纳米微粒的物理特性省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx
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1、 纳米微粒含有大表面积,表面原子数、表面能和表面张力随粒径下降急剧增加,小尺寸效应小尺寸效应,表面效应表面效应,量子尺寸效应量子尺寸效应及宏观量子隧道效应宏观量子隧道效应等造成纳米微粒热、热、磁、光、敏感特征和表面稳定性磁、光、敏感特征和表面稳定性等不一样于常规粒子,这就使它含有辽阔应用前景。第四章 纳米微粒物理特征10/10/1第1页4.1 热学性能v 纳米微粒熔点、开始烧结温度和晶化温度熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低很多粉体低很多。v 因为颗粒小,纳米微粒表面能高,比表面原子数多,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纳米粒子,熔化时所需增加内能比常规材料小得多
2、,这就使纳米微粒熔点急剧下降熔点急剧下降。10/10/2第2页大块Pb mp=600K d=20nm Pb微粒 mp=288K 纳米 Ag mp=373K 常规 Ag mp=1173K比如:10/10/3第3页Wronskt 计算 Au微粒粒径与mp关系,结果如图所表示:由图能够看出:由图能够看出:d10nm熔点下降熔点下降极少极少d10nm,熔点开始熔点开始显著下降显著下降;d3-5nm时时,熔点开熔点开始急剧下降始急剧下降.10/10/4第4页 所谓烧结温度:是指把粉末高压压制成形,然后在低于熔点温度下使这些粉末相互结合成块,密度靠近常规材料最低加热温度。烧结温度:10/10/5第5页 纳
3、米微粒尺寸小,表面能高,压制成块体后界面含有较高能量界面含有较高能量,在烧结中高界面能成界面能成为原子运动驱动力为原子运动驱动力,有利于界面中孔洞收缩,空位团湮没。所以,在较低温度下烧结就能到达致密化目标,即烧结温度降低。10/10/6第6页常规Al2O3烧结温度在2073K2173K在一定条件下,纳米Al2O3 可在1423K1773K烧结致密度可达99.7%常规Si3N4 烧结温度高于2273K纳米Si3N4 烧结温度降低673K773K比如:10/10/7第7页 纳米TiO2 在773K加热展现出显著致密化,而晶粒仅有微小增加,致使纳米微粒TiO2在比大晶粒样品低873K温度下烧结就能到
4、达类似硬度。10/10/8第8页比如:非晶氮化硅在1793K晶化成相。纳米非晶氮化硅在1673K加热4h,全部 转变成相。纳米微粒开始长大起始温度随粒径减小而降低。非晶纳米微粒晶化温度低于常规粉体10/10/9第9页从图能够看出:8nm,15nm和35nm粒径Al2O3粒子快速长大开始温度分别为:1073K,1273K1423K。1,8 nm;2,15 nm;3,35 nm10/10/10第10页4.2磁学性能 纳米微粒小尺寸效应,量子尺寸效应,表面效应等使它含有常规晶粒材料所不含有磁特征,归纳一下有:10/10/11第11页 顺磁体:指磁化率是数值较小正数物体,它随温度T成正比关系。=0C/
5、T0:真空磁导率=4 X 10-7 亨/mC:常数超顺磁性10/10/12第12页这类固体磁化率是尤其大正数,在某个临界温度Tc以下纵使没有外磁场,材料中会出现自发磁化强度,在高于Tc温度它变成顺磁体,其磁化率服从居里外斯定律:=0C/(T-Tc)C:常数 Tc:居里温度 0=410-7 亨/米 真空磁导率铁磁体:10/10/13第13页 我们知道Fe,Fe3O4,和-Fe2O3这些都是铁磁体,当它们微粒尺寸到一定临界值是就进入超顺磁状态入超顺磁状态,这时磁化率不再服从居里外斯定律。其磁化强度Mp可用朗之万公式来描述。10/10/14第14页 对于H/kBT 1 时,Mp2/3kBT,为粒子磁
6、矩,在居里点附近没有显著值突变。比如:d=85nm Ni微粒,矫顽力Hc很高,服从居里外斯定律。d=15nm Ni微粒 Hc0,说明它们进了超顺磁态。10/10/15第15页vNi微粒Hc与颗粒直径d关系曲线10/10/16第16页 图3.9 粒径为85nm,13nm和9nm NiV()T曲线V()是与交流磁化率相关检测电信号。由图能够看出:由图能够看出:85nmNi85nmNi微粒在居里点附近微粒在居里点附近V()V()发生突变,这意味着发生突变,这意味着 突变,突变,而而9nm9nm和和13nm V()13nm V()伴随温伴随温度改变迟缓,未见有突变度改变迟缓,未见有突变现象现象 即即
7、突变现象。突变现象。10/10/17第17页 超顺磁状态起源可归为以下原因:在小尺寸下,当各向异性能各向异性能减小到与热热运动能运动能可相比拟时,磁化方向不再固定磁化方向不再固定在一个磁化方向在一个磁化方向,易磁化方向做无规律改变,结果造成超顺磁性出现。不一样种类纳米磁性微粒显现出超顺磁临界尺寸是不相同。10/10/18第18页 矫顽力:纳米微粒尺寸高于超顺磁临超顺磁临界尺寸时界尺寸时通常展现高矫顽力Hc 比如:惰性气体蒸发冷凝制备纳米Fe微粒,伴随粒径减矫顽力显著增加,这可由 矫顽力与颗粒粒径与温度发关系来说明。10/10/19第19页由图能够看出:粒径为16nm Fe微粒,在5.5K时Hc
8、达1.27105A/m,室温下7.96104A/m。而Fe块体,矫顽力 低于79.62A/m。对于对于5.5K,100K5.5K,100K测量测量H Hc c均随均随d d减小而增加。减小而增加。随温度升高随温度升高H Hc c下降。下降。10/10/20第20页 纳米Fe-Co Hc为1.64103A/m。这主要是当粒子尺寸小到某一尺寸时,每一个粒子就是一个单磁畴。比如:Fe和Fe3O4单磁畴临界尺寸分别为12nm和40nm,每个单磁畴纳米微粒实际上成为一个永久磁铁,要使这个磁铁磁化强度反向,必须使每个粒子整体磁矩反转,这需要很大反向磁场即含有较高矫顽力。10/10/21第21页居里温度 居
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