纳米材料的性能及应用

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1、纳米材料的性能及应用XXXX(北京xxxxxx学院化学工程系北京1026174)摘要针对纳米材料所具有的独特性能进行了综述，对该种材料的应用进行了介绍和展望。通过对纳米陶瓷材料进行在不同温度下的拉伸应变实验，来测试出纳米材料的力学性能以及其他的磁学、电学性能。由于纳米材料的独特性能，导致其应用前景非常广阔，可用作高韧、高强纳米结构陶瓷材料，高性能磁性材料，电磁波吸收材料，催化剂以及纳米级微粒传感器等。对纳米材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这六个字来概括。“更轻”是指借助于纳米材料和技术，我们可以制备体积更小性能不变甚至更好的器件；“更高”是指纳米材料可望

2、有着更高的光、电、磁、热性能。“更强”是指纳米材料有着更强的力学性能。关键词：纳米材料；性能；应用中图分类号：□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□。1引言纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。纳米体系使人们认识自然又

3、进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域，实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中，在结构上有序度的变化，在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别，对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。由于纳米材料的晶粒尺寸，晶界尺寸，缺陷尺寸均处在100nm及其以下，且晶界数量大幅度增加，使得材料的强度，韧性和超塑性大为提高。对于材料的电学，磁学，光学等性能产生重要的影响[1-3]。本文根据大量资料，对纳米材料所具有的一些独特性能进行综述，对其应用及前景进行了介绍和展望。2纳米材料的性能2.1

4、纳米材料的力学性能大量研究表明，纳米陶瓷材料具有超塑性性能，所谓超塑性是指材料在一定的应变速率下产生较大的拉伸应变。纳米TiO2陶瓷在室温下就能发生塑性形变，在180℃下塑性变形可达100%。若试样中存在微裂纹，在180℃下进行弯曲时，也不发生裂纹扩展[4]。掺杂Y2O3的四方氧化锆多晶体纳米陶瓷材料(Y—TZP)当晶粒尺寸为150nm时，材料可在1250℃下呈现超塑性。且起始应变速率达到3×10-2S-1，压缩应变量达380%[5]。对晶粒尺寸为350nm的3Y—TZD陶瓷进行循环拉伸试验，发现在室温下就已出现形变现象。另外纳米ZnO陶瓷也具有超塑性性能。

5、纳米Si3N4陶瓷在1300℃下。即可产生200%以上的形变。关于纳米陶瓷产生超塑性的原因，一般认为是扩散蠕变引起晶界滑移所致。扩散蠕变速率与扩散系数成正比，与晶粒尺寸的三次方成反比，当纳米粒子尺寸减小时，扩散系数非常高，从而造成扩散蠕变异常高。因此，在较低温度下，因材料具有很高的扩散蠕变速率，当受到外力后能迅速做出反应，造成晶界方向的平移，从而表现出超塑性:塑性的提高也使其韧性大为提高。纳米陶瓷的硬度和强度也明显高于普通材料。在100℃下，纳米TiO2陶瓷的显微硬度为1300kgf/mm2，而普通TiO2陶瓷的显微硬度低于200kgf/mm2[6]。在陶瓷

6、基体中引入纳米分散相进行复合，对材料的断裂强度，断裂韧性会有大幅度的提高，还能提高材料的硬度，弹性模量，抗热震性以及耐高温性能。又例如纳米SiC弥散到Si3N4基体中形成的纳米复合材料，其韧性常数KiC为4.5～7.5MPam1/2，断裂强度σS为850～1400MPa，最高工作温度可达1200～1500℃。另据报道[7]，用烧结技术制成的碳纤维增强SiC/Sialon纳米复合陶瓷材料与碳纤维增强Sialon微米复合材料相比，其强度和韧性也得到较大改善，性能对比见表1。表1　碳纤维增强SiC/Sialon纳米复合陶瓷与碳纤维增强Sialon微米复合材料性能对

7、比性　能纳米复合材料微米复合材料强度/MPa705314韧性/MPam1/223.59.82.2纳米材料的其他性能纳米材料由于晶粒尺寸的减小，对磁学性能，电学性能等也产生一些影响。研究表明：Fe，Co，Ni超微粉的矫顽Hc随平均粒径的减小而增大，当这三种金属粉末的平均粒径分别达到14nm，14nm和18nm时，Hc达到最大。上述粒径分别相当于Fe，Co，Ni的单磁畴的临界尺寸。某些纳米材料与一般固体材料的饱和磁化强度、磁化率、超导临界温度也不同(见表2)。表2　纳米材料与一般材料性质比较材料类别性质纳米材料固体材料Fe饱和磁化强度(4K)×103A·m2·g

8、-1130222Sb磁化率(4K)+10-6emu·