到来自体内一侧原子的作用,因此它很容易与外界的物质发生反应,也就是说它们十分活泼。 纳米材料由于这两上特殊效应的存在,使得它们的物理、化学性质完全不同于普通材料。目前许多实验和应用结果已经证实,纳米材料的熔点、磁性、电容性、发光特性、水溶特性等都完全不同于普通材料。例如,将金属铜或铅做成几个纳米的颗粒,一遇到空气就会燃烧,发生爆炸;用碳纳米管做成的超级电容器,其体积比电

纳米材料物理基础

讲课内容——纳米半导体光催化技术 主要内容 一、简介 ?纳米 纳米——10-9米，由于颗粒尺寸的微细化，使得纳 米材料具有块状材料所不具备的独特性质，如比表面 积大大增大，吸附能力大大增强。 ?半导体 半导体——常温下导电性能介于导体与绝缘体之间 的材料，具有热敏、光敏等特性。 半导体的能带结构 半导体存在一系列的满带，最下面的满带成为价带（valence band，VB）；存在一系列的空带，最上面的空带称为导带（conduction band，CB）；价带和导带之间为禁带。 当用能量等于或大于禁带宽度（Eg）的光照射时，半导体价带上的电子可被激发跃迁到导带，同时在价带上产生相应的空穴，这样就在半导体内部生成电子（e-）－空穴（h+）对。 为了形象地说明电子空穴对，利用生活中常见的石榴来比喻：石榴籽：光致电子 石榴籽留下的空洞：光致空穴 光致电子：存在于导带中。光致空穴：存在

于价带中。 二者有复合的趋势，即在持续的光照射下，光子不断的轰击价带，导致光致电子和光致空穴不断产生，该分离过程以纳秒计算，然后，光致电子重新回到光致空穴中，二者复合。 ?光催化 光催化于1967年被当时还是东京大学研究生的藤岛昭教授发现。在一次试验中对放入水中的氧化钛单晶进行了紫外灯照射，结果发现水被分解成了氧和氢。这一效果作为“本多·藤岛效果”（Honda-Fujishima Effect）而闻名于世，该名称组合了藤岛教授和当时他的指导教师----东京大学校长本多健一的名字。 1976 年，John.H.Carey报道了TiO2光催化氧化法用于污水中PCB 化合物脱氯去毒的成功结果后，自从那时起，针对光催化技术，学术界围绕太阳能利用、光催化降解有机物等展开了多方面的研究。 1985年，Mutsunaga等发现在金属卤灯发出的近紫外光照射下，TiO2 - Pt电极具用杀菌效果，这一发现开创了用光催化方法杀菌消毒的先河。因其具备良好的耐候性、耐化学腐蚀性、抗紫外线能力强、透明性优异等特点，被广泛应用于汽车、感光材料、光催化剂、化妆品、食品包装材料、陶瓷添加剂、气体传感器及电子材料等。 我国的光催化研究 起步于上世纪90年代，现在正在蓬勃发展； 国家环境光催化工程技术研究中心，位于福州大学内，付贤智院士领衔，是我国目前光催化领域中规模最大、科研实验条件最好、在国内外光催化领域具有重要影响的研究机构。 中科院化学所光化学重点实验室，赵进才院士领衔，致力于可见光下有毒有机污染物催化降解，取得重要成果，在国内外具有广泛影响。 南京大学长江学者特聘教授邹志刚教授，973计划“光催化材料及其应用的基础研究”的

6.1 金属材料的物理特性教学设计

6.1 金属材料的物理特性 【教学目标】 1.了解金属的物理性质，知道物质性质与用途的关系。 2.认识同类物质既有通性又有各自的特性。 3.认识合金及其特性，知道几种常见的重要合金。 4.感受金属材料与人类文明进步的密切关系。 【教学重点】 金属及合金的物理性质。 【教学难点】 【学情分析】 初中学生的好奇心强，求知欲望盛，敢于探究试验现象及生活中的化学原理。学生有将自己的见解公开并与他人交流的愿望，有主动与他人合作精神，敢于提出与别人不同的观点，也敢于放弃或修正自己的错误观点。 【学法分析】 探究学习法和归纳总结法。 【教材分析】 《金属材料的物理特性》是九年级化学第六章第一节的内容，具体内容主要包括金属在通常状态下特有的若干物理性质，比如密度、熔点、硬度等各方面特性和合金的特性。使学生在获得知识的同时，解决实际问题的能力也获得提高。【教学用具】 纯铁片、纯铝片、纯铜片、钢片、硬铝片、黄铜片。 【教学过程】 [提问]同学们，看看我们周围,你能列举出有什么金属制品？ [回答]：略 [引入新课]同学们一定很想知道，金属的用途为什么那样广泛？它们有什么特性？ [板书]6.1 金属材料的物理特性（幻灯1） [图片]金属元素的存在（幻灯2） [图片]常见的金属（幻灯3、4） [板书]一.富有特色的物理性质 [阅读讨论]阅读164—165页，讨论：（幻灯6） 1.金属有哪些共同的物理性质？ 2.不同的金属哪些物理性质差异较大？ 3.趣味活动——抢答“金属之最”。 4.金属的性质如何决定各自的用途？ （幻灯7）金属共同的物理性质. 通性：常温下都是固体（汞是液体），都有金属光泽、导电性、导热性、延展性。 （幻灯8）不同金属物理性质差异: （幻灯9）金属之最。 [讲述]化学是从通性来研究每类物质，从特性来研究每种物质的。金属是一大类物质，它们有共同的性质，而每一种金属又有各自的特性。 由于金属的奇妙性质，人们利用金属为生活和社会服务。但是各种纯金属的

6.1 金属材料的物理特性

自我小测 1．芜湖工业发展迅速，奇瑞汽车、海螺集团、新兴铸管、鑫科材料等企业在国内外已具有一定影响。这些企业的以下产品中，不含金属材料的是() A．汽车B．水泥C．钢管D．铜缆 2．下列物理性质中，属于金属共有特性的是() ①导电性②熔点低③延展性④有金属光泽⑤不易导电⑥导热性 A．①②⑤B．①③④⑥C．②④⑤⑥D．②③④⑥ 3．灯泡里的灯丝用钨制的主要原因是() A．钨的导电性好B．钨的熔点高C．钨的硬度大D．钨的密度大 4．合金材料的应用十分广泛，下列材料不属于合金的是() A．硬铝B．不锈钢C．黄铜D．黄金 5．食品包装袋中经常使用到铝箔，铝能制成铝箔是因为铝具有良好的() A．导电性B．抗腐蚀性C．导热性D．延展性 6．关于合金，下列说法错误的是() A．合金是混合物 B．合金的硬度一般比各成分金属大 C．多数合金的熔点低于组成它的成分金属 D．合金只能由金属与金属熔合而成 7 ) A．武德合金可作电路保险丝B．铁锅破损，可用武德合金焊接修补 C．武德合金的熔点低于组成它的金属D．武德合金属于混合物 8．在日常生活中，用于铁栏杆外层涂料的“银粉”大多是金属________；家用热水瓶内胆壁的银白色金属是________；温度计中填充的金属是________；灯泡里作灯丝的金属是________。 9．金属材料在生产、生活中有非常广泛的应用，不同的用途需要不同性能的金属材料。请猜想下列金属材料的用途，需要哪些性能？ (1)制造飞机机翼的金属，需要_______________________________________； (2)制造保险丝的金属，需要___________________________。

纳米材料有哪四个特性

纳米材料有哪四个特性 纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1nm~100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。纳米材料的基本特性由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面原子占相当大的比例。随着粒径减小，表面原子数迅速增加。这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。例如：金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒空子暴露在空气中会吸附并与气体进行反应。 纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。 2、小尺寸效应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，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态的转变；超导相向正常相的转变；声子谱发生改变等 由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸