含氟聚合物改性纳米TiO2粒子的研究(3)

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20 2.5×105 10

10 3.0×104 20

5 4.0×103 40

2 2.5×102 80

1 30 99

从上表可以看出，随着粒径的减小，表面原子数迅速增加。另外，随着粒径的减小，纳米粒子的比表面积、表面能以及表面结合能都迅速增大。这主要是因为纳米粒子表面原子处于裸露状态，周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，容易与其他原子结合而稳定，因而表现出很大的化学活性和催化活性。例如许多纳米金属微粒室温下在空气中就会被强烈氧化而燃烧，很多催化剂的催化效率随着尺寸减小到纳米量级而得到显著的提高。如利用纳米粒径小、表面有效反应中心多、催化性能好等特性，在火箭固体燃料中参杂Al纳米晶，可以提高其燃烧效率、选择性以及响应和恢复速率等性能。纳米材料中界面原子所占的体积分数很大，它对于材料的性能的影响非常显著。实际上，纳米材料的许多物性主要由界面决定。低温超塑性是纳米材料的一个重要特性，普通陶瓷只有在1000℃以上，在小于一定的应变速率时才能表现出塑性，而许多的纳米陶瓷在室温下就会发生塑性变形。这种纳米陶瓷增韧效应主要归因于大量界面的存在。纳米材料的塑性变形主要是通过晶粒之间的相对滑移而实现的。纳米材料中晶界区域原子扩散系数非常大，存在着大量的短程快扩散路径，正是这些快扩散过程使得变形过程中一些初发的微裂能够迅速的弥合，从一定程度上避免了脆性断裂的发生。论文网

1.1.2 小尺寸效应（体积效应）

当纳米粒子的尺寸与光波的波长、传导电子的德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理尺寸相当或比它们更小时，它的周期性边界条件被破坏，从而使其声、光、电、磁，热力学等性能均会随着粒子尺寸的减小发生显著的变化。这种因尺寸的减小而导致的变化称为小尺寸效应，也叫体积效应。比如纳米粒子的熔点可远低于块状本体，此特性为粉末冶金工业提供了新工艺；利用等离子的共振频移随颗粒尺寸变化的性质，可以通过改变颗粒的尺寸，控制吸收边的位移，构造具有一定频宽的微波吸收纳米材料，用于电磁波屏蔽、隐形飞机等。材料的硬度和强度随着晶粒尺寸的减小而增大，不少纳米陶瓷材料的硬度和

强度比普通的材料高4～5倍，比如纳米TiO2的显微硬度为12.75 kPa，而普通的TiO2陶瓷的显微硬度低于1.96 kPa。在陶瓷基体中引入纳米分散相并进行复合，不仅可以大幅度的提高其断裂强度和断裂韧性，明显改善其耐高温的性能，而且能提高材料硬度、弹性模量、抗热震和抗高温蠕变等性能。文献综述

1.1.3 量子尺寸效应

量子尺寸效应是指纳米材料颗粒的尺寸达到一定值时，费米能级附近的电子能级由准连续能级转变为离散能级的现象。早在20世纪60年代Kubo给出了能级间距与组成原子数N之间的关系式：， EF为费米能级，N为微粒中的原子数。对于常规物体，因为包含的原子数趋向于无穷大，故常规材料的能级间距几乎为零，电子能级表现为准连续性；对纳米粒子，因含原子数有限，N值较小，导致有一定的值，即能级发生了分裂，当能级间距大于热能、磁能、光子能量或者超导态的凝聚态时，必然因量子尺寸效应导致纳米材料晶体的光、热、磁、声、电等与常规材料有明显的不同，如特异的光催化性、高度光学非线性及电学特征等。