纳米材料导论期末复习重点

名词解释：1、纳米：纳米是长度单位，10-9米，10埃。2、纳米材料：指三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围（1-100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。3、原子团簇：由几个乃至上千个原子通过物理或化学结合力组成的相对稳定的微观或亚微观聚集体（原子团簇尺寸一般小于20nm）。4、纳米技术：指在纳米尺寸范围内,通过操纵单个原子、分子来组装和创造具有特定功能的新物质。5、布朗运动：悬浮微粒不停地做无规则运动的现象。6、均匀沉淀法：利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢地、均匀地释放出来，再与沉淀组分发生反应。7、纳米薄膜材料：指由尺寸在纳米量级的颗粒构成的薄膜材料或纳米晶粒镶嵌与某种薄膜中构成的复合膜且每层厚度都在纳米量级的单层或多层膜。8、真空蒸镀：指在高真空中用加热蒸发的方法是源物质转化为气相，然后凝聚在基体表面的方法。9、超塑性：超塑性是指在一定应力下伸长率≥100％的塑性变形。10、弹性形变：指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体又恢复原状。11、塑性形变：指固体受外力作用而使各点间相对位置的改变，当外力撤消后，固体不会恢复原状。12、HAII-Petch公式：σ－－强度；H－－硬度；d－－晶粒尺寸；K－－常数13、纳米复合材料：指分散相尺度至少有一维小于100nm的复合材料。14、蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。15、热塑性：物质在加热时能发生流动变形，冷却后可以保持一定形状的性质。大题：1、纳米粒子的基本特性？（1）小尺寸效应：随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会造成颗粒性质的质变，由于颗粒尺寸的变小，所导致的颗粒宏观物理性质的改变称为小尺寸效应。（2）表面效应：纳米粒子表面原子数与总原子数之比随着纳米粒子尺寸的减小而显著增加，粒子的表面能和表面张力也随着增加，物理化学性质发生变化。（粒度减小，比表面积增大；粒度减小，表面原子所占比例增大；表面原子比内部原子具有更高的比表面能；表面原子比内部原子具有更高的活性）（3）量子尺寸效应：当金属粒子的尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的能级由准连续变为离散能级或能隙变宽的现象。（4）宏观量子隧道效应：宏观物理量具有的隧道效应。2、纳米陶瓷具有较好韧性的原因？（1）纳米陶瓷材料有纳米相，具有纳米材料相关的性能，而纳米材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移，从而表现出优良的韧性，因而纳米陶瓷也具有较好的韧性；（2）纳米级弥散相阻止晶粒长大，起到细晶强化作用，使强度、硬度、韧性都得到提高；（3）纳米级粒子的穿晶断裂，并由硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化。3、制备纳米粒子的物理方法？dK0y＝dKHH0y＝（1）机械粉碎法：球磨、振动球磨、振动磨、搅拌磨、胶体磨、纳米气流粉碎气流磨。（2）蒸发凝聚法：金属烟粒子结晶法、流动油面上的真空蒸发沉积法、等离子体加热法、激光加热蒸发法、电子束加热蒸发法、电弧放电加热蒸发法、高频感应加热蒸发法、太阳炉加热蒸发法。（3）离子溅射法（4）冷冻干燥法（5）其他方法：火花放电法、爆炸烧结法、活化氢熔融金属反应法。4、制备纳米粒子的化学方法？（1）气相化学反应法（气相分解法、气相合成法、气-固反应法）：利用挥发性的金属化合物的蒸气，通过化学反应生成所需要的化合物，在保护气体环境下快速冷凝，从而制备各类物质的纳米粒子。该方法也叫做化学气相沉积法。（2）沉淀法：在溶液状态下将不同化学成分的物质混合，在混合溶液中加入适当的沉淀剂(如OH-，C2O42-，CO32-等)制备纳米粒子的前驱体沉淀物（氢氧化物、水合氧化物或盐类），再将此沉淀物进行干燥或煅烧，从而制得相应的纳米粒子。（共沉淀法、均相沉淀法、水解沉淀法）（3）水热合成法：水热法是在特制的密闭反应容器里，采用水溶液作为反应介质，对反应容器加热，创造一个高温（100～1000℃）、高压（1～100MPa）的反应环境，使通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶。（4）喷雾热解法：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。（5）溶胶－凝胶法：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、焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。5、真空蒸镀、溅射制膜的原理？真空蒸镀原理：在高真空中，将源物质加热到高温，相应温度下的饱和蒸气向上散发，基片设在蒸气源的上方阻挡蒸气流，蒸气则在基片上形成凝固膜。溅射制膜原理（指在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，使被轰击出的粒子在基片上沉积的技术）：磁控溅射（电子e在电场E的作用下，在飞向基板的过程中与Ar原子发生碰撞，使其电离成Ar+和一个电子e，电子e飞向基片，Ar+在电场的作用下加速飞向阴极靶，并以高能量轰击靶表面，溅射出中性靶原子或分子沉积在基片上形成膜。）6、纳米材料具有哪些特殊的力学和热学性能？（1）力学：(超塑性超延展性硬度）纳米材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱，原子在外力变形条件下容易迁移，从而表现出优良的韧性和延展性；纳米材料晶粒细小也可以起到细晶强化作用，可以使材料硬度更高也可以提高一定的韧性。（2）热学：纳米微粒的熔点、烧结温度、晶化温度均比普通粉体低，但热膨胀系数比普通粉体大。烧结温度随着纳米颗粒尺寸的减小而降低，结晶温度随着纳米颗粒尺寸的减小而降低，纳米颗粒的蒸汽压随着纳米颗粒尺寸的减小而升高。（纳米材料颗粒小，纳米微粒的表面能高，表面原子数多，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，因此纳米粒子熔化时所需增加的内能小得多，使纳米微粒熔点急剧下降；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，在烧结中高的表面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩空位团的湮没，从而降低烧结温度。）7、纳米薄膜材料的应用？（1）金属的耐蚀保护膜：非晶态合金膜无晶界、高度均匀的单相体系且无晶体缺陷，具有极强的防腐蚀性能。（2）多功能薄膜：二氧化锡薄膜可以用于制作薄膜电阻器、透明电极、气敏传感器、太阳能电池、电热转换等。（3）电子信息材料：半导体超薄膜层结构材料、计算机用到的磁泡存储器也是无机薄膜、用于储存信息的磁盘光盘等。（4）硬质薄膜：改善了切削工具和耐磨工件的性能和寿命尤其对于航空工业发展尤其重要，纳米尺度复合层薄膜可有效减小薄膜层中应力削除断面裂纹和缺陷。（5）膜分离：陶瓷膜化学稳定性、热稳定性好，抗菌性能优异等在食品、医药等领域应用极大，耐高温陶瓷薄膜还用于煤发电系统中含硫气体的去除。8、试述纳米固体材料的力学性能、热学性能与常规材料相比有哪些区别？力学：强度和硬度--指出晶粒越细小则强度、硬度越高（霍耳佩奇公式）、塑性和韧性--纳米材料的特殊结构及庞大体积分数的界面，使它的塑性、冲击韧性和断裂韧性与粗晶材料相比有很大改善。一般材料在低温下常常表现为脆性，但是纳米材料在低温下却显示良好的塑性和韧性。颗粒组元细小到纳米数量级，界面组元大幅度增加使得材料的强度、韧性和超塑性等力学性能大为提高，热学：比热--纳米材料界面结构中原子分布比较混乱，与常规材料相比，界面体积分数较大，纳米材料熵对比热的贡献比常规材料大得多；热膨胀--材料的热膨胀与晶格非线性振动有关（晶内的非线性热振、晶界的非线性热振动），可以说占体积分数很大的界面对纳米晶体热膨胀的贡献起主导作用。纳米材料细小界面大，比常规材料热膨胀大。热稳定性--纳米晶材料晶粒尺寸热稳定的温度范围较窄，纳米相材料颗粒尺寸热稳定的温度范围较宽。9、纳米固体材料的界面研究方法有哪些？（1）X射线衍射结构分析（XRD）：（2）透射电子显微镜结构观察（TEM）：可以直接观察纳米材料的结构，尤其是界面结构的一种有效方法，TEM可以直接观察纳米材料界面结构。（3）原子径向分布几率函数W（r）研究（4）扩展X射线吸收谱（EXAFS）研究（5）穆斯堡尔谱学研究（6）正电子湮没（PAS）研究（7）核磁共振（NMR）研究（8）电子自旋共振（ESR）研究（9）喇曼光谱研究（10）结构的内耗研究10、常见陶瓷材料有哪些类型？简述陶瓷材料的优缺点以及陶瓷基纳米复合材料的增强机理？陶瓷材料类型：氧化物系陶瓷基纳米材料（氧化铝）、氮化物系（氮化硅）、碳化物系（碳化硅）、硼化物系、玻璃陶瓷等陶瓷材料优点：综合机械性能好、耐磨、耐热耐腐蚀缺点：脆性大增强机理：（弥散强化、细晶强化、位错钉扎）氧化物陶瓷基纳米材料增强原因A、纳米级弥散相阻止晶粒长大，起到细晶强化作用，使强度、硬度、韧性都得到提高；B、纳米级粒子的穿晶断裂，并由硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化；C、位错钉扎机制，使高温力学性能获得改善；D、纳米粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界使基体晶粒再细化而起增强作用。氮化物、碳化物、硼化物陶瓷基纳米材料增强原因A、增强体含量低时，纳米级粒子促进细长的β-Si3N4晶粒生长，这晶粒结构起增韧和增强作用；B、纳米级增强体含量较高时，弥散相阻止Si3N4晶粒长大，形成纳米-纳米型复合材料，在高温下有超塑性。11、纳米固体材料中有哪些结构缺陷？点缺陷(空位、空位对、空位团、溶质原子、杂质原子等)线缺陷(位错指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列、刃型位错、螺型位错、混合型位错等)面缺陷(层错、相界、晶界、三叉晶界、孪晶界等)。