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表面效应详解

点击次数：1262 发布时间：2015/6/10 9:48:05

　　概念：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。

　　原理：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积／体积）与直径成反比。随着颗粒直径变小，比表面积将会显著增大，说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计，当尺寸小于0.1微米时，其表面原子百分数激剧增长，甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100㎡，这时的表面效应将不容忽略。超微颗粒的比表面积也是相当重要的，超微颗粒比表面积研究和相关数据报告中，只有采用BET方法检测出来的结果才是真实可靠的，因为国内外制定出来的比表面积测定标准都是以BET测试方法为基础的。气体吸附BET原理测定固态物质比表面积的方法。

　　比表面积测试仪是迄今为止国内完全自动化智能化的比表面积检测设备，其测试结果与一致性很高，稳定性也很好，同时减少人为误差，提高测试结果精确性。

　　随着纳米材料粒径的减小，表面原子数迅速增加。例如当粒径为10nm时，表面原子数为完整晶粒原子总数的20％；而粒径为1nm时，其表面原子百分数增大到99%；此时组成该纳米晶粒的所有约30个原子几乎全部分布在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子：有许多悬空键，具有不饱和性，易与其他原子相结合而稳定下来，故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小，纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。

　　超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的，若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态保存：超微颗粒的表面具有很高的活性，在空气中金属颗粒会迅速氧化而燃烧。如要防止自燃，可采用表面包覆或有意识地控制氧化速率，使其缓慢氧化生成一层极薄而致密的氧化层，确保表面稳定化。利用表面活性，金属超微颗粒可望成为新一代的高效催化剂和贮气材料以及低熔点材料。

　　凝聚态的表面效应：大量的原子世界的分子、原子、离子聚集成各种固体、液体、气体物质，成为宏观世界构成的基础．当某种物质形成了一个相时，一般说来，这些物质的各部分有均匀的物理化学性质．然而，这只是对物质内部来说是对的．在物质表面的那些组元，所处的环境和所受的相互作用情况都和在物质内部的那些组元有所不同，这就造成表面部分和内部部分的性质有所不同．对于气体来说，组元之间并不密集，表面效应不大．对于液体和固体，就会表现出表面效应．表面效应表现在处于物质表面的一层组元上，对于一般的宏观物体，表面一层的组元在组元总数中只占很小的比例，表面效应常常是完全可以忽略的．但是对于体积很小的凝聚态微粒，表面效应有时就相当重要，可以用处于表面的组元数和组元总数之比作为描述表面效应程度的系数。当微粒很大时，系数接近于零；当微粒不断减小时，系数不断加大；当微粒小到纳米范围时，系数明显增大应用：人工降雨在一个由许多相组成的系统中，有时表面相的存在会变得十分重要，它会影响各个相之间的平衡条件．我们平时能够遇到的与表面效应有关的一个典型的例子就是水滴的形成。在饱和或过饱和蒸汽中的水滴，如果它的半径足够大，那么周围的水蒸气就会逐渐凝聚到这个水滴上，于是水滴也就逐渐地变大。若是水滴本来就很小，那么，由于表面效应的影响，要想维持水滴的存在，外界就必须有很高的蒸汽压，这样，在一般的蒸汽压条件下，水滴便不会增大，而会逐渐地蒸发掉．天空中飘着的云就是由许许多多这样的微型水滴构成的．在雨即将到来的前夕，外界的蒸汽压力增高，这些微型水滴通过互相碰撞逐渐结合成越来越大的水滴，*后，当空气的浮力和运动的阻力再也承受不了它们的重量时，它们就向地面掉下来，成为了雨滴。由此也可以看出，如果在过饱和蒸汽中掺入一些杂质颗粒如尘埃等，将有助于水滴的形成。如果天上已经有了很厚的云，这时用飞机在云层中散布一些杂质微粒就会加快雨滴的形成，从而达到降雨的目的，这就是人工降雨。

　　应用：烧开水同样，在我们平时烧开水时用的自来水中含有许多气体，它们以小气泡的形式存在．当水的温度逐渐升高接近100摄氏度时，水蒸气就会不断地通过这些小气泡的表面进入到其内部，使小气泡逐渐加大，同时气泡由于受到水的浮力而逐渐地上升，一直达到水面而破裂，并将其内部的水蒸气释放到空气中。当这种气泡大量地产生时，水就沸腾了。然而，如果小气泡本来就非常非常小，由于表面相的存在，这个气泡就很可能无法增大．当这种情况发生时，水即使被加到很热的程度也不会沸腾，这就是过热液体。

　　表面效应型反潜护卫舰：随着核潜艇的出现，水面反潜舰艇的航速成了实施反潜作战的一大障碍。为此美国海军在８０年代初开始研制一种排水量在２０００-３０００吨的高速反潜护卫舰，舰艇的编号定为３ＫＳＥＳ。由于这种高速反潜护卫舰按表面效应理设计，所以被称为“表面效应型反潜护卫舰”。这种护卫舰实际上是一种侧壁式气垫船，靠气垫使舰体浮出水面，用超空泡螺旋桨或喷水推进装置驱动舰体，航速可达到８０-１００节。为了保证舰艇在高速航行时有良好的稳性，在舰上装有两个钢性侧壁伸入水中。表面效应型反潜护卫舰具有远海高速航行的能力，可担负大范围的反潜任务。一些专家预测，表面效应反潜护卫舰和小水线面双体型护卫舰将成为２１世纪的新型护卫舰。

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高精密三站并列式全自动介孔微孔分析仪

JW-BK300系列高精密三站并列式全自动介孔微孔分析仪（www.jwgb.net），在JW系列孔径分析仪的基础上，自主研发的新一代高端微孔分析仪。该款仪器核心硬件全部采用品牌，配备有“涡轮分子泵”和1000Torr、10Torr、1torr等不同量程的压力传感器，通过全模块化设计，配合微孔分析模型的准确应用，真正实现了微孔的精确分析，*小孔径可测达0.35nm，测试结果准确性、精确性、稳定性达到进口同类仪器水平，性价比极高，非常适合活性炭、活性氧化铝、分子筛、沸石、MOF材料等超微孔纳米粉体材料的研究应用。

性能参数：

仪器型号：JW-BK300 三站式全自动介孔微孔分析仪www.jwgb.net

原理方法：静态容量法，低温氮吸附；

测试功能：等温吸脱附曲线；单点、多点BET比表面积；Langmuir比表面积；外表面积（STSA）；吸附总孔体积、平均孔径；BJH介孔大孔孔容积及孔径分布分析；t-plot法、as- plot法、DR法、MP法微孔常规分析；HK法、SF法微孔精确分析；NLDFT法孔径分布分析；真密度测试；气体吸附量、吸附热测试；质量输入法测试；

测试气体：氮、氧、氢、氩、氪、二氧化碳、甲烷等；

测试范围：比表面0.0005m2/g至无上限，孔径3.5 ?-5000 ?；

重复精度：比表面积≤± 1.0%，孔径≤0.2 ?；

测试效率：比表面积平均每样10min；介孔、大孔分析平均每样1-1.5小时；微孔分析平均每样10-16小时；

分析站：3个完全独立样品分析站，可同位脱气；

P0位：3个完全独立P0站，实时监测；

升降系统：3个样品分析站原位设有2套独立的升降系统，电动控制、自动控制，且互不干扰；

真空系统：多通路并联抽真空系统，集装式模块化设计，真空抽速微调阀系统技术，可在2-200ml/s范围内自动调节；

真空泵：外置式进口双级旋片式机械真空泵（自动防返油）+ 内置式进口涡轮分子泵，极限真空度可达10-6Pa;

脱气系统：3个样品分析站标配同位、原位脱气站共3个：3个独立加热包，3套独立温控系统，均可程序升温控制，程序升温设置阶数多达10阶；同时配置外置式异位4站真空脱气预处理系统

脱气温度：室温—400℃，精度±1℃；

压力传感：原装进口电容式薄膜多压力传感器，1000 torr（133.3KPa）、10torr（1.333KPa）、1torr（0.1333KPa）或0.1torr（0.01333KPa），精度≤± 0.15％；

分压范围：P/P0 10-4-0.998；

压力控制：平衡压力智能控制法，压力可控间隔＜0.1KPa，吸附压力点可自动控制；

数据采集：以太网数据采集，采集速度快、精度高，兼容Windows 7/XP 32/64位系统；

介孔微孔分析仪产品特点：

●完全独立三站并列分析，可同位脱气，测试效率高；

● 外置4位脱气站，专用机械真空泵，脱气温度400℃；

●三个样品的多点BET比表面测试，30分钟内可自动完成；

●采用液氮面控制综合系统及软件补偿技术，确保整个测试过程中样品室非均匀温度场相对恒定，以确保分析的准确性，适合液氮、液氩、冰水等各种冷浴；

●引进国外恒温夹技术，配备3L大容量真空玻璃内胆杜瓦瓶及防液氮挥发单元，保证实验可持续进行72小时；

●自控可调式多通路并联抽真空系统，内置式防飞溅单元，及“阶梯式”防飞溅程序，有效防止超细微粉抽飞，避免仪器内部受到污染；

●原装进口的涡轮分子泵及机械泵联合使用，分析站极限压力高达10-8，完全可以满足0.35nm-0.7nm超微孔分析；

●原装进口1000torr、10torr、1torr（可升级为0.1torr）不同量程的压力传感器，无间断联合使用，压力数据采集精度高、误差小，完全满足微孔的精确分析；

●介孔微孔实验过程中氮气饱和蒸汽压P0完全实时测试，同分析站并列进行；也可采用大气压输入法确定P0值；

●仪器控制面板设有阀位控制指示灯，实验者能更直观清晰可见控制阀的工作状态，人性化设计；

●非定域密度函数理论NLDFT分析模型标准配置，达到水平；

●HK、SF模型微孔分析技术国内通过了中国计量院的计量认证；

●平衡压力智能控制技术，样品吸/脱附平衡压力自动判断及数据采集，等温吸脱附曲线测定的控制精度达到水平；

●以太网数据采集及处理软件，引导式操作，一套软件可同时控制多台仪器，可实现远程控制；

● 仪器可扩展为3站完全独立微孔分析；

介孔微孔分析仪应用领域：

●催化剂材料：活性氧化铝、分子筛、沸石等；
●环保领域：活性炭等吸附剂；
●纳米材料：纳米陶瓷粉体（氧化铝、氧化锆、氧化钇、氮化硅、碳化硅等）、纳米金属粉体（银粉、铁粉、铜粉、钨粉、镍粉等）、纳米高分子材料、碳纳米管等；
●煤矿行业：煤、矿石、岩石、页岩气、煤层气等；
●其他材料：超细纤维、多孔织物、复合材料等。
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原创作者：北京精微高博科学技术有限公司

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