中國粉體網(wǎng)5月12日訊 幾種典型的納米材料變性效應(yīng)：
1、磁學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“當(dāng)晶粒尺寸減小到納米級時，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對材料的宏觀磁性有重要的影響�！蔽覀冋J(rèn)為當(dāng)材料隨晶粒尺寸單位的減小，原子晶粒中的多磁疇結(jié)構(gòu)形態(tài)就變成單磁疇結(jié)構(gòu)的形態(tài)。在材料中磁疇的多少，是由材料中粒子數(shù)決定的。材料中粒子數(shù)多、粒徑大的粒子，形成的擠壓磁疇也多，這時就出現(xiàn)了多磁疇；當(dāng)材料中是粒子數(shù)少、粒徑小的粒子，這時形成的擠壓磁疇也就少了。一般小粒徑的納米粒子，基本上都是單磁疇的粒子。
如果在出現(xiàn)單磁疇的情況下，使磁能量的形態(tài)由磁疇壁（指多磁疇或單磁疇的磁疇邊界）形態(tài)，變?yōu)榇女犘齽拥男螒B(tài)，則這種情況是擠壓單磁疇在粒子熱能影響下出現(xiàn)的，這種情況與磁——熱不對稱有關(guān)。
這時，納米材料磁的多種異性能KV（指飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力、磁導(dǎo)率等特性）與熱能KT（電子運(yùn)動熱能）基本相同，或者KV小于KT時，由于熱能量的擾動作用，會使納米晶粒的逆磁力（矯頑力）降為零，從而成超通量磁性狀態(tài)。也就是說對于單磁疇的小納米材料，在熱能擾動下，將產(chǎn)生超順磁現(xiàn)象，雖然并非零磁阻，但這種情況對充磁是有利的，也可以成為液化磁。
假如鐵原子晶粒的尺寸單位為兩位數(shù)（十位數(shù)）的納米值時，其逆磁力為某個數(shù)值；而在鐵原子晶粒尺寸單位達(dá)到某一個位數(shù)納米值時，逆磁力為零，成為超通量的磁性材料。又比如自然或人造永磁體，在粉碎到成為小納米顆粒（個位數(shù)的尺寸）時，與液體按所需的比例進(jìn)行混合成磁性液體，就是液化磁。再比如，按納米可流動性解釋，自然或人造永磁體，在粉碎到小納米顆粒時，自身因顆粒坍塌現(xiàn)象（堆積不穩(wěn)定性的現(xiàn)象）而產(chǎn)生了流動性，也稱為：磁的液化效應(yīng)，或液化磁。
2、電學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變�！蔽覀冋J(rèn)為，當(dāng)在晶粒尺寸單位減小，界面效應(yīng)增大的時候，由于量子隧道效應(yīng)的關(guān)系，使電能量的導(dǎo)電率下降，也就是說不能夠產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)。這是因?yàn)榫Яp小時，電子與聲子的交合強(qiáng)度增加，從而使晶格體的低頻振動終止，電子間的交合率下降，產(chǎn)生的電子對少了，從而形成了多態(tài)自由電子形態(tài)所致。
關(guān)于量子隧道的效應(yīng)：當(dāng)材料成為小粒子（納米粒子）時，在合成后，其能級帶就變?yōu)槟芗夵c(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間有能隙存在，這屬于出現(xiàn)低能區(qū)的情況。這個低能區(qū)就造成了宏觀的隧道現(xiàn)象。而具有穿越這個隧道能力的粒子，稱為量子隧道粒子。隧道粒子穿越隧道的過程或現(xiàn)象，即是“量子隧道效應(yīng)”。關(guān)于“聲子”，從嚴(yán)格的物理意義上講，“聲子”不是一種永久存在的粒子。這里提出的所謂的“聲子”是泛指那些傳播聲波的介質(zhì)粒子，我們把凡是能夠傳播聲波的介質(zhì)粒子統(tǒng)稱為“聲子”。在噪聲大的環(huán)境中，傳播聲波的粒子（聲子）為在納米材料中形成的應(yīng)力波傳導(dǎo)粒子，則當(dāng)與納米材料中運(yùn)動著的電子耦合性增大時，會影響到電子的交合率，并使之下降。
3、力學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：納米材料“隨著尺寸減小，材料的力學(xué)性能得到提高�！� 我們也認(rèn)為，在納米材料中，晶粒的高塑性，其結(jié)合塊體的韌性大，是納米材料的主要特性。納米塊體的塑性變性原理應(yīng)該是在低溫中蠕變擴(kuò)散的。因?yàn)槿渥償U(kuò)散變速率與擴(kuò)散數(shù)量值系數(shù)成正比，與晶粒的三次方成反比。因此，納米塊體比常態(tài)塊體的擴(kuò)散系數(shù)高三個量級，而晶粒度小三個量級，則納米塊體的蠕變速率要高于常態(tài)塊體十二個數(shù)量級，并且在低溫下可以對外源力的作用反應(yīng)加快，形成塑性蠕變速率提高，使納米塊體的韌性增大。
關(guān)于“擴(kuò)散數(shù)量值系數(shù)”，是指納米材料隨溫度變化而形成的蠕變，即納米材料結(jié)構(gòu)晶�；蚓Ц駭U(kuò)散性遷移的平均速率與蠕變區(qū)擴(kuò)散性遷移的個數(shù)之比值，也可稱為：一個蠕變溫度均等擴(kuò)散數(shù)量值系數(shù)。實(shí)際上就是指有多少納米粒子參與了蠕變性擴(kuò)散。
4、熱學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出，納米材料表現(xiàn)出一系列與普通多晶體材料明顯不同的熱學(xué)特性。假如納米合金材料的比熱比同類合金在粗晶粒時高出10%～78%，比熱增大的原因是，納米晶粒界面效應(yīng)形成了特殊的比熱形態(tài)。在溫度相對高的時候，納米晶粒間的原子排序?yàn)闊o序態(tài)，原子密度低，原子間的耦合弱，使晶格振動和組合態(tài)熵變增加，定壓比熱Cp隨熵變增大。納米金屬材料的熱穩(wěn)定性是隨溫度變化而變化的。在一定的溫度情況下相對穩(wěn)定，晶粒受熱能量溫度超過穩(wěn)定溫度時，材料先產(chǎn)生放熱，而后形成吸熱現(xiàn)象。這是因?yàn)榧{米晶粒快速增大，晶格體膨脹形成的吸熱效應(yīng)。我們可以把這種現(xiàn)象稱之為：晶格膨脹熱力變性效應(yīng)。
關(guān)于“組合態(tài)熵變”，是指納米材料晶粒界面熱力，隨晶粒體積大小的變化而變化，晶粒之間結(jié)合時的界面熱力大小，是導(dǎo)致材料蠕變速度快慢的主要成因，也是導(dǎo)致納米材料溫度敏感的主要成因。這種現(xiàn)象，是因?yàn)榫Я＝缑鎻埩υ陟刈兊挠绊懴拢a(chǎn)生了不穩(wěn)定形態(tài)，從而使晶粒之間自由結(jié)合能在界面張力的作用下減弱，形成了晶粒松散性蠕變。
5、光學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“納米粒子的粒徑（10~100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用�！奔俣ǔB(tài)物質(zhì)對光的反射率大于82%，但在常態(tài)物質(zhì)尺寸單位到達(dá)變性納米尺寸時，光的反射率或許只為10%～0.3%，這可稱之為：無反射暗物質(zhì)體效應(yīng)。這是因?yàn)檫_(dá)到變性尺寸的納米晶粒中，原子的曲面反射方向面積增大，光的直反率下降，所以產(chǎn)生了暗物質(zhì)效應(yīng)。所謂的暗物質(zhì)效應(yīng)，就是等于暗物質(zhì)體的光子吸收效應(yīng)。不過要形成暗物質(zhì)效應(yīng)的納米材料必須是整體塊狀的納米材料才能做到，而目前工程上加工這樣的材料顯然還有很大困難。
這是因?yàn)椋?）當(dāng)物質(zhì)的納米晶粒以通常采用的方式制成型材時，往往納米晶粒隨著與同級晶粒結(jié)合時而增長，直到恢復(fù)至非納米材料的正常晶粒狀態(tài)，則這時所有納米特性又消失了；（2）納米材料晶粒重新合成制成型材時，必須控制好溫度，否則很容易出現(xiàn)廢品；（3）如果要合成為型材的納米粒徑不均勻，很容易產(chǎn)生材料的龜裂現(xiàn)象，導(dǎo)致這種情況的原因是，納米晶粒如果粒徑大小不同，粒子所帶能級也不同，在合成為型材時會出現(xiàn)晶�？昭ìF(xiàn)象，當(dāng)材料冷卻時，晶粒收縮，則空穴邊界擴(kuò)展，從而產(chǎn)生龜裂。那么當(dāng)納米材料不能以整個型材塊體的狀況出現(xiàn)，其暗物質(zhì)效應(yīng)實(shí)際上是難以體現(xiàn)出來的。
1、磁學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“當(dāng)晶粒尺寸減小到納米級時，晶粒之間的鐵磁相互作用開始對材料的宏觀磁性有重要的影響�！蔽覀冋J(rèn)為當(dāng)材料隨晶粒尺寸單位的減小，原子晶粒中的多磁疇結(jié)構(gòu)形態(tài)就變成單磁疇結(jié)構(gòu)的形態(tài)。在材料中磁疇的多少，是由材料中粒子數(shù)決定的。材料中粒子數(shù)多、粒徑大的粒子，形成的擠壓磁疇也多，這時就出現(xiàn)了多磁疇；當(dāng)材料中是粒子數(shù)少、粒徑小的粒子，這時形成的擠壓磁疇也就少了。一般小粒徑的納米粒子，基本上都是單磁疇的粒子。
如果在出現(xiàn)單磁疇的情況下，使磁能量的形態(tài)由磁疇壁（指多磁疇或單磁疇的磁疇邊界）形態(tài)，變?yōu)榇女犘齽拥男螒B(tài)，則這種情況是擠壓單磁疇在粒子熱能影響下出現(xiàn)的，這種情況與磁——熱不對稱有關(guān)。
這時，納米材料磁的多種異性能KV（指飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力、磁導(dǎo)率等特性）與熱能KT（電子運(yùn)動熱能）基本相同，或者KV小于KT時，由于熱能量的擾動作用，會使納米晶粒的逆磁力（矯頑力）降為零，從而成超通量磁性狀態(tài)。也就是說對于單磁疇的小納米材料，在熱能擾動下，將產(chǎn)生超順磁現(xiàn)象，雖然并非零磁阻，但這種情況對充磁是有利的，也可以成為液化磁。
假如鐵原子晶粒的尺寸單位為兩位數(shù)（十位數(shù)）的納米值時，其逆磁力為某個數(shù)值；而在鐵原子晶粒尺寸單位達(dá)到某一個位數(shù)納米值時，逆磁力為零，成為超通量的磁性材料。又比如自然或人造永磁體，在粉碎到成為小納米顆粒（個位數(shù)的尺寸）時，與液體按所需的比例進(jìn)行混合成磁性液體，就是液化磁。再比如，按納米可流動性解釋，自然或人造永磁體，在粉碎到小納米顆粒時，自身因顆粒坍塌現(xiàn)象（堆積不穩(wěn)定性的現(xiàn)象）而產(chǎn)生了流動性，也稱為：磁的液化效應(yīng)，或液化磁。
2、電學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“納米材料的電阻高于同類粗晶材料，甚至發(fā)生尺寸誘導(dǎo)，金屬向絕緣體轉(zhuǎn)變�！蔽覀冋J(rèn)為，當(dāng)在晶粒尺寸單位減小，界面效應(yīng)增大的時候，由于量子隧道效應(yīng)的關(guān)系，使電能量的導(dǎo)電率下降，也就是說不能夠產(chǎn)生超導(dǎo)效應(yīng)。這是因?yàn)榫Яp小時，電子與聲子的交合強(qiáng)度增加，從而使晶格體的低頻振動終止，電子間的交合率下降，產(chǎn)生的電子對少了，從而形成了多態(tài)自由電子形態(tài)所致。
關(guān)于量子隧道的效應(yīng)：當(dāng)材料成為小粒子（納米粒子）時，在合成后，其能級帶就變?yōu)槟芗夵c(diǎn)，點(diǎn)與點(diǎn)之間有能隙存在，這屬于出現(xiàn)低能區(qū)的情況。這個低能區(qū)就造成了宏觀的隧道現(xiàn)象。而具有穿越這個隧道能力的粒子，稱為量子隧道粒子。隧道粒子穿越隧道的過程或現(xiàn)象，即是“量子隧道效應(yīng)”。關(guān)于“聲子”，從嚴(yán)格的物理意義上講，“聲子”不是一種永久存在的粒子。這里提出的所謂的“聲子”是泛指那些傳播聲波的介質(zhì)粒子，我們把凡是能夠傳播聲波的介質(zhì)粒子統(tǒng)稱為“聲子”。在噪聲大的環(huán)境中，傳播聲波的粒子（聲子）為在納米材料中形成的應(yīng)力波傳導(dǎo)粒子，則當(dāng)與納米材料中運(yùn)動著的電子耦合性增大時，會影響到電子的交合率，并使之下降。
3、力學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：納米材料“隨著尺寸減小，材料的力學(xué)性能得到提高�！� 我們也認(rèn)為，在納米材料中，晶粒的高塑性，其結(jié)合塊體的韌性大，是納米材料的主要特性。納米塊體的塑性變性原理應(yīng)該是在低溫中蠕變擴(kuò)散的。因?yàn)槿渥償U(kuò)散變速率與擴(kuò)散數(shù)量值系數(shù)成正比，與晶粒的三次方成反比。因此，納米塊體比常態(tài)塊體的擴(kuò)散系數(shù)高三個量級，而晶粒度小三個量級，則納米塊體的蠕變速率要高于常態(tài)塊體十二個數(shù)量級，并且在低溫下可以對外源力的作用反應(yīng)加快，形成塑性蠕變速率提高，使納米塊體的韌性增大。
關(guān)于“擴(kuò)散數(shù)量值系數(shù)”，是指納米材料隨溫度變化而形成的蠕變，即納米材料結(jié)構(gòu)晶�；蚓Ц駭U(kuò)散性遷移的平均速率與蠕變區(qū)擴(kuò)散性遷移的個數(shù)之比值，也可稱為：一個蠕變溫度均等擴(kuò)散數(shù)量值系數(shù)。實(shí)際上就是指有多少納米粒子參與了蠕變性擴(kuò)散。
4、熱學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出，納米材料表現(xiàn)出一系列與普通多晶體材料明顯不同的熱學(xué)特性。假如納米合金材料的比熱比同類合金在粗晶粒時高出10%～78%，比熱增大的原因是，納米晶粒界面效應(yīng)形成了特殊的比熱形態(tài)。在溫度相對高的時候，納米晶粒間的原子排序?yàn)闊o序態(tài)，原子密度低，原子間的耦合弱，使晶格振動和組合態(tài)熵變增加，定壓比熱Cp隨熵變增大。納米金屬材料的熱穩(wěn)定性是隨溫度變化而變化的。在一定的溫度情況下相對穩(wěn)定，晶粒受熱能量溫度超過穩(wěn)定溫度時，材料先產(chǎn)生放熱，而后形成吸熱現(xiàn)象。這是因?yàn)榧{米晶粒快速增大，晶格體膨脹形成的吸熱效應(yīng)。我們可以把這種現(xiàn)象稱之為：晶格膨脹熱力變性效應(yīng)。
關(guān)于“組合態(tài)熵變”，是指納米材料晶粒界面熱力，隨晶粒體積大小的變化而變化，晶粒之間結(jié)合時的界面熱力大小，是導(dǎo)致材料蠕變速度快慢的主要成因，也是導(dǎo)致納米材料溫度敏感的主要成因。這種現(xiàn)象，是因?yàn)榫Я＝缑鎻埩υ陟刈兊挠绊懴拢a(chǎn)生了不穩(wěn)定形態(tài)，從而使晶粒之間自由結(jié)合能在界面張力的作用下減弱，形成了晶粒松散性蠕變。
5、光學(xué)的變性效應(yīng)。有文獻(xiàn)指出：“納米粒子的粒徑（10~100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用�！奔俣ǔB(tài)物質(zhì)對光的反射率大于82%，但在常態(tài)物質(zhì)尺寸單位到達(dá)變性納米尺寸時，光的反射率或許只為10%～0.3%，這可稱之為：無反射暗物質(zhì)體效應(yīng)。這是因?yàn)檫_(dá)到變性尺寸的納米晶粒中，原子的曲面反射方向面積增大，光的直反率下降，所以產(chǎn)生了暗物質(zhì)效應(yīng)。所謂的暗物質(zhì)效應(yīng)，就是等于暗物質(zhì)體的光子吸收效應(yīng)。不過要形成暗物質(zhì)效應(yīng)的納米材料必須是整體塊狀的納米材料才能做到，而目前工程上加工這樣的材料顯然還有很大困難。
這是因?yàn)椋?）當(dāng)物質(zhì)的納米晶粒以通常采用的方式制成型材時，往往納米晶粒隨著與同級晶粒結(jié)合時而增長，直到恢復(fù)至非納米材料的正常晶粒狀態(tài)，則這時所有納米特性又消失了；（2）納米材料晶粒重新合成制成型材時，必須控制好溫度，否則很容易出現(xiàn)廢品；（3）如果要合成為型材的納米粒徑不均勻，很容易產(chǎn)生材料的龜裂現(xiàn)象，導(dǎo)致這種情況的原因是，納米晶粒如果粒徑大小不同，粒子所帶能級也不同，在合成為型材時會出現(xiàn)晶�？昭ìF(xiàn)象，當(dāng)材料冷卻時，晶粒收縮，則空穴邊界擴(kuò)展，從而產(chǎn)生龜裂。那么當(dāng)納米材料不能以整個型材塊體的狀況出現(xiàn)，其暗物質(zhì)效應(yīng)實(shí)際上是難以體現(xiàn)出來的。
