纳米材料考试试题3
判断和填空
1由纳米薄膜的特殊性质，可分为两类：a、含有那么颗粒与原子团簇——基质薄膜。b、纳米尺寸厚度的薄膜，其厚度接近于电子自由程和Debye长度，可以利用其显著的量子特性和统计特性组装成新型功能器件。
2、.增强相为纳米颗粒、纳米晶须、纳米晶片、纳米纤维的复合材料称为纳米复合材料；纳米复合材料包括金属基、陶瓷基和高分子基纳米复合材料；复合方式有：晶内型、晶间型、晶内-晶间混合型、纳米-纳米型等
3、宏观量子隧道效应微粒具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。微粒的磁化强度,量子相干器
件中的磁通量等，具有隧道效应、称为宏观的量子隧道效应。
4、纳米微粒反常现象原因：小尺寸效应、表面界面效应、量子尺寸效应及量子隧道效应。
举例：金属体为导体，但纳米金属微粒在低温由于量子尺寸效应会呈现电绝缘性。化学惰性的金属铂制成纳米微粒（铂黑）后却成为活性极好的催化剂。
5、非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体。
6、超顺磁性纳米微粒尺寸小到一定临界值进入超顺磁状态，例如a-Fe Fe3O4和a-Fe2O3
粒径分别为5nm 16nm和20nm时变成顺磁体这时磁化率X不再服从居里-外斯定律。
7、超顺磁状态的起源:在小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时，磁化方向就不再固定一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米微粒显现的超顺的临界尺寸是不同的。
8纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力Hc
10矫顽力的起源两种解释一致转动模式和球链反转磁化模式。
11.居里温度Tc为物质磁性的重要参数与交换积分成正比，并与原子构型和间距有关。对于薄膜随着铁磁薄膜厚度的减小，居里温度下降。对于纳米微粒，由于小尺寸效应而导致纳米粒子的本征和内禀的磁性变化，因此具有较低的居里温度。
12，大块金属具有不不同颜色的光泽，表明对可见光各种颜色的反射和吸收能力不同。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。反射率：Pt为1%,Au小于10%。对可见光低反射率、强吸收率导致粒子变黑。
13、当纳米微粒的尺寸小到一定值时可在一定波长的光激发下发光。
14、物理法制备纳米粒子：粉碎法和构筑法。前者以大块固体为原料，将块状物质粉碎、细化，从而得到不同粒径范围的纳米粒子；构筑法是由小极限原子或分子的集合体人工合成超微粒子。
15、物料的基本粉碎方式：压碎、剪碎、冲击破碎和磨碎。
16、非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体
17.原位复合法主要有：共晶定向凝固法、直接氧化法和反应合成法
18、纳米增强相和金属基体之间的界面类型三种：不反应不溶解；不反应但相互；相互反应生成界面反应物。界面结合方式有四种：机械结合；浸润与溶解结合；化学反应结合；混合结合。界面的溶解和析出是影响界面稳定性的物理因素，而界面反应是影响界面的化学因素。
19、使纳米增强相遇金属基体之间具有最佳界面结合状态的措施：应该使纳米增强相与金属基体之间具有良好的润湿后，互相间应发生一定程度的溶解；保持适当的界面结合力，提高复合材料的强韧性；并产生适当的界面反应，而界面反应产物层应质地均匀，无脆性异物，不能成为内部缺陷（裂纹源），界面反应可以控制等。措施：增强相表面改性（如涂覆）;基体合金化（改性）。
20、原位复合法关键：在陶瓷基体中均匀加入可生成纳米第二相的元素或化合物，控制其反应生成条件，使其在陶瓷基体致密化过程中，在原位同时生长处纳米颗粒、晶须和纤维等，形成陶瓷基纳米复合材料。也可以利用陶瓷液相烧结时某些晶相生长成高长径比的习性，控制烧结工艺。也可以使基体中生长高长径比晶体，形成陶瓷基复合材料。优点：有利于制作形状复杂的结构件，成本低，同时还能有效地避免人体与晶须等地直接接触，减轻环境污染。
21、陶瓷基纳米复合材料的基体主要有：氧化铝、碳化硅、氮化硅和玻璃陶瓷。与纳米级第二相的界面粘结形式：机械粘结和化学粘结
阻效应与磁性颗粒的直径呈反比关系，要在颗粒膜体系中显示出巨磁阻效应，必须是颗粒尺寸及其间距小于电子平均自由程。
3、简述sol-gel法(溶胶-凝胶法)制备纳米薄膜的过程、途径及特点？
答:过程: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。
4、什么是共沉淀？均匀沉淀？各具有哪些特点？
答：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
5、什么是离子镀膜？其一般流程及工作原理是什么？
答：离子镀就是在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层的镀膜技术。离子轰击得目的在于改善膜层的性能。离子镀是镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜过程。一般流程：无论是蒸镀还是溅射都可以发展成为离子镀。在磁控溅射时，将基片与真空式绝缘，再加上数百伏的负偏压，即有能量为100eV量级的离子向基片轰击，从而实现离子镀。离子镀也可以在蒸镀的基础上实现，例如在真空室内通入1Ｐａ量级的Ar气后，在基片上加上1000V以上的负偏压，即可产生辉光放电，并有能量为数百电子伏的离子轰击基片，这就是二级离子镀。工作原理：离子镀中轰击离子大概有几百到几千电子伏特。离子镀一般来说是离子轰击膜层，实际上有些离子在行程中与其它原子发生碰撞时可能发生电荷转移而变成中性原子，但其动能并没有变化，仍然继续前进轰击膜层。由此可见，所有离子轰击，确切的说应该是既有离子又有原子的粒子轰击。粒子中不但有氩粒子，还有靶材粒子，在镀膜初期还会有由基片表面溅射出来的基材粒子。
6、简述CVD方法的特点、原理及其一般流程
答：CVD的特点：①在中温或高温下，通过气态的初始化合物之间的气相化学反应而沉积固体。
②可以在大气压（常压）或者低大气压下（低压）进行沉积。一般来说低压效果更好③采用等离子和激光轴助技术可以显著地促进化学反应，使沉积可以在较低的温度下进行④沉积层的化学成分可以变化，从而获得梯度沉积物或者得到混合沉积层⑤可以控制沉积层密度和纯度⑥绕镀性好，可在复杂形状的基体上及颗粒材料上沉积⑦气流条件通常是层流的，在基体表面形成厚的边界层⑧沉积层通常具有柱状晶结构，不耐弯曲。但通过各种技术对化学反应进行气相扰动，可以得到细晶粒的等轴沉积层。⑨可以形成多种金属、合金、陶瓷和化合物沉积层。CVD 的原理：混合气体在较高的温度下发生化学反应,在基体表面沉积形成涂层和薄膜一般流程：高纯度的高压气体，一般大多是使用载气体，通过气体精制装置进行净化，特别是必须十分注意除去对薄膜性质影响较大的水和氢。当温室下使用非气态的，即固态或者固态原料时，须使其在规定的温度下蒸发或升华，并通过载气送入反应炉内。还必须使废气通过放有吸收剂的水浴瓶、收集器或特殊的处理装置后进行排放。并且在装置和房间里安装防爆装置和有毒气体的检验器。这样CVD的整个流程可以分为原料气体和载气的供给源气体的混合系统、反应炉、废气系统以及气体和反应炉的控制系统。
7.简述PVD方法的特点、原理及其一般流程。
答:特点1膜层与工件表面的结合力强，更加持久和耐磨.2离子的绕射性能好，能够镀形状复杂的工件。3膜层沉积速度快，生产效率高。4可镀膜层种类广泛。5膜层性能稳定、安全性高。PVD技术原理：在镀铬的基础上，利用高温高压蒸发振动使表面涂层材料激发形成离子流，并与铬镀层离子紧密结合，然后再在龙头表面沉积而成。流程：来料抽检、上挂、清洗、烘烤、镀膜、下挂、入库、全检、涂抗指纹油、UV、终检
8. 纳米固体材料的界面结构对性能有重要影响，采用TEM观察纳米固体材料界面结构时，要考虑的两个问题是什么？答：考虑的问题是: ①试样制备过程中界面结构弛豫问题.制备TEM 试样时,由于应力松驰,导致纳米材料界面结构弛豫,使观察的结果可能与原始状态有很大差别.
②电子束诱导界面结构弛豫问题.高能量的电子束缚照射薄膜试样表面可能导致局部过热,面产生界面结构弛豫.纳米材料内原子扩散速度很快,原子弛豫激活能小,即使子啊低温下电子束轰击也会对纳米材料界面的原始状态有影响
9纳米晶材料晶粒尺寸热稳定性和纳米相材料颗粒尺寸热稳定性有何异同，为什么？答：纳米相材料颗粒尺寸热稳定性尺寸热稳定性的温度范围较窄, 纳米相材料颗粒尺寸热稳定性的温度范围较宽.这是由于: ①长大激活能, 纳米晶材料晶粒长大激活能较小,晶粒相对来说容易长大,所以热稳定华温区范围较窄;纳米相材料颗粒长大激活能较大,颗粒长大较困难,所以热稳定化区范围较宽. ②界面迁移,抑制界面迁移会阻止晶粒长大,提高热稳定性.界面能高及界面两侧相邻晶粒的差别大,有利于晶界迁移.纳米晶材料晶粒为等轴晶,粒径均匀,分布窄,保持各向同性时,就会大大降低界面迁移的驱动力,而不会发生晶粒异常长大,有利于热稳定性的提高. ③晶界结构弛豫:纳米相材料由于压抑过程中晶粒取向是随机的,晶界内原子的排列,键的组态,缺陷的分布都比晶内混乱得多,晶界通常能量高而引起晶界迁移.因为在升温过程中首先是进界产生结构弛豫,导致原子重排,趋于有序,以降低晶界自由性.这是由于晶界结构弛豫所需要能量小于晶界迁移能,升温过程中提供的能量首先在晶界结构弛豫上,从面试纳米材料晶粒在较宽范围内部明显长大。④晶界钉扎,纳米相材料找你个添加稳定剂,使其偏聚在晶界,降低晶界的静电能和畸变能,对晶界起钉扎作用,使晶界迁移变的困难,晶粒打仗得到控制,有利于提到纳米相材料的热稳定性. 10什么是光致发光？纳米材料与常规材料发光谱是否相同，原因是什么？答：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
11.纳米材料的介电常数与常规粗晶材料有何异同，其随外加电场频率的变化趋势是否相同，为什么？答：纳米材料的介电常数比常规材料要高，其随外加电场频率的变化趋势相同。原因：电介质显示高的介电性必须在电场作用下极化的建立能跟上电场的变化，极化损耗小，甚至没有损耗。纳米材料随着电场频率的下降，介质的多种极化都能跟的上外加电场的变化，介电常数增大，与以下几种极化机制有关：a、空间电荷极化：极化强度随温度上升而下降b、转向极化：极化强度随温度上升而出现极大值c、松弛极化：介电损耗与温度、频率的关系曲线中均出现极大值。
12.简述氧化物系陶瓷基纳米复合材料的力学性能改善机理答：a、纳米级弥散相抑制了氧化物基体晶粒生长和减轻了晶粒的异常长大，起到细晶强化作用b、在弥散相内火弥散相周围存在高的局部应力，这种应力是基体和弥散相之间热膨胀失配而产生的，使冷却期间产生位错，纳米级粒子针扎或进入位错区使基体晶粒内形成亚晶界，使基体晶粒再细化而起增强作用c、纳米级粒子周围的局部拉伸应力引起穿晶断裂，并由于硬粒子对裂纹尖端的反射作用而产生韧化。破话模式从穿晶和晶间道单纯晶间断裂，晶界相（通常约10%体积的无定形相）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d、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。
13.金属基纳米复合材料的力学性能改善机理图在124页答：a、与长纤维增强复合材料不同，基体和增强体都将承担载荷，但颗粒与晶须的增强效果不同。颗粒增强复合材料的强度与颗粒在基体中分布的平均间距有关。随颗粒间距增大，复合材料的强度下降。也就是说，在同样体
积含量下，颗粒越细，增强效果越好。b、晶须的强度和长径比远高于颗粒，因此晶须的增强效果要比颗粒显著。但无论是颗粒增强，还是晶须增强，复合材料的强度是随增强体含量的增加而增加。见图1。C、颗粒和晶须增强金属基那么复合材料的模量基本符合复合法则。由于颗粒与晶须增强体材料在模量上差别不大，因而两者对模量的增强效果是接近的。见图 2.。d、与对强度的增强效果相比，颗粒对复合材料模量的增强效果十分明显，但仍然低于晶须，这是由于颗粒形状对模量增强效果有一定的影响。e、采用颗粒和晶须增强金属基那么复合材料时，在高温下得强度和模量一般要比其基体合金的高。与室温时相同，复合材料的高温强度及高温模量也随颗粒或晶须的体积含量的增加而增加。见图3。
14.粉末冶金法制备金属基纳米复合材料的过程及其特点?图在136页
答：由图可以看出，金属基纳米复合材料的粉末冶金工艺过程主要分为二部分。首先将增强体材料（纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须等）与金属粉末混合均匀。然后进行封装、除气或采用冷等静压（CIP），再进行热等静压（HIP）或无压烧结，以提高复合材料的致密性。经过热等静压或无压烧结后，一般还要经过二次加工（热挤压、热轧等）才能获得金属基纳米复合材料零件毛坯。特点：a、热等静压或无压烧结温度低于金属熔点，因而由高温引起的增强体材料与金属基界面反应少，一减少界面反应应对复合材料性能的不利影响。同时可以通过热等静压或无压烧结时的温度、压力和事件等工艺参数来控制界面反应b、可以根据所设计的金属基纳米复合材料的性能要求，使增强体与基体金属粉末一任何比例混合，增强体含量可达50%以上c、可以降低增强体与基体互相湿润的性能要求，也降低了增强体与基体粉末的密度差要求，使纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须等均匀分布在金属基纳米复合材料中d、采用热等静压工艺时，妻组织细化、致密、均匀，一般不会产生偏析、偏聚等缺陷。可使孔隙和其他内部缺陷得到明显改善，从而提高复合材料的性能e、粉末冶金工艺制备的金属基纳米复合材料可以通过传统的金属加工方法进行二次加工，得到所需形状的复合材料零件毛坯。缺点：粉末冶金工艺过程比较复杂，特别是金属基体必须制成金属粉末，增加了工艺的复杂性和成本
15.简述聚合物熔融嵌入法制备高分子基纳米复合材料的一般过程和特点.答：聚合物熔融嵌入法的操作过程如下：首先用合适的有机改性剂与层状硅酸盐反应，制得有机改性层状硅酸盐。然后将聚合物与有机改性层状硅酸盐粉末的共混物一起加热到聚合物的Tg（非晶聚合物）活Tm （结晶聚合物）以上，聚合物分子链通过扩散而进入硅酸盐层间。
与溶液嵌入法相比，熔融嵌入法具有以下优点：a、使用范围广，不同极性或结晶的聚合物都可以用此法制得相应的嵌入法化合物；同时还可以制备溶液嵌入法难以制备的杂化材料b、与目前聚合物成型加工技术（如挤压、注射）具有兼容性c、嵌入法过程不使用溶剂，从环保经济效益角度来看非常有利d、这种方法制备的新型杂化材料为研究受限于二维空间聚合物链的构象及单分子链的特征提供了理想的模型。
16.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。
答:纳米微粒的熔点，烧结温度和比热均比常规材料低得多。原因：由于颗粒小，纳米微粒的表面能高，比表面原子数多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料，因此纳米粒子融化时所需增加的内能小得多，这就使得纳米微粒熔点急剧下降；纳米微粒尺寸小，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了，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮没，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低；非晶纳米微粒的晶化温度低于常规粉体，传统非晶在Si3N4在1793K晶化成α相，纳米非晶Si3N4微粒在1673K加热4h全部转变成α相，纳米微粒开始长大，温度随粒径的减小而降低。
17. 与传统块体材料相比，纳米固体材料的热膨胀有何特点？100页
答：材料的热膨胀与晶格非线性振动有关，如果晶体点阵作线性振动就不会产生膨胀现象。纳米晶体在温度变化时非线性热振动可分为两个部分：一是晶内的非线性热振动；二是晶界的非线性热振动；后者的非线性热振动较前者更为显著。可以说占据体积分数很大的界面对纳米晶体热膨胀的贡献妻主导作用。纳米晶Cu（8nm）在110～293K的温度范围内的膨胀系数为31×10-6K-1，而单晶Cu为16×10-6K-1，可见纳米晶体比常规晶体的热膨胀系数几乎大一倍。并且
证实晶界对热膨胀的贡献比晶内高3倍。
18.试述纳米微粒的光学吸收带发生蓝移和红移的原因。答：a、小尺寸效应和量子尺寸效应导致蓝移：纳米材料颗粒组元尺寸很小，表面张力较大，颗粒内部发生畸变，使平均键长变短，导致键振动频率升高引起蓝移，量子尺寸效应导致能及间距加宽，使吸收带在纳米态下较之常规材料出现在更高波数范围。b、尺寸分布效应和界面效应导致宽化：纳米材料在制备过程中颗粒均匀，粒径分布窄，但很难使粒径完全一致。由于颗粒大小有一个分布，使各个颗粒表面张力有差别，晶格畸变程度不同，因此引起键长有一个分布，使红外吸收带宽化。纳米材料中界面占相当大比例，界面存在孔洞等缺陷，原子配位不足，失配键较多，使界面内德键长与颗粒内的键长有差别，界面内的键长也有一个分布，引起纳米材料红外吸收带的宽化19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。20. 纳米晶Pd的比电阻比常规块体Pd高，且其电阻温度系数随着晶粒尺寸的减小而下降，当晶粒尺寸小于某一临界值时，电阻温度系数可能有正变负，试解释原因。答：纳米材料中大量界面的存在，使大量电子的运动局限在小晶粒范围。晶界原子排列愈混乱，晶界厚度愈大，对电子散射能力就愈强。界面这种高能垒是使电阻升高的主要原因。纳米材料从微观结构来说，对电阻的散射可分两部分：一是颗粒组元；二是界面组元。当晶粒尺寸与电子平均自由程相当时，晶界组元对电子的散射有明显作用；当晶粒尺寸大于电子平均自由程时，晶内组元对电子的散射占优势；当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界组元对电子的散射器主导作用，这时电阻与温度的关系以及电阻温度系数的变化都明显偏离粗晶情况，甚至出现反常现象。弥散相对氮化物、碳化物、硼化物陶瓷基纳米复合材料作用明显与上述氧化物系陶瓷不同原因。答：当增强体含量较低时，纳米级增强体粒子在液相烧结过程中，对β-Si3N4的析出起晶核作用，促进细长形β-Si3N4晶粒生长，这种晶粒结构（纳米晶须或纤维）起增韧和增强作用。b、在纳米级增强体含量较高时（>25ψ%），弥散相阻止了细长形Si3N4晶粒生长，将形成细小等轴晶，而成为纳米-纳米复合型复合材料。这种复合材料在高温下具有超塑性变形的能力。c、纳米级增强体位于Si3N4基体的晶界。在添加8%Y2O3助烧剂时，SiC和Si3N4晶粒之间没有观察到晶界杂质相，可见是直接结合的。这改善了复合材料的高温力学性能。
反应烧结：是将陶瓷基体粉末和增强体纳米粉末混合均匀，加入粘结剂后压制成所需形状，经高温加热进行氮化或碳化，反应生成陶瓷基体把纳米级第二相紧密地结合在一起，从而获得陶瓷基纳米复合材料的方法。可用来制备氮化硅或碳化硅基纳米复合材料。
反应烧结优点：a、陶瓷基几乎无收缩b、纳米晶须或纤维的体积分量可以相当大c、大多数陶瓷的反应烧结温度低于陶瓷的常规烧结温度，因此可以避免纳米晶须或纤维的损坏。缺点：气孔率高，可用热压和反应烧结并用来克服，称为反应热压法。
激光法与普通电阻炉加热法制备纳米粒子的本质区别：a、由于反应器壁是冷的，因此无潜在污染。b、原料气体分子直接或间接吸收激光光子能量后迅速进行反应。c、反应具有选择性。d、反应区条件可以精确地被控制。e、激光能量高度集中，反应区与周围环境之间温度梯度大，有利于成核粒子快速凝结。常用来制备均匀、高纯、超细、粒度窄分布的各类纳米粒子。激光诱导气相化学反应法合成纳米粒子的原理：利用大功率激光器的激光束照射于反应气体，反应气体通过对入射激光光子的强吸收，气体分子或原子在瞬间得到加热、活化，在极短的时间内反应气体分子或原子获得化学反应所需的温度后，迅速完成反应、成核、凝聚、生长等过程，从而制得相应物质的纳米粒子。
入射激光能否引起化学反应是激光法合成纳米粒子的一个关键性问题。