纳米材料物理基础吸附性能
《纳米材料物理基础》课程论文
一纳米材料物理基础基本概念
讲到纳米材料的基本概念，首先要了解到的就是什么是纳米？纳米是一种几何尺寸的单位，长度仅为一米的十亿分之一，即10-9m。一般来说，1-100um的区域称之为微米世界，而将1-100nm的区域称之为纳米世界。纳米材料则可以定义为1-100nm范围内以及含有此类尺度大小的材料。由于其如此小的尺寸，必然具备以往材料难以具备的新特性和功能。
纳米材料的兴起与发展
纳米材料从兴起到现在, 它的研究发展阶段大致可分为以下三个阶段。
第一阶段( 1977- 1990 年)，以在美国巴尔的摩召开的第一届国际纳米科学技术会议( NTS-1) 为标志，纳米材料科学正式成为材料科学的一个新分支。
第二阶段( 1990- 1994 年)，以第二届国际纳米材料学术会议为标志，会议认为对纳米材料微结构的研究应着眼于对不同类型材料的具体描述。
第三阶段( 1994- 至今)，纳米材料的研究特点在于按人们的意愿设计、组装和创造新的体系，即以纳米颗粒、纳米丝和纳米管为基本单元在一维、二维和三维空间组装纳米结构体系。
纳米效应
当微粒的尺寸进入纳米量级( 1~ 100 nm) 时，其本身和由它构成的纳米固体具有如下四个方面的特异性效应，也称为纳米效应。
1 小尺寸效应
当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件被破坏，材料表层附近原子密度减小所致，声、光、电、磁、热力学特性等均会随着粒子尺寸的减小发生显著变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应，它是其它效应的基础。
2 表面效应
表面效应是指纳米粒子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。因表面原子处于“裸露”状态，周围缺少相邻的原子，有许多空悬键，易与其它原子结合而稳定，具有较高的化学活性。例如，利用纳米粒子粒径小、表面有效反应中心多、催化性好等特点，在火箭固体燃料中掺合铝纳米晶，可提高其燃烧效率。
3 量子尺寸效应
量子尺寸效应是指纳米粒子尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为分散能级的现象。早在60年代就采用电子模型给出决定能级间距的著名公式：N
E F 34=δ 其中δ为能级间距，F E 为费米能级，N 为总电子数。对常规物体，因包含有无限多个原子（即所含电子数∞→N ），故常规材料的能级间距几乎为零（0→δ）；而对纳米粒子，因其含原子数有限，δ有一定的数值，即能级发生了分裂。当能级的间距大于热能、磁能、光子能量、超导态的凝聚能等典型能量值时，必然因量子效应导致纳米微粒的光、热、电、磁、声等特性与常规材料有显著不同。例如，特异的光催化性、高光学非线性及电学特性等。
4 宏观量子隧道效应
微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。近年来，人们发现一些宏观量，例如，微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量以及电荷等也具有贯穿宏观系统势垒而产生变化的隧道效应——宏观量子隧道效应。宏观量子隧道效应的研究对基础研究及实用都有重要意义，它限定了磁带、磁盘进行信息贮存的时间极限，将会是未来微电子器件的基础。当微电子器件进一步细微化时，必须要考虑上述量子效应。
上述四种纳米效应是纳米微粒和纳米固体的基本特性，它使纳米微粒和纳米固体表现出许多奇异的性质。例如，金属为导体，但纳米金属微粒在低温下由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性；铁磁性的物质进入纳米级( ~ 5 nm)，因由多畴变成单畴而显示极强的顺磁效应；化学惰性的金属铂制成纳米微粒(铂黑)后却成为活性极好的催化剂等。由纳米微粒构成的纳米固体也是如此。例如，纳米金属铜的比热是传统纯铜的2倍；纳米固体钯的热膨胀提高1倍；纳米磁性金属的磁化率是普通金属的20倍，而饱和磁矩却只有普通金属的1/2等等。
世界个主要国家国家级纳米科技计划
为了在21世纪继续保持美国在经济上的领导地位并保障美国的国家安全，
2000年1月21日，美国总统克林顿在加州理工学院正式宣布National Nanotechnology Initiative （ NNI计划），整合美国各相关机构的力量，加强对纳米尺度的科学、工程和技术研发工作的协调，将纳米科技视为下一次工业革命的核心，认为纳米科技将对二十一世纪早期的经济和社会产生深刻的影响。该计划于2000年11月得到美国国会批准。
日本、德国、法国、英国等主要发达国家以及欧盟分别出台了各自的纳米计划，韩国政府2001~2003年间相继制定了《促进纳米科技10年计划》、《促进纳米技术开发法》与《纳米技术开发实施规则》；我国台湾自1999年开始也相继制定了《纳米材料尖端研究计划》与《纳米科技研究计划》。俄罗斯、加拿大、澳大利亚、以色列、印度、瑞士、墨西哥、泰国、埃及、土耳其等国家也对纳米科技发展进行了部署，全球总计已有50多个国家和地区制定了战略性的纳米科技计划。
我国方面先后成立了国家纳米科技指导协调委员会、国家纳米科学中心和纳米技术专门委员会；2001年7月发布了《国家纳米科技发展纲要(2001～2010)》；近期目标以纳米材料及其应用为主，中、长期目标瞄准纳米生物和医疗技术、纳米电子学和纳米器件。希望在纳米科学前沿取得重大进展，在纳米技术开发及其应用方面取得重大突破，并逐步形成精干的、具有交叉综合和持续创新能力的纳米科技骨干队伍。在纳米科技基础建设方面，要建立具有国际先进水平的国家纳米科学技术发展公用平台和重点实验室系统、纳米科技信息网络和科研开发网络，形成若干各具特色的、具有国际一流水平的纳米科技创新基地，构筑国家纳米科技研究与开发创新体系。
纳米技术的应用及前景
纳米材料的应用在磁记录上的应用。磁性纳米粒子粒径小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性。用它做磁记录材料可以提高信噪比，改善图像质量。例如，松下电器公司已制成的纳米级微粒录像带，具有图像清晰、信噪比高、失真小的优点。
在半导体器件上的应用。纳米微电子材料的发展不但可以将集成电路进一步减小, 还可以研制出能够在室温使用的单原子或单分子构成的各种器件。纳米技术必将在大规模集成电路器件、薄膜晶体管选择性气体传感器、光电器件及其它
应用领域发挥重要的作用。
在传感器上的应用。纳米微粒和纳米固体是应用于传感器最有前途的材料。由于其巨大的表面和界面，对外界环境如温度、湿度、光等十分敏感，外界环境的变化会迅速引起表面和界面等离子价态和电子输运的变化，而且响应速度快，灵敏度高。例如，利用纳米NiO，FeO，CoO- Al2O3和SiC的载体温度效应引起电阻变化，可制成温度传感器（温度计、热辐射计）等。
在催化方面的应用。纳米粒子表面积大、表面活性中心多，是一种极好的催化材料。它不但可以大大提高反应效率，控制反应速度，甚至使原来不能进行的反应也能完全进行。如利用纳米镍粉作为火箭固体燃料反应催化剂，燃烧效率可提高100倍。
在工程方面的应用。纳米固体界面积巨大，熔点低，通常在高温下烧结的材料( 例如，SiC，WC，BN等)在纳米态下可以在较低温度下进行烧结，且不用添加剂仍然使其保持良好的性能。由于复相材料的熔点、相变温度不同，使其烧结比较困难。纳米微粒的小尺寸效应和表面效应不仅使其熔点降低，也使其相变温度降低，在低温下就能进行固相反应，因此可得到烧结性能好的复相材料。例如，传统方法合成的BaTiO3体材料，其烧结温度大于900摄氏度，而BaTiO3纳米粒子的合成，其灼烧温度为650摄氏度。
在医学、生物工程上的应用。纳米粒子与生物体有着密切的关系，如构成生命要素之一的核糖核酸蛋白质复合体，同时生物体内的多种病毒也是纳米粒子。使用纳米药物不但可以杀灭人体内的细菌和病毒，清除人体内的垃圾，还可以有效地杀死癌细胞，它最大的优势在于用量达到临床使用剂量的4000多倍时，受试动物也无中毒表现，同时也不会使细菌产生耐药性。由于纳米粒子比红血球小得多，可以自由在血液中活动，因此，可以注入各种纳米粒子到人体各个部位，检查病变和治疗。另外，可用纳米SiO2微粒进行细胞分离等。
纳米材料的危害
近年来，由于纳米技术和纳米材料所带来的经济效益和技术进步，国内外的研究和相关投资都极为可观。随着纳米技术的飞速发展，各种纳米材料大量涌现，其优良特性及新奇功能使其具有广泛的应用前景，人们接触纳米材料的机会也随之迅速增多。然而，任何一项新的技术都会带有“双刃剑”的两面性，存在其风
险性，这是20世纪科学技术发展使人类得到的经验和共识，纳米科学技术也不例外。
据《自然》杂志介绍，美国纽约罗切斯特大学的研究人员在实验鼠身上完成的实验显示，直径为35纳米的碳纳米粒子被老鼠吸进身体后，能够迅速出现在大脑中处理嗅觉的区域，即嗅球区，并不断堆积起来。他们认为碳纳米粒子是同“捕捉”香味的大脑细胞一道进入大脑的。今年4月，美国化学学会在一份研究报告中指出，碳60会对鱼的大脑产生大范围的破坏，这是研究人员首次找到纳米颗粒可能给水生物种造成毒副作用的证据。这些都表明，纳米材料对人类健康和环境都存在危害。
当物体缩小到纳米尺度，它的性质会发生明显变化。实验表明，2毫克二氧化硅溶液注入小白鼠后不会致其死亡，但若换成0.5毫克的纳米二氧化硅，小白鼠就会立刻毙命。类似的实验还有，在含有直径为20纳米的聚四氟乙烯塑料颗粒的空气中生活15分钟的实验鼠，大多数在随后的4小时内死亡；而暴露在含有直径120纳米颗粒的空气中的对照组实验鼠则安然无恙。
纳米材料污染一旦进入人体，比普通污染物对人体的影响更大。这是因为纳米材料体积非常小，同样质量下纳米颗粒比微米颗粒数量多得多，与细胞发生反应的机会更大，更易引起病变。前期研究表明，一些人造纳米颗粒在很小的剂量下容易引起靶器官炎症；容易导致大脑损伤；容易使机体产生氧化应激；容易进入细胞甚至细胞核内；表面吸附能力很强，荣比把其他物质带入细胞内；有随纳米尺寸减小生物毒性增大的趋势；表面的轻微改变导致生物效应发生巨变等。
纳米科学是一门新兴的科学，正处于不断发展完善之中，很多研究仍处于定性探索阶段。当前亟待解决的问题主要有：1、如何准确表征纳米材料的各种精细结构。2、如何从结构上分析、解释纳米材料所具有的新特性。3、能否利用某种判据来预测微区尺寸减少到多大时，材料表现出特殊的性能。4、纳米材料的危害方面更是有待更多纳米科学家和生物学家的合作，寻求有效的防止纳米材料危害生物体的方法和措施。在此基础上，逐步实现对纳米粒子的形态、尺寸、分布的控制，最终向实现根据材料的性能要求，设计、合成目标纳米复合材料和设计组装具有特殊功能的微系统的方向发展，并开发其广阔的应用领域。
二纳米材料的吸附性能
纳米尺度下，金属的一些基本性质，诸如熔点、磁性、颜色、电学性能、光学性能、力学性能和化学性能等都将与块体材料大为不同。与普通的块体材料相比，纳米材料具有较大的比表面和较多的表面原子，因而显示出较强的吸附特性。
对于纳米粒子的吸附作用，目前普遍认为：纳米粒子表面的表面羟基作用。纳米粒子的吸附作用主要是由于纳米粒子的表面羟基作用。纳米粒子表面存在的羟基能够和某些阳离子键合，从而达到表观上对金属离子或有机物产生吸附作用；另外，纳米粒子具有大的比表面积，也是纳米粒子吸附作用的重要原因。一种良好的吸附剂，必须满足比表面积大，内部具有网络结构的微孔通道，吸附容量大等条件，而颗粒的比表面积与颗粒的直径成反比。
由于纳米粒子具有高的比表面积，使它具有优越的吸附性能，在制备高性能吸附剂方面表现出巨大的潜力，提供了在环境治理方面应用的可能性。
1.纳米金属的吸附作用
纳米金属的表面原子特别是处于边和角上的原子有较高的化学活性，这些原子正是催化剂的活性中心，也是吸附剂的活性位点。由于纳米金属原子簇具有较高的表面能，属于亚稳态，有团聚的倾向。
目前主要有以下2种方法改变其稳定性：（1）用多孔的物质如Al
2O
3
、SiO
2
、
碳质材料和多聚物等作为载体，浸入金属盐溶液中，然后将金属离子还原为零价纳米金属原子簇而固定在载体上。（2）纳米金属的表面修饰。用纳米金属作吸附
剂的也有报道，Kanel等在N
2保护下，用NaBH
4
还原FeCl
3
制得了纳米零价铁即
纳米铁，他们用纳米铁作为吸附剂对地下水中As（Ⅲ）的吸附行为进行了研究，结果表明，As（Ⅲ）的初始浓度和溶液的pH值对吸附有影响，最大吸附容量为
3.5ng As（Ⅲ）/g纳米铁，并发现HCO
3-、H
4
SiO
4
和H
2
PO
4
-的存在对As（Ⅲ）的吸
附有干扰。
2.纳米氧化物的吸附作用
许多纳米氧化物表面展现出既具有Lewis碱又具有Lewis酸的特性，特别是在角和边上。残留的表面羟基和阴/阳离子空穴也能增加纳米氧化物的表面活性。
纳米材料用于分离富集起步较晚，Vassileva等在1996年研究了比表面积大的
TiO
2作为固相萃取吸附剂对金属离子吸附性能。结果表明，TiO
2
比常用的SiO
2
作为固相萃取剂具有许多优点，主要是：高吸附容量、多元素同时吸附、能有效地吸附和洗脱及很好的重视性。马万红等人利用流动注射微柱富集在线分析方法对Cr（Ⅵ）离子在纳米TiO
2
表面上的吸附动力学特征进行了原位表征，研究结
果表明，纳米TiO
2对Cr（Ⅵ）有强烈的吸附作用，当pH改变时，纳米TiO
2
吸附
的Cr（Ⅵ）可被2mol/LHCl完全洗脱。Mallikarjuna等[2]用纳米γ-Fe
2O
3
和硫脲
的复合物作为吸附剂，对Pb2+吸附研究表明，该复合物显示出较强吸附能力。纳
米氧化物分离富集技术与其他分析技术联用，也是吸附剂研究的一个重要发展方向
3.富勒烯的吸附作用
富勒烯是一种闭合笼型的碳原子团簇。C
60
富勒烯作为吸附剂最令人感兴趣的是它的选择性。许多金属离子能够和1-吡咯基二硫代甲酸铵(APDC)形成络合
物，从而可以用C
60
富集。而镉被选择性地从共存的Cu、Pb、Zn和Fe等离子中
分离出来并用原子吸收光谱检测。C
60
富勒烯还被用于镉、铅和镍的富集。
4.碳纳米管的吸附作用
碳纳米管（CNTs）是国内外广泛关注的一类碳材料，近年来逐渐成为水处理材料领域的一个研究热点。碳纳米管是日本科学家Iijima于1991年发现的一种晶型碳素材料，区别于传统晶型碳素材料石墨和金刚石的二维结构和三维结构，碳纳米管呈一维管状结构，由一层或多层石墨片沿轴向卷曲成圆柱状，两端由半球形的端帽封闭，石墨层片内的碳原子以C-C键相连，由一层石墨片层卷曲而成的称为单壁碳纳米管，由多层石墨片层卷曲而成的则称为多壁碳纳米管，多壁碳纳米管层间以范德华力结合。碳纳米管因具有独特的电磁学、力学、光学和热性能学而被用于储氢材料、复合材料增强剂、催化剂载体、超导材料等领域。由于碳纳米管独特的纳米管状微观结构及其大比表面积、丰富孔隙结构、独特导电性能等特性，在水处理材料领域受到关注，自20世纪以来已被逐渐研究用作水处理吸附材料、催化材料以及吸附和催化材料载体。
5有机纳米材料作为吸附剂
Marier等基于纳米聚苯乙烯阳离子与寡核苷酸硫逐磷酸酯有较大亲和力，
利用纳米聚苯乙烯阳
离子作为吸附剂，把寡核苷酸硫逐磷酸酯从人体血浆中分离开来，回收率达60%-90%。萃取过程分为(个主要步骤：复合物的形成；洗脱；寡核苷酸的释放。寡核苷酸硫逐磷酸酯在纳米聚苯乙烯阳离子中吸附和解吸附是通过控制PH值来完成的。他们又用纳米聚苯乙烯阳离子作为固相萃取剂分离富集人的血浆和尿中的抗敏化寡核苷酸。萃取的样品用毛细管凝胶电泳进行分析，并且在低浓度下评估了方法的选择性、重现性和回收率。将人血浆和尿样的研究结果进行对比，没有发现明显的不同，它们的绝对回收率达95%。
纳米材料具有较大的化学活性和表面能，很容易与外来的原子结合，形成稳定的结构。作为吸附剂
有以下优点：超强的吸附能力；宽的PH值适用范围；高的选择性。但有些纳米材料的稳定性较差，如无机纳米颗粒，在空气中吸附气体并与气体发生反应；一些纳米粒子为降低其表面能而有较大的团聚倾向；正因纳米材料的超强吸附性，给脱附、再生带来困难。为了克服这些缺点，复合纳米材料、纳米材料修饰和功能化等方面的研究将是值得期待的。目前对纳米吸附剂的吸附机理还不甚清楚，研究吸附机理方面的报道也较少。但随着纳米科学技术的发展，理论研究的进一步深入，高吸附选择性、高稳定性、高催化活性、低成本、长寿命及无污染的“超级纳米吸附剂”必将在生命科学、能源技术、环境保护等领域有着广阔的应用前景。
纳米材料的特性及相关应用
纳米材料的研究属于一种微观上的研究，纳米是一个十分小的尺度，而一些物质在纳米级别这个尺度，往往会表现出不同的特性。纳米技术就是对此类特性进行研究、控制。那么，关于纳米材料的特性及相关应用有哪些呢？下面就来为大家例举介绍一下。 一、纳米材料的特性 当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。比方说：被广泛研究的II-VI族半导体硫化镉，其吸收带边界和发光光谱的峰的位置会随着晶粒尺寸减小而显著蓝移。按照这一原理，可以通过控制晶粒尺寸来获得不同能隙的硫化镉，这将大大丰富材料的研究内容和可望获得新的用途。我们知道物质的种类是有限的，微米和纳米的硫化镉都是由硫和镉元素组成的，但通过控制制备条件，可以获得带隙和发光性质不同的材料。也就是说，通过纳米技术获得了全新的材料。纳米颗粒往往具有很大的比表面积，每克这种固体的比表面积能达到几百甚至上千㎡，这使得它们可作为高活性的吸附剂和催化剂，在氢气贮存、有机合成和环境保护等领域有着重要的应用前景。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件，减小器件的体
积，使其更轻盈。如现在小型化了的计算机。“更高”是指纳米材料可望有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能(如强度和韧性等)，对纳米陶瓷来说，纳米化可望解决陶瓷的脆性问题，并可能表现出与金属等材料类似的塑性。 二、纳米材料的相关应用 1、纳米磁性材料 在实际中应用的纳米材料大多数都是人工制造的。纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比γ-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。 2、纳米陶瓷材料 传统的陶瓷材料中晶粒不易滑动，材料质脆，烧结温度高。纳米陶瓷的晶粒尺寸小，晶粒容易在其他晶粒上运动，因此，纳米陶瓷材料具有极高的强度和高韧性以及良好的延展性，这些特性使纳米陶瓷材料可在常温或次高温下进行冷加工。如果在次高温下将纳米陶瓷颗粒加工成形，然后做表面退火处理，就可以使
纳米技术的应用与前景
纳米技术的应用与前景 纳米技术作为一种高新科技，我认为其本质不亚于当年的电子与半导体科技，有着我们未所发掘到潜能与实用价值，在这个世代，各种技术的发展迅速，随着纳米技术的进一步发展，可以作为一种催化剂，促使各行各业的迅猛发展。 纳米技术是近年来出现的一门高新技术。“纳米”主要是指在纳米（一种长度计量单位，等于1/1000,000,000米）尺度附近的物质，其表现出来的特殊性能用于不同领域而称之为“纳米技术”，其具体定义见词条“纳米科技”。 纳米技术目前已成功用于许多领域，包括医学、药学、化学及生物检测、制造业、光学以及国防等等。本词条为纳米技术应用的总纲，包括如下领域： 1、纳米技术在新材料中的应用 2、纳米技术在微电子、电力等领域中的应用 3、纳米技术在制造业中的应用 4、纳米技术在生物、医药学中的应用 5、纳米技术在化学、环境监测中的应用 6、纳米技术在能源、交通等领域的应用 尽管从理论到实践是一个相当困难的过程，但纳米技术已经证明，可以利用扫描隧道电子显微镜等工具移动原子个体，使它们形成在自然界中永远不可能存在的排列方式，如IBM 公司的标志图案、比例为百亿分之一的世界地图、或一把琴弦只有50纳米粗的亚显微吉他。纳米材料的应用有着诱人的技术潜力，它的应用范围包括从制造工业、航天工业到医学领域等。美国全国科学基金会曾发表声明说：“当我们进入21世纪时，纳米技术将对世界人民的健康、财富和安全产生重大的影响，至少如同20世纪的抗生素、集成电路和人造聚合物那样。”科学家们预计，纳米技术在新世纪中的应用前景广阔，已经涵盖了材料、测量、机械、电子、光学、化学、生物等众多领域，信息技术与纳米技术的关系已密不可分。 从纳米科技发展的历史来看，人们早在1861年建立所谓肢体化学时即开始了对纳米肢体的研究。但真正对纳米进行独立的研究，则是1959年，这一年，著名美国物理学家、诺贝尔奖金获得者德·费曼在美国物理学年会上作了一次报告。他在报告中认为，能够用宏观的机器来制造比其体积小的机器，而这较小的机器又可制作更小的机器，这样一步步达到分子程度。费曼还幻想在原子和分子水平上操纵和控制物质。 在70年代末，美国MIT（麻省理工大学）的W.R.Cannon等人发明了激光气相法合成数十纳米尺寸的硅基陶瓷粉末。80年代初，德国物理学家H.Gleiter等人用气体冷凝发制备了具有清洁表面的纳米颗粒，并在超真空条件下原位压制了多晶纳米固体。现在看来，这些研究都属于纳米材料的初步探索。 科学家预言，尺寸为分子般大小、厚度只有一根头发丝的几百万分之一的纳米机械装置将在今后数年内投入使用。学术实验室和工业实验室的研究人员在开发分子马达、自组装材料等纳米机械部件方面取得了飞速进展。纳米机器具有可以操纵分子的微型“手指”和指挥这些手指如何工作、如何寻找所需原材料的微型电脑。这种手指完全可以由碳纳米管制成，碳纳米管是1991年发现的一种类似头发的碳分子，其强度是钢的100倍，直径只有头发的五万分之一。美国康奈尔大学的研究人员利用有机物和无机物组件开发出一个分子大小的马达，一些人称之为纳米技术领域的“T型发动机”。 纳米科技中具有主导或牵头作用的是纳米电子学，因为它是微电子学发展的下一代。纳米电子学是来自电子工业，是纳米技术发展的一个主要动力。纳米电子学立足于最新的物理理论和最先进的工艺手段，按照全新的理念来构造电子系统，并开发物质潜在的储存和处理
《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
纳米材料新进展及应用
纳米材料应用的新进展 来源：全球电源网 世界上已经研制成功四种贮氢合金材料：即稀土镧镍系、铁一钛系、镁系以及钒、铌、锆等多元素系合金材料。但它们全都是非纳米材料。最近几年世界各国在大力开发纳米贮氢电极材料，一系列纳米贮氢材料不断问世。它们的进展为更好利用氢能带来了福音。目前开发的主要材料系列有镁镍合金、碳纳米管和纳米铁钛合金。三种纳米材料的开发已经形成热潮。美洲和欧洲国家开发工作最集中的是镍金属氢化物电池用的镁镍合金和碳纳米管，其次是燃料电池用的铁钛合金及碳纳米管。包括中国在内的亚洲国家开发纳米镁镍合金主要是针对镍金属氢化物电池的应用，开发纳米铁钛合金及碳纳米管主要是针对燃料电池的应用。在开发金属氢化物储氢方面，过去的主要问题是贮氢量低，成本高及释氢温度高。现在在开发纳米储氢材料过程中这些问题仍是值得注意的问题。本文介绍目前科研人员针对上述问题开发纳米储氢材料方面的进展。1 镁镍合金开发继续升温镁系贮氢合金是最具开发前途的贮氢材料之一，所以目前开发最热的是镁镍合金。镁镍合金成本低，其贮氢质量高，若以CD ( H )代表合金贮氢的质量分数， 理论上纯镁的质量分数为7.6% ，而稀土LaNi5 的只有1.4% ，钛系TiFe 只为1.9%。这就是形成镁系合金开发热潮的原因。以前主要使用熔铸法和快速凝固法生产镁合金。能够体现出高技术的发展水平是现在的机械研磨技术。也就是先在600 C以上使镁与镍形成合金，经过检测确定是Mg2Ni合金以后，然后进行机械研磨。目前普遍用机械研磨法生产多元纳米贮氢合金、纳米复合贮氢合金。新型纳米镁镍合金同稀土系、钛系和锆系贮氢材料相比具有许多优点。镁系合金中最典型的是Mg2Ni 合金。其氢化物Mg2NiH4 合金贮氢量为3.6%。1.1 代换镁的金属呈增加趋势国内外制备传统镁系合金采取的措施是添加铝、铁、钴、铬、钒、锰、铜、钛及镧等元素来替换镁，使其形成多元镁镍合金。第二种是将 纯镁粉与低稳定性的贮氢合金复合。第三种是把镁系合金与别的合金混合制成复 合贮氢材料。最后就是将负极浸入铜、镍-硼或镍-磷等镀液里，使镀上一层金属膜，镀
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
纳米材料及其应用前景
纳米材料及其应用前景 摘要:21世纪，纳米技术、纳米材料在科技领域将扮演重要角色。纳米技术是当今世界最有前途的决定性技术之一。本文简要地概述了纳米材料的基本特性以及其在力学、磁学、电学、热学等方面的主要应用，并简单展望了纳米材料的应用前景。 关键词：纳米材料；功能；应用； 一、纳米材料的基本特性 所谓纳米材料是指材料基本构成单元的尺寸在纳米范围即1~100纳米或者由他们形成的材料。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。科学家们和工程技术人员利用纳米材料的特殊性质解决了很多技术难题，可以说纳米材料特性促进了科技进步和发展。 1、力学性质 高韧、高硬、高强是结构材料开发应用的经典主题。具有纳米结构的材料强度与粒径成反比。纳米材料的位错密度很低，位错滑移和增 殖符合Frank-Reed模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以纳米材料中位错滑移和 增殖不会发生，这就是纳米晶强化效应。金属陶瓷作为刀具材料已有50 多年历史，由于金属陶瓷的混合烧结和晶粒粗大的原因其力学强度一直 难以有大的提高。应用纳米技术制成超细或纳米晶粒材料时，其韧性、 强度、硬度大幅提高，使其在难以加工材料刀具等领域占据了主导地位。 使用纳米技术制成的陶瓷、纤维广泛地应用于航空、航天、航海、石油 钻探等恶劣环境下使用。 2、热学性质 纳米材料的比热和热膨胀系数都大于同类粗晶材料和非晶体材料的值，这是由于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Cr-Cr2O3颗粒膜对太阳光有强烈的吸收作 用，从而有效地将太阳光能转换为热能。 3、电学性质 由于晶界面上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导金属——绝缘体转变（SIMIT）。利用纳米粒子的 隧道量子效应和库仑堵塞效应制成的纳米电子器件具有超高速、超容量、超微型低能耗的特点，有可能在不久的将来全面取代目前的常规半导体 器件。2001年用碳纳米管制成的纳米晶体管，表现出很好的晶体三极管 放大特性。并根据低温下碳纳米管的三极管放大特性，成功研制出了室 温下的单电子晶体管。随着单电子晶体管研究的深入进展，已经成功研 制出由碳纳米管组成的逻辑电路。
纳米材料的热学特性
纳米材料的热学特性 【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。 【关键词】：纳米材料热学特性发展前景 【正文】： （一）纳米材料 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l 5 ～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。 （二）热学特性 一热容 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 %。1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.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. 45nm 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。 三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 /Tm )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
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
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。
纳米材料的特性及应用
纳米材料的特性及应用 （齐齐哈尔大学材料科学与工程学院高分子专业） 摘要：纳米材料是当今及未来最有发展潜力的材料，由于其独特的表面效应、体积效应以及量子尺寸效应 ,使得材料的电学、力学、磁学、光学等性能产生了惊人的变化。本文分别从纳米材料的定义，发展，分类，特性，应用及未来发展方面进行了详细的论述。 引言 很多人都听说过"纳米材料"这个词,但什么是纳米材料级简称为纳米材料，是指其的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间,广义上是中至少有一维处于纳米尺度范围超精细颗粒材料的总称。由于它的尺寸已经接近电子的，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，加上其具有大表面的特殊效应。因此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：?纳米材料纳米材料分类特性应用 一.什么是纳米材料 纳米级简称为纳米材料(nanometermaterial)。从尺寸大小来说，通常产生显着变化的细小的尺寸在0.1以下（注1米=100，1=10000微米，1
微米=1000，1=10），即100以下。因此，颗粒尺寸在1～100的微粒称为超微粒材料，也是一种材料。其中，纳米是20世纪80年代中期研制成功的，后来相继问世的有纳米薄膜、纳米、纳米瓷性材料和材料等。 二.纳米材料发展简史 纳米材料的应用实际上很早就有了，只是没有上升成纳米材料的概念。早在1000多年前，我国古代利用燃烧蜡烛来收集的碳黑作为墨的原料及染料。这是应用最早的纳米材料。我国古代的铜镜表面长久不发生锈钝。经检验发现其表面有一层纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。十八世纪中叶，胶体化学建立，科学家们开始研究直径为1-10nm的粒子系统。即所谓的胶体溶液。事实上这种液态的胶体体系就是我们现在所说的纳米溶胶，只是当时的化学家们并没有意识到，这样一个尺寸范围是人们认识世界的一个新的层次。在后来的催化剂研究中，人们制备出了铂黑，这大约是纳金属粉体的最早应用。把纳米材料正式作为材料科学的一个新的分支是在1990年7月在美国巴尔的摩召开的国际第一届纳米科学技术学术会议上确定的。所以纳米材料的发展将1990年7月作为界线，1990年7月以前为第一阶段，在这之前，从20世纪60年代末开始，人们主要在实验室探索用各种手段制备不同种材料的纳米粉末、合成块体(包括薄膜)、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；但研究大部分局限性在单一材料。人们开始看到，当材料的尺寸处于纳米尺度范围内时，会呈现许多不同的性能特征，这对新材料的研究和发展提供了新的思路和方向。1990年以后，纳米材料得到了迅速发展。在理论研究方面，纳米科技的诞生，给人们的思维带来了一次革命。它告诉我们，任何一种物质的性
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