第四章纳米固体材料

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1、纳米材料导论材料学院王晓冬2007-12-10第四章纳米固体材料概述1纳米固体材料的结构特点2界面研究方法3性能4制备方法5应用64.1概述纳米固体材料，又称为纳米结构材料，可以简称为纳米材料。它是由颗粒或晶粒尺寸为1-100mn的粒子凝聚而成的三维块体。本章主要介绍纳米固体材料的结构特点及界面研究方法，纳米固体材料性能，制备方法和应用。其中界面研究方法、材料性能和制备方法是本章的重点4.2纳米固体材料的结构特点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

2、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。4.2纳米固体材料的结构特点目前，关于纳米固体材料界面结构的模型主要有：类气态模型，短程有序模型，界面缺陷模型，界面结构可变模型等。纳米固体材料的微观结构研究对进一步了解纳米固体材料的特性十分重要。下面对此进行系统介绍。4.2.1纳米固体材料的界面结构模型纳米固体材料结构研究的内容：颗粒的尺寸、形态及分布，界面的形态、原子组态或键组态，颗粒内和界面内的缺陷种类、数量及组态，颗

3、粒和界面的化学组成，杂质元素的分布等。其中界面的微观结构是影响纳米材料性能的最重要的因素。与常规材料相比，庞大体积的界面对纳米材料的性能负有重要的责任。对纳米材料的结构研究一直是热点课题。人们提出了不同的界面结构模型，有些是互相矛盾的。1.类气态模型类气态模型是Gleiter教授于1987年提出的关于纳米晶体的界面结构模型。他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。自1990年以来文献上不再引用该模型，Gleiter教授也不再坚持

4、这个模型。短程有序：原子仅在很小的范围(几个原子的尺度)内呈一定的规则排列。例如，在非晶玻璃中，硅的四个价电子与四个氧原子共价。由于共价键的方向性，因而硅与氧原子之间呈规则排列，从而形成短程有序排列。长程有序排列　　原子在很大的范围内均是按一定规则排列的。具有长程有序排列的材料即为晶体材料。金属、半导体、大部分陶瓷均为晶体材料，某些高分子材料(如等规聚丙烯、尼龙)也是晶体材料。2.有序模型有序模型认为纳米材料的界面原子是呈有序排列的Thomas和Siegel根据高分辨透射电子显微镜（TEM）的观察，认为纳米材

5、料的界面结构和常规粗晶材料的界面结构在本质上没有太大差别。2.有序模型Eastman对纳米材料的界面进行了X射线衍射（XRD）和X射线吸收精细结构分析（EXAF）的研究，提出了纳米材料的界面原子排列是有序的或者是局域有序的。Ishida用高压高分辨TEM观察到了纳米晶Pd的界面中局域有序化的结构，并观察到只有有序晶体中才出现的孪晶、层错和位错亚结构。基于以上实验事实，他们提出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。在庞

6、大的界面中，由于在能量、缺陷、晶粒取向、杂质偏聚上的差别，纳米材料的界面结构存在一个分布，它们都处于无序到有序的中间状态。有的是无序，有的是短程有序，有的是扩展有序，有的甚至是长程有序。该模型可以把所有用各种方法观察到的界面结构上的差异统一起来。4.2.2纳米固体材料的结构缺陷缺陷是实际晶体结构偏离了理想晶体结构的区域。纳米材料结构中平移周期遭到很大破坏，界面原子排列比较混乱，界面中原子配位不全使得缺陷增加。另外，纳米粉体压成块体后，晶格常数会增大或减小，晶格常数的变化也会使缺陷增加。4.2.2纳米固体材料的结

7、构缺陷纳米材料实际上是缺陷密度十分高的一种材料。结构缺陷可分成3种类型：点缺陷(空位、空位对、空位团、溶质原子、杂质原子等)线缺陷(位错、刃型位错、螺型位错、混合型位错等)面缺陷(层错、相界、晶界、三叉晶界、孪晶界等)。下面重点介绍一下对纳米材料性能影响较大的：位错、三叉晶界和空位。1.位错的类型螺位错1.位错的类型刃位错示意图1.位错的类型混合位错（可分解为螺位错和刃位错）1.位错纳米材料诞生不久，有人认为纳米材料中存在大量点缺陷，而无位错。另一种观点认为：除了存在点缺陷外，纳米晶体内在靠近界面的晶粒内存在位

8、错，但位错的组态、位错运动行为都与常规晶体不同。现在已经有人用高分辨TEM在纳米晶Pd中分别观察到位错、孪晶、位错网络等。2.三叉晶界三叉晶界是指三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域。纳米材料中的三叉晶界体积分数高于常规多晶材料，因而对力学性能影响很大。三叉晶界体积分数对晶粒尺寸的敏感度远远大于晶界体积分数。当粒径d从100nm减小到2nm时，三叉晶界体积分数增加了3个数量级，而晶界体