1、第一章第一章 纳米材料的基本概念与性质纳米材料的基本概念与性质1基本内容基本内容1.1 1.1 纳米材料的基本概念纳米材料的基本概念1.2 1.2 纳米微粒的基本性质纳米微粒的基本性质1 1.3.3纳米微粒的物理特性纳米微粒的物理特性21.1 1.1 纳米材料的基本概念纳米材料的基本概念从尺寸概念分析：从尺寸概念分析：纳米材料就是关于原子团簇、纳米材料就是关于原子团簇、纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体纳米颗粒、纳米薄膜、纳米碳管和纳米固体材料的总称。材料的总称。从特性内涵分析从特性内涵分析：纳米材料能够体现尺寸效应：纳米材料能够体现尺寸效应(小尺寸效应小尺寸效应)和量子尺寸效应。和量子尺
2、寸效应。3定义：定义：仅包含几个到数百个原子或尺度小于仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm1nm的粒子称为的粒子称为“簇簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。1.1.1 1.1.1 原子团簇（原子团簇（atomic cluster atomic cluster）原子团簇的形状可以是多种多样的，它们原子团簇的形状可以是多种多样的，它们尚未形成规整的晶体尚未形成规整的晶体绝大多数原子团簇的结构不清楚，但巳知有线状、绝大多数原子团簇的结构不清楚，但巳知有线状、层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等层状、管状、洋葱状、骨架状、球状等等4化学分支包括：化
3、学分支包括：合成化学合成化学化学动力学化学动力学晶体化学晶体化学结构化学结构化学原子簇化学原子簇化学原子团簇研究是多学科的交叉原子团簇研究是多学科的交叉物理学分支：物理学分支：原子、分子物理原子、分子物理表面物理表面物理晶体生长晶体生长非晶态非晶态其它学科：星际分子、矿岩成因、燃烧烟粒、大其它学科：星际分子、矿岩成因、燃烧烟粒、大气微晶等气微晶等 5国家自然科学基金重大项目国家自然科学基金重大项目：“原子团簇的物理和化学原子团簇的物理和化学”、“团簇组装纳米结构的量子性质团簇组装纳米结构的量子性质”南京大学固体微结构国家实验室（筹）团簇南京大学固体微结构国家实验室（筹）团簇物理和纳米科学研究组
4、物理和纳米科学研究组杨先生和冯先生访杨先生和冯先生访问团簇物理研究室问团簇物理研究室6一元原子团簇一元原子团簇包括金属团簇包括金属团簇(加加NaNan n，NiNin n等等)和非和非金属团簇非金属团簇可分为碳簇金属团簇非金属团簇可分为碳簇(如如C C6060,C,C7070等等)和非碳族和非碳族(如如B B，P P，S S，SiSi簇等簇等)二元原子团簇二元原子团簇包括包括InInn nP Pmm，AgAgn nS Smm等等。多元原子团簇多元原子团簇有有V Vn n(C(C6 6H H6 6)mm等等原子簇化合物原子簇化合物是原子团簇与其他分子以配位化学是原子团簇与其他分子以配位化学键结合
5、形成的化合物键结合形成的化合物原子团簇可分为一元原子团簇、二元原原子团簇可分为一元原子团簇、二元原子团簇、多元原子团簇和原子簇化合子团簇、多元原子团簇和原子簇化合物物7当前能大量制备并分离的团簇是当前能大量制备并分离的团簇是C60(C60(富勒烯富勒烯)(富勒烯富勒烯)8C C6060的结构：的结构：C C6060(富勒烯富勒烯)由由6060个碳原子排列而成的个碳原子排列而成的3232面体，其中面体，其中2020个六边形，个六边形，1212个五边形，其直径为个五边形，其直径为0.7nm0.7nm。制备制备C C6060常用的方法：常用的方法：采用两个石墨碳棒在惰性气体（采用两个石墨碳棒在惰性气
6、体（HeHe，ArAr）中进行直流）中进行直流电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥电弧放电，并用围于碳棒周围的冷凝板收集挥发物。挥发物中除了有发物中除了有C C6060外，还含有外，还含有C C7070，C C2020等其它碳团簇。可等其它碳团簇。可以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有以采用酸溶去其它团簇，但往往还混有C C7070。幻数：构成碳团簇的原子数幻数：构成碳团簇的原子数幻数为幻数为2020，2424，2828，3232，3636，5050，6060，7070的具有高稳的具有高稳定性，其中又以定性，其中又以C C6060最稳定。最稳定。9 仅仅通过调节团簇的大小，物质特性就
7、有极大的仅仅通过调节团簇的大小，物质特性就有极大的不同，不同，10 10 个铁原子的团簇在催化氨合成时要比个铁原子的团簇在催化氨合成时要比1717个个铁原子的团簇效能高出铁原子的团簇效能高出10001000倍。倍。10 1.1.2 1.1.2纳米微粒纳米微粒 定义：定义：微粒尺寸为纳米数微粒尺寸为纳米数量级，它们的尺寸大于原量级，它们的尺寸大于原子团簇，小于通常的微粒，子团簇，小于通常的微粒，一般尺寸为一般尺寸为1-l00nm1-l00nm。也也有人将它称为超微粒子有人将它称为超微粒子（ultra-fine particleultra-fine particle）日本名古屋大学上田良二教授曾经
8、给纳米微粒下了一个定义：用电子显微镜用电子显微镜(TEM)(TEM)能看到的微粒称为纳米微粒。能看到的微粒称为纳米微粒。11v用途：用途：吸波隐身材料、吸波隐身材料、防辐射材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、单晶硅和精密光学器件抛光材料、电池电极材料、电池电极材料、太阳能电池材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高效助燃剂、高效催化剂、高效助燃剂、高韧性陶瓷材料、高韧性陶瓷材料、人体修复材料和抗癌制剂等。人体修复材料和抗癌制剂等。v由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等由于尺寸小，比表面大和量子尺寸效应等原因，它具有不同于常规固体的新特性。原因，它具有不同于常规固体的新特性。121.1.
9、31.1.3纳米粒子薄膜与纳米粒子层系纳米粒子薄膜与纳米粒子层系定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的定义：含有纳米粒子和原子团簇的薄膜、纳米尺寸厚度的薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或薄膜、纳米级第二相粒子沉积镀层、纳米粒子复合涂层或多层膜多层膜 具有特殊的物理性质和化学性质具有特殊的物理性质和化学性质 13(Ni-P)-(Ni-P)-纳米纳米Si3N4Si3N4复合层复合层用具有很好悬浮性能的纳米用具有很好悬浮性能的纳米Si3N4Si3N4固体微粒作为镀液的第二相固体微粒作为镀液的第二相粒子粒子,通过搅拌使其悬浮在镀液中通过搅拌使其悬浮在镀液中,用电刷镀的方法使
10、用电刷镀的方法使Ni-PNi-P合金合金与纳米与纳米Si3N4Si3N4微粒共沉积于基体表面微粒共沉积于基体表面.它具有沉积速度快、镀层它具有沉积速度快、镀层硬度高和耐磨性好等优异的性能硬度高和耐磨性好等优异的性能.纳米级第二相粒子沉积镀层举例纳米级第二相粒子沉积镀层举例14纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核纳米固体是由纳米尺度水平的晶界、相界或位错等缺陷的核中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。中的原子排列来获得具有新原子结构或微结构性质的固体。1 11 14 4 纳米固体纳米固体纳米固体材料（nanostructured nanostructured mat
11、erialsmaterials）的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高10141016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。15含有20超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料；金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原材料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用于温差达1000C的航天飞机隔热材料、复合纳米固体材料亦是一个重要的应
12、用领域。例如：16多孔材料在多相催化、吸附与分离等领域应用广泛多孔材料在多相催化、吸附与分离等领域应用广泛简介：简介：把纳米颗粒组装成带有一定孔道结构的体块多孔纳把纳米颗粒组装成带有一定孔道结构的体块多孔纳米固体，则可以得到一种米固体，则可以得到一种既保留了纳米颗粒的大部分反应既保留了纳米颗粒的大部分反应活性又具有相当力学强度的固体材料。活性又具有相当力学强度的固体材料。这类材料与通常的多孔材料的这类材料与通常的多孔材料的主要区别在于主要区别在于：A A：它的孔道壁表面由高活性的纳米颗粒表面构成，其活：它的孔道壁表面由高活性的纳米颗粒表面构成，其活性更高；性更高；B B：多孔纳米固体的孔道壁由
13、纳米颗粒构成，具有更高的：多孔纳米固体的孔道壁由纳米颗粒构成，具有更高的强度和更好韧性。强度和更好韧性。二氧化锆多孔纳米固体的制备（二氧化锆多孔纳米固体的制备（山东大学）山东大学）17v0-00-0复合复合:不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子不同成分、不同相或者不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体复合而成的纳米固体;v0-30-3复合复合:把纳米粒子分散到常规的三维固体中把纳米粒子分散到常规的三维固体中;v0-20-2复合复合:把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中把纳米粒子分散到二维的薄膜材料中.均匀弥散均匀弥散:纳米粒子在薄膜中均匀分布；纳米粒子在薄膜中均匀分布；非均匀弥散：纳米粒子随机地、
14、混乱地分散在薄膜基体中。非均匀弥散：纳米粒子随机地、混乱地分散在薄膜基体中。1 1.1.5.1.5 纳米复合材料纳米复合材料18纳米复合材料由于其优良的综合性能，特别是其性能的可设计性被广泛应用于航空航天、国防、交通、体育等领域，该研究方向主要包括：A：纳米聚合物基复合材料B：纳米碳管功能复合材料C：纳米钨铜复合材料。191 1.1.6.1.6 碳纳米管纳米管、纳米棒、纳米丝碳纳米管纳米管、纳米棒、纳米丝器件微小化对新型功能材料提出了更高的要器件微小化对新型功能材料提出了更高的要求因此，求因此，2020世纪世纪8080年代以来，零维的材料取得年代以来，零维的材料取得了很大的进展，但一维纳米材料
15、的制备与研究仍了很大的进展，但一维纳米材料的制备与研究仍面临着巨大的挑战。面临着巨大的挑战。自从自从19911991年日本年日本NECNEC公司饭岛等发现纳米碳管公司饭岛等发现纳米碳管以来，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大以来，立刻引起了许多科技领域的科学家们极大关注关注20v因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制因为准一维纳米材料在介观领域和纳米器件研制方面有着重要的应用前景：方面有着重要的应用前景：v它可用作扫描隧道显微镜它可用作扫描隧道显微镜(STM)(STM)的针尖的针尖v纳米器件纳米器件v超大集成电路超大集成电路(ULSIC)(ULSIC)中的连线中的连线v光导纤维光导纤维v
16、微电子学方面的微型钻头微电子学方面的微型钻头v复合材料的增强剂等复合材料的增强剂等 目前关于一维纳米材料目前关于一维纳米材料(纳米管、纳米丝、纳纳米管、纳米丝、纳米棒等米棒等)的制备研究已有大量报道。的制备研究已有大量报道。21碳纳米管，是碳纳米管，是19911991年由日年由日本电镜学家饭岛教授通过高本电镜学家饭岛教授通过高分辨电镜发现的，属碳材料分辨电镜发现的，属碳材料家族中的新成员，为黑色粉家族中的新成员，为黑色粉末状。末状。是由类似石墨的是由类似石墨的碳原子六边碳原子六边形网格形网格所组成的管状物，它所组成的管状物，它一般为多层，直径为几纳米一般为多层，直径为几纳米至几十纳米，长度可达
17、数微至几十纳米，长度可达数微米甚至数毫米。米甚至数毫米。22v 皮肌炎是一种引起皮肤、肌肉、心、肺、肾等多脏器严重损害的，全身性疾病，而且不少患者同时伴有恶性肿瘤。它的1症状表现如下：v 1、早期皮肌炎患者，还往往伴有全身不适症状，如-全身肌肉酸痛，软弱无力，上楼梯时感觉两腿费力；举手梳理头发时，举高手臂很吃力；抬头转头缓慢而费力。皮肌炎图片皮肌炎的症状表现碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的碳纳米管本身有非常完美的结构，意味着它有好的性能。它在一维方向上的性能。它在一维方向上的强度可以超过钢丝强度强度可以超过钢丝强度，它还有其他材料所不具备的性能：它还有其他材料所不具备的性能：非常好
18、的导电性非常好的导电性能、导热性能和电性能。能、导热性能和电性能。24 碳纳米管尺寸碳纳米管尺寸尽管只有头发丝的尽管只有头发丝的十万分之一，但：十万分之一，但：熔点是已知材料中最高的。熔点是已知材料中最高的。像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。像金刚石那样硬，却有柔韧性，可以拉伸。强度是钢的强度是钢的100100倍而重量只有钢的七分之一倍而重量只有钢的七分之一。导电率是铜的导电率是铜的1 1万倍，万倍，25氮化硅纳米丝氮化硅纳米丝纳米丝纳米丝以碳纳米管为模板合成氮化硅以碳纳米管为模板合成氮化硅纳米丝纳米丝用微米级用微米级SiO2SiO2、SiSi和混合和混合粉末为原料，用碳纳米管粉末为原料，
19、用碳纳米管覆盖其上作为模板，以氮覆盖其上作为模板，以氮气为反应气合成了一维氮气为反应气合成了一维氮化硅纳米线体。测量了不化硅纳米线体。测量了不同温度下合成纳米氮化硅同温度下合成纳米氮化硅的型貌和结构，的型貌和结构，261.2 1.2 纳米微粒的基本性纳米微粒的基本性质质1.1.电子能级的不连续性电子能级的不连续性 -kubo-kubo理论理论2.2.量子尺寸效应量子尺寸效应3.3.小尺寸效应小尺寸效应4.4.表面效应表面效应5.5.宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应27 久保久保(Kubo)(Kubo)理论是关于金属粒子电子性质的理理论是关于金属粒子电子性质的理论它是由久保及其合作者提出的，以后
20、久保和其他论它是由久保及其合作者提出的，以后久保和其他研究者进一步发展了这个理论研究者进一步发展了这个理论19861986年年HalperinHalperin对对这一理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微这一理论进行了较全面归纳，用这一理论对金属超微粒子的量子尺寸效应进行了深人的分析。粒子的量子尺寸效应进行了深人的分析。久保理论是针对金属超微颗粒费米面附近电子能久保理论是针对金属超微颗粒费米面附近电子能级状态分布而提出来的，它与通常处理大块材料费米级状态分布而提出来的，它与通常处理大块材料费米面附近电子态能级分布的传统理论不同，有新的特点，面附近电子态能级分布的传统理论不同，有新的特点，这
21、是因为当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效这是因为当颗粒尺寸进入到纳米级时由于量子尺寸效应原应原大块金属的准连续能级产生离散现象大块金属的准连续能级产生离散现象1.2.11.2.1电子能级的不连续性电子能级的不连续性 -kubo-kubo理论理论281.2.2 1.2.2 量子尺寸效应量子尺寸效应v微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续微粒尺寸下降到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级变为分立能级，这种现象称为量子尺寸效应。能级变为分立能级，这种现象称为量子尺寸效应。29 能带理论表明，能带理论表明，金属费米能级附近电子能级一金属费米能级附近电子能级一般是连续的，这一
22、点只有在般是连续的，这一点只有在高温或宏观尺寸高温或宏观尺寸情情况下才成立对于只有有限个导电电子的超微况下才成立对于只有有限个导电电子的超微粒子来说，粒子来说，低温下能级是离散低温下能级是离散的，这时必须要的，这时必须要考虑量子尺寸效应，这会考虑量子尺寸效应，这会导致纳米微粒磁、光、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声、热、电以及超导电性与宏观特性有着显著的不同的不同。301.2.3 1.2.3 小尺寸效小尺寸效应应 随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的质变。由于颗粒尺
23、寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。质的变化称为小尺寸效应。对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。（1 1）特殊的光学性质：特殊的光学性质：（2 2）特殊的热学性质特殊的热学性质（3 3）特殊的磁学性质：特殊的磁学性质：（4 4）特殊的力学性质特殊的力学性质 超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电超微颗粒的小尺寸效应还表现在超导电性、介电性能、声学特性以及化学性能等方面。性能、声学特性以及化学性能等方面。311.2.4.1.2.4.表面效应表面效应n纳米
24、微粒尺寸小，表面能高，纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比位于表面的原子占相当大的比例例n左边表格列出纳米微粒尺寸与左边表格列出纳米微粒尺寸与表面原子数的关系：表面原子数的关系：32随着粒径减小，表面原子数迅速增加随着粒径减小，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这是由于粒径小，表面积急剧变大所致例如，粒径为例如，粒径为10nm10nm时，比表面积为时，比表面积为90m90m2 2g g，粒径为粒径为5nm5nm时，时，比表面积为比表面积为180m180m2 2g g，粒径下降到粒径下降到2nm2nm，比表面积猛增到，比表面积猛增到450m450m2 2g g
25、这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，这样高的比表面，使处于表面的原子数越来越多，同时，表面能迅速增加，同时，表面能迅速增加，100 80 60 40 20 0 比例（%）表面原子数相对总原子数 0 10 20 30 40 50 33表面原子特点：表面原子特点：v原子配位不满，多悬空键原子配位不满，多悬空键v高表面能，高表面活性，使这些表面原子具有高高表面能，高表面活性，使这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的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合 例如例如：A A：金属的纳米粒子在空气中会燃烧金属的纳米粒子在空气中会燃烧 B B：无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，
26、：无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气体进行反应并与气体进行反应 34如图所示的是单一立方结如图所示的是单一立方结构的晶粒的二维平面图，构的晶粒的二维平面图，假定颗粒为圆形，假定颗粒为圆形，位于表面的原子位于表面的原子 内部原子，内部原子，颗粒尺寸为颗粒尺寸为3nm3nm，原子间距为约原子间距为约0.3nm0.3nm，很明显，实心圆的原子近很明显，实心圆的原子近邻配位不完全，邻配位不完全，举例说明纳米粒子表面活性高的原因举例说明纳米粒子表面活性高的原因 近邻配位的近邻配位的“A“A“原子，像原子，像“A”A”这样的这样的表面原子极不稳定，很快跑到表面原子极不稳定，很快跑到“B”B”位位
27、置上，这些表面原子一遇见其他原子，置上，这些表面原子一遇见其他原子，很快结合，使其稳定化，这就是活性高很快结合，使其稳定化，这就是活性高的原因。的原因。351.2.51.2.5宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应隧道效应是基本的量子现象之一，即隧道效应是基本的量子现象之一，即当微观粒子当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。势垒。近年来，人们发现一些近年来，人们发现一些宏观量宏观量如微颗粒的磁化强如微颗粒的磁化强度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道度、量子相干器件中的磁通量及电荷也具有隧道效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，
28、效应，他们可以穿越宏观系统的势阱而产生变化，故称之为宏观量子隧道效应。故称之为宏观量子隧道效应。在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作，经典电路的极限尺寸大概在工作，经典电路的极限尺寸大概在0.250.25微米。微米。36 上述的上述的小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应效应及量子隧道效应都是纳米微粒与纳米固体的基都是纳米微粒与纳米固体的基本特性。本特性。它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异
29、的物理、它使纳米微粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质，出现一些化学性质，出现一些“反常现象反常现象”例如例如:v 金属为导体，但纳米金属微粒在低温时由于量金属为导体，但纳米金属微粒在低温时由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性。子尺寸效应会呈现电绝缘性。v 众所周知，金属由于光反射显现各种美丽的特众所周知，金属由于光反射显现各种美丽的特征颜色，金属的纳米微粒光反射能力显著下降，通征颜色，金属的纳米微粒光反射能力显著下降，通常可低于常可低于1 1，由于小尺寸和表面效应使纳米微粒对，由于小尺寸和表面效应使纳米微粒对光吸收表现极强能力；光吸收表现极强能力；371.31.3纳米微粒的结构与形纳米微粒的结
30、构与形貌貌 v纳米微粒一般为球形纳米微粒一般为球形或类球形或类球形(如图所示如图所示)。图中图中(a(a，b b，c)c)分别为分别为纳米纳米-Al-Al2 2O O3 3，TiOTiO2 2和和NiNi的形貌像，的形貌像，v可以看出，可以看出，这几种纳这几种纳米微粒均呈类球形米微粒均呈类球形38 最近，有人用高倍超高真空的电子显微镜观察纳最近，有人用高倍超高真空的电子显微镜观察纳米球形粒子，结果在粒子的表面上观察到米球形粒子，结果在粒子的表面上观察到原子台原子台阶阶，微粒内部的原子排列比较整齐。，微粒内部的原子排列比较整齐。39v除了球形外，纳米除了球形外，纳米微粒还具有各种其微粒还具有各种
31、其他形状，这些形状他形状，这些形状的出现的出现与制备方法与制备方法密切相关密切相关v例如，由气相蒸发例如，由气相蒸发法合成的铬微粒，法合成的铬微粒，当铬粒子尺寸小于当铬粒子尺寸小于20nm20nm时，为球形并时，为球形并形成链条状连结在形成链条状连结在一起对于尺寸较一起对于尺寸较大的粒子，大的粒子，-Cr-Cr粒粒子的二维形态为正子的二维形态为正方形或矩形。方形或矩形。40v 镁 的 纳 米 微 粒 呈 六 角 条 状 或 六 角 等 轴形 Kimoto和Nishida观察到银的纳米微粒具有五边形10面体形状。41 原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高、比表原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高
32、、比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性面原子数多，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，纳米粒子熔化时所大以及体积远小于大块材料，纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降剧下降 1.3.21.3.2纳米微粒的热学性能纳米微粒的热学性能纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体的低得多均比常规粉体的低得多42 Wronski Wronski计算出计算出AuAu微粒的粒微粒的粒径与熔点的关系，结果如图径与熔点的关系，结果如图所示由图中可看出，当粒所示由图中可看
33、出，当粒径小于径小于10nm10nm时，熔点急剧时，熔点急剧下降下降 例如，大块例如，大块PbPb的熔点为的熔点为600K600K，20nm20nm球形球形PbPb微粒熔点降低微粒熔点降低288K288K；纳米纳米AgAg微粒在低于微粒在低于373K373K开始熔化，常规开始熔化，常规AgAg的熔点为的熔点为1173K1173K左左右右43v 所谓所谓烧结温度烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然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互相结合成块，后在低于熔点的温度下使这些粉末互相结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。密度接近常规材料的最低加热温度。v纳米微粒尺寸小，
34、表面能高，压制成块材后的界面纳米微粒尺寸小，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，因此，驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，因此，在较低在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低降低44例如：例如：常规常规AlAl2 2O O3 3烧结温度在烧结温度在2073-2173K2073-2173K，在一定条件下，纳米的在一定条件下，纳米的AlAl2 2O O3 3可在可在1423K1423K至至1773K1773K烧烧结，致密度可达结，致密度可达99.799.7常规常规SiSi3 3N N4 4烧结温度高于烧结温度高于2273K2273K，纳米氮化硅烧结温度降低纳米氮化硅烧结温度降低673K673K至至773K773K。45 纳米纳米TiOTiO2 2在在773K773K加热加热呈现出明显的致密化，呈现出明显的致密化，而晶粒仅有微小的增加，而晶粒仅有微小的增加，致使纳米微粒致使纳米微粒TiOTiO2 2在比在比大晶粒样品低大晶粒样品低873K873K的的温度下烧结就能达到类温度下烧结就能达到类似的硬度似的硬度46
