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纳米粒子的熔点与粒径的关系瞿金蓉,胡明安,陈敬中,韩炜中国地质大学资源学院,湖北武汉430074摘要:推导纳米粒子的熔点与其粒径的定量关系,并从热力学的角度阐明纳米粒子烧结过程的实质及烧结温度与粒径的关系.利用热力学及表面化学的有关理论,虚拟固相和液相之间的相变过程,根据相平衡条件,将纳米粒子的熔点与粒径联系起来,并以金属铅(Pb)为例进行计算.结果表明,纳米粒子粒径越小,比表面自由能越高,其化学势则比相同条件下的块状固体高很多,导致其熔点和烧结温度大大低于同样材质的块状固体.以金属Pb为例,通过熔点和粒径之间的定量关系计算的结果与实验结果吻合.因此纳米粒子的熔点和烧结温度与其粒径有关,即粒子越小,熔点和烧结温度越低.关键词:纳米粒子;熔点;烧结温度;粒径.中图分类号:P618.11;O433.54文章编号:1000-2383(2005)02-0195-04收稿日期:2004-07-15NanoparticleSizeandMeltingPointRelationshipQUJin2rong,HUMing2an,CHENJing2zhong,HANWeiFacultyofEarthResources,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,ChinaAbstract:Todeducethequantitativerelationshipbetweenthemeltingpointofnanoparticlesandtheirradius,andsetforththesinteringprocessesofnano2systemsandthequalitativerelationbetweenthesinteringtemperatureandtheradiusofnano2particlesfromathermodynamicsangle,thephasetransitionprocessbetweensolidandliquidstateshasbeenproposed,andthermodynamicsandsurfacechemistrytheoriesandphaseequilibriumconditionswereused.Therelationshipwasapplicabletolead(Pb).Theresultsshowthatowingtoitssmallsizeandhighspecialsurfacefreeenergy,thechemicalpotentialofamaterialintheformofnanoparticleswasmuchhigherthanthatofthebulk.Asaresult,themeltingpointofnanoparticleswasdepressedincomparisontothatofthebulkcrystals.Thecalculatedresultsformetalleadwerecoincidentwiththeex2perimentalones.Sothereisarelationshipbetweenthemeltingpointandthesinteringtemperatureofananoparticleanditsradius.Thesmallerthenanoparticleradius,thelowerthemeltingpointandsinteringtemperature.Keywords:nanoparticle;meltingpoint;sinteringtemperature;radius.信息、材料、生物业是21世纪科技三大支柱产业,而纳米材料是新兴材料的标志之一.广义地讲,纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1～100nm)或由它们作为基本单元构成的材料(张立德和牟继美,2001;尹帮跃,2001).由于纳米材料尺寸小到可与电子的德布罗意波长、超导相干波长及激子波尔半径相比拟,故其具有一些特殊的效应(陈敬中,1994),如:小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等,进而具有一系列特殊的物理特性和化学特性及特殊用途(张立德和牟继美,2001).纳米粒子的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多即为纳米粒子的热学特性.有关纳米粒子热学特性已有很多实验研究,结果与前面所述一致.例如,大块Pb的熔点为600K,而20nm球形Pb微粒熔点降低至288K;常规Al2O3烧结温度为2073～2173K,而在一定条件下,纳米Al2O3可在1423～1773K烧结,其致密度可达99.7%.Liuetal.(2001)还对各种晶形的纳米金粒子的熔点进行了实验,