2.2　粉體的物理性能

2.2.1　粉體的容積密度與填充率

2.2.1.1　容積密度ρ_B

在一定填充狀態下，單位填充體積的粉體質量稱為容積密度，也稱表觀密度，單位為kg/m³。

ρ_B===（1-ε）ρ_p　　（2-38）

式中　V_B——粉體填充體積，m³；

　　　ρ_p——顆粒的密度，kg/m³；

　 　　ε ——空隙率。

2.2.1.2　填充率ψ

在一定填充狀態下，顆粒體積占粉體體積的比率稱為填充率ψ。

ψ===　　（2-39）

式中　M——填充粉體的質量。

2.2.1.3　空隙率ε

空隙體積占粉體填充體積的比率稱為空隙率ε。

ε=1-ψ=1-　　（2-40）

2.2.2　粉體的尺寸效應

當超細粉體的粒徑尺寸與光波波長及傳導電子德布羅意波長以及超導態的相干長度或透射深度等尺寸相當或更小時，周期性的邊界條件將被破壞，從而產生一系列特殊的性質。

2.2.2.1　特殊的光學性質

納米金屬的光吸收性顯著增強。粒度越小，光反射率越低。所有金屬在超微顆粒狀態都呈現為黑色。尺寸越小，顏色越黑。金屬超微顆粒對光的反射率通常可低于1%，約幾微米的厚度就能完全消光。相反，一些非金屬材料在接近納米尺度時，出現反光現象。納米TiO₂、納米SiO₂、納米Al₂O₃等對大氣中的紫外線具有很強的吸收性。

2.2.2.2　熱學性質的改變

固態物質超細微化后其熔點顯著降低，當顆粒小于10nm數量級時尤為顯著。例如，金的常規熔點為1064℃，當顆粒尺寸減小到2nm尺寸時熔點僅為327℃左右；銀的常規熔點為670℃，而超微銀顆粒的熔點可低于100℃。

2.2.2.3　特殊的磁學性質

小尺寸的超微顆粒磁性與大塊材料有顯著不同，大塊的純鐵矯頑力約為80A/m；而當顆粒尺寸減小到20nm以下時，其矯頑力可增大1000倍；當顆粒尺寸約小于6nm時，其矯頑力反而降低到零，呈現出超順磁性。

2.2.2.4　特殊的力學性質

納米材料的強度、硬度和韌性明顯提高。納米銅的強度比常態提高5倍，納米金屬比常態金屬硬3～5倍。納米陶瓷材料具有良好的韌性，因為納米材料具有大的界面，界面的原子排列相當混亂，原子在外力變形的條件下很容易遷移，因此表現出甚佳的韌性與一定的延展性。

2.2.3　表面與界面效應

與宏觀物體相比，納米粒子因為表面原子數目增多，比表面積增大。這會導致無序度增大；同時晶體的對稱性變差，其部分能帶被破壞，因而出現了界面效應。較大的比表面積和小尺寸的納米粒子，導致位于表面的原子占有相當大的比例，原子配位不足，表面原子的配位不飽和性導致大量的懸空鍵和不飽和鍵，表面能高，因而這些表面原子具有高的活性。納米材料較高的化學活性，使其具有了較大的擴散系數，大量的界面為原子擴散提供了高密度的短程快擴散路徑。這種表面原子的活性就是表面效應。納米粒子的表面與界面效應，主要表現為：①熔點降低，這是由于表面原子存在振動弛豫，即振幅增大，頻率減小；②比熱容增大。

2.2.4　宏觀量子隧道效應

量子隧道效應是從量子力學的粒子具有波粒二象性的觀點出發的，解釋粒子能夠穿越比總能量高的勢壘，這是一種微觀現象。近年來，發現一些宏觀量也具有隧道效應，稱為宏觀量子隧道效應。用此概念可以定性解釋納米鎳晶粒在低溫下繼續保持超順磁性現象。量子尺寸效應和宏觀量子隧道效應將是未來微電子器件的基礎，或者說它確立了現存微電子器件進一步微型化的極限。

2.2.5　介電限域效應

隨著納米晶粒粒徑的不斷減小和比表面積不斷增大，其表面狀態的改變將會引起微粒性質的顯著變化。例如，當在半導體納米材料表面修飾一層某種介電常數較小的介質時，相對于裸露在半導體納米材料周圍的其他介質而言，被包覆的納米材料中電荷載體的電力線更易穿過這層包覆膜，從而導致它與裸露納米材料的光學性質相比發生了較大變化，這就是介電限域效應。當納米材料與介質的介電常數值相差較大時，便產生明顯的介電限域效應。納米材料與介質的介電常數相差越大，介電限域效應就越明顯，在光學性質上就表現為明顯的紅移現象。同時介電限域效應越明顯，吸收光譜的紅移也就越大。