材料化学 李奇 陈光巨 编写 第六章 课后答案

第6章习题答案

1.纳米的基本涵义是什么?简述为什么纳米材料会表现出许多前所未有的新特性?

答：纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

由于纳米材料具有颗粒尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子所占比例大等特点，纳米材料具有传统材料所不具备的奇异或反常的物理、化学特性，如原本导电的铜到某一纳米级界限就不导电，原来绝缘的二氧化硅、晶体等，在某一纳米级界限时开始导电。即纳米材料显现出纳米效应，具体表现为三大效应：表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应。

由于纳米效应，纳米材料光学、热学、电学、磁学、力学乃至化学性质也就相应地发生十分显著的变化。因此纳米材料具备其它一般材料所没有的优越性能，可广泛应用于电子、医药、化工、军事、航空航天等众多领域，在整个新材料的研究应用方面占据着核心的位置。

2.纳米材料可分为哪几类?

答：纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体等四类。其中纳米粉末开发时间最长、技术最为成熟，是生产其他三类产品的基础。

纳米粉末又称为超微粉或超细粉，一般指粒度在100纳米以下的粉末或颗粒，是一种介于原子、分子与宏观物体之间处于中间物态的固体颗粒材料。纳米纤维指直径为纳米尺度而长度较大的线状材料。纳米膜分为颗粒膜与致密膜。颗粒膜是纳米颗粒粘在一起，中间有极为细小的间隙的薄膜。致密膜指膜层致密但晶粒尺寸为纳米级的薄膜。纳米块体是将纳米粉末高压成型或控制金属液体结晶而得到的纳米晶粒材料。

3.比较小尺寸效应和量子尺寸效应。

答：纳米颗粒的小尺寸所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。当纳米材料中的微粒尺寸小到与光波波长或德布罗意波波长、超导态的相干长度等物理特征相当或更小时，晶体周期性的边界条件被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，使得

材料的声、光、电、磁、热、力学等特性表现出改变而导致出现新的特性。

当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米能级附近的电子能级由准连续变为离散的现象，以及纳米半导体微粒存在不连续的最高占据分子轨道(HOMO)能级和最低空轨道(LUMO)能级而使能隙变宽的现象，均称为量子尺寸效应。

4.什么是室温超塑性？为什么纳米陶瓷有望实现室温超塑性？

答：超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸长量，这种现象通常发生在经受中温(0.5T m)、中等到较低的应变速率(10-6～10-2s-1)条件下的细晶材料中。目前，形变率达100％的张应力超塑性比较常见，最大的形变高达800％。陶瓷超塑性的主要问题是形变率太大而不足以进行实际的应用，另外尽管人们发现在Y-TZP、Al2O3、Si3N4等陶瓷材料高温时(1100～1600℃)具有超塑性，但室温超塑性仍然未见报道。

一般认为陶瓷具有超塑性应该具有两个条件，一是较小的粒径，二是快速的扩散途径(增强的晶格、晶界扩散能力)。纳米陶瓷具有较小的晶粒及快速的扩散途径，所以有望实现室温超塑性。最近研究发现，随着粒径的减少，纳米TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感度明显提高。由于这些试样气孔很少，可以认为这种趋势是细晶陶瓷所固有的。最细晶粒处的形变率敏感度大约为0.04，几乎是室温下铅的1/4，表明这些陶瓷具有延展性，尽管没有表现出室温超塑性，但随着晶粒的进一步减小，这一可能是存在的。

5.为什么在研究碳纳米管的过程中，可以借鉴研究石墨的方法和技巧？石墨片卷绕成碳纳

米管的方式主要有哪几种，有何区别？

答：各种实验表明，碳纳米管的管壁是一种类似于石墨片的碳六边形网状结构，但有扭曲，这就是说，碳纳米管管壁由碳六边形环构成，每个碳与周围的三个碳原子相邻，碳与碳之间通过sp2杂化键结合，展开在平面上，实际上就是石墨片的结构。所以简单地说，碳纳米管可以看成是由石墨片卷成圆筒状而成的。

石墨片卷成圆筒状的方式并不是唯一的，不同的卷绕方式所得到的碳纳米管的对称性不同，物理和化学性质也可能不同。高度旋转对称的碳纳米管，主要有两种方式，即扶手椅面方向和锯齿面方向旋转而成的碳纳米管。

6.简述碳纳米管电学性质与其结构的关系。

答：碳纳米管具有独特的电学性质，这是由于电子的量子限域所致，电子只能在单层石墨片

中沿纳米管的轴向运动，径向运动受到限制，因此，它们的波矢是沿轴向的。所有的单臂碳纳米管是金属性的，手性和锯齿纳米管中部分为金属，部分为半导体性的。计算结果表明，共轴的金属-半导体和半导体-金属纳米管对是稳定的。因此，纳米尺度元件可在两个共轴纳米管或纳米管之间的结的基础上设计。可以想象纳米尺度电子元件可完全由碳末做成，这种元件同时具有金属和半导体性质。

7.说明溶胶-凝胶法的原理及基本步骤。

答：溶胶-凝胶法是一种新兴起的制备陶瓷、玻璃等无机材料的湿化学方法。其基本原理是：易于水解的金属化合物(无机盐或金属醇盐)在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程逐渐凝胶化，再经干燥烧结等后处理得到所需材料，基本反应有水解反应和聚合反应。这种方法可在低温下制备纯度高、粒径分布均匀、化学活性高的单多组分混合物(分子级混合)，并可制备传统方法不能或难以制备的产物，特别适用于制备非晶态材料。

溶胶-凝胶法制备过程中以金属有机化合物(主要是金属醇盐)和部分无机盐为前驱体，首先将前驱体溶于溶剂(水或有机溶剂)形成均匀的溶液，接着溶质在溶液中发生水解(或醇解)，水解产物缩合聚集成粒径为1nm左右的溶胶粒子(sol)，溶胶粒子进一步聚集生长形成凝胶(gel)。有人也将溶胶-凝胶法称为SSG法，即溶液-溶胶-凝胶法

8.纳米固体中纳米微粒结构可以有哪些形态？

答：按照纳米固体中纳米微粒结构形态的不同，可将其分为纳米晶体、纳米非晶体和纳米准晶体。包含的纳米微粒为晶态的纳米固体就是纳米晶体。在显微结构上，它有两种组元：一种是晶体组元，其原子位于晶粒内格点上；另一种是界面组元，原子位于晶粒间的界面上。它们都达到了纳米量级尺度，因而又有纳米微晶材料的说法。只是短程有序的非晶态纳米微粒组成的纳米固体称为纳米非晶体，而将只有取向对称性的纳米级准晶微粒弥散在基体中时，就可以得到纳米准晶材料。

9.纳米晶体与一般多晶体的区别是什么？简述纳米晶材料的特点。

答：纳米晶体中晶界所占的体积分数比一般多晶体高。

纳米晶材料（纳米结构材料）是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。不同取向的纳米尺度小晶粒由晶界联结在一起，由于晶粒极微小，晶界所占的比例就相应的增大。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大

量的晶体缺陷。

纳米结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、平均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（高密度缺陷）而呈现特殊的物理、化学和力学性能。纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能也异常于通常材料。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料，因为晶界对电子有散射作用，当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界散射作用加强，电阻及电阻温度系数增加。

但纳米半导体材料却具有高的电导率，如纳米硅薄膜的室温电导率高于多晶硅3个数量级，高于非晶硅达5个数量级。纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力。纳米材料的超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的。

10.何为纳米组装体系？目前主要有哪些纳米组装体系的研究？

答：由人工组装合成的纳米结构材料体系称为纳米组装体系，也叫纳米尺度的图案材料。它是以纳米微粒以及它们组成的纳米丝和管为基本单元，在一维、二维和三维空间组装排列成具有纳米结构的体系。纳米微粒、丝、管可以是有序或无序的排列，其特点是能够按照人们的意愿进行设计，使整个体系具有人们所期望的特性，因而该领域被认为是材料化学和物理学的重要前沿课题。

纳米组装体系又可以分为纳米阵列体系、介孔组装体系和薄膜镶嵌体系。目前对纳米阵列体系的研究，集中在由金属纳米微粒或半导体纳米微粒在一个绝缘的衬底上整齐排列所形成的二维体系上。而纳米微粒与介孔固体组装体系由于微粒本身的特性以及与基体的界面耦合产生了一些新的效应，也使其成为研究热点。