第四章纳米固体材料

1、 l纳米固体材料又称为纳米结构材料。纳米固体材料又称为纳米结构材料。 它是由颗粒或晶粒尺寸为它是由颗粒或晶粒尺寸为1-100mn的的 粒子凝聚而成的三维块体。一般来粒子凝聚而成的三维块体。一般来 说，各种材料其颗粒或晶粒尺寸减说，各种材料其颗粒或晶粒尺寸减 小到小到1-100mn时，都具有与常规材料时，都具有与常规材料 不同的性质。不同的性质。 l纳米固体材料的基本构成是纳米微粒加 上它们之间的界面。由于纳米粒子尺寸 小，界面所占体积分数几乎可与纳米微 粒所占体积分数相比拟，因此纳米固体 材料的界面不能简单地看成是一种缺陷， 它已成为纳米固体材料基本构成之一， 对其性能的影响起着举足轻重的作用

2、。 1类气态模型 类气态模型认为纳米晶体的界面原子的排列，既没有 长程有序，也没有短程有序，是一种类气态的、无序 程度很高的结构。该模型与大量事实有出入。 2有序模型 有序模型认为纳米材料的界面原子排列是有序的。认 为纳米材料的界面结构和常规粗晶材料的界面结构本 质上没有太大差别。纳米材料的界面是扩展有序的 3结构特征分布模型 结构特征分布模型的观点是：纳米材料的界面不是单 一的、同样的结构，界面结构是多种多样的。 4.3.1 纳米固体材料力学性能 1强度和硬度随着晶粒直径的减小，两者均增 加，与尺寸d-1/2成线性关系。 2塑性和韧性 纳米材料的特殊结构及庞大体积分数的界面， 使它的塑性、冲

3、击韧性和断裂韧性与粗晶材料 相比有很大改善。一般材料在低温下常常表现 为脆性，但是纳米材料在低温下却显示良好的 塑性和韧性。 3超塑性 超塑性是指在一定应力下伸长率100的塑性 变形。 1.饱和磁化强度 2.磁性转变 由于纳米材料颗粒尺寸很小，这就可能使一些抗磁 体转变为顺磁体。 3.超顺磁性 4.居里温度 居里温度:铁磁质转变为顺磁质时的温度。铁磁质 在高于居里温度时变为顺磁质。不同的铁磁质居里 温度不同。例如铁是769C；镍是358C；钴是1131C。 4.4纳米固体的制备纳米固体的制备 l 纳米固体的制备方法是近几年才逐渐发展起纳米固体的制备方法是近几年才逐渐发展起 来的，至今已有的一些

4、制备方法并不是十分理来的，至今已有的一些制备方法并不是十分理 想，特别是块体试样的制备工艺还有待进一步想，特别是块体试样的制备工艺还有待进一步 改进例如，如何获得高致密度的纳米陶瓷工改进例如，如何获得高致密度的纳米陶瓷工 艺仍处于摸索阶段，如何获得高致密度大块金艺仍处于摸索阶段，如何获得高致密度大块金 属与合金仍需进行探索，这是当前材料工作者属与合金仍需进行探索，这是当前材料工作者 所关心的重要课题的一部分关于如何由纳米所关心的重要课题的一部分关于如何由纳米 粉体制备具有极低密度、高强度的催化剂、金粉体制备具有极低密度、高强度的催化剂、金 属催化剂载体及过滤器等工艺探索工作也刚刚属催化剂载体及

5、过滤器等工艺探索工作也刚刚 起步起步 l4.4.1纳米相陶瓷的制备纳米相陶瓷的制备 l 由于纳米陶瓷呈现出许多优异的特性，因此引起人由于纳米陶瓷呈现出许多优异的特性，因此引起人 们的关注目前材料科学工作者正在摸索制备具有高们的关注目前材料科学工作者正在摸索制备具有高 致密度的纳米陶瓷的工艺纳米陶瓷的优越特性有以致密度的纳米陶瓷的工艺纳米陶瓷的优越特性有以 下几个主要方面：下几个主要方面： l (1)超塑性：在一定应力下伸长率大于超塑性：在一定应力下伸长率大于100%的塑性变的塑性变 形。例如纳米晶形。例如纳米晶TiO2金红石在低温下具有超塑性；金红石在低温下具有超塑性； l (2)在保持原来常

6、规陶瓷的断裂韧性的同时强度大大在保持原来常规陶瓷的断裂韧性的同时强度大大 提高；提高； l l(3)烧结温度可降低几百度烧结温度可降低几百度，烧结速度大大提高例如，烧结速度大大提高例如， 10nm的陶瓷微粒比的陶瓷微粒比10m的烧结速度提高的烧结速度提高12个数量级，个数量级， 这是因为纳米陶瓷低温下烧结的过程主要受晶界扩散这是因为纳米陶瓷低温下烧结的过程主要受晶界扩散 控制，这就导致烧结速度由晶粒尺寸来决定，即烧结控制，这就导致烧结速度由晶粒尺寸来决定，即烧结 速度正比于速度正比于1/d4。 l(4)无压力烧结无压力烧结(静态烧结静态烧结) l该工艺过程是将无团聚的纳米粉在室温下经模该工艺过

7、程是将无团聚的纳米粉在室温下经模 压成块状试样，然后在一定的温度下焙烧使其压成块状试样，然后在一定的温度下焙烧使其 致密化致密化(烧结烧结)无压力烧结工艺简单，不需特无压力烧结工艺简单，不需特 殊的设备，因此成本低，但烧结过程中易出现殊的设备，因此成本低，但烧结过程中易出现 晶粒快速的长大及大孔洞的形成，结果试样不晶粒快速的长大及大孔洞的形成，结果试样不 能实现致密化，使得纳米陶瓷的优点丧失能实现致密化，使得纳米陶瓷的优点丧失 l 为了防止无压烧结过程中晶粒的长大，在主为了防止无压烧结过程中晶粒的长大，在主 体粉中掺入一或多种稳定化粉体使得烧结后的体粉中掺入一或多种稳定化粉体使得烧结后的 试样

8、晶粒无明显长大并能获得高的致密度试样晶粒无明显长大并能获得高的致密度 l1惰性气体蒸发原位加压法 l一步法”的步骤是： l(1)制备纳米颗粒； l(2)颗粒收集； l(3)压制成块体。上述步骤一般都是在真空下进行 的.目前已制备出： Fe、Cu、Au、Pd等纳米晶金 属块体和Si-Pd、Pd-Fe-Si、Si-A1等纳米金属玻璃。 l2高能球磨法高能球磨法 l高能球磨法是利用球磨机把金属或合金粉末粉碎成纳高能球磨法是利用球磨机把金属或合金粉末粉碎成纳 米微粒，经压制成型米微粒，经压制成型(冷压和热压冷压和热压)，获得纳米块体的，获得纳米块体的 方法。如果将两种或两种以上金属粉末同时放人球磨方法

9、。如果将两种或两种以上金属粉末同时放人球磨 机中进行高能球磨，粉末颗粒经压延、压合、碾碎、机中进行高能球磨，粉末颗粒经压延、压合、碾碎、 再压合的反复过程再压合的反复过程(冷焊一粉碎一冷焊的反复进行冷焊一粉碎一冷焊的反复进行)， 最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。利用高能最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。利用高能 球磨法可制备纳米金属间化合物。目前已制备出：球磨法可制备纳米金属间化合物。目前已制备出： Fe-B、Ti-Si、Ti-B、Ti-A1、Ni-Si、V-C、W-C、Pd- Si、Ni-Mo、Nb-A1、Ni-Zr等纳米金属间化合物。等纳米金属间化合物。 l3非晶晶化法非晶晶化法

10、 l该方法是用单辊急冷法将熔体制成非晶态合金，然后该方法是用单辊急冷法将熔体制成非晶态合金，然后 在不同温度下进行退火，使其晶化。随晶化温度上升，在不同温度下进行退火，使其晶化。随晶化温度上升， 晶粒开始长大，晶粒开始长大， l 用非晶晶化法制备的纳米材料的塑性对晶粒的粒径用非晶晶化法制备的纳米材料的塑性对晶粒的粒径 十分敏感，只有晶粒直径很小时，塑性较好，否则纳十分敏感，只有晶粒直径很小时，塑性较好，否则纳 米材料变得很脆。因此，只有那些形核激活能小、而米材料变得很脆。因此，只有那些形核激活能小、而 长大激活能大的非晶态合金采用非晶晶化法才能获得长大激活能大的非晶态合金采用非晶晶化法才能获得 塑性较好的纳米晶合金。塑性较好的纳米晶合金。 l4.5.3 在磁学方面的应用在磁学方面的应用 具有铁磁性的纳米材料具有铁磁性的纳米材料(如纳米晶如纳米晶Ni、 Fe2O3、Fe3O4等等)可作为磁性材料。铁磁可作为磁性材料。铁磁 材料可分为软磁材料材料可分为软磁材料(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难磁化和去磁都十分困难)。 此外，纳米铁氧体磁性材料，除可作软磁此外，纳米铁氧体磁性材料，除可作软磁 材