纳米技术资料6.ppt

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1、第五节纳米块体材料纳米固体是指由纳米微粒构成的体型材料，是纳米微粒的凝聚体。若对纳米固体再细分类，可按结构将纳米固体分为纳米晶体、纳米非晶体和纳米准晶材料；按组成结构看，纳米固体可分为纳米相材料和纳米复合材料。所谓纳米相材料是指由单相微粒构成的固体；由两种或两种以上的相微粒组成的固体则称为纳米复合材料。1．纳米金属与合金块体的惰性气体蒸发、原位加压制备法纳米固体的制备纳米金属与合金块体是经二次凝聚制备的：首先制备纳米微粒；之后将微粒收集在一起；第三步原位加压制成块体。2．高能球磨法纳米块体材料的制备本法主要用于纳米晶纯金属、彼此相溶的

2、固溶体、纳米金属-陶瓷粉复合材料和纳米金属间化合物粉体（经压制后）和块体的制备。纳米固体的制备高能球磨法制成的粉体有两种，一种是由单一尺寸的纳米粒子组成，另一种是不同尺寸的混合体，即一部分是纳米粒子，一部分是微米或亚微米级的大颗粒（纳米晶的聚集体）。上述粉体经压制（冷压或热压）就可获得块体试样，再经适当热处理即可得到所需纳米块体。例如：将粗铜和ZrC/ZrO合金粉与一定量的添加剂一起进行球磨，由此得到Cu粉中有近10.8%体积的Cu粒子内弥散分布着氧化锆和碳化锆，将所有粉体在室温下冷压成条状，然后在700℃～800℃条件下热压成棒材。

3、纳米固体的制备纳米固体的制备3．非晶晶化纳米块材制备法用单辊急冷法将熔融体制成非晶态合金条带，然后在不同温度下进行退火，使非晶完全晶化，非晶态合金条带成为由纳米晶构成的条带。例如：将Ni80P20（百分原子数）熔体急冷制成非晶态合金；当退火温度小于337℃时Ni3P纳米晶的粒径为7.8nm。随退火温度增大晶粒粒径将迅速长大，这将影响非晶晶化纳米块材的力学性能。对成核激活能小，晶粒长大激活能大的材料用非晶晶化法制备效果较好。4、纳米相陶瓷的制备纳米相陶瓷的制备是指将氧化物（如Al2O3，Fe2O3等）氮化物（如SiN），碳化物（SiC等

4、）压实烧结的过程。常规材料的陶瓷烧结，烧结温度是很高的，但纳米相陶瓷可使烧结温度降低几百度。纳米相陶瓷质量最关键的指标是材料的致密程度，为此大约有两种方法实现纳米相陶瓷块体的制备。纳米固体的制备（1）无压力烧结将无团聚的纳米粉在室温下经模压成块，然后在一定的温度下熔烧使其致密化（烧结）。为了防止烧结过程中晶粒长大过快和致密度低的问题，本工艺要在主体纳米粉中掺入一种或多种稳定化粉体。例如：在ZrO2粉中加入5%体积的MgO，就可以通过无压力烧结制成高密度的纳米相陶瓷。纳米固体的制备（2）应力有助烧结将无团聚的粉体在一定压力下进行烧结，特

5、点是无需掺杂，但在烧结过程中要有应力相助。在应力作用下，烧结过程中晶粒无明显长大、可以得到较高致密度的纳米相陶瓷，但烧结与加压同时进行对设备的要求要复杂得多，具体工艺也复杂得多。纳米固体的制备纳米块体的构成是纳米微粒（尺寸在1～100nm）和它们之间的分界面（下称界面）。界面在块体材料中的作用类似一般固体材料的晶粒间界，但又有本质的不同。由于纳米粒子尺寸小，界面在块体材料中所占的体积百分比，往往与纳米微粒所占体积的百分比差不多。纳米块体材料的结构特点例如：纳米块体中纳米微粒的粒经为5nm，界面厚度为1nm，若设微粒为球体，那么界面原子

6、的体积百分比达到48.8％。因此，在纳米块体材料中，不能将界面视为“缺陷”，它已成为纳米块体材料基本构成之一。所以说，界面类似于一般固体材料的晶粒间界，但又有本质的不同，不能视为缺陷。纳米块体可分为两个组元：①微粒组元；②界面组元。作为微粒组元，保持形成块体的纳米微粒结构，而作为界面组元，它的结构取决于相邻微粒（如晶粒）的相对取向及边界的倾角。如果相邻微粒取向是随机的，则纳米块体的所有晶粒间界具有不同的原子结构。纳米块体材料的结构特点纳米块体材料不是由单一纳米相构成的，而是由多种相微粒组成的纳米复合材料。不同相的原子间距不同，在界面A

7、、B处可以发现，界面处的原子间距与晶粒内不同，而且不同界面彼此不同。结构特点界面组元是所有这些界面结构的组合，如果所有界面的原子间距各不相同，则这些界面的原子间距的平均结果是各种可能的原子间距取值在这些界面中均匀分布。因此可以认为界面组元的微结构与长程有序的晶态不同，也和典型的短程有序的非晶态有差别，是一种新型结构。结构特点纳米非晶结构材料，由于它的颗粒组元是短程有序的非晶态，其界面组元的原子排列比颗粒组元内原子的排列更混乱，是一种无序程度更高的纳米材料。由于纳米块体中界面单元所占比例很大，因此对它的研究十分重要，到目前为止尚无成熟的

8、理论，仅有一些假说，概括起来有以下几种：类气态模型有序模型界面缺陷态模型界面可变结构模型纳米块体材料的结构特点材料的硬度、弹性模量和塑性是主要的力学性能，纳米块体材料与常规固体有很大不同。1．硬度Hall-Petch关系