材料学概论结课作业

材料学概论课程论文姓名：翟少清 学号：149024024老师：晋传贵纳米材料 安徽工业大学材料科学与工程学院材料科学与工程专业，翟少清摘要：生活中方方面面都离不开材料，而当材料被逐渐减小到纳米尺寸时，将会具有许多更加优异的性能，如力学性能、光学性能、电学性能、磁学性能、热学性能、烧结性能和纳米陶瓷的超塑性能将有很大变化，我们利用这些优异的性能，解决我们以往难以解决的问题。关键词：纳米 性能 结构 制备 Abstract: the life of the Chinese side of the material, and when the material is gradually reduced to Nanometer size, will have many more excellent performance, such as mechanical properties, optical properties, electrical properties, magnetic properties, thermal properties, sintering performance and Nanometer ceramic super plastic properties will be very big changes, we use these excellent performance, solve the problems we have difficult to solve in the past.Key words: nanometer；performance；structure；preparation.1 引言通常我们把眼睛可以看到的物质体系叫做宏观体系，而把原子、分子体系叫做微观体系。同时宏观与微观之间还存在着物质颗粒，可以称其为介观体系。该体系现在主要是用人工方法，把分子、原子合成，形成一种具有新的特性的颗粒，人们称之为超微颗粒或超微粒子。近年来。人们将超微粒子称为纳米颗粒。纳米颗粒通常指颗粒尺寸介于原子与物质之间的一类粉末，它的尺寸大于原子簇，小于通常的微粉，一般在1100nm之间。在纳米材料发展初期，纳米材料是指纳米颗粒和由它们构成的纳米薄膜和固体。而现在的纳米材料范畴得到很大的发展，囊括更多的方面。2 纳米材料的理化性能2.1 纳米材料微观结构性能无论从几何尺寸上，还是从材料所包含的原子或电子数目来说，纳米材料处于从单个原子到块体材料的过渡区。因此，其电子结构的变化与这一区域内的电子结构变化基本相同。在纳米范畴的体系内只含有很少数目的电子，此时电子结构与单个原子壳层结构十分相似，可以借用处理原子结构模型来粗略的求出。从微观上来说，纳米材料物性的改变由于电子之间的相互作用加强，被严格的局限在一个很小的区域内，电子波函数受材料内表面的散射，散射波与入射波相互叠加，使得所有电子波函数相互关联在一起，成为强关联的电子系统，此时已不能再把它们看成是彼此无关的自由电子，从而改变其物性。当材料被逐渐减小到纳米尺寸时，纳米材料具有许多有意义的基本效应：小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应、库仑堵塞与量子隧穿和介电限域效应。这些效应也使纳米颗粒和纳米固体呈现许多奇异的物理、化学性质。而这些出现的性质与常规认识甚至完全相反，如磁性材料的物质的基本尺寸进入纳米级（5nm）,使得多畴体系变成单畴体系，于是显示极强的顺磁效应。2.2 纳米材料的力学性能由于纳米晶体材料有很大的比表面积，杂质在界面的浓度便大大降低，从而提高了材料的力学性能。纳米材料的弹性模量较常规晶体材料的弹性模量降低了3050%；纳米纯金属的硬度或强度是大晶体（1m）金属硬度或强度的27倍;纳米材料可具有负的Hall-Petch关系，即随着晶体的尺寸减小而材料的强度降低；在较低的温度下，如室温附近脆性的陶瓷或金属间化合物在具有纳米晶时，由于扩散相变机制而具有塑形，或者是超塑形。2.3 纳米材料的光学性能纳米粒子的粒径（10100nm）小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光泽面成强烈对比。由于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象，纳米材料因其光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。此外，TiO2超细或纳米粒子还可用于抗紫外线用品。块状金属具有各自的特征颜色，但当其晶粒尺寸减小到纳米量级时，所有金属便都呈黑色，且粒径越小，颜色越深，即纳米晶粒的吸光能力越强。纳米晶粒的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响。由于纳米材料的电子往往凝集成很窄的能带，因而造成窄的吸收带。半导体硅是一种间接带隙半导体材料，通常情况下发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到5nm及以下时，其能带结构发生了变化，带边向高能带迁移，观察到了很强的可见发射。4nm以下的Ge晶粒也可发生很强的可见光发射。2.4 纳米材料的电学性能由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。电学性能发生奇异的变化，是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的约束从而呈现出量子限域效应。在纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内，由于颗粒内的电子运动受到限制，电子动能或能量被量子化了。结果表现出当金属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒不导电。这样一来，原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成立了。金属银会失去了典型金属特征；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大，电阻温度系数下降甚至出现负数；原来绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降，变成了半导体或导电体。纳米材料的电学性能决定于其结构。如随着纳米碳管结构参数的不同，纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。2.5 纳米材料的磁学性能当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对材料的宏观磁性有重要的影响。 纳米颗粒由于尺寸超细，一般为单畴颗粒，其技术磁化过程由晶粒的磁各向异性和晶粒间的磁相互作用所决定。纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、内应力以及晶粒表面的原子有关，与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的小尺寸效应。2.6 纳米材料的热学性能由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱，因此纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。如金属银界面热膨胀系数是晶内热膨胀系数的2.1倍；纳米铅的比热比多晶态铅增加25%50%；纳米铜的热膨胀系数比普通铜大好几倍；晶粒尺寸为8nm的纳米铜的自扩散系数比普通铜大1019倍。2.7 纳米材料的烧结性能纳米材料不同于块状材料是由于其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面占据在部分的结构空间，该结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键（结）合，同时因粒径细小而提供大表面的活性原子。纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。高的扩散率对蠕变、超塑性等力学性能有明显的影响，同时可以在较低的温度对材料进行有效的掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的金属形成新的合金相；纳米材料的高扩散率，可使其在较低的温度下被烧结。如12nmTiO2在不添加任何烧结剂的情况下，可以在低于常规烧结温度400600下烧结；普通钨粉需在3000高温下才能烧结，而掺入0.1%0.5%的纳米镍粉后，烧结温度可降到12001311；纳米SiC的烧结温度从2000降到1300。很多研究表明，烧结温度降低是纳米材料的共性。纳米材料中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。3 纳米材料颗粒的制备纳米材料的制备方法从技术上看已经比较成熟，相当多的方法已用于规模生产，总体分为两类，即物理法和化学法。3.1 物理方法3.1.1 蒸发冷凝法蒸发冷凝法一般利用超高真空，通过激光、电弧、高压感应加热登方式获得粉料，通过此方法得到的纳米物质纯度高、表面洁净和粒度可控。3.1.2 物理破碎法物理破碎法利用高能球磨或者冲击破破碎材料，得到纳米颗粒，该方法得到的颗粒容易不纯。3.1.3 非晶晶化法非晶晶化法利用熔融金属快冷成非晶体，控制晶化，得到所需尺寸颗粒，但是该方法应用范围有限。3.2 化学方法3.2.1 Sol-Gel 法Sol-Gel 法是利用由水溶胶得到凝胶，经热处理得到纳米颗粒，该方法的优点是粒度小、粒子易团聚。3.2.2 化学沉淀法化学沉淀法利用沉淀剂在金属醇盐中得到沉淀物，该方法易产生杂质，而且粒度不可控。3.2.3 微乳液法微乳液法在微乳液的微区内控制胶粒成核和长大，优点是粒子分散性好，缺点是粒径过大、不易控制。4 纳米材料的应用4.1 纳米磁性材料纳米磁性材料具有十分特别的磁学性质，纳米粒子尺寸小，具有单磁畴结构和矫顽力很高的特性，用它制成的磁记录材料不仅音质、图像和信噪比好，而且记录密度比-Fe2O3高几十倍。超顺磁的强磁性纳米颗粒还可制成磁性液体，用于电声器件、阻尼器件、旋转密封及润滑和选矿等领域。4.2 纳米传感器纳米二氧化锆、氧化镍、二氧化钛等陶瓷对温度变化、红外线以及汽车尾气都十分敏感。因此，可以用它们制作温度传感器、红外线检测仪和汽车尾气检测仪，检测灵敏度比普通的同类陶瓷传感器高得多。4.3 纳米计算机采用纳米技术来构筑电子计算机的器件，这种未来的计算机将是一种“分子计算机”，其袖珍的程度又远非今天的计算机可比，而且在节约材料和能源上也将给社会带来十分可观的效益。可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。5 结束语纳米技术目前已成功用于许多领域，包括在新材料中的应用、在微电子、电力等领域中的应用、在制造业中的应用、在生物、医药学中的应用、在化学、环境监测中的应用、在能源、交通等领域的应用、在农业中的应用和在日常生活中的应用。当今，纳米材料已经与我们息息相关，可以相信在未来，纳米材料会起到更大的作用。参考文献：1倪星元，沈军，张志华.纳米材料的理化性质与应用M.化学工业出版社.2006.21-96，165-230.2曹茂盛，曹传宝，徐甲强.纳米材料学M.哈尔滨工程大学出版社.2002.13-150.3刘吉平，郝向东纳米科学与技术M.科学出版社.2002.25-78.4 林志东. 纳米材料基础与应用M. 北京大学出版社.2010.231-245.5 张立德，解思深.纳米材料和纳米结构M.化学工业出版社.2005.379-413.6 方华，刘爱东.纳米材料及其制备M.哈尔滨地图出版社.2005.27-89.7 Bharat Bhushan.纳米技术手册-第1册-纳米结构、微纳米材料及其制备M.哈尔滨工业大学出版社.2013.1356-1982.8 张耀君，王亚超，刘礼才. 纳米材料基础M.化学工业出版社.2011.124-137.9 Morihiko M,Yoshimori M.J Appl PhysJ,1996.10 Tan W, Krishnaraj R, Desai TA. Evaluation of nanostructured