纳米晶体材料中晶粒生长

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1、纳米晶体材料中晶粒生长GrainGrowthInNanocrystallineMaterials作者：曾勇学号：0642031049关键词：纳米材料晶粒生长摘要：近年来,纳米材料在越来越多的领域得到应用。因此对纳米材料的制备工艺、变形及破坏机理的研究受到了广泛的关注。大多固体材料都是由晶粒构成的,其或为单晶体或为多晶体。晶粒边界上原子的不规则排列使得材料内部储存的能量很高,因此晶界易成为缺陷的源头。一方面在能量驱动下,晶粒会逐渐长大以减小晶界的面积;另一方面,晶粒的尺寸、分布情况和变形方式与材料性能及其使用寿命密切相

2、关,不同尺寸的晶粒在外载作用下其变形机理不尽相同。因此,深刻地了解和剖析晶粒生长的基本特征和变形机理对于材料设计具有重要的指导意义。综述：纳米晶体材料的概念是在二十世纪八十年代由德国萨尔兰大学的Gleiter教授提出的【1、2】。1984年，Gleite:在高真空的条件下将直径为6nln的铁粒子原位加压成形，烧结得到纳米微晶块体，这一成功掀起了纳米晶体材料研究和应用的热潮【3】。到二十世纪九十年代初，纳米材料科学做为材料科学的一个新分支在第一届国际纳米科学技术会议上得以正式宣布[4]，标志着纳米材料的研究进入一个新的

3、发展时期。近年来，针对纳米材料及其相关科技的研究得到了长足的发展并取得了许多非常重要的成果，其逐渐成为当今最重要的科学研究分支之一。纳米晶体材料是指三维空间尺度中至少有一维处于纳米量级(10-9)的晶体材料[5,6]，这种材料为单相或多相的单晶或多晶粒材料。在单晶材料中，任意区域都具有一样的晶格方向，而多晶材料则由许多晶格方向不一的区域或晶粒组成，晶粒之间由晶界相分割。纳米晶体材料中典型的晶粒尺度或特征尺度为1-100nm，每个晶粒包含几十个到几万个原子[2.7]，晶粒内部为具有长程有序的晶状结构，而晶界部分是既没有

4、长程有序也没有短程有序的无序结构[4.8]。随着单晶材料特征尺度或多晶材料的晶粒尺度的减小，特别是达到纳米尺度量级时，晶粒表面或界面的原子个数占系统总原子个数的比例将大幅度增大，如直径为5nm的晶粒中这一比例将达到50%，而这些界面原子具有与内部原子非常不同的物理、力学及化学等行为，从而使得纳米晶体材料具有与粗晶材料完全不同的性能。在力学性能方面，实验通常发现当晶粒尺寸从微米进入纳米范围时，金属晶体的强度和硬度都将大幅度提高，但同时材料变脆。进一步降低晶粒的尺寸，如达到10nm以下时，一些金属材料表现出强度和硬度的退

5、化。这表明传统的Hall一Petch关系，其描述了材料的硬度的增加反比于晶粒尺寸的均方根，在该晶粒尺寸范围不再适用[9,10,11]。界面原子的增加同样会导致所谓的表面效应和量子尺寸效应;纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性还将导致高的光学非线性和光催化性质等;而当纳米粒子的尺寸减小到与光波波长、德布罗意波长、超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当时，晶体周期性边界条件将被破坏，非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小，导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。纳米材料从根本上改变了材料的结构，可望得到诸

6、如高强度金属和合金、塑性陶瓷、金属间化合物以及性能特异的原子规模复合材料等新一代材料，为克服材料科学研究领域中长期未能解决的问题开拓了新的途径[4]。尸纳米品体材料中晶粒生长及变形机理的研究纳米材料的应用范围非常广泛。在陶瓷领域，将陶瓷的特征尺度纳米化以后，其韧性和强度都将大大增加，从而扩大了陶瓷的应用范围和延长了材料的使用寿命[4]。目前实验发现许多纳米材料都具有开关效应，再加之其超小的体积，这为纳米存储器和纳米计算机的实现提供了物质保障，将促进电子科技新的革命。纳米材料在化学领域中可以充当光催化剂，方便观测和控制

7、相关化学反应过程。纳米材料可以用于生命医学科学中，如将超微的纳米粒子注入人体的各个部位，从而方便检测和诊断人体的疾病。同时，纳米颗粒还可以作为病毒诱导物的载体，为准确的病变治疗提供方便。此外，基于纳米材料的设备有助于了解生物大分子的精细结构和功能，获取生命信息[4]。纳米结构材料可以提供质量轻、强度高和热性能稳定的优质材料，可广泛地应用于航空和航天领域，如低耗能、防辐射和高性能的计算机;微型空间飞行器所需要的纳米仪器;纳米结构的传感器和纳米电子器件所组成的用于空间探索的发电和电子系统;耐摩擦和绝热的纳米涂层材料;超硬

8、耐高温纳米材料。纳米技术具有提高能源效率、能量存储、能源再生和能量转换等优势。它可以用于监视和检测环境问题，发展新的可以减小副产品的“绿色，，生产过程。如纳米材料可以用作清理污染和净化水资源的多孔材料;新型防火塑料;高效的储氢材料:高效率电池材料;高效率能源转化材料;纳米机器的动力和能源系统;纳米机器系统的摩擦、润滑、故障分析和非破坏性检测[1