纳米材料的热学特性
纳米材料物理热学性质
纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
一热容1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。
1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。
2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。
结合能的确比相应块体材料的结合能要低。
通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。
纳米材料的特性
纳米相材料在结构上与常规的晶态和非晶态体系有很大 的差别，表现为：小尺寸、能级离散性显著、表(界)面原子比 例高、界面原子排列和键的组态的无规则性较大等。这些特 征导致纳米材料的光学性质出现一些不同于常规晶态和非晶 态的新现象。
纳米材料的光学性质
1、宽频带强吸收
大块金属具有不同颜色的金属光泽，表明它们对可见光 范围各种颜色(波长)的光的反射和吸收能力不同。而当尺寸减 小到纳米级时，各种金属纳米微粒几乎都呈黑色。它们对可 见光的反射率极低，而吸收率相当高。例如，Pt纳米粒子的 反射率为1％，Au纳米粒子的反射率小于10％。这种对可见光 低反射率，强吸收率导致粒子变黑。
纳米微粒具有大的比表面积，表面原子数、表面能和表面张力 随粒径的下降急剧增加，小尺寸效应，表面效应、量子尺寸效应及 宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面 稳定性等不同于常规粒子，这就使得它具有广阔应用前景。
§1. 纳米材料的热学性质
1、熔点显著降低
金纳米微粒的粒径与熔点的关系
35nm 15nm 8nm
纳米材料的热学性质 纳米材料的熔点降低、烧结温 度降低、晶化温度降低等热学性质 的显著变化来源于纳米材料的表
（界）面效应。
§2. 纳米材料的光学性质
纳米粒子的一个最重要的标志是尺寸与物理的特征 玻尔半径以及电子的德布罗意波长相当时，小颗粒的量 子尺寸效应十分显著。与此同时，大的比表面使处于表
纳米材料的光学性质
如图：由不同粒径的CdS纳 米微粒的吸收光谱看出，随着微 粒尺寸的变小而有明显的蓝移。 体相PbS的禁带宽度较窄， 吸收带在近红外，但是PbS体相 中的激子玻尔半径较大(大于 10nm)，更容易达到量子限域。 当其尺寸小于3nm时，吸收光谱 已移至可见光区。
纳米材料的热学性质
纳米材料与团簇物理结课论文纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l5～5 0％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
纳米材料的热学性质概述一、纳米材料的熔点及内能材料热性能与材料中分子、原子运动行为有着不可分割的联系。
当热载子(电子、声子及光子)的各种特征尺寸与材料的特征尺寸(晶粒尺寸、颗粒尺寸或薄膜厚度)相当时，反应物质热性能的物性参数如熔化温度、热容等会体现出鲜明的尺寸依赖性。
特别是，低温下热载子的平均自由程将变长，使材料热学性质的尺寸效应更为明显。
图1 几种纳米金属粒子的熔点降低现象上图（图1）为几种纳米金属粒子的熔点降低现象。
随粒子尺寸的减小，熔点降低。
当金属粒子尺寸小于10nm后熔点急剧下降，其中3nm左右的金微粒子的熔点只有其块体材料熔点的一半，用高倍率电子显微镜观察尺寸2nm的纳米金粒子结构可以发现，纳米金颗粒形态可以在单晶、多晶与孪晶间连续转变。
这种行为与传统材料在固定熔点熔化的行为完全不同，伴随着纳米材料的熔点降低，单位质量粒子熔化时的潜热吸收(焓变)也随尺寸的减小而减少。
人们在具有自由表面的共价半导体的纳米晶体、惰性气体和分子晶体也发现了熔化的尺寸效应现象。
根据固体物理的基本原理，可以说明材料热学性质出现尺寸效应的根本原因，一般情况下，晶体材料的内能U可依据其晶格振动的波特性在德拜假设下估计出，即：(1) 式中，Θ为德拜温度；k为波矢；T为热力学温度；h为普朗克常数；k B为玻尔兹曼常数。
纳米材料的热学性能研究
纳米材料的热学性能研究随着科学技术的飞速发展，纳米材料的研究和应用越来越受到关注。
纳米材料具有独特的热学性能，这在许多领域有着重要的应用价值。
本文将就纳米材料的热学性能进行探讨。
首先，纳米材料具有较大的比表面积。
由于其颗粒尺寸较小，所以其比表面积相对较大。
这使得纳米材料在传热过程中更快速、高效。
例如，纳米颗粒在表面积较大的情况下，热辐射可以迅速扩散到周围环境中，从而减少了能量的损失。
因此，纳米材料在热传导方面具有更好的表现。
其次，纳米材料具备独特的热电性能。
热电效应是指在温度梯度存在时，物质产生电压差，进而产生电流。
纳米材料的独特结构和尺寸效应使其展现出优异的热电特性。
纳米材料的能带结构相对较窄，载流子运动自由度增加，热电效应增强。
此外，纳米材料的阻尼效应较小，电子准化和散射效应受到限制，从而进一步提升了热电性能。
因此，纳米材料在热电领域有着广泛的应用前景，例如热电发电、能量回收等。
另外，纳米材料的光热转换效应引起了研究者的广泛关注。
光热转换是指将光能转化为热能的过程。
纳米材料晶格结构的尺寸效应导致其光学性能随颗粒尺寸的变化而变化，从而实现了对光的高效吸收。
光热转换的一种应用是太阳能光热发电。
通过将纳米材料应用于太阳电池表面，可以使太阳能更高效地转化为电能。
此外，光热转换还可以用于太阳能热水器、光学传感器等领域。
最后，纳米材料的热稳定性值得关注。
纳米材料由于表面原子数量相对较多，其热稳定性相对较低。
在高温、强热辐射等环境下，纳米材料容易发生形变、熔化等现象，并影响其性能。
因此，提高纳米材料的热稳定性是纳米技术研究的重要方向之一。
目前，通过控制纳米材料的晶粒尺寸、掺杂和合金化等手段，可以有效提高其热稳定性。
总的来说，纳米材料的热学性能研究涉及到传热、热电、光热转换以及热稳定性等多个方面。
纳米材料的比表面积较大，具有优异的热传导性能；其独特的尺寸效应使其在热电方面表现出色；光热转换的效应为纳米材料在太阳能领域的应用提供了技术基础；同时，纳米材料的热稳定性也需要进一步的研究和提高。
纳米材料有哪四个特性
纳米材料有哪四个特性纳米材料是指在三维空间中至少有一维处在纳米尺度范围（1nm~100nm）或由他们作为基本单元构成的材料。
这是指纳米晶体粒表面原子数与总原子数之比随粒径变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
例如粒子直径为10纳米时，微粒包含4000个原子，表面原子占40%；粒子直径为1纳米时，微粒包含有30个原子，表面原子占99%。
纳米材料的基本特性由于纳米材料是由相当于分子尺寸甚至是原子尺寸的微小单元组成，也正因为这样，纳米材料具有了一些区别于相同化学元素形成的其他物质材料特殊的物理或是化学特性例如：其力学特性、电学特性、磁学特性、热学特性等，这些特性在当前飞速发展的各个科技领域内得到了应用。
纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面原子占相当大的比例。
随着粒径减小，表面原子数迅速增加。
这是由于粒径小，表面积急剧变大所致。
由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能，使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其它原子结合。
例如：金属的纳米粒子在空气中会燃烧，无机的纳米粒空子暴露在空气中会吸附并与气体进行反应。
纳米材料的表面效应是指纳米粒子的表面原子数与总原子数之比随粒径的变小而急剧增大后所引起的性质上的变化。
随着粒径变小，表面原子所占百分数将会显著增加。
当粒径降到1nm时，表面原子数比例达到约90%以上，原子几乎全部集中到纳米粒子表面。
由于纳米粒子表面原子数增多，表面原子配位数不足和高的表面能，使这些原子易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很高的化学活性。
2、小尺寸效应当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近原子密度减小，导致声、光、电磁、热力学等待性呈现新的小尺寸效应。
例如：光吸收显著增加并产生吸收峰的等离子共振频移；磁有序态向磁无序态的转变；超导相向正常相的转变；声子谱发生改变等由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。
纳米材料的热学特性研究
纳米材料的热学特性研究近年来，纳米科学与纳米技术在各个领域的迅猛发展引起了广泛的关注。
作为材料科学领域的一个重要分支，研究纳米材料的热学特性成为了一个热门话题。
纳米材料由于其独特的结构和尺寸效应，具有许多与宏观材料不同的热学行为，这对于纳米材料的应用和开发具有重要的指导意义。
首先，纳米材料的比表面积很大，具有较高的热传导性能。
纳米材料常常具有具体表面积高于1 m²/g的特点，这是由于其微观结构的存在，如纳米颗粒、纳米线等。
因此，纳米颗粒可以吸附更多的热量，使得纳米材料在热管、热散热器等领域具有广泛的应用潜力。
此外，由于纳米材料具有相对较大的热辐射和热导率，可以用于制备高效的太阳能电池和热电复合材料，提高能源利用效率。
其次，纳米材料的热膨胀系数与普通材料有所不同。
纳米材料的独特尺寸效应导致其热膨胀系数在宏观材料的基础上出现了显著变化。
研究发现，当纳米材料的尺寸减小到纳米尺寸级别时，其热膨胀系数下降了数个数量级，使得纳米材料在高温环境下具有更好的热稳定性。
这对于纳米电子元器件、导热材料和烧结材料的设计和制备具有重要意义。
此外，纳米材料由于其在能带结构和电子热容方面的独特性质，表现出了与宏观材料截然不同的热学特点。
在纳米材料的尺寸下降到一定程度时，电子的能量级密度出现显著调制，电子态密度发生了量子级别的变化。
此外，纳米材料的电子热容明显小于宏观材料，在低温下表现出冷热电特性。
对于纳米热电材料的研究发现，可以利用这些独特的热学特性来开发高效的纳米热电材料，实现能量的高效转换和利用。
然而，与此同时，纳米材料在热学特性研究中也面临着一些挑战。
由于纳米领域的研究相对较新，研究方法和技术比较有限。
例如，如何准确地测量纳米材料的热导率、热容和热膨胀系数等热学参数成为了一个关键问题。
尺寸效应也增加了纳米材料的制备和性能调控的难度。
因此，如何提高研究手段和技术，深入理解纳米材料的热学特性，是当前纳米材料热学研究的重点。
纳米材料的热学性质
纳米材料的热学性质一、纳米晶体的熔化1、几种熔化机制（描述纳米粒子的熔化过程）：(1) 根据熔化一级相变的两相平衡理论可以得到，熔点变化与表界面熔化前后的能量差有关，也就是与小粒子所处的环境相关。
对同质粒子，自由态和镶嵌于不同基体中时，粒子熔点降低的规律将会不同。
(2) 如果把粒子的熔化分为两个阶段，如图7-5所示，粒子的表面或与异质相接触的界面区域首先发生预熔化，完成表面的熔体形核，继而心部发生熔化，则粒子的熔化发生一个温度区间内。
该理论建立在忽略环境条件的基础上，所以小粒子的实际熔点降低与所处环境无关。
（3）随粒子尺寸的减小，表界面的体积分数较大，而且表界面处的原子振幅比心部原子的更大，均方根位移的增加引起界面过剩Gibbs自由能的增大会使小粒子的熔点降低。
图7-5 小粒子熔化过程示意图，液相层厚度用δ表示图7-4 受约束铅纳米薄膜（a）和自由铅薄膜（b）中铅的特征X-射线衍射强度随温度的变化情况原位X射线衍射测定的冷轧Pb/Al 多层膜及轧制的自由铅薄膜样品的熔化行为，图中虚线为块体Pb平衡熔点。
X射线衍射分析是测定晶体结构的重要手段, 由于原子周期排列的晶体结构对X 射线的散射会产生反映晶体结构的特征衍射,而熔化后的液态金属原子排列无序,对X 射线不会产生特征衍射. 因此,熔化过程中X 射线特征衍射只能由剩余的晶体部分产生,特征衍射强度将因晶体的熔化而显著降低.图7-4为可以看出，自由铅薄膜的四个特征衍射的强度到大约326℃开始急剧降低，并在329℃之前均下降为零。
Pb/Al多层膜样品中铅膜的四个特征衍射的强度在326～329℃也会降低，但并未降到零，而是在高于329℃不同的温度降低到零，其中的（111）衍射直到340℃才完全消失。
这说明，Pb/Al多层膜样品中部分铅膜在达到334℃时依然存在，其熔化温度超过了自由铅薄膜的熔化温度，夹在铝中的部分铅薄膜出现了过热现象。
纳米晶体的熔化2、纳米材料的过热意义：纳米材料熔点降低在很多情况下限制了其应用领域，人们经常希望提高纳米材料热稳定性。
纳米材料特性
纳米材料特性纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米尺度范围内。
纳米材料的特性主要包括结构特性、力学特性、光学特性、电子特性、热学特性等方面。
首先，纳米材料的结构特性是指其晶体结构、晶粒尺寸、表面形貌等方面的特性。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此具有较大的比表面积和较高的表面能，这使得纳米材料具有优异的化学反应活性和表面催化性能。
此外，纳米材料的晶粒尺寸小于光的波长，因此呈现出与宏观材料不同的光学特性，如量子尺寸效应、表面等离子共振等。
其次，纳米材料的力学特性是指其在外力作用下的变形和破坏行为。
由于纳米材料的晶粒尺寸较小，其内部存在大量晶界和位错，这使得纳米材料具有较高的强度和硬度。
同时，纳米材料还表现出超塑性、超硬度等特殊的力学性能，这使得纳米材料在材料加工、结构设计等领域具有广泛的应用前景。
另外，纳米材料的光学特性是指其在光场作用下的吸收、散射、透射等光学行为。
由于纳米材料的尺寸与光的波长相当，因此呈现出与宏观材料不同的光学特性，如光学量子效应、表面等离子共振等。
这些特殊的光学特性使得纳米材料在光学器件、光电子器件等领域具有重要的应用价值。
此外，纳米材料的电子特性是指其在外电场作用下的导电、电子结构等电子行为。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此呈现出与宏观材料不同的电子特性，如量子限制效应、载流子输运的量子干涉效应等。
这些特殊的电子特性使得纳米材料在电子器件、传感器等领域具有重要的应用潜力。
最后，纳米材料的热学特性是指其在温度场作用下的传热、热膨胀等热学行为。
由于纳米材料的尺寸处于纳米尺度，因此呈现出与宏观材料不同的热学特性，如热量子化效应、纳米尺度下的热传导等。
这些特殊的热学特性使得纳米材料在热管理材料、热电材料等领域具有重要的应用前景。
综上所述，纳米材料具有独特的结构特性、力学特性、光学特性、电子特性和热学特性，这些特性使得纳米材料在材料科学、纳米技术、纳米医学等领域具有广泛的应用前景。
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纳米材料的热学特性
【摘要】：纳米材料的应用及其广泛，涉及到各个领域。
本文将从纳米材料的热容，晶格参数，结合能，内聚能，熔点，溶解焓，溶解熵及纳米材料参与反应时反应体系的化学平衡等方面对纳米材料的热学性质的研究进行阐述，并对纳米材料热学的研究和应用前景进行了展望。
【关键词】：纳米材料热学特性发展前景
【正文】：
（一）纳米材料
纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
（二）热学特性
一热容
1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。
1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。
2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能
纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。
结合能的确比相应块体材料的结合能要低。
通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对
晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。
三纳米粒子的熔解热力学
熔解温度是材料最基本的性能，几乎所有材料的性能如力学性能，物理性能以及化学性能都是工作温度比熔解温度( T /Tm )的函数，除了熔解温度外，熔解焓和熔解熵也是描述材料熔解热力学的重要参量；熔解焓表示体系在熔解的过程中，吸收热量的多少，而熔解熵则是体系熔解过程中熵值的变化。
几乎整个熔解热力学理论就是围绕着熔解温度，熔解熵和
熔解焓建立的块体材料的熔解温度(有时称熔点) 熔解焓(或称熔解热)和熔解熵一般是常数，但对于纳米材料则非如此实验表明:纳米微粒的熔解温度依赖于微粒的尺寸。
四反应体系的化学平衡
利用纳米氧化铜和纳米氧化锌分别与硫酸氢钠溶液的反应，测定出不同粒径，不同温度时每个组分反应的平衡浓度，从而计算出平衡常数，进而得到化学反应的标准摩尔吉布斯函数;通过不同温度的标准摩尔吉布斯函数，可得化学反应的标准摩尔反应焓Hm 和标准摩尔反应熵S ;通过不同粒度反应物反应的实验，得到粒度对化学反应的热力学性质和平衡常数的影响规律；Polak等设计了纳米限域体系中化学反应平衡态的模型，指出:在密闭体系中合成纳米结构的材料时，条件的波动和化学计量数密切相关，并且在小体系中起着主导作用;温度决定反应的平衡常数。
（三）前景展望
纳米粒子具有很高的表面能和表面活性，极不稳定，很容易团聚在一起，形成带有若干连接面、尺寸较大的团聚体。
这种团聚现象可以产牛十纳米材料生产：过程及后处理过程。
这使得纳米材料不能以其纳米颗粒形态在橡胶中均匀分散。
在聚合物中不能以纳米形态分散，就不能充分发挥纳米材料应有的效能。
这是当前制约纳米材料扩大应用的关键技术难题。
但是，纳米材料作为跨世纪的新型材料，将用于下一代的微电子器件及纳米电子器件，使未来的电脑，电视，卫星，机器人等的体积变得越来越小，速度更快，能耗更低，利用纳米科技已成功研制出各种纳米器件，将为现代医学带来快速高效的基因组测序基因诊断基因治疗药物，导弹，技术，可靠人工组织和器官复明复聪器件等方面的应用在环境保护方面，纳米材料因其具有强的吸附性能，在污水处理和空气净化方面也将会起到重要作用。
【参考文献】
（1）郑瑞伦李建梁一平Mo纳米晶的热学特性材料研究学报第九卷第六期（2）吕百龄纳米材料的特性及其应用
（3）姜俊颖黄在银纳米材料热力学的研究化学进展
纳米材料的热学特性
姓名：王丽洁
学号：08506098
日期：2011-7-4。