Удельная поверхность.

Атомарная структура твердого тела. Кристаллическая решетка. Виды кристаллических решеток, их параметры. Индексы Миллера. Определение наночастицы. Структурные и электронные магические числа. Дефекты кристаллической структуры.

Характеристики дисперсности материалов.

Лекция №5

Важнейшей характеристикой наноматериалов является размер частиц порошка или зерен массивного материала. В подавляющем большинстве случаев наноматериалы представляют собой полидисперсные системы, состоящие из зерен или частиц различной крупности. Разброс по размерам сильно изменяет физико-химические свойства материала. Поэтому кроме средних величин, важной размерной характеристикой материала является его гранулометрический состав.

Гранулометрический состав материала – содержание частиц или зерен в определенном интервале размеров по отношению к их общему количеству.

К размерным характеристикам наноматериалов можно отнести: величину удельной поверхности (для нанопорошков), определяющую средний размер агрегатов; средний размер частиц или зерен, средний размер областей когерентного рассеяния (ОКР); распределение по размерам (гранулометрический состав) частиц, зерен, ОКР.

Величина удельной поверхности – одна из важнейших характеристик наноматериала, определяющая активность протекания физико-химических процессов, многие технологические свойства, взаимодействие с окружающей средой и т.д. Например, знание величины S_уд необходимо в тех случаях, когда в технологическом процессе «работает» именно поверхность, например в катализе.

Удельной поверхностью называют площадь, которую имеет 1 грамм (или килограмм) того или иного вещества.

Обозначают эту величину как S_уд, ее размерность (м²/г) или (м²/кг). Удельная поверхность таких материалов, как цеолиты и активированные угли, может достигать значений 400 – 500 м²/г, а традиционные порошковые материалы характеризуются значениями 0,05 – 2 м²/г.

Удельная поверхность порошков определяется многими факторами: дисперсностью, формой, фазовым составом, состоянием поверхности частиц, степенью их агрегированности.

Уменьшение диаметра частиц при прочих равных условиях увеличивает S_уд. Сфероидизация уменьшает удельную поверхность, поскольку шар имеет минимальную поверхность при данной дисперсности материала. Соответственно, изменение формы частиц при сохранении их размеров приводит к увеличению S_уд. Например, удельная поверхность гидроксида железа сферической формы равна 78м²/г, а игольчатой – 121 м²/г.

В свою очередь, так называемая развитость поверхности (рис. 1) может многократно увеличить значение удельной поверхности материала.

Изменение фазового состава, например образование оксидной пленки на поверхности нанопорошков металлов, может увеличить S_уд с 7–8 м²/г до 50–70 м²/г. Металлизация, напротив, резко уменьшает удельную поверхность порошков (табл.1).

Таблица 1