纯金属纳米材料制备及性能的尺寸效应研究

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1、摘要士禽五日金属纳米材料的研究是材料科学与技术领域的前沿课题，而目前研究多集中在材料的制备技术、微观结构、特殊的物理、化学特性和力学性能等方面，有关金属纳米材料性能的尺度效应的研究报道较少。本文以纯金属纳米材料为研究对象，研究获得了制备纯金属纳米粉末和超细纳米晶块体材料的有效方法。深入研究了金属纳米晶块体材料的变温晶粒长大行为，并通过系列实验结合理论分析获得了金属纳米晶块体材料的物理和力学性能随纳米晶粒尺寸的变化规律。’采用惰性气体蒸发．冷凝法制备出平均粒径为38nm、尺寸分布均匀的纯钐纳米粉末；采用直流氢电弧蒸发．冷凝法制各出平均粒径为36～60nm的纯铝纳米粉末。深入研

2、究了直流氢电弧蒸发．冷凝法中供料速度、惰性气体种类、气氛中氢气含量等因素对金属纳米粉末的粒径及尺寸分布的影响，揭示了直流氢电弧蒸发．冷凝法的金属纳米粉末形成机制及相关工艺参数对粉末形貌、平均颗粒尺寸、颗粒尺寸分布和产率的影响机制。获得了制备纯金属纳米粉末的优化工艺。分别采用低压和高压放电等离子烧结技术制备出致密的纯金属钐和铝纳米晶块体材料，提出了纯属超细纳米晶块体材料制备的最佳工艺。对金属纳米晶块体的成分、微观组织和晶体结构进行了表征和分析。系统测试了金属纳米晶块体材料的显微硬度、弹性模量、电阻率、等压热容和热导率等力学和物理性能，并与同种成分的粗晶块体材料进行了对比，揭示

3、了纳米效应对纯属纳米材料性能影响内在机制。选择纯金属钐超细纳米晶块体作为初始材料，通过一系列退火实验制备出具有不同晶粒尺寸级别的纳米晶块体材料。研究了钐纳米晶块体的变温晶粒长大动力学特性，发现在纳米尺度下，当退火温度约为300"C时钐纳米晶块体发生不连续的快速晶粒长大行为。分别对不同晶粒尺寸级别的钐纳米晶块体进行了力学性能和物理性能测试，获得了金属纳米晶块体的性能随晶粒尺寸的演变规律，分析了金属纳米晶块体性能纳米尺度效应的内在物理机制。关键词金属纳米粉末：金属纳米晶块体材料；制备技术：物理性能：力学性能；纳米尺度效应ABSTRACTABSTRACTTheresearches

4、onmetaJnanomaterialshavebecomethefocusinnanosicenceandnanotechnologyfieldsinrecentyears．Theexistingstudiesweremainlyfocusedonthenanomaterialspreparation，microstructure，specificphysical，chemicalandmechanicalproperties．Therearefewreportsonthenanoscaleeffectsonthepropertiesofmetalnanomaterial

5、s．Takingthepuremetalnanomaterialsastheexample，ourgroupproposedanovelapproachforpreparingmetalnanopowdersanduitrafinemetalnanocrystallinebulks．Graingrowthofmetalnanocrystallinebulksatdifferenttemperatureswereinvestigatedsystematically．Further,physicalandmechanicalpropertiesofmetalnanocrysta

6、llinebulks，aswellastheirdependenceonthenanograinsize，werestudiedbycombingtheoreticalmodelsandexperimentalwork．TheinertgascondensationmethodwasusedtoprepareSmnanopowderwiththeaverageparticlesizeof38nmanduniformsizedistribution．TheAInanopowderswiththeaverageparticlesizeof36^_60nmwereprepared

7、bydirect—currenthydrogen-arccondensationmethod．Theprocessingparametersofhydrogen—arccondensation，suchasthefeedingmethod，hydrogencontent，andtheinertgastype，werestudiedontheirinfluencesonthenanoparticlesizeandthesizedistribution．Metalnanoparticlesformationmechan