金属纳米晶材料的制备、热力学特性及相稳定性的研究

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1、摘要纳米材料作为一种新型材料在宇航、电子、冶金、化工、生物和医学领域展现出广阔的应用前景。对于纳米多晶材料，由于晶粒细小，其内部由晶界、相界或畴界等构成的内界面含量很高，因而显著影响着纳米晶的物理和机械性能，使其具有传统材料所不具备的优异特性。相对于粗晶的块体多晶体材料，纳米材料的比热值升高、热膨胀系数成倍增大、以及与同成分粗晶材料相差较大的相变特征和相稳定性等特性，表明用于研究块体材料的传统热力学模型已不能合理解释纳米材料的相变行为。首先，本文在应用“界面膨胀模型”和普适状态方程研究纳米界面热力学

2、特性的基础上，发展了描述整个纳米晶体热力学函数的计算模型，推导出金属纳米晶的基本热力学函数表达式。由此进～步确定了纳米晶稳定相的形成温度与晶粒尺寸之间的依赖关系，以及可生成相存在的热力学条件和临界尺寸条件。其次，探索出高能球磨方法获得Co纳米晶粉体的制备工艺，即，Ar气保护下采用10：1的球料比，干磨30—34h，即可获得平均晶粒尺寸为40nm左右的Co纳米晶粉体。利用XRD、SEM、TEM等方法对纳米晶形貌、亚结构及晶粒尺寸进行了全面的观测和分析。最后，以制备出的平均晶粒尺寸为39nm的Co纳米晶

3、粉体为研究对象，对其在一定温度下进行退火热处理，并对退火后的粉体进行相组成、相含量及晶粒尺寸的测定，证明了Co纳米晶的相变趋势和相变温度范围与模型预测结果的一致性。同时，通过对Co纳米晶粉体的等压热容。的测定，计算得到了该种材料的焓、熵和吉布斯自由能与温度的关系式，与理论模型所预测的热力学函数关系曲线相比，两者不仅变化趋势一致而且具体数值的数量级相同，从而进一步验证了模型预测的正确性。本文所建立的单相纳米晶热力学函数模型，能够较准确预测单相纳米晶材料的基本热力学性质，以及稳定相与晶粒尺寸之间的定量关

4、系，从而为研究纳米晶材料显微组织结构、热力学表征参量、相交行为及有关性能之间的关系提供了科学依据。关键词纳米晶；热力学；高能球磨：退火；相含量AbsttactNanocrystallinematerials，aSarapidlydevelopednew．typematerials，haveabroadfieldofpotentialapplicationsintheaspectsofspacenavigation，electronic，metallurgy，chemical，biologicalan

5、diatrologyfields，etc．Duetotheultrafinegrains，therearealargenumberofinterfaceswhichconsistofgrainboundariesorphaseboundariesinnanocrystallinematerials．Comparedtotheconventionalcoarse．grainedpolycrystals，nanocrystallinemmerialshaveunusuallyadvancedph)7si

6、calandmechanicalproperties．Inmyresearchworkfirstly,acalculationmodelofthethermodynamicfunctionsforthewholenanocrystalswasdevelopedandthefundamentalthermodynamicfunctionsofthemetalnanocrystalsbasedonthe‘‘dilatedcrystalmodel’’anduniversalequationofstate(

7、EOS)werederived．ItWasconfirmedthattheformationtemperatureofstablephasesdependsonthegroinsizeofnanocrystals．Thethermodynamicandcriticalsizeconditionsofphasetransformationwerepredicted．Secondly,Conanocrystallinepowdersbyhighenergyball-millinghavebeenobta

8、ined．TheConanocrystallinepowderswiththemeangrainsizeof40nmwerepreparedwiththeprocessingof10to1balltopowderweightratioanddry·milling30-34hinArgaS．Theshape，sub-structureandgrainssizeofnanocrystalswereobservedandanalysised．ItisprovedthatCo