第四章納米固體材料

1、l納米固體材料又稱為納米結(jié)構(gòu)材料。納米固體材料又稱為納米結(jié)構(gòu)材料。它是由顆?；蚓Я３叽鐬樗怯深w?；蚓Я３叽鐬?-100mn的的粒子凝聚而成的三維塊體。一般來粒子凝聚而成的三維塊體。一般來說，各種材料其顆?；蚓Я３叽鐪p說，各種材料其顆粒或晶粒尺寸減小到小到1-100mn時，都具有與常規(guī)材料時，都具有與常規(guī)材料不同的性質(zhì)。不同的性質(zhì)。 l納米固體材料的基本構(gòu)成是納米微粒加上它們之間的界面。由于納米粒子尺寸小，界面所占體積分數(shù)幾乎可與納米微粒所占體積分數(shù)相比擬，因此納米固體材料的界面不能簡單地看成是一種缺陷，它已成為納米固體材料基本構(gòu)成之一，對其性能的影響起著舉足輕重的作用。 1類氣態(tài)模型 類氣態(tài)

2、模型認為納米晶體的界面原子的排列，既沒有長程有序，也沒有短程有序，是一種類氣態(tài)的、無序程度很高的結(jié)構(gòu)。該模型與大量事實有出入。 2有序模型 有序模型認為納米材料的界面原子排列是有序的。認為納米材料的界面結(jié)構(gòu)和常規(guī)粗晶材料的界面結(jié)構(gòu)本質(zhì)上沒有太大差別。納米材料的界面是擴展有序的 3結(jié)構(gòu)特征分布模型 結(jié)構(gòu)特征分布模型的觀點是：納米材料的界面不是單一的、同樣的結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)是多種多樣的。 4.3.1 納米固體材料力學(xué)性能 1強度和硬度隨著晶粒直徑的減小，兩者均增加，與尺寸d-1/2成線性關(guān)系。 2塑性和韌性 納米材料的特殊結(jié)構(gòu)及龐大體積分數(shù)的界面，使它的塑性、沖擊韌性和斷裂韌性與粗晶材料相比有很大改

3、善。一般材料在低溫下常常表現(xiàn)為脆性，但是納米材料在低溫下卻顯示良好的塑性和韌性。 3超塑性 超塑性是指在一定應(yīng)力下伸長率100的塑性變形。 1.飽和磁化強度 2.磁性轉(zhuǎn)變 由于納米材料顆粒尺寸很小，這就可能使一些抗磁體轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾朋w。 3.超順磁性 4.居里溫度 居里溫度:鐵磁質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾刨|(zhì)時的溫度。鐵磁質(zhì)在高于居里溫度時變?yōu)轫槾刨|(zhì)。不同的鐵磁質(zhì)居里溫度不同。例如鐵是769C；鎳是358C；鈷是1131C。4.4納米固體的制備納米固體的制備l 納米固體的制備方法是近幾年才逐漸發(fā)展起納米固體的制備方法是近幾年才逐漸發(fā)展起來的，至今已有的一些制備方法并不是十分理來的，至今已有的一些制備方法并不是十分

4、理想，特別是塊體試樣的制備工藝還有待進一步想，特別是塊體試樣的制備工藝還有待進一步改進例如，如何獲得高致密度的納米陶瓷工改進例如，如何獲得高致密度的納米陶瓷工藝仍處于摸索階段，如何獲得高致密度大塊金藝仍處于摸索階段，如何獲得高致密度大塊金屬與合金仍需進行探索，這是當(dāng)前材料工作者屬與合金仍需進行探索，這是當(dāng)前材料工作者所關(guān)心的重要課題的一部分關(guān)于如何由納米所關(guān)心的重要課題的一部分關(guān)于如何由納米粉體制備具有極低密度、高強度的催化劑、金粉體制備具有極低密度、高強度的催化劑、金屬催化劑載體及過濾器等工藝探索工作也剛剛屬催化劑載體及過濾器等工藝探索工作也剛剛起步起步 l4.4.1納米相陶瓷的制備納米相陶

5、瓷的制備l 由于納米陶瓷呈現(xiàn)出許多優(yōu)異的特性，因此引起人由于納米陶瓷呈現(xiàn)出許多優(yōu)異的特性，因此引起人們的關(guān)注目前材料科學(xué)工作者正在摸索制備具有高們的關(guān)注目前材料科學(xué)工作者正在摸索制備具有高致密度的納米陶瓷的工藝納米陶瓷的優(yōu)越特性有以致密度的納米陶瓷的工藝納米陶瓷的優(yōu)越特性有以下幾個主要方面：下幾個主要方面：l (1)超塑性：在一定應(yīng)力下伸長率大于超塑性：在一定應(yīng)力下伸長率大于100%的塑性變的塑性變形。例如納米晶形。例如納米晶TiO2金紅石在低溫下具有超塑性；金紅石在低溫下具有超塑性；l (2)在保持原來常規(guī)陶瓷的斷裂韌性的同時強度大大在保持原來常規(guī)陶瓷的斷裂韌性的同時強度大大提高；提高；l

6、l(3)燒結(jié)溫度可降低幾百度燒結(jié)溫度可降低幾百度，燒結(jié)速度大大提高例如，燒結(jié)速度大大提高例如，10nm的陶瓷微粒比的陶瓷微粒比10m的燒結(jié)速度提高的燒結(jié)速度提高12個數(shù)量級，個數(shù)量級，這是因為納米陶瓷低溫下燒結(jié)的過程主要受晶界擴散這是因為納米陶瓷低溫下燒結(jié)的過程主要受晶界擴散控制，這就導(dǎo)致燒結(jié)速度由晶粒尺寸來決定，即燒結(jié)控制，這就導(dǎo)致燒結(jié)速度由晶粒尺寸來決定，即燒結(jié)速度正比于速度正比于1/d4。 l(4)無壓力燒結(jié)無壓力燒結(jié)(靜態(tài)燒結(jié)靜態(tài)燒結(jié)) l該工藝過程是將無團聚的納米粉在室溫下經(jīng)模該工藝過程是將無團聚的納米粉在室溫下經(jīng)模壓成塊狀試樣，然后在一定的溫度下焙燒使其壓成塊狀試樣，然后在一定的溫

7、度下焙燒使其致密化致密化(燒結(jié)燒結(jié))無壓力燒結(jié)工藝簡單，不需特?zé)o壓力燒結(jié)工藝簡單，不需特殊的設(shè)備，因此成本低，但燒結(jié)過程中易出現(xiàn)殊的設(shè)備，因此成本低，但燒結(jié)過程中易出現(xiàn)晶粒快速的長大及大孔洞的形成，結(jié)果試樣不晶?？焖俚拈L大及大孔洞的形成，結(jié)果試樣不能實現(xiàn)致密化，使得納米陶瓷的優(yōu)點喪失能實現(xiàn)致密化，使得納米陶瓷的優(yōu)點喪失l 為了防止無壓燒結(jié)過程中晶粒的長大，在主為了防止無壓燒結(jié)過程中晶粒的長大，在主體粉中摻入一或多種穩(wěn)定化粉體使得燒結(jié)后的體粉中摻入一或多種穩(wěn)定化粉體使得燒結(jié)后的試樣晶粒無明顯長大并能獲得高的致密度試樣晶粒無明顯長大并能獲得高的致密度l1惰性氣體蒸發(fā)原位加壓法l一步法”的步驟是：l

8、(1)制備納米顆粒；l(2)顆粒收集；l(3)壓制成塊體。上述步驟一般都是在真空下進行的.目前已制備出： Fe、Cu、Au、Pd等納米晶金屬塊體和Si-Pd、Pd-Fe-Si、Si-A1等納米金屬玻璃。 l2高能球磨法高能球磨法l高能球磨法是利用球磨機把金屬或合金粉末粉碎成納高能球磨法是利用球磨機把金屬或合金粉末粉碎成納米微粒，經(jīng)壓制成型米微粒，經(jīng)壓制成型(冷壓和熱壓冷壓和熱壓)，獲得納米塊體的，獲得納米塊體的方法。如果將兩種或兩種以上金屬粉末同時放人球磨方法。如果將兩種或兩種以上金屬粉末同時放人球磨機中進行高能球磨，粉末顆粒經(jīng)壓延、壓合、碾碎、機中進行高能球磨，粉末顆粒經(jīng)壓延、壓合、碾碎、再

9、壓合的反復(fù)過程再壓合的反復(fù)過程(冷焊一粉碎一冷焊的反復(fù)進行冷焊一粉碎一冷焊的反復(fù)進行)，最后獲得組織和成分分布均勻的合金粉末。利用高能最后獲得組織和成分分布均勻的合金粉末。利用高能球磨法可制備納米金屬間化合物。目前已制備出：球磨法可制備納米金屬間化合物。目前已制備出：Fe-B、Ti-Si、Ti-B、Ti-A1、Ni-Si、V-C、W-C、Pd-Si、Ni-Mo、Nb-A1、Ni-Zr等納米金屬間化合物。等納米金屬間化合物。l3非晶晶化法非晶晶化法l該方法是用單輥急冷法將熔體制成非晶態(tài)合金，然后該方法是用單輥急冷法將熔體制成非晶態(tài)合金，然后在不同溫度下進行退火，使其晶化。隨晶化溫度上升，在不同溫

10、度下進行退火，使其晶化。隨晶化溫度上升，晶粒開始長大，晶粒開始長大，l 用非晶晶化法制備的納米材料的塑性對晶粒的粒徑用非晶晶化法制備的納米材料的塑性對晶粒的粒徑十分敏感，只有晶粒直徑很小時，塑性較好，否則納十分敏感，只有晶粒直徑很小時，塑性較好，否則納米材料變得很脆。因此，只有那些形核激活能小、而米材料變得很脆。因此，只有那些形核激活能小、而長大激活能大的非晶態(tài)合金采用非晶晶化法才能獲得長大激活能大的非晶態(tài)合金采用非晶晶化法才能獲得塑性較好的納米晶合金。塑性較好的納米晶合金。 l4.5.3 在磁學(xué)方面的應(yīng)用在磁學(xué)方面的應(yīng)用 具有鐵磁性的納米材料具有鐵磁性的納米材料(如納米晶如納米晶Ni、Fe2O3、Fe3O4等等)可作為磁性材料。鐵磁可作為磁性材料。鐵磁材料可分為軟磁材料材料可分為軟磁材料(既容易磁化又容易去既容易磁化又容易去磁磁)和硬磁材料和硬磁材料(磁化和去磁都十分困難磁化和去磁都十分困難)。此外，納米鐵氧體磁性材料，除可作軟磁此外，納米鐵氧體磁性材料，除可作軟磁材