一般来说,我们将粒径小于1μm的粉体定义为超微粉体。超微粉体具有不同于原固体材料或较粗粒粉体的表面效应和体积效应,表现出光学、电学、磁学、热学、催化、力学等性质。
表面效应
超微粉体与宏观物体的显著差别是表面原子数的增加、其比表面积大、表面效应不容忽视。
从物理概念上讲,表面原子与体内原子不一样,体内原子受到对称的周围原子的作用力。而表面原子所处的空间位置是非对称性的,它受到体内原子单方面的吸引力,这意味着表面原子的能量比体内原子要高。
量子效应
量子效应是指当粒子尺寸下降到某一值时,金属费米能级附近的电子由准连续变为离散的现象。
根据固体的能带理论,传导电子在晶体的周期性势场中运动时不再属于单个原子,而是属于整个晶体,这种公有化的结果使电子在晶体中的能量状态变为准连续的能带,即相邻能级之间的能量差远小于热能。
光学性质
金属微粒的色彩往往不同于大块材料,当金属微粒尺寸小于一定值时,由于对光波的全吸收通常呈现黑色。超微颗粒除对光波的吸收作用外,还有散射作用。
对于小于光波长十分之几的超微分散颗粒,散射光的强度与波长的四次方成反比,因此,太阳光经大气中尘埃的散射使晴空呈现蓝色。
在水中高度分散的超微粘土溶液,当从侧面对着暗的背景观看时,呈现蓝白色,好像有点浑浊,实际上这是溶液中的超微黏土颗粒将一部分入射光散射的结果。
电学性质
金属材料具有导电性,然而纳米金属微粒导电性能却显著地下降,当电场能低于分裂能级的间距时,金属导电性能都会转变为电绝缘性。
磁学性质
超微粉体的磁学性质,尤其是铁磁颗粒的磁性对颗粒尺寸的依赖性是长期以来人们感兴趣的课题。
对大块的磁性材料,处于磁中性状态时,通常会形成许多磁畴,在每一个磁畴中磁矩将沿着其能量最低方向被自发磁化。磁畴与磁畴之间存在磁化方向连续变化的过渡层,称为磁璧。
磁畴混乱取向的排列实际上是遵从整个铁磁体能量极小的原则,在磁中性状态时将导致宏观磁化强度为零。磁畴中的磁畴矢量的取向通常取决于磁各向异性的类型。
磁性超微粉体应用十分广泛,作为磁记录介质用的有γ-Fe2O3、FeCo金属、CrO2、TixCOxO19、BaFe12-2x、Fe4N、Co-γ-Fe2O3。作为磁性液体应用的有Fe3O4等各种纳米铁氧体微粉以及铁、镍、钴及其合金的纳米微粒。在作为磁性液体应用时,微颗粒表面必须包裹一层有机长链分子。
由于纳米微粉尺寸很小,比表面积很大,表面包覆物对其磁性亦有较大的影响。
热学性质
由于颗粒尺寸的变化导致比表面积的改变,因而改变颗粒的化学势,近而使热力学性质发生变化。颗粒尺寸对热力学性质影响很大,随着颗粒尺寸变小,表面能将显著增大,从而使得在低于块体材料熔点的温度下可使超微粉体熔化,或互相烧结。
催化性质
对非均相催化反应,为了提高催化效率,增加催化剂的比表面积,减小颗粒尺寸是必要的,但并不是唯一的。
有的催化剂在合适的颗粒尺寸时往往会呈现催化效率的极大值,因而有必要研究催化剂颗粒尺寸、表面状态对催化活性的影响。
力学性质
传统金属材料的硬度随晶粒细化而增加,粗晶粒金属材料的基本力学性质随着晶粒尺寸减小而增大。
对一些纯金属纳米固体,例如钯、铜、银、镍、硒等,在室温下其显微硬度较对应的粗晶粒显著增加。但对金属间化合物的纳米材料,在一定临界尺寸以下时,随着晶粒尺寸变小,硬度反而降低。
纳米固体中原子排列
纳米材料力学性质研究中,人们最感兴趣的是纳米陶瓷材料。纳米陶瓷材料化学稳定性好、硬度高、耐高温,有望克服无法机械加工、脆性、无延展性等缺点。
磁电阻性质
所谓磁电阻效应,就是磁场导致电阻率的变化。
不论颗粒膜或多层膜,要获得大的磁电阻效应必须保证颗粒的尺寸,或磁性、非磁性层的厚度小于电子平均自由路程,这样除了与自旋相关的散射外,电子在输送过程中较少受到其他散射,自旋的取向可保持不变。
因电子平均自由程通常为几纳米到100nm,所以巨磁电阻效应只可能在纳米尺度的系统中才呈现。
溶液性质
- 超微颗粒在溶液中的运动
在由超微粉体颗粒作为溶质的溶液或悬浮液中,超微颗粒也具有从高浓度区向低浓度区的扩散作用。同时,也有布朗运动。
- 超微颗粒在溶液中的吸附
吸附是在相互接触的异相间产生的界面现象之一,它是在吸附剂液体或固体的界面或表面上极薄的接触层中吸附住吸附质的现象。超微颗粒比表面积大、表面能高、吸附量大。
- 流变性
流变学是研究物质的流动与变行的科学。正如前面已讨论的那样,微粒随其粒度变小,逐步呈现出与原来固体不同的性质或行为。1μm以下颗粒在液体中分散的所谓颗粒分散体系或胶体的流变学在理论上和实际上都是非常有意义的研究对象。
文章来源:中国粉体网