纳米材料复习题

1.纳米科技的基本含义和主要研究范畴是什么？纳米科技是指在纳米尺寸（一般为1~100nm，但对于很小的原子和很大的分子的物质往往会突破这个下限和上限）上研究物质的特性和相互作用，同时利用这些特性在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工的多学科交叉的科学和技术。主要研究范畴：纳米物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米医学、纳米加工、纳米器件等。2.从狭义和广义两个角度解释纳米材料的基本概念。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。现在，广义的讲，纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺寸范围（1~100nm）或由它们作为基本单元构成的宏观材料。3.什么是团簇？原子团簇是指几个至几百个原子的聚集体（粒径小于或等于1nm）。4.什么是C60？C60分子是由20个六边形环和12个五边形环组成的球形32面体，其中五边形环只与六边形环相邻，而不相互连接；32面体共有60个顶角，每个顶角由一个碳原子占据，这种32面体也可看成是由20面体经截顶后形成的，故又称截顶20面体。5.什么是碳纳米管？理想碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。6.碳纳米管的基本特性有哪些？①力学特性。碳纳米管的侧面是由六边形碳环组成的，但在管身弯曲和管端口封顶的半球帽形部位则含有一些五边形和七边形的碳环结构。因为构成这些不同碳环结构的C-C共价键是自然界中最稳定的化学键，所以碳纳米管应该具有非常好的力学性能，其强度接近于C-C键的强度。②电学特性。碳纳米管由于管内流动的电子受到量子限域所致，电子在碳纳米管中通常只能在同一层石墨片中沿着碳纳米管的轴向运动，沿径向的运动将受到很大限制。③光学性能。碳纳米管的光学性质主要有光学偏振性、光学相关性、发光性能好、对红外辐射的敏感性等。7.给出纳米微粒的准确定义？纳米微粒又称纳米颗粒，或者纳米尘埃，纳米尘末，指纳米量级的微观颗粒。它被定义为至少在一个维度上小于100纳米的颗粒。8.量子尺寸效应？金属费米能级附近电子能级在高温或宏观尺寸情况下一般是连续的，但当粒子尺寸下降到某一纳米值时，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，以及纳米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的分子轨道能级而使能隙变宽的现象均称为量子尺寸效应。9.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；非晶态纳米微粒的表面层附近原子密度减小，声、光、电磁、热力学等物性均会发生变化，这就是所谓的纳米粒子的小尺寸效应，又称体积效应。10.表面效应？表面效应又称界面效应，它是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径减小而急剧增大后所引起的性质上的变化。11.制备纳米粒子的整体思路有哪两种？纳米粒子的制备方法多种多样，一般可归结为两大类，即“以下至上”法，或称构筑法；“以上至下”法，或称粉碎法。12.常见的液相法制备纳米粒子有哪几种？沉淀法、喷雾法、水热法、溶剂挥发分解法、溶胶-凝胶法13.为什么液相法是制备纳米材料较为理想的方法？制备纳米材料的开始状态为液态,它是选择一种或多种合适的可溶性金属盐类与溶剂配制成溶液,使各元素呈离子或分子状态，采用合适的沉淀剂沉淀或蒸发升华或水解得到纳米颗粒。液相法也是目前实验室和工业广泛采用的纳米材料的制备方法,主要用于氧化物纳米材料的制备。可以在原子分子水平上进行物质装配与控制，更好的控制纳米材料的粒径、形状和组成。特点﹕设备简单、原料容易获得、纯度高、均匀性好、化学组成控制准确等优点，但适用范围较窄，主要用于氧化物纳米材料的制备。14.评价纳米粉体的质量特性主要从哪几个方面？①粉体纯度②粉体的细度，粒度分布范围，分布越窄越好。③粉体的形状，应用不同，会对粉体的形状有要求④粉体性能，应用不同，会对如亲水性、覆盖性等不同的指标有要求。15.在纳米粒子的制备过程中，为了加速形核，促进形核与长大阶段分离，常采用的措施有哪些？加入籽晶，产生异质形核作用；降低反应体系的pH值;采用稀的反应溶液，添加络合剂等以提高临界形核浓度C*min；采用变温技术，即形核一定时间后突然改变反应体系的温度，使形核阶段较高的过饱合度迅速降至低于C*min的水平，从而终止形核。16.在纳米粒子的液相法制备过程中，为防止粒子发生硬团聚，常采用的措施有哪些？防止纳米粒子团聚的方法主要有化学法和高能物理法，消除纳米粒子的团聚的方法主要是机械力分散法。（1）化学分散。①加入反絮凝剂形成双电层。②加入表面活性剂包裹微粒.（2）超声分散（3）机械分散。17.采用液相法制取纳米粒子时，对颗粒尺寸产生影响的因素主要有哪些？反应时间和温度、反应物浓度、表面活性剂的种类、浓度配比、还原剂或者沉淀剂的浓度及加入方式。18.采用液相法制取纳米粒子时，影响颗粒形状的因素主要有哪些？百度的跟上一个一样，不知道为什么出俩题。19.纳米陶瓷所谓纳米陶瓷是指陶瓷材料的显微结构中晶粒、晶界以及它们之间的结合都处于纳米尺寸水平，包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔尺寸、缺陷尺寸都是纳米级。20.简述纳米陶瓷的特性①高强度。陶瓷的性能取决于其微观组织结构，其中晶粒尺寸和气孔率是两个主要的因素，陶瓷强度随气孔率的增加呈指数级下降，同时，强度与晶粒尺寸的平方根成反比，纳米陶瓷中晶粒尺寸与气孔尺寸都是纳米级，因而具有较高的强度与韧性。②增韧性。传统陶瓷通常表现出很强的脆性，纳米陶瓷由于晶粒小、晶面打，晶面的原子排列混乱，纳米晶粒易在其他晶粒上运动，是纳米陶瓷在受力时易于变形而不呈现脆性。③超塑性。陶瓷的超塑性是由扩散蠕变引起的晶格滑移所致，扩散蠕变速率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的三次方成反比，普通陶瓷只有在很高的温度下才表现出明显的扩散蠕变，而纳米陶瓷的扩散系数提高了3个数量级，晶粒尺寸下降了3个数量级，因而其扩散蠕变速率较高。④烧结特性。纳米材料具有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径及较高的扩散速率，并使得材料的烧结驱动力也随之剧变，这大大加速了整个烧结过程，使得烧结温度大幅度降低，烧结速率大幅度提高。21.常见纳米陶瓷的烧结技术有哪些？在纳米陶瓷的制备过程中，无压烧结、热压烧结等传统的烧结方式仍将得到广泛使用。新的纳米陶瓷烧结方式也在不断出现。在加热方式上的发展包括微波烧结、等离子体烧结、等离子活化烧结、放电等离子烧结等。在加压方式上的发展主要有超高压烧结、冲击成型、爆炸烧结等。22.热压烧结和微波烧结的特点分别是什么？热压烧结：将陶瓷粉体在一定温度和一定压力下进行烧结，称为热压烧结，与无压烧结相比，其烧结温度低得多。通过热压烧结，可制得具有较高致密度的陶瓷基纳米复合材料，并且晶粒无明显长大。微波烧结：快速升温，快速降温。23.常用纳米粉体粒度的测试方法有哪些？纳米粒度分析方法大致可归纳为：筛分法、显微镜法、沉降法、激光衍射法、激光散射法、光子相干光谱法、电子显微镜图像分析法、粒度测量法和质谱法等。24.什么是丁达尔效应？当一束光线透过胶体，从入射光的垂直方向可以观察到胶体里出现的一条光亮的“通路”，这种现象叫丁达尔现象，也叫丁达尔效应。25.纳米微粒的光学性质及一些自然现象（如蓝移、金属纳米粉体呈现黑色等）的解释。①变频带强吸收。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的反射和吸收能力不同。当尺寸减少到纳米级时，各种金属纳米粒子几乎都呈黑色，它们对可见光的反射率极低。②蓝移与红移现象。纳米粒子与大块材料相比，吸收带普遍移向短波方向，即蓝移现象。对纳米粒子吸收带蓝移的解释有两个方面：一是量子尺寸效应，由于颗粒尺寸下降能隙变宽，这就导致光吸收带移向短波方向。另一种是表面效应，由于纳米粒子颗粒小，大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小，对纳米氧化物和氮化物小粒子研究表明第一近邻和第二近邻的距离变短，键长的缩短导致纳米粒子的键本征振动频率增大，结果使光吸收带移向了高波数。吸收带移向长波方向，红移现象。③发光现象。纳米粒子的尺寸小到一定值时，可在一定波长的光激发下发光。26.激光粒度分析法分为哪几类？原理分别是什么？激光粒度分析法，按照分析粒径的范围，又分为激光衍射法和动态光散射法。激光衍射发又称小角度激光散射法，应用了全程的米氏散射理论，颗粒在激光束的照射下，其散射光的角度与颗粒的直径成反比关系，而散射光强度随角度的增加呈对数规律衰减。动态光散射技术是指通过测量样品散射光强度起伏的变化来得出样品颗粒大小信息的一种技术。之所以称为“动态”是因为样品中的分子不停地做布朗运动，正是这种运动使散射光产生多普勒频移。动态光散射技术的工作原理可以简述为以下几个步骤：首先根据散射光的变化，即多普勒频移测得溶液中分子的扩散系数D，再由D=KT/6πηr可求出分子的流体动力学半径r，(式中K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度，η为溶液的粘滞系数),根据已有的分子半径-分子量模型，就可以算出分子量的大小。27.激光粒度分析法的特点是什么？速度快、测量范围广、数据可靠、重现性好、自动化程度高、便于在线测量28.什么是粉体的比表面积？测粉体比表面积的标准方法是什么？其原理是什么？比表面积：单位质量粉体的总表面积，单位常用m2/g，纳米粉体的比表面积在10-200m2/g球形颗粒的比表面积Sw与其直径d的关系为：低温氮吸附BET法被认为是测定粉体比表面积的标准。BET法的原理是物质表面(颗粒外部和内部通孔的表面)在低温下发生物理吸附。测量物理吸附在粉体表面上气体单分子层的质量或体积，再由气体分子的横截面积计算1g粉体的总表面积。BET低温氮吸附法即是在低温（-195C）下令样品吸附氮气，并按经验在氮气的相对压力P/P0为0.05~0.35的范围内，测定三组以上的P-V数据，作直线，利用下面关系即可得到Vm。29.纳米材料晶态的表征方法有哪些？XRD（X射线衍射）、TEM（透射电子显微镜）30.为什么普通光学显微镜无法用于纳米材料显微结构的表征？光学显微镜测定范围为0.2~150μm，因此光学显微镜适合于亚微米和微米级的测定，并不适合纳米尺寸范围颗粒的测定。31.巨磁电阻效应所谓巨磁阻效应，是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。32.STM、AFM的基本原理是什么？相比SEM、TEM有哪些优点？STM的基本原理是利用量子理论中的隧道效应，当金属探针与样品表面间距小到1nm左右时，就会出现隧道效应，电子从一个电极穿过空间势垒到达另一电极形成电流——隧道电流。STM具有原子级的高分辨率，其在平行和垂直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm；可以观察单个原子层的局部表面结构，因此可以直接观察到材料表面的缺陷、表面重构、表面吸附体的形态和位置，以及由吸附引起的表面重构。另外，STM在成像时对样品呈非破坏性，实验可在真空或大气及溶液中进行。AFM是利用针尖与样品表面原子间的微弱作用力来作为反馈信号。AFM的分辨率横向可达0.1nm，纵向为0.01nm，不受样品表面导电性的限制，对工作环境和样品制备的要求比电镜要求低得多，不仅可以用于真空、大气，甚至可应用于溶液中。33.介孔材料及其结构特点？孔径大于50nm的孔称为大孔，小于2nm的孔称为微孔，孔径为2~50nm的多孔材料称为介孔材料。介孔材料具有以下特点：（1）长程结构有序（2）孔径分布窄并可在1.5~10nm之间系统调变（3）比表面面积大，可达1000㎡/g（4）孔隙率高（5）表面富含不饱和基团等。34.惰性气体冷凝法、溶胶-凝胶法制备纳米粉体惰性气体冷凝法主要过程是在低压的氩、嗐等惰性气体中加热金属，使其蒸发，产生原子雾，经泠凝后形成纳米颗粒。纳米合金可通过同时蒸发数种金属物质得到；纳米氧化物可在蒸发过程中真空室内通以纯氧使之氧化得到。这种方法是制备清洁界面的纳米粉体的主要方法之一。溶胶-凝胶法其基本步骤是将醇盐溶解于有机溶剂中，通过加入蒸馏水使醇盐水解形成溶胶，溶胶凝胶化处理后得到凝胶，再经干燥和焙烧，即得到超细