《納米材料》複習題

一、名詞解釋

1. 量子尺寸 效應當粒子尺寸下降到一定值時, 顆粒的週期性邊界條件消失，在聲、光、電磁、熱力學及超導性等與宏觀特性顯著不同.金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級的現象，納米半導體微粒存在不連續的最高能級佔據分子軌道和最低未被佔據的分子軌道能級的能隙變寬現象均稱為量子尺寸效應。

2. 納米材料 是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度,並且具有特殊性能的材料。

3. 共沉澱 在混合的金屬鹽溶液(含有兩種或兩種以上的金屬離子)中加入合適的沉澱剎，反應生成組成均勻的沉澱。沉澱熱分解得到高純超微粉體材料。

4. 壓電效應 沒有電場作用，由機械應力的作用而使電解質晶體產生極化並形成晶體表面電荷的現象稱為壓電效應。

5. 機械力化學物料粒子受到機械力作用而被粉碎時，還會發生物質結構及表面物理化學性質的變化，這種因機械載荷作用導致粒子晶體結構和物理化學性質的變化稱為機械力化學。

6. 小尺寸效應 當納米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態的相干長度或(與)磁場穿透深度相當或更小時，晶體週期性邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常的現象---小尺寸效應。

7. 熱壓燒結 將乾燥粉料充填入模型內，再從單軸方向邊加壓邊加熱，使成型和燒結同時完成的一種燒結方法。

8. 均勻沉澱 利用某一化學反應，使溶液中的構晶離子（構晶負離子或構晶正離子）由溶液中緩慢、均勻地釋放出來，通過控制溶液中沉澱劑濃度，使溶液中的沉澱處於平衡狀態，且沉澱能在整個溶液中均勻地出現，這種製備納米粒子的方法稱為均相沉澱法。

9. 溶膠凝膠方法溶膠凝膠法是指金屬有機和無機化合物經過溶液、溶膠、凝膠而固化，再經熱處理而形成氧化物或其它化合物納米材料的方法。

10. 納米複合材料是指尺度為1 nm一100 nm的超微粒經壓制、燒結或濺射而成的凝聚態固體。它具有斷裂強度高、韌性好，耐高温等特性。

二、簡答題

1. 什麼是光致發光？納米材料與常規材料發光譜是否相同？原因是什麼？

興致發光是指在一定波長的光照射下,被激發到高能級的電子重新躍入低能級,被空穴捕獲而發光的圍觀過程.納米材料與常規材料發光譜有很大差別,這是由於①電子躍遷選擇定則問題②量子限域效應③缺陷能級的作用④雜質能級的影響

2. 納米陶瓷材料的一般製備過程？其中關鍵的步驟是什麼？

答：一般過程：首先要製備納米尺寸的粉體，然後成型和燒結。關鍵：材料是否高度緻密。這與燒結過程密切相關。

3. 納米材料表徵方法有那些？

納米材料的表徵主要包括: 1化學成分; 2納米粒子的粒徑、形貌、分散狀況以及物相和晶體結構3納米粒子的表面分析。

4. 表述可使納米顆粒聚團有效分散的方法。

由於納米材料表面效應大、吸附能力強、極易團聚。

針對不同材料有5種方法可以有效地克服納米粉末的團聚，實現納米粉末的分散：

分散劑法、超聲波法、表面活性劑、直接分散法、改進的膠粉混合法

5. 納米陶瓷材料的一般製備過程？其中關鍵的步驟是什麼？

答：一般過程：首先要製備納米尺寸的粉體，然後成型和燒結。關鍵：材料是否高度緻密。這與燒結過程密切相關。

6. 與常規材料相比，納米微粒的熔點、燒結温度和比熱發生什麼變化？並分別解釋原因？

熔點：熔點降低，表面原子具有低的配位數從而易於熱運動並引發熔融過程。這種表面熔融過程可以認為是納米晶熔點降低的主要原因。

燒結温度降低：納米粒子尺寸小，表面能高，壓制成塊材後的界面具有高能量，在燒結中高的界面能成為原子運動的驅動力，有利於界面附近的原子擴散、界面中的空洞收縮及空位團的湮沒。因此，在較低温度下燒結就能達到緻密化目的，即燒結温度降低。

7. 什麼是納米材料？

是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度,並且具有特殊性能的材料。

8. 在化粧品中加入納米微粒能起到防曬作用的基本原理是什麼？

量子尺寸效應使納米光學材料對某種波長的光吸收帶有藍移現象， 納米粉體對各種波長光的吸收帶有寬化現象， 納米微粒紫外吸收材料就是利用這兩個特性。 對紫外吸收好的材料有三種：TiO2 納米粒子的樹脂膜、Fe2O3 納米微粒的聚合物膜和納米 Al2O3 粉體。大氣中的紫外線在 300~400nm 波段，在防曬油、化粧品中加入納米微粒，對這個波段的紫外光線 進行強吸收，可減少進入人體的紫外線，起到防曬作用。

9. 表述可使納米顆粒聚團有效分散的方法。

根據分散介質:分散體系區分為水性體系和非水性體系

根據分散方法:區分為物理分散和化學分散

物理分散：超聲波分散和機械力分散等

化學分散是指選擇一種回落多種適宜的分散劑提高懸浮體的分散性，以改善其穩定性和流變性

10. 解釋納米材料熔點降低現象。

表面原子具有低的配位數從而易於熱運動並引發熔融過程。這種表面熔融過程可以認為是納米晶熔點降低的主要原因。

11. 什麼是小尺寸效應？

當納米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態的相干長度或(與)磁場穿透深度相當或更小時，晶體週期性邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常的現象---小尺寸效應。

12. 納米顆粒與微細顆粒及原子團簇的區別？

原子團簇：僅包含幾個到數百個原子或尺度小於1nm的粒子稱為“簇”，它是介於單個原子與固態之間的原子集合體。納米微粒：微粒尺寸為納米數量級，它們的尺寸大於原子團簇，小於通常的微粒，一般尺寸為1-l00nm。

13. 納米材料的分類？

團簇、納米顆粒與粉體，納米碳管和一維納米材料，納米薄膜，納米塊材等納米材料

14. 簡述納米材料科技的研究方法有哪些？

主要有兩種技術：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種採用物理和化學方法對宏觀物質的超細化的納米科技的研究方法。

Bottom up 由下而上的方法，以原子、分子、團簇等為基元組裝具有特定功能的器件、材料。納米科技的最終目的是以原子、分子為起點，去製造具有特殊功能的產品。

15. 什麼是壓電效應？

沒有電場作用，由機械應力的作用而使電解質晶體產生極化並形成晶體表面電荷的現象稱為壓電效應。

16. 什麼是量子尺寸效應？

效應當粒子尺寸下降到一定值時, 顆粒的週期性邊界條件消失，在聲、光、電磁、熱力學及超導性等與宏觀特性顯著不同.金屬費米能級附近的電子能級由準連續變為離散能級的現象，納米半導體微粒存在不連續的最高能級佔據分子軌道和最低未被佔據的分子軌道能級的能隙變寬現象均稱為量子尺寸效應。

17.將乾燥粉料充填入模型內，再從單軸方向邊加壓邊加熱，使成型和燒結同時完成的一種燒結方法。

18.利用機械能來誘發化學反應和誘導材料組織、結構和性能的變化，以此來製備新材料或對材料進行改性處理。

三、問答題

1. 給出溶膠--凝膠法制備納米顆粒物料的步驟。

化學過程是首先將原料分散在溶液中，然後經過水解反應生成活性單體，活性單體進行聚合，開始成為溶膠，進而生成具有一定結構的凝膠，最後經過乾燥和熱處理得納米粒子，即經由分子態→聚合體→溶膠→凝膠→晶態(或非晶態)的過程。

2. 解釋納米顆粒的光吸收帶出現“藍移”現象的原因。

1) 量子尺寸效應即顆粒尺寸下降導致能隙變寬， 從而導致光吸收帶移向短波方向。Ball等的普適性解釋是：已被電子佔據的分子軌道能級與未被電子佔據的分子軌道能級之間的寬度(能隙)隨顆粒直徑的減小而增大，從而導致藍移現象。這種解釋對半導體和絕緣體均適用。

2) 表面效應納米顆粒大的表面張力使晶格畸變，晶格常數變小。鍵長的縮短導致納米顆粒的鍵本徵振動頻率增大，結果使紅外吸收帶移向高波數。

3. 什麼是共沉澱？均勻沉澱？各具有哪些特點？

共沉澱 在混合的金屬鹽溶液(含有兩種或兩種以上的金屬離子)中加入合適的沉澱剎，反應生成組成均勻的沉澱。沉澱熱分解得到高純超微粉體材料。特點：

均勻沉澱 利用某一化學反應，使溶液中的構晶離子（構晶負離子或構晶正離子）由溶液中緩慢、均勻地釋放出來，通過控制溶液中沉澱劑濃度，使溶液中的沉澱處於平衡狀態，且沉澱能在整個溶液中均勻地出現，這種製備納米粒子的方法稱為均相沉澱法。特點：

共沉澱是使溶液由某些特定的離子沉澱時，共存於溶液中的其他離子也和特定陽離子一起沉澱。均勻沉澱法是利用某一化學反應使溶液中的構晶離子由溶液中緩慢均勻地釋放出來，通過控制溶液中沉澱劑濃度，保證溶液中的沉澱處於一種平衡狀態，從而均勻的析出。共沉澱法的優點：1通過溶液中的各種化學反應直接得到化學成分均一的納米粉體材料，2是容易製備粒度小而且分佈均勻的納米粉體材料。均勻沉澱法具有原料成本低、工藝簡單、操作簡便、對設備要求低等優點。

4. 簡述sol-gel法(溶膠-凝膠法)製備納米薄膜的過程、途徑及特點？

從金屬的有機或無機化合物的溶液出發，在溶液中通過化合物的加水分解、聚合，把溶液製成溶有金屬氧化物微粒子的膠溶液，進一步反應發生凝膠化，再把凝膠加熱，可製成非晶態玻璃、多晶體陶瓷。

途徑：有機途徑和無機途徑。有機途徑是通過有機金屬醇鹽的水解與縮聚而形成溶膠；無機途徑則是將通過某種方法制得的氧化物微粒，穩定地懸浮在某種有機或無機溶劑中而形成溶膠。

特點：a、工藝設備簡單，不需要任何真空條件或其他昂貴的設備，便於應用推廣。b、在工藝過程中温度低。這對於製備那些含有易揮發組分或在高温下易發生相分離的多元體系來説非常有利。c、很容易大面積地在各種不同形狀、不同材料的基底上製備薄膜，甚至可以在粉體材料表面製備一層包覆膜，這是其他的傳統工藝難以做到的。d、容易製出均勻的多元氧化物薄膜，易於實現定量摻雜，可以有效地控制薄膜的成分及結構。e、用料省，成本較低。

5. 簡述氧化物系陶瓷基納米複合材料的力學性能改善機理？

1) 細晶強化：納米級彌散相抑制了樣哈無記得晶粒生長和減輕了晶粒的異常長大。

2) 基體晶粒再細化：在彌散相內或彌散相周圍存在搞得局部應力，這種應力是基體和彌散相之間的熱膨脹

失配而產生的，使冷卻期間產生位錯，納米級粒子釘扎或進入位錯區使基體晶粒內形成亞晶界。

3) 斷裂方式的改變：納米級栗子周圍的局部拉伸應力引起的`穿晶斷裂，並由於硬粒子對裂紋尖端的反射作

用而產生韌化。破壞模式從穿晶和晶間到單純晶間斷裂，晶界相的改變和對高温力學性能影響的減小，使高温力學性能獲得明顯改善。

4) 抑制位錯作用：納米級粒子在高温牽制位錯運動，從而也能使高温力學性能獲得明顯改善。上述性能的

改善，有利於抗熱震性的熱學-力學性能的改善。

6. 解釋納米材料熔點降低現象。

表面原子具有低的配位數從而易於熱運動並引發熔融過程。這種表面熔融過程可以認為是納米晶熔點降低的主要原因。

7. 納米材料自下而上製備技術是什麼？

自下而上：以原子、分子為基本單元，按照設計組裝成納米結構。

8. 納米粉體為什麼存在團聚問題？如何解決？

由於納米材料表面效應大、吸附能力強、極易團聚。針對不同材料有5種方法可以有效地克服納米粉末的團聚，實現納米粉末的分散：

分散劑法、超聲波法、表面活性劑、直接分散法、改進的膠粉混合法

9. 常用氣相和液相製備納米材料的方法有哪幾種？

氣相法：化學氣相反應法：氣相分解法、氣相合成法、氣－固反應法；物理氣相法：氣體冷凝法、氫電弧等離子體法、濺射法、真空沉積法、加熱蒸發法、混合等離子體法。

液相法：沉澱法水熱法：共沉澱法、化合物沉澱法、水解沉澱法、溶膠－凝膠法、冷凍乾燥法、噴霧法。

10. 觀察納米材料表面形貌最常用的方法有哪幾種？

納米材料常用的形貌分析方法主要有：掃描電子顯微鏡、透無線電子顯微鏡、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡。 掃描電鏡分析可以提供從數納米到毫米範圍內的形貌像，觀察視野大，其分辯率一般為6納米，對於場發射掃描電子顯微鏡，其空間分辯率可以達到0.5納米量級。 其提供的信息主要有材料的幾何形貌，粉體的分散狀態，納米顆粒大小及分佈以及特定形貌區域的元素組成和物相結構。掃描電鏡對樣品的要求比較低，無論是粉體樣品還是大塊樣品，均可以直接進行形貌觀察

透無線電鏡具有很高的空間分辯能力，特別適合納米粉體材料的分析。其特點是樣品使用量少，不僅可以獲得樣品的形貌，顆粒大小，分佈以還可以獲得特定區域的元素組成及物相結構信息。透無線電鏡比較適合納米粉體樣品的形貌分析，但顆粒大小應小於300nm，否則電子束就不能透過了。對塊體樣品的分析，透無線電鏡一般需要對樣品進行減薄處理。

掃描隧道顯微鏡主要針對一些特殊導電固體樣品的形貌分析。可以達到原子量級的分辨率，但僅適合具有導電性的薄膜材料的形貌分析和表面原子結構分佈分析，對納米粉體材料不能分析。

掃描原子力顯微鏡可以對納米薄膜進行形貌分析，分辨率可以達到幾十納米，比STM差，但適合導體和非導體樣品，不適合納米粉體的形貌分析。

這四種形貌分析方法各有特點，電鏡分析具有更多的優勢，但STM和AFM具有可以氣氛下進行原位形貌分析的特點。

11. 為什麼減小TiO2顆粒的尺寸，可以提高其光催化效果？

溶液中催化劑粒子顆粒越小，單位質量的粒子數就越多，體系的比表面積大，越有利於光催化反應在表面進行,因而反應速率和效率也越高。催化劑粒徑的尺寸和比表面積的一一對應直接影響着二氧化鈦光催化活性的高低。粒徑越小，單位質量的粒子數目越多，比表面積也就越大。

比表面積的大小是決定反應物的吸附量和活性點多少的重要因素。

比表面積越大，吸附反應物的能力就越強，單位面積上的活性點也就越多，發生反應的概率也隨之增大，從而提高其光催化活性。

12. 解釋金屬納米顆粒幾乎都是深色的原因？

金屬由於光反射顯現各種美麗的特徵顏色，金屬的納米微粒光反射能力顯著下降，通常可低於1％，由於小尺寸和表面效應使納米微粒對光吸收表現極強能力。當納米粒子的尺寸與光波波長、德布羅意波長、超導態的相干長度或(與)磁場穿透深度相當或更小時，晶體週期性邊界條件將被破壞，非晶態納米微粒的顆粒表面層附近的原子密度減小，導致聲、光、電、磁、熱力學等特性出現異常的現象。金屬被細分到小於光波波長的尺寸時，即失去了原有的富貴光澤而呈黑色。

13.興致發光是指在一定波長的光照射下,被激發到高能級的電子重新躍入低能級,被空穴捕獲而發光的圍觀過程.納米材料與常規材料發光譜有很大差別,這是由於①電子躍遷選擇定則問題②量子限域效應③缺陷能級的作用④雜質能級的影響。