研究生多相复合材料课件3.pptVIP

15.1纳米概念的形成;15.2纳米效应

主要有以下四种基本纳米效应。

1、表面效应

表面能随着粒径减小而增加的现象称为表面效应。

当颗粒状材料的直径降低到纳米尺度时，比表面积会非常

大，这样处在表面的原子或离子所占的百分数将会显著地增加。

然而由于缺少相邻的粒子，则出现表面的空位效应，表现出表面

粒子配位不足，表面能会大幅度增加。这种在纳米尺度范围内发

生的表面效应称为纳米表面效应。;纳米表面效应使表面原子或离子具有高活性，极不稳定，易

于与外界原子结合。如，金属的纳米颗粒在空气中会燃烧，无机

的纳米颗粒暴露在空气中会吸附气体并与气体发生反应等。

2、小尺寸效应

当颗粒小至纳米尺寸时，所引起的宏观物理性质的变化称为

纳米小尺寸效应。纳米小尺寸效应主要反映在熔点、磁学、电学

和光学性能等方面均与大尺寸同类材料明显不同。

①、光学性质

当材料的尺寸小至纳米尺寸时，其光的吸收、反射、散射能

力会发生较大变化。这种变化称为纳米材料的光学效应。

例如，金属纳米颗粒对光的吸收率提高，反射率降低，因此

各种纳米级金属粉未均呈黑色。利用这个特性可以作为高效率的

光热、光电等转换材料。纳米级的无机盐颗粒对可见光有绕射;（衍射）作用，因此加入纳米级填加剂的复合材料可以做到无色

透明。

②、热学性质

当固态物质颗粒的外形尺寸小至纳米尺寸时，引起的熔点的

显著变化称为纳米材料的热效应。

固态物质在较大外形尺寸时，其熔点是固定的。但是，当外

形尺寸小至纳米尺寸时，其熔点将显著降低，当颗粒小于10nm

量级时尤为显著。例如，金的常规熔点为1064℃，当颗粒尺寸减

小到10nm时，则降低27℃.

③、磁学性质

颗粒状磁性材料的磁学性质，由于外部尺寸小至纳米尺寸

时，引起的独特的磁性变化称为纳米材料的磁效应。;例如，大块纯铁的矫顽力约为80A／m，而当颗粒尺寸减小到

10nm时，其矫顽力可增加1千倍。但是若进一步减小其尺寸，达

到大约小于6nm时，其矫顽力反而降低到零，呈现出超顺磁性。

利用磁性超微颗粒具有高矫顽力的特??，可以制作高密度信息存

储材料。利用超顺磁性，可以将磁性纳米颗粒制成用途广泛的磁

性液体。

④、力学性质

陶瓷材料在通常情况下呈脆性，然而由纳米颗粒压制成的纳

米陶瓷材料却具有良好的韧性。这种力学性质的变化称为纳米材

料的力学效应。

这是因为纳米材料具有大的界面，界面上的原子排列是相当

混乱的，原子在外力变形的条件下很容易迁移，因此表现出甚佳

的韧性与一定的延展性。;除此之外，纳米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诸多方面。

3、量子尺寸效应

当颗粒状材料的尺寸小至纳米尺寸时，其电子能级由连续转

变为量子化（最高占据分子轨道和最低空轨道，使能隙变宽，出

现能级的量子化）。这时，纳米材料电子能级之间的间距，随着

颗粒尺寸的减小而增大。当能级间距大于热能、光子能、静电能

以及磁能等的能量时，就会出现一系列与块体材料截然不同的反

常特性，这种效应称之为纳米量子尺寸效应。

例如，纳米颗粒具有高的光学非线性及特异的催化性能均属

此列。

;4、宏观量子隧道效应

微观粒子（电子、原子）具有穿越势垒的能力称之为隧道效

应。一些宏观的物理量，如纳米颗粒的磁化强度、量子相干器件

中的磁通量以及电荷等也具有隧道效应，它们可以穿越宏观系统

的势垒而产生性能变化，称为宏观量子隧道效应。

利用宏观量子隧道效应，可以解释纳米镍粒子在低温下继续

保持超顺磁性的现象。这种纳米颗粒的宏观量子隧道效应和量子

尺寸效应，将会是未来微电子器件发展的基础，它们确定了微电

子器件进一步微型化的极限。;15.3Whatnanocompositesare;纳米复合材料;15.4制备聚合物纳米复合材料的无机物的种类;Structureof2:1layeredsilicates;Cation-exchangereactionbetweenthesilicateandthealkylammoniumsalt;插层剂的作用;聚合物/层状硅酸盐纳米复合材料特点;InsituPolymerization;Schematicrepresentationofin-situpolymerization;聚合物大分子溶液插层工艺示意图;Schematicrepresentationofmeltintercalation;高分子纳米复合材料的研究和应用是始自上世纪80年代，日本丰田中央研究院在此方面作出了开拓性的贡献。最早用于丰田车内部件的尼龙6纳米复合材