《纳米材料》复习题

《纳米材料》复习题

　　一、名词解释

　　1. 量子尺寸 效应当粒子尺寸下降到一定值时, 颗粒的周期性边界条件消失，在声、光、电磁、热力学及超导性等与宏观特性显著不同.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，纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

　　2. 纳米材料 是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料。

　　3. 共沉淀 在混合的金属盐溶液(含有两种或两种以上的金属离子)中加入合适的沉淀刹，反应生成组成均匀的沉淀。沉淀热分解得到高纯超微粉体材料。

　　4. 压电效应 没有电场作用，由机械应力的作用而使电解质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。

　　5. 机械力化学物料粒子受到机械力作用而被粉碎时，还会发生物质结构及表面物理化学性质的变化，这种因机械载荷作用导致粒子晶体结构和物理化学性质的变化称为机械力化学。

　　6. 小尺寸效应 当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象---小尺寸效应。

　　7. 热压烧结 将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。

　　8. 均匀沉淀 利用某一化学反应，使溶液中的构晶离子（构晶负离子或构晶正离子）由溶液中缓慢、均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种制备纳米粒子的方法称为均相沉淀法。

　　9. 溶胶凝胶方法溶胶凝胶法是指金属有机和无机化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形成氧化物或其它化合物纳米材料的方法。

　　10. 纳米复合材料是指尺度为1 nm一100 nm的超微粒经压制、烧结或溅射而成的凝聚态固体。它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等特性。

　　二、简答题

　　1. 什么是光致发光？纳米材料与常规材料发光谱是否相同？原因是什么？

　　兴致发光是指在一定波长的光照射下,被激发到高能级的电子重新跃入低能级,被空穴捕获而发光的围观过程.纳米材料与常规材料发光谱有很大差别,这是由于①电子跃迁选择定则问题②量子限域效应③缺陷能级的作用④杂质能级的影响

　　2. 纳米陶瓷材料的一般制备过程？其中关键的步骤是什么？

　　答：一般过程：首先要制备纳米尺寸的粉体，然后成型和烧结。关键：材料是否高度致密。这与烧结过程密切相关。

　　3. 纳米材料表征方法有那些？

　　纳米材料的表征主要包括: 1化学成分; 2纳米粒子的粒径、形貌、分散状况以及物相和晶体结构3纳米粒子的表面分析。

　　4. 表述可使纳米颗粒聚团有效分散的方法。

　　由于纳米材料表面效应大、吸附能力强、极易团聚。

　　针对不同材料有5种方法可以有效地克服纳米粉末的团聚，实现纳米粉末的分散：

　　分散剂法、超声波法、表面活性剂、直接分散法、改进的胶粉混合法

　　5. 纳米陶瓷材料的一般制备过程？其中关键的步骤是什么？

　　答：一般过程：首先要制备纳米尺寸的粉体，然后成型和烧结。关键：材料是否高度致密。这与烧结过程密切相关。

　　6. 与常规材料相比，纳米微粒的熔点、烧结温度和比热发生什么变化？并分别解释原因？

　　熔点：熔点降低，表面原子具有低的配位数从而易于热运动并引发熔融过程。这种表面熔融过程可以认为是纳米晶熔点降低的主要原因。

　　烧结温度降低：纳米粒子尺寸小，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驱动力，有利于界面附近的原子扩散、界面中的空洞收缩及空位团的湮没。因此，在较低温度下烧结就能达到致密化目的，即烧结温度降低。

　　7. 什么是纳米材料？

　　是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度,并且具有特殊性能的材料。

　　8. 在化妆品中加入纳米微粒能起到防晒作用的基本原理是什么？

　　量子尺寸效应使纳米光学材料对某种波长的光吸收带有蓝移现象， 纳米粉体对各种波长光的吸收带有宽化现象， 纳米微粒紫外吸收材料就是利用这两个特性。 对紫外吸收好的材料有三种：TiO2 纳米粒子的树脂膜、Fe2O3 纳米微粒的聚合物膜和纳米 Al2O3 粉体。大气中的紫外线在 300~400nm 波段，在防晒油、化妆品中加入纳米微粒，对这个波段的紫外光线 进行强吸收，可减少进入人体的紫外线，起到防晒作用。

　　9. 表述可使纳米颗粒聚团有效分散的方法。

　　根据分散介质:分散体系区分为水性体系和非水性体系

　　根据分散方法:区分为物理分散和化学分散

　　物理分散：超声波分散和机械力分散等

　　化学分散是指选择一种回落多种适宜的分散剂提高悬浮体的分散性，以改善其稳定性和流变性

　　10. 解释纳米材料熔点降低现象。

　　表面原子具有低的配位数从而易于热运动并引发熔融过程。这种表面熔融过程可以认为是纳米晶熔点降低的主要原因。

　　11. 什么是小尺寸效应？

　　当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象---小尺寸效应。

　　12. 纳米颗粒与微细颗粒及原子团簇的区别？

　　原子团簇：仅包含几个到数百个原子或尺度小于1nm的粒子称为“簇”，它是介于单个原子与固态之间的原子集合体。纳米微粒：微粒尺寸为纳米数量级，它们的尺寸大于原子团簇，小于通常的微粒，一般尺寸为1-l00nm。

　　13. 纳米材料的分类？

　　团簇、纳米颗粒与粉体，纳米碳管和一维纳米材料，纳米薄膜，纳米块材等纳米材料

　　14. 简述纳米材料科技的研究方法有哪些？

　　主要有两种技术：Top down（由上而下）的方法和Bottom up（由下而上）的方法

　　Top down 由上而下的方法是一种采用物理和化学方法对宏观物质的超细化的纳米科技的研究方法。

　　Bottom up 由下而上的方法，以原子、分子、团簇等为基元组装具有特定功能的器件、材料。纳米科技的最终目的是以原子、分子为起点，去制造具有特殊功能的产品。

　　15. 什么是压电效应？

　　没有电场作用，由机械应力的作用而使电解质晶体产生极化并形成晶体表面电荷的现象称为压电效应。

　　16. 什么是量子尺寸效应？

　　效应当粒子尺寸下降到一定值时, 颗粒的周期性边界条件消失，在声、光、电磁、热力学及超导性等与宏观特性显著不同.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，纳米半导体微粒存在不连续的最高能级占据分子轨道和最低未被占据的分子轨道能级的能隙变宽现象均称为量子尺寸效应。

　　17.将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。

　　18.利用机械能来诱发化学反应和诱导材料组织、结构和性能的变化，以此来制备新材料或对材料进行改性处理。

　　三、问答题

　　1. 给出溶胶--凝胶法制备纳米颗粒物料的步骤。

　　化学过程是首先将原料分散在溶液中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定结构的凝胶，最后经过干燥和热处理得纳米粒子，即经由分子态→聚合体→溶胶→凝胶→晶态(或非晶态)的过程。

　　2. 解释纳米颗粒的光吸收带出现“蓝移”现象的原因。

　　1) 量子尺寸效应即颗粒尺寸下降导致能隙变宽， 从而导致光吸收带移向短波方向。Ball等的普适性解释是：已被电子占据的分子轨道能级与未被电子占据的分子轨道能级之间的宽度(能隙)随颗粒直径的减小而增大，从而导致蓝移现象。这种解释对半导体和绝缘体均适用。

　　2) 表面效应纳米颗粒大的表面张力使晶格畸变，晶格常数变小。键长的缩短导致纳米颗粒的键本征振动频率增大，结果使红外吸收带移向高波数。

　　3. 什么是共沉淀？均匀沉淀？各具有哪些特点？

　　共沉淀 在混合的金属盐溶液(含有两种或两种以上的金属离子)中加入合适的沉淀刹，反应生成组成均匀的沉淀。沉淀热分解得到高纯超微粉体材料。特点：

　　均匀沉淀 利用某一化学反应，使溶液中的构晶离子（构晶负离子或构晶正离子）由溶液中缓慢、均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，使溶液中的沉淀处于平衡状态，且沉淀能在整个溶液中均匀地出现，这种制备纳米粒子的方法称为均相沉淀法。特点：

　　共沉淀是使溶液由某些特定的离子沉淀时，共存于溶液中的其他离子也和特定阳离子一起沉淀。均匀沉淀法是利用某一化学反应使溶液中的构晶离子由溶液中缓慢均匀地释放出来，通过控制溶液中沉淀剂浓度，保证溶液中的沉淀处于一种平衡状态，从而均匀的析出。共沉淀法的优点：1通过溶液中的各种化学反应直接得到化学成分均一的纳米粉体材料，2是容易制备粒度小而且分布均匀的纳米粉体材料。均匀沉淀法具有原料成本低、工艺简单、操作简便、对设备要求低等优点。

　　4. 简述sol-gel法(溶胶-凝胶法)制备纳米薄膜的过程、途径及特点？

　　从金属的有机或无机化合物的溶液出发，在溶液中通过化合物的加水分解、聚合，把溶液制成溶有金属氧化物微粒子的胶溶液，进一步反应发生凝胶化，再把凝胶加热，可制成非晶态玻璃、多晶体陶瓷。

　　途径：有机途径和无机途径。有机途径是通过有机金属醇盐的水解与缩聚而形成溶胶；无机途径则是将通过某种方法制得的氧化物微粒，稳定地悬浮在某种有机或无机溶剂中而形成溶胶。

　　特点：a、工艺设备简单，不需要任何真空条件或其他昂贵的设备，便于应用推广。b、在工艺过程中温度低。这对于制备那些含有易挥发组分或在高温下易发生相分离的多元体系来说非常有利。c、很容易大面积地在各种不同形状、不同材料的基底上制备薄膜，甚至可以在粉体材料表面制备一层包覆膜，这是其他的传统工艺难以做到的。d、容易制出均匀的多元氧化物薄膜，易于实现定量掺杂，可以有效地控制薄膜的成分及结构。e、用料省，成本较低。

　　5. 简述氧化物系陶瓷基纳米复合材料的力学性能改善机理？

　　1) 细晶强化：纳米级弥散相抑制了样哈无记得晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大。

　　2) 基体晶粒再细化：在弥散相内或弥散相周围存在搞得局部应力，这种应力是基体和弥散相之间的热膨胀

　　失配而产生的，使冷却期间产生位错，纳米级粒子钉扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界。

　　3) 断裂方式的改变：纳米级栗子周围的局部拉伸应力引起的穿晶断裂，并由于硬粒子对裂纹尖端的反射作

　　用而产生韧化。破坏模式从穿晶和晶间到单纯晶间断裂，晶界相的改变和对高温力学性能影响的减小，使高温力学性能获得明显改善。

　　4) 抑制位错作用：纳米级粒子在高温牵制位错运动，从而也能使高温力学性能获得明显改善。上述性能的

　　改善，有利于抗热震性的热学-力学性能的改善。

　　6. 解释纳米材料熔点降低现象。

　　表面原子具有低的配位数从而易于热运动并引发熔融过程。这种表面熔融过程可以认为是纳米晶熔点降低的主要原因。

　　7. 纳米材料自下而上制备技术是什么？

　　自下而上：以原子、分子为基本单元，按照设计组装成纳米结构。

　　8. 纳米粉体为什么存在团聚问题？如何解决？

　　由于纳米材料表面效应大、吸附能力强、极易团聚。针对不同材料有5种方法可以有效地克服纳米粉末的团聚，实现纳米粉末的分散：

　　分散剂法、超声波法、表面活性剂、直接分散法、改进的胶粉混合法

　　9. 常用气相和液相制备纳米材料的方法有哪几种？

　　气相法：化学气相反应法：气相分解法、气相合成法、气－固反应法；物理气相法：气体冷凝法、氢电弧等离子体法、溅射法、真空沉积法、加热蒸发法、混合等离子体法。

　　液相法：沉淀法水热法：共沉淀法、化合物沉淀法、水解沉淀法、溶胶－凝胶法、冷冻干燥法、喷雾法。

　　10. 观察纳米材料表面形貌最常用的方法有哪几种？

　　纳米材料常用的形貌分析方法主要有：扫描电子显微镜、透射电子显微镜、扫描隧道显微镜和原子力显微镜。 扫描电镜分析可以提供从数纳米到毫米范围内的形貌像，观察视野大，其分辩率一般为6纳米，对于场发射扫描电子显微镜，其空间分辩率可以达到0.5纳米量级。 其提供的信息主要有材料的几何形貌，粉体的分散状态，纳米颗粒大小及分布以及特定形貌区域的元素组成和物相结构。扫描电镜对样品的要求比较低，无论是粉体样品还是大块样品，均可以直接进行形貌观察

　　透射电镜具有很高的空间分辩能力，特别适合纳米粉体材料的分析。其特点是样品使用量少，不仅可以获得样品的形貌，颗粒大小，分布以还可以获得特定区域的元素组成及物相结构信息。透射电镜比较适合纳米粉体样品的形貌分析，但颗粒大小应小于300nm，否则电子束就不能透过了。对块体样品的分析，透射电镜一般需要对样品进行减薄处理。

　　扫描隧道显微镜主要针对一些特殊导电固体样品的形貌分析。可以达到原子量级的分辨率，但仅适合具有导电性的薄膜材料的形貌分析和表面原子结构分布分析，对纳米粉体材料不能分析。

　　扫描原子力显微镜可以对纳米薄膜进行形貌分析，分辨率可以达到几十纳米，比STM差，但适合导体和非导体样品，不适合纳米粉体的形貌分析。

　　这四种形貌分析方法各有特点，电镜分析具有更多的优势，但STM和AFM具有可以气氛下进行原位形貌分析的特点。

　　11. 为什么减小TiO2颗粒的尺寸，可以提高其光催化效果？

　　溶液中催化剂粒子颗粒越小，单位质量的粒子数就越多，体系的比表面积大，越有利于光催化反应在表面进行,因而反应速率和效率也越高。催化剂粒径的尺寸和比表面积的一一对应直接影响着二氧化钛光催化活性的高低。粒径越小，单位质量的粒子数目越多，比表面积也就越大。

　　比表面积的大小是决定反应物的吸附量和活性点多少的重要因素。

　　比表面积越大，吸附反应物的能力就越强，单位面积上的活性点也就越多，发生反应的几率也随之增大，从而提高其光催化活性。

　　12. 解释金属纳米颗粒几乎都是深色的原因？

　　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，通常可低于1％，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。当纳米粒子的尺寸与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或(与)磁场穿透深度相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常的现象。金属被细分到小于光波波长的尺寸时，即失去了原有的富贵光泽而呈黑色。

　　13.兴致发光是指在一定波长的光照射下,被激发到高能级的电子重新跃入低能级,被空穴捕获而发光的围观过程.纳米材料与常规材料发光谱有很大差别,这是由于①电子跃迁选择定则问题②量子限域效应③缺陷能级的作用④杂质能级的影响。