纳米结构单元纳米颗粒.pptx

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1、 2.1 纳米颗粒的种类纳米颗粒的种类种类种类具体例子具体例子金属或合金纳米粒子金属或合金纳米粒子Au、Ag、Cu、Ni、Co、Pt、Fe等；等；Ag-Cu、Au-Cu等等碳化物或氮化物纳米粒子碳化物或氮化物纳米粒子SiC、Si3N4或或Cr、Ti、V、Zr、Hf、Mo、Nb、Ta、W等金属碳化物或氮化物等金属碳化物或氮化物氧化物和复合金属氧化物氧化物和复合金属氧化物纳米粒子纳米粒子SiO2、TiO2、ZnO、Fe2O3、Al2O3等；等；BaTiO3、BaSnO3、MnFe2O4、Pb(Ti1-xZrx)O3等等无机盐纳米粒子无机盐纳米粒子CdS、CdSe、CdTe、AgCl、CaCO3、B

2、aSO4等、等、有机纳米粒子有机纳米粒子聚合物、有机染料纳米粒子等聚合物、有机染料纳米粒子等 定义：纳米尺度的固体粒子 （1100nm）种类：第1页/共53页存在状态：存在状态：粉体粉体(powder)或胶体或胶体(colloid)2.1 纳米颗粒的种类纳米颗粒的种类当分散质在某个方向上的线度介于1100nm时，这种分散体系称为胶体分散体系。不连续的分散颗粒一种或几种物质以一定分散度分散在另一种物质中形成的体系第2页/共53页胶体的性质胶体的性质 在光的传播过程中，光线照射到粒子时，如果粒子大于入射光波长很多倍，则发生光的反射；如果粒子小于入射光波长，则发生光的散射，这时观察到的是光波环绕微粒

3、而向其四周放射的光，称为散射光或乳光。丁达尔效应就是光的散射现象或称乳光现象。由于溶胶粒子大小一般不超过 100 nm，小于可见光波长（400 nm 700 nm），因此，当可见光透过溶胶时会产生明显的散射作用。第3页/共53页2.2 纳米颗粒的制备方法纳米颗粒的制备方法气相法气相法气相法制备的主要纳米粒子种类制备的主要纳米粒子种类（1）低压气体蒸发法低压气体蒸发法纳米金属、合金或离子化合物、氧化纳米金属、合金或离子化合物、氧化物物（2）活性氢熔融金属反应法活性氢熔融金属反应法纳米金属，纳米氮化物纳米金属，纳米氮化物（3）溅射法溅射法纳米金属纳米金属（4）流动液面上真空蒸度法流动液面上真空蒸度

4、法纳米金属纳米金属（5）通电加热蒸发法通电加热蒸发法纳米碳化物纳米碳化物（6）混合等离子法混合等离子法纳米金属纳米金属（7）激光诱导化学气相沉积激光诱导化学气相沉积纳米纳米Si等等（8）爆炸丝法爆炸丝法纳米金属、纳米金属氧化物纳米金属、纳米金属氧化物（9）化学气相凝聚法化学气相凝聚法纳米陶瓷粉体纳米陶瓷粉体第4页/共53页(1)低压气体蒸发法（气体冷凝法）低压气体蒸发法（气体冷凝法）在低压的氩、氮等惰性气体在低压的氩、氮等惰性气体中加热金属，使其蒸发后形中加热金属，使其蒸发后形成纳米颗粒。成纳米颗粒。可通过调节惰性气体压力，可通过调节惰性气体压力，蒸发物资的分压蒸发物资的分压(即蒸发温度即蒸发

5、温度和速率和速率)，或惰性气体的温度，或惰性气体的温度，来控制纳米微粒粒径的大小。来控制纳米微粒粒径的大小。可制备的物质包括：金属、可制备的物质包括：金属、CaF2、NaCl、FeF等离子化等离子化合物、过渡金属氧化物及易合物、过渡金属氧化物及易升华的氧化物等升华的氧化物等第5页/共53页(2)活性氢活性氢-熔融金属反应法熔融金属反应法第6页/共53页(3)溅射法溅射法原理：原理：由于两极间的辉光放电由于两极间的辉光放电使使Ar离子形成，在电场作用下，离子形成，在电场作用下，Ar离子冲击阴极靶材表面，使离子冲击阴极靶材表面，使靶材原子从其表面蒸发出来形靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子，并在

6、附着面上沉成超微粒子，并在附着面上沉积下来。积下来。优点：优点：(i)可制备多种纳米金属，可制备多种纳米金属，包括高熔点和低熔点金属；包括高熔点和低熔点金属；(ii)能制备多组元的化合物纳米颗能制备多组元的化合物纳米颗粒，如粒，如Al52Ti48、Cu19Mn9等；等；(iii)通过加大被溅射的阴极表通过加大被溅射的阴极表面可提高纳米微粒的获得量。面可提高纳米微粒的获得量。第7页/共53页(4)流动液面真空蒸度法流动液面真空蒸度法原理：原理：在高真空中蒸发的金属在高真空中蒸发的金属原子在流动的油面内形成超微原子在流动的油面内形成超微粒子粒子优点：优点：(i)可制备可制备Ag、Au、Pd、Cu、

7、Fe、Ni、Co、Al、Zn等纳米微粒，平均粒径等纳米微粒，平均粒径3nm，用惰性气体蒸发法难获得这样用惰性气体蒸发法难获得这样小的微粒；小的微粒；(ii)粒径均匀，分粒径均匀，分布窄；布窄；(iii)纳米颗粒分散地分纳米颗粒分散地分布在油中；布在油中；(iv)粒径尺寸可控。粒径尺寸可控。第8页/共53页(5)通电加热蒸发法通电加热蒸发法通过碳棒与金属相接触，通电通过碳棒与金属相接触，通电加热使金属熔化，金属与高温加热使金属熔化，金属与高温碳素反应并蒸发形成碳化物纳碳素反应并蒸发形成碳化物纳米颗粒米颗粒可制备纳米颗粒包括：可制备纳米颗粒包括：SiC,Cr,Ti,V,Zr,Hf,Mo,Nb,Ta

8、和和 W等碳化物等碳化物第9页/共53页(6)混合等离子法混合等离子法原理：原理：采用采用RF等离子与等离子与DC等离子等离子组合的混合方式来获得纳米颗粒；组合的混合方式来获得纳米颗粒；优点：优点：(i)超微粒的纯度较高；超微粒的纯度较高；(ii)物物质可以充分加热和反应；质可以充分加热和反应；(iii)可使可使用惰性气体，除金属微粒外，可制用惰性气体，除金属微粒外，可制备化合物超微粒，产品多样化。备化合物超微粒，产品多样化。第10页/共53页(7)激光诱导化学气相沉积激光诱导化学气相沉积(LICVD)原理：原理：利用反应气体分子利用反应气体分子(或光敏剂分子或光敏剂分子)对特定波对特定波长激

9、光束的吸收，引起反长激光束的吸收，引起反应气体分子激光光解应气体分子激光光解(紫外紫外光解或红外多光子光解光解或红外多光子光解)、激光热解、激光光敏化和激光热解、激光光敏化和激光诱导化学合成反应，激光诱导化学合成反应，在一定工艺条件下在一定工艺条件下(激光功激光功率密度、反应池压力、反率密度、反应池压力、反应气体配比和流速、反应应气体配比和流速、反应温度等温度等)，获得纳米颗粒空，获得纳米颗粒空间成核和生长间成核和生长优点：优点：清洁表面、粒子大清洁表面、粒子大小可精确控制、无粘结、小可精确控制、无粘结、粒度分布均匀。粒度分布均匀。第11页/共53页(8)爆炸丝法爆炸丝法用途：用途：制备金属纳

10、米制备金属纳米微粒，制备金属氧化微粒，制备金属氧化物纳米粉体时需在惰物纳米粉体时需在惰性气体中通入氧气性气体中通入氧气第12页/共53页(9)化学气相凝聚法化学气相凝聚法原理：原理：利用高纯惰性气利用高纯惰性气体作为载气，携带金属体作为载气，携带金属有机前驱物（例六甲基有机前驱物（例六甲基二硅烷）进入钼丝炉，二硅烷）进入钼丝炉，炉温为炉温为11001400，气氛压力保持在气氛压力保持在100100Pa的低压状态，原的低压状态，原料热解成团簇，进而凝料热解成团簇，进而凝聚成纳米粒子，最好附聚成纳米粒子，最好附着在内部充满液氮的转着在内部充满液氮的转动衬底上，经刮刀刮下动衬底上，经刮刀刮下进入纳米

11、粉收集器进入纳米粉收集器用于制备纳米陶瓷粉体用于制备纳米陶瓷粉体下一页第13页/共53页 液相法液相法 方法方法制备的主要纳米粒子种类制备的主要纳米粒子种类沉淀法沉淀法纳米氧化物、纳米复合金属氧化物纳米氧化物、纳米复合金属氧化物喷雾法喷雾法纳米氧化物、金属盐纳米氧化物、金属盐水热法水热法纳米氧化物、纳米金属（水热还原纳米氧化物、纳米金属（水热还原)冻结干燥法冻结干燥法纳米氧化物纳米氧化物溶胶凝胶法溶胶凝胶法纳米氧化物纳米氧化物辐射化学合成法辐射化学合成法纳米金属纳米金属 固相法2.2 纳米颗粒的制备方法纳米颗粒的制备方法 方法方法制备的主要纳米粒子种类制备的主要纳米粒子种类 化学合成法化学合成

12、法纳米金属氧化物纳米金属氧化物 粉碎法粉碎法金属或合金纳米粉体金属或合金纳米粉体高能球磨法高能球磨法金属或金属间化合物纳米颗粒金属或金属间化合物纳米颗粒第14页/共53页(1)沉淀法沉淀法原理：原理：包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉包含一种或多种离子的可溶性盐溶液，当加入沉淀剂淀剂(如如OH-、C2O42-、CO32-等等)后，或于一定温度在溶后，或于一定温度在溶液中发生反应，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或液中发生反应，形成不溶性的氢氧化物、水合氧化物或盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗盐类从溶液中析出，并将溶剂和溶液中原有的阴离子洗去，经热分解或脱水即得到所需的氧

13、化物粉料去，经热分解或脱水即得到所需的氧化物粉料共沉淀法：共沉淀法：含多种阳离子溶液加入沉淀剂，所有离子完全含多种阳离子溶液加入沉淀剂，所有离子完全沉淀的方法沉淀的方法(i)单相共沉淀：沉淀物为单一化合物或单相固溶体例：BaCl2+TiCl4BaTiO(C2O4)2.4H2OBaTiO3草酸草酸450-750缺点：适用范围很窄，但对草酸盐沉淀适用(ii)混合物共沉淀Y2O3盐酸YCl3ZrOCl2.8H2O+NH4OHY(OH)3Zr(OH)4洗涤、脱水、煅烧ZrO2(Y2O3)纳米颗粒下一页第15页/共53页均相沉淀法均相沉淀法控制溶液中沉淀剂的浓度，使之缓慢地增加，则使溶液中的沉淀处于平衡

14、状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，称均相沉淀。通常沉淀剂由化学反应慢慢生成。金属醇盐水解法金属醇盐水解法利用一些金属有机醇盐能溶于有机溶剂并可能发生水解，生成氢氧化物或氧化物沉淀的特性，制备纳米颗粒。优点：(i)采用有机试剂作金属醇盐的溶剂，由于有机试剂纯度高，因此氧化物纳米粉体纯度高；(ii)可制备化学计量的复合金属氧化物粉末。(1)沉淀法下一页第16页/共53页a)复合醇盐法复合醇盐法MOR+M(OR)nMM(OR)n+1例：NiFe(OEt)42水解、灼烧NiFe2O4(1)沉淀法下一页b)金属醇盐混合溶液法金属醇盐混合溶液法第17页/共53页(2)喷雾法喷雾法将溶液通过各种物理手段

15、进行雾化获得超微粒子的一种将溶液通过各种物理手段进行雾化获得超微粒子的一种化学与物理相结合的方法。化学与物理相结合的方法。第18页/共53页(3)水热法水热法水热反应水热反应是高温高是高温高压下在水压下在水(水溶液水溶液)或水蒸气等流体中或水蒸气等流体中进行有关化学反应进行有关化学反应的总称。的总称。第19页/共53页(4)冻结干燥法冻结干燥法原理：原理：将金属盐的溶液雾化成微小液滴、并快速冻结成将金属盐的溶液雾化成微小液滴、并快速冻结成固体。然后加热使这种冻结的液滴中的水升华气化，从固体。然后加热使这种冻结的液滴中的水升华气化，从而形成了溶质的无水盐，经焙烧合成超微粉体而形成了溶质的无水盐，

16、经焙烧合成超微粉体三过程：三过程：冻结、干燥、焙烧冻结、干燥、焙烧液滴冻结装置冻结液滴的干燥装置第20页/共53页(5)溶剂溶剂-凝胶法凝胶法(胶体化学法胶体化学法)原理：原理：将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、凝形成溶胶，然后使溶质聚合凝胶化，再将凝胶干燥、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。步骤步骤溶胶的制备溶胶-凝胶转化凝胶干燥先沉淀，再解凝成溶胶控制沉淀过程，直径得到胶体溶胶化学法化学法：控制溶胶中的电解质浓度：控制溶胶中的电解质浓度物理法物理法：迫使胶

17、粒间相互靠近，克服斥：迫使胶粒间相互靠近，克服斥力，实现胶凝化力，实现胶凝化下一页第21页/共53页(5)溶剂-凝胶法(胶体化学法)例(1)：纳米TiO2的制备例(2)：SnO2的制备下一页第22页/共53页(5)溶剂-凝胶法(胶体化学法)第23页/共53页(6)辐射化学合成法辐射化学合成法用用 射线辐照金属盐的溶液制备纳米颗粒；射线辐照金属盐的溶液制备纳米颗粒；制备种类：制备种类：Cu、Ag、Au、Pt、Pd、Co、Ni、Cd、Sn、Pb、Ag-Cu、Au-Cu、Cu2O纳米粉体或纳米纳米粉体或纳米Ag/非晶非晶SiO2复合材料复合材料3.6104Gy剂量下辐照8.1103Gy剂量的 射线辐

18、照0.01mol/L CuSO4+0.1mol/LC12H25NaSO4+0.01mol/LEDTA+3.0mol/L(CH3)2CHOH例：纳米Cu的制备分离、氨水、蒸馏水洗涤、干燥，纳米Cu粉，平均粒径16nm例：0.01mol/L AgNO3+0.01mol/LC12H25NaSO4+2.0mol/L(CH3)2CHOHAg胶体SiO2溶胶-凝胶法纳米Ag/非SiO2复合粉体第24页/共53页固相法固相法化学合成法化学合成法柠檬酸铁柠檬酸铁研钵研磨马弗炉灼烧十几纳米的F2O3粉体2FeC6H5O7.H2O+9O2Fe2O3+12CO2+7H2O硝酸铁氢氧化钠氯化铁氢氧化钾Fe(NO3)3

19、.9H2O+3NaOHFe(OH)3+3NaNO3+9H2O2Fe(OH)3-Fe2O3+3H2OFeOOH纳米粒子FeCl3.6H2O+3KOH7H2O+FeOOH+3KClFe2O3第25页/共53页固相法固相法粉碎法粉碎法辊压粉碎法辊压粉碎法适用于大块物料的细化，不能制备纳米粉体下一页第26页/共53页球磨法球磨法固相法粉碎法通过适当改变机械构造和球磨条件，如高能球磨法，可适用于纳米粉体的制备下一页第27页/共53页固相法固相法高能球磨法高能球磨法(机械合金化机械合金化)1988年日本京都大学年日本京都大学Shingu等人首先提出，等人首先提出，Al-Fe纳米晶材料纳米晶材料原理：原理：

20、利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击、利用球磨机的转动或振动使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法，经压研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法，经压制（冷压或热压）获得快体试样，再经适当热处理得到所需要的制（冷压或热压）获得快体试样，再经适当热处理得到所需要的性能。性能。高能球磨法制成的粉体有两种：高能球磨法制成的粉体有两种：一种是由单个纳米粒子组成的粉一种是由单个纳米粒子组成的粉体体(即单个纳米粒子即单个纳米粒子)，另一种是两种类型粒子的混合体（即纳米，另一种是两种类型粒子的混合体（即纳米晶构成的微米或亚微米级粒子的大颗粒）晶构

21、成的微米或亚微米级粒子的大颗粒）种类种类缺点：缺点：晶粒尺寸不均匀，易引入某些杂质晶粒尺寸不均匀，易引入某些杂质优点：优点：产量高，工艺简单，可用于制备常规方法难以获得的高熔产量高，工艺简单，可用于制备常规方法难以获得的高熔点的金属或合金纳米材料。点的金属或合金纳米材料。纳米晶纯金属：Fe、W、Co、Hf、Nb、Zr、Ru、Cr不互溶体系纳米结构的形成：Fe-Cu、Ag-Cu、Al-Fe、Cu-Ta、Cu-W等纳米金属间化合物：Fe-B、Ti-Si、Ti-Al(-B)、Ni-Si、V-C、W-C、Si-C、Pd-Si、Ni-Mo、Nb-Al、Ni-Zr等纳米尺度的金属-陶瓷粉复合材料：Co-N

22、i-Zr+Y2O3,Cu+MgO,Cu+CaO第28页/共53页有机纳米粒子的制备有机纳米粒子的制备种类种类制备方法制备方法有机染料纳米粒子有机染料纳米粒子沉淀法沉淀法聚合物纳米粒子聚合物纳米粒子聚合法聚合法聚合物后分散法聚合物后分散法嵌段共聚物自组装法嵌段共聚物自组装法2.2 纳米颗粒的制备方法纳米颗粒的制备方法第29页/共53页有机染料纳米粒子的制备方法有机染料纳米粒子的制备方法沉淀法沉淀法1,3-Diphenyl-5-(2-anthryl)-2-pyrazoline(DAP)1,3-二苯基-5-(2-蒽基)-2-吡唑啉的乙腈溶液超纯水倒入DAP纳米粒子的水分散液1-phenyl-3-(d

23、imethylamino)styryl)-5-(dimethylamino)phenyl)-2-pyrazoline(PDDP)1,3-diphenyl-5-pyrenyl-2-pyrazoline(DPP)具有不同于溶液的荧光发射光谱第30页/共53页聚合物纳米粒子的制备方法聚合物纳米粒子的制备方法聚合法聚合法(2)细乳液聚合(miniemulsion polymerization)(1)微乳液聚合(microemulsion polymerization)第31页/共53页聚合物后分散法聚合物后分散法聚合物溶液倒入另一种不相容溶剂中，在乳化剂存在下高速搅拌剪切分散，细化成纳米尺寸液滴，脱除

24、溶剂后制得纳米颗粒两亲性嵌段共聚物自组装法两亲性嵌段共聚物自组装法例：聚乙交酯丙交酯共聚物(PLGA)有机溶液水聚合物纳米粒子的制备方法第32页/共53页总结总结（从纳米粒子种类分）（从纳米粒子种类分）纳米粒子种类纳米粒子种类实例实例制备方法制备方法金属或合金纳米金属或合金纳米粉体粉体Ag、Cu、Au、Ni、Fe等等气相法及部分液相法（如水热气相法及部分液相法（如水热合成还原及辐射化学合成法）、合成还原及辐射化学合成法）、高能球磨法高能球磨法碳化物或氮化物碳化物或氮化物纳米粒子纳米粒子如如SiC、Si3N4等等气相法气相法纳米氧化物和复纳米氧化物和复合金属氧化物合金属氧化物SiO2、TiO2、

25、Al2O3等；等；BaTiO3、BaSnO3、MnFe2O4、Pb(Ti1-xZrx)O3液相法液相法纳米无机盐纳米无机盐CaCO3、BaSO4等等液相法液相法有机纳米粒子有机纳米粒子如聚苯胺、咪唑啉纳米粒如聚苯胺、咪唑啉纳米粒子子聚合法、沉淀法聚合法、沉淀法第33页/共53页2.3 纳米颗粒的特性纳米颗粒的特性基本物理效应基本物理效应热学性能热学性能磁学性能磁学性能光学性能光学性能催化性能催化性能表面活性及敏感特性表面活性及敏感特性第34页/共53页基本物理效应基本物理效应a.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 和纳米微粒半导体存在不

26、连续的最高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级，能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。例：导体由于量子尺寸效应变成绝缘体，如纳米Agb.小尺寸效应 当超细微粒的尺寸与光波波长、德波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、力学等特性呈现新的小尺寸效应。例：纳米Fe-Co合金，磁性强，用于磁性信用卡、磁性钥匙等第35页/共53页c.表面效应表面效应 随着粒子尺寸的减小，使处于随着粒子尺寸的减小，使处于表面的原子数越来越多，表面能迅速增表面的原子数越来越多，表面能迅速增加。原子配

27、位不足及高的表面能，使这加。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，些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。很容易与其他原子结合。例：金属纳米粒子易燃烧，无机纳米粒例：金属纳米粒子易燃烧，无机纳米粒子易吸附气体等子易吸附气体等d.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。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等亦具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。例：铁磁性物质，多畴变为单畴上述为纳米粒子的四大纳米效应上述为纳米粒子的四大纳米效应上述为纳米粒子的四大纳米效应上述为纳米粒子的四大纳米效应基本物理效应第36页/共53页e

28、.库仑堵塞与量子隧穿库仑堵塞与量子隧穿 库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输，通常把小体系这种单电子输运行为成为个单电子的传输，通常把小体系这种单电子输运行为成为库仑堵塞库仑堵塞效应效应。如果量子点通过一个。如果量子点通过一个“结结”连接起来，一个量子点上的单个连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作电子穿过能垒到另一个量子点上的行为称作量子隧穿量子隧穿。纳米颗粒尺寸越

29、小，产生库仑堵塞和量子隧穿效应的温度越高。纳米颗粒尺寸越小，产生库仑堵塞和量子隧穿效应的温度越高。f.介电限域效应 介电限域是纳米微粒分散在异质介质中由于界面引起的体系介电增强现象。例：光吸收带边移动（蓝移、红移等）。基本物理效应第37页/共53页热学性能热学性能a.纳米微粒的熔点降低纳米微粒的熔点降低 例：常规例：常规Ag熔点熔点1173K，纳米，纳米Ag 373K颗粒小，表面能高，比表面原子数多，表面原子近邻配位不全，活性大，熔化时所需增加得内能远小于大块材料，因而纳米微粒得熔点急剧下降。第38页/共53页b.开始开始烧结温度烧结温度降低降低 烧结温度：把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔

30、烧结温度：把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下，使压制成型的粉末互相结合成块，密度接点的温度下，使压制成型的粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。由于纳米微粒尺寸小，表近常规材料的最低加热温度。由于纳米微粒尺寸小，表面能高，压制成块后具有很高界面能，在烧结过程中高面能高，压制成块后具有很高界面能，在烧结过程中高的界面能转化为原子运功的驱动力，游离与空洞收缩，的界面能转化为原子运功的驱动力，游离与空洞收缩，因而降低烧结温度。因而降低烧结温度。例：常规例：常规Al2O3烧结温度烧结温度20732173K 纳米纳米Al2O3 14231773Kc.晶化温度降低晶化温度降低 例：

31、传统非晶氮化硅在例：传统非晶氮化硅在1793K晶化成晶化成 相，相，纳米氮化硅纳米氮化硅1673K晶化晶化热学性能第39页/共53页磁学性能磁学性能a.高的高的矫顽力矫顽力（磁性材料经过磁化后再经过退磁，使剩余（磁性材料经过磁化后再经过退磁，使剩余磁性降低到零的磁场强度）磁性降低到零的磁场强度）例：常规Fe块，矫顽力79.62A/m,16nmFe微粒，矫顽力79600A/m 第40页/共53页b.超顺磁性（磁化率超顺磁性（磁化率 不服从居里外斯定律）不服从居里外斯定律）纳米微粒小到一定临界值时进入超顺磁状态。纳米微粒小到一定临界值时进入超顺磁状态。例：例：-Fe、Fe3O4和和-Fe2O3临界

32、尺寸分别为临界尺寸分别为5、16和和20nmc.较低的较低的居里温度居里温度(Tc)-物质磁性的重要参数物质磁性的重要参数 由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内由于小尺寸效应和表面效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。（电饭锅的工作禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。（电饭锅的工作原理）原理）d.高的磁化率高的磁化率 单位体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的难易程单位体积内磁场强度的变化，反映了物质被磁化的难易程度。纳米磁性金属的磁化率是常规金属的度。纳米磁性金属的磁化率是常规金属的20倍。倍。磁学性能第41页/共53页光学性能光学性能a.宽频带强

33、吸收宽频带强吸收 例：大块金属有颜色和光泽，而纳米金属微粒全部呈黑色。例：大块金属有颜色和光泽，而纳米金属微粒全部呈黑色。纳米氮化硅、纳米氮化硅、Al2O3对红外有宽频带强吸收对红外有宽频带强吸收 纳米纳米ZnO、Fe2O3、TiO2对紫外光有强吸收对紫外光有强吸收b.蓝移和红移现象蓝移和红移现象 例：纳米例：纳米SiC颗粒红外吸收峰频率为颗粒红外吸收峰频率为814cm-1 块体块体SiC红外吸收峰红外吸收峰794cm-1，蓝移蓝移20cm-1 红移红移吸收带移向长波长吸收带移向长波长c.纳米微粒的发光纳米微粒的发光 当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光

34、激发下发光一定波长的光激发下发光例：例：6nmSi在室温下可发射可见光在室温下可发射可见光第42页/共53页表面活性及敏感特性表面活性及敏感特性 表面活性比表面积增大，表面原子数增加及表面原子表面活性比表面积增大，表面原子数增加及表面原子配位不饱和性大量的悬键和不饱和键等导致配位不饱和性大量的悬键和不饱和键等导致例：例：5nm 纳米纳米Ni颗粒具有催化选择活性，可用作温度、颗粒具有催化选择活性，可用作温度、气体、光、湿度等传感器。气体、光、湿度等传感器。第43页/共53页光催化性能光催化性能 光催化基本原理：光催化基本原理：当半导体氧化物纳米粒子受到大于当半导体氧化物纳米粒子受到大于禁带禁带宽

35、度能量宽度能量的光子照射后，电子从价带跃迁到的光子照射后，电子从价带跃迁到导带导带，产生了电子，产生了电子-空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴与氧空穴对，电子具有还原性，空穴具有氧化性，空穴与氧化物半导体纳米粒子表面的化物半导体纳米粒子表面的OH-反应生成氧化性很高的反应生成氧化性很高的OH自由基，活泼的自由基，活泼的OH自由基可以把许多难降解的有自由基可以把许多难降解的有机物氧化为机物氧化为CO2和水等无机物。和水等无机物。例：纳米例：纳米TiO2最有应用潜力的光催化剂最有应用潜力的光催化剂 应用领域：污水处理、空气净化、保洁除菌应用领域：污水处理、空气净化、保洁除菌第44页/共5

36、3页2.4 纳米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定（1）常见的几个基本概念：）常见的几个基本概念：原级（或初级）粒子原级（或初级）粒子(primary particle)：指单个物料：指单个物料(晶体或一组晶体或一组晶体晶体)粒子，粒径相当小，例气相白碳黑、碳黑的初级粒径均为纳粒子，粒径相当小，例气相白碳黑、碳黑的初级粒径均为纳米级。米级。凝聚体凝聚体(aggregate)：指以面相接的原级粒子，其表面积比单个粒子：指以面相接的原级粒子，其表面积比单个粒子组成之和小得多，再分散困难。组成之和小得多，再分散困难。附聚体附聚体(agglomerate)：指以点、角相接的原级粒子团簇或小颗粒：指以

37、点、角相接的原级粒子团簇或小颗粒在大颗粒上的附着，其总表面积比凝聚体大，但小于单个粒子组成在大颗粒上的附着，其总表面积比凝聚体大，但小于单个粒子组成之和，再分散比较容易。之和，再分散比较容易。絮凝絮凝(flocculation)：指由于体系表面积的增加，表面能增大，为了：指由于体系表面积的增加，表面能增大，为了降低表面能而生成更加松散的结构。在这种结构中，粒子间的距离降低表面能而生成更加松散的结构。在这种结构中，粒子间的距离比凝聚体或附聚体大得多。比凝聚体或附聚体大得多。软团聚软团聚：以角角相接的粒子：以角角相接的粒子硬团聚硬团聚：以面面相接的粒子：以面面相接的粒子第45页/共53页2.4 纳

38、米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定第46页/共53页DLVO理论：理论：带电胶粒稳定性的理论带电胶粒稳定性的理论2.4 纳米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定(2)胶体颗粒的分散稳定理论离子氛重叠离子氛分离表面电荷来源：电离、离子吸附、晶格取代。第47页/共53页2.4 纳米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定动电位动电位是颗粒沿滑移面作相对运动时，颗粒与溶液之间是颗粒沿滑移面作相对运动时，颗粒与溶液之间的电位差。动电位为零时的的电位差。动电位为零时的定位离子浓度定位离子浓度的负对数叫的负对数叫”等电点等电点”，此时溶液的，此时溶液的pH值称为值称为等电点等电点pH值值。纳米颗粒纳米颗粒

39、等电点等电点pH值值纳米颗粒纳米颗粒等电点等电点pH值值Al2O39.4TiO26.7CuO9.5SiO22.2CaCO35.56.0Si3N47.5Fe2O38.4Fe3O46.5ZnO9.3-SiC3ZrO26.5部分纳米颗粒的等电点pH值第48页/共53页空间位阻稳定理空间位阻稳定理论论2.4 纳米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定第49页/共53页 纳米粉体中团聚产生原因：纳米粉体中团聚产生原因：表面能高，为降低表面能而引起粒子团聚表面能高，为降低表面能而引起粒子团聚颗粒粒径减小，粒子间距离变短，范德华力作用引起的团颗粒粒径减小，粒子间距离变短，范德华力作用引起的团聚聚粒子表面的电荷

40、作用（库仑力）引起的团聚粒子表面的电荷作用（库仑力）引起的团聚纳米颗粒表面的氢键、吸附湿桥及其它化学键作用引起的纳米颗粒表面的氢键、吸附湿桥及其它化学键作用引起的团聚团聚（3）纳米颗粒的团聚与分散方法2.4 纳米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定纳米粉体中的几种颗粒状态原始颗粒硬团聚颗粒软团聚颗粒第50页/共53页提高胶体粒子在液相中分散性与稳定性的三个途径：改变分散相及分散介质的性质；调节电介质及定位离子浓度；选用吸附力强的聚合物和聚合物亲和力大的分散介质2.4 纳米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定第51页/共53页 纳米粉体的分散方法纳米粉体的分散方法2.4 纳米颗粒的分散与稳定纳米颗粒的分散与稳定第一，粉体聚集体被介质润湿；第二，聚集体在机械力作用下被打开成独立的原生粒子或较小聚集体；第三，将原生粒子或较小聚集体稳定，阻止其再团聚表面改性表面改性特殊机械分散装置特殊机械分散装置，如：，如：超声波法球超声波法球磨法磨法同胶体稳定性提高同胶体稳定性提高方法方法第52页/共53页感谢您的观看！第53页/共53页