陕西科技大学材料学院纳米材料第四章纳米固体材料

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1、第2章纳米固体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。纳米固体材料定义(纳米结构材料)2.4纳米固体材料制备方法2.4.1纳米金属材料的制备1、惰性气体蒸发原位加压法2、高能球磨法3、非晶晶化法1．惰性气体蒸发、原位加压法“一步法”，即制粉和成型是一步完成的。“一步法”的步骤是：(1)制备纳米颗粒；(2)颗粒收集；(3)压制成块体。第一：纳米粉体获得；第二：纳米粉体的收集；第三：粉体的压制成型。其中第一和第二部分与用惰性气体蒸发法制备纳米金属粒子的方法基本一样。装置主要由3个部分组成：原位加压制备纳

2、米结构块体的部分－由惰性气体蒸发制备的纳米金属或合金微粒在真空中由聚四氟乙烯刮刀从冷阱上刮下经漏斗直接落入低压压实装置，粉体在此装置中经轻度压实后由机械手将其送至高压原位加压装置压制成块状试样。纳米微粒具有清洁的表面，很少团聚成粗团聚体，块体纯度高，相对密度也较高(最高密度可达97％)。惰性气体蒸发、原位加压法的优点：工艺设备复杂，产量极低，很难满足性能研究及应用的要求。缺点：2．高能球磨法（高能球磨法结合加压成块法）机械合金化(MA)：如果将两种或两种以上金属粉末同时放入球磨机中进行高能球磨，粉末颗粒经压延、压合、碾碎、再压合的反复过程，最后

3、获得组织和成分分布均匀的合金粉末。由于这种方法是利用机械能达到合金化，而不是用热能或电能，所以，把高能球磨制备合金粉末的方法称为机械合金化(MA)。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(冷压和热压)，获得纳米块体的方法。高能球磨法的应用利用机械合金化法可将相图上几乎不互溶的元素制成固溶体：Fe-Cu合金、Ag-Cu合金。制备纳米金属间化合物：Fe-B、Ti-Si、Ti-B等纳米金属间化合物。制备纳米复合材料：纳米Y2O3粉体复合到Co-Ni-Zr合金中；把纳米CaO或纳米MgO复合到金属Cu中，其电导率与Cu基本一样

4、，但强度大大提高。高能球磨法制备的纳米块体材料的主要缺点：优点：高能球磨法产量高，工艺简单，可制备常规方法难以获得的高熔点的金属或合金纳米材料。晶粒尺寸不均匀，容易引入杂质。3．非晶晶化法非晶态固体可通过熔体急冷、高速直流溅射、等离子流雾化、固态反应法等技术制备，最常用的是单辊或双辊旋淬法。由于以上方法只能获得非晶粉末、丝及条带等低维材料，因而还需采用热模压实、热挤压或高温高压烧结等方法合成块状样品。晶化通常采用等温退火方法，近年来还发展了分级退火、脉冲退火、激光波诱导等方法。通过控制非晶态固体的晶化动力学过程使产物晶化为纳米尺寸的晶粒，两个过

5、程：非晶态固体的获得和晶化组成。该法已制备出Ni、Fe、Co、Pd基等多种合金系列的纳米晶体，也可制备出金属间化合物和单质半导体纳米晶体，并已发展到实用阶段。此法在纳米软磁材料的制备方面应用最为广泛。卢柯等人率先采用非晶晶化法成功地制备出纳米晶Ni-P合金带.高真空金属甩带机:控制面板超音频电源主机主机部分中，真空室内铜辊直径为２２０ｍｍ，石英坩埚管喷嘴的尺寸为６ｍｍ×0.６ｍｍ。将铜铍合金小棒，用粗砂纸擦去表面氧化层，用超声波清洗器在丙酮中清洗３０min,，酒精中浸泡10min放入石英坩埚中。设备抽真空，真空室中充入２０～８０ｋＰａ的氩气作为

6、保护气氛，５～４０ｋＰａ的喷铸气压，调节辊轮转速约为３４００ｒ／ｍｉｎ。开启中频感应加热电源，当金属处于熔融状态时，打开喷气电磁阀开关，熔融金属在喷气压的作用下，喷射到高速旋转的铜辊上，并在热应力和离心力的作用下剥离铜辊沿着与铜辊接触点的切线方向甩出，形成快速凝固铜铍合金。用单辊旋淬法制备纳米晶Cu薄带首先将设备抽真空，然后充入30~90kPa的惰性气体。在惰性气体保护条件下利用高频感应加热装置将10g纯度为99.99%的铜棒料放入石英坩埚中熔化成高于熔点50℃~150℃的液态铜。再用6~20kPa的惰性气体将液态铜喷射到高速旋转的铜辊表面，液

7、态铜在铜辊表面急速冷却，并沿铜辊转动方向甩出，形成一定宽度的薄带。该法的特点是成本低，产量大，界面清洁致密，样品中无微孔隙，晶粒度变化易控制。局限性：依赖于非晶态固体的获得，只适用于非晶形成能力较强的合金系。2.4.2纳米陶瓷材料的制备纳米陶瓷：指显微结构中的物相(包括晶粒尺寸、晶界宽度、第二相分布、气孔与尺寸缺陷等)都在纳米量级的水平上的陶瓷材料。1、高强度：纳米陶瓷的性能：纳米陶瓷材料在压制、烧结后，其强度比普通陶瓷材料高出4-5倍:如在100℃下，纳米TiO2陶瓷的显微硬度为13000KN/mm2，普通TiO2陶瓷的显微硬度低于2000K

8、N/mm2。日本的新原皓一制备了纳米陶瓷复合材料，并测定了其相关的力学性能，研究表明纳米陶瓷复合材料在韧性和强度上都比原来基体单相材料均有较大程度的改