(08) 第八章 新型材料的结构简介.pdf

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1、第八章新型材料的结构简介Chapter8.IntroductiontotheStructureofNewMaterials第八章目录8.1新型合金材料8.1.1储氢合金8.1.2形状记忆合金8.2非晶态材料8.2.1非晶态固体及其结构特征8.2.2非晶态合金8.2.3非晶态半导体Contents8.3准晶态材料8.4高温超导材料8.5纳米材料8.5.1纳米材料8.5.2纳米材料的基本物理效应8.5.3碳纳米管的结构8.5.4扫描探针显微技术8.5.5纳米材料的应用Contents关键词超连接LaNi5准周期性STM形状记忆合金失配无规网络模型瘦菱面体微晶粒模型胖菱面体非晶态半导体Y-B

2、a-Cu-O超导氧化物硫属玻璃多层碳纳米管（MWNT）非晶硅单层碳纳米管（SWNT）换价对(VAP)手性矢量准晶态材料手性角谢氏体单臂纳米管瘦菱形锯齿形纳米管胖菱形手性纳米管材料被称为人类社会进化的里程碑、现代文明的三大支柱之一.特别是20世纪下半叶，世界进入新技术革命时代以来，新材料已成为各个高新技术领域发展的突破口.材料研究的一个重要方向就是其结构与性能的关系，这正是结构化学的任务。在本章简短的篇幅中，我们选取一些有代表性的新型材料，介绍其结构特征和新颖的性能.8.1新型合金材料8.1.1储氢合金1968年,美国发现Mg-Ni合金具有储氢性能.此后，对储氢合金研究开发进一步加强.目

3、前，利用金属或合金储氢已取得很大进展，先后发现了Ni、Mg、Fe基三个系列的储氢材料，其中LaNi性能5良好，储氢密度超过液氢.下面以LaNi为例介绍储氢合金.5储氢合金LaNi5LaNi是CaCu型结构，六方晶系，晶胞中含1个LaNi.555晶体结构如下图:请单击按钮打开模型观察晶体由两种结构不同的层交替堆积而成.请单击各个图片打开有关模型:晶胞中有6个变形四面体储氢空隙(Δ),每个空隙由2La+2Ni共4个原子围成:请单击按钮打开模型观察晶胞中还有3个变形八面体空隙(即8×1/4+2×1/2=3),每个空隙由2La+4Ni共6个原子围成,如下图正方形所示.但H原子通常并不填充这种空

4、隙,而只填在较大的变形四面体空隙中,组成为LaNiH.56请单击按钮打开模型观察假定吸氢后体积不变,则合金中氢的密度为：[6/（6.022´1023)g]／(90´10-24cm3)＝0.111g·cm-3(6个H的质量)/(晶胞体积)=(氢的密度)这比标准状态下氢气的密度大许多倍，也比液氢密度大．各种储氢材料的储氢机制不尽相同。对于LaNi5ee来说，H分子在合金表面2上首先原子化，然后进入合金内部的间隙位置，因此同时起到了纯化和功能H的σ*与Ni的d轨道叠加并2转换作用.接受Ni的d电子，H被打开.2近年来，储氢材料的研究转向高容量、长寿命材料，主要是固溶体储氢材料、络合催化氢化物

5、、纳米储氢材料、纳米碳管或纳米碳纤维。纳米碳管储氢的研究已被国际能源协会（IEA）列为重点发展项目.1997年，Heben等人发现单壁碳纳米管在室温下即可大量储氢，引发了研究热潮,已有许多研究报道.但各种文献对碳纳米管储氢性能报道的数据差别很大,有的数据不能被其他研究者重复.有的文献指出：碳纳米管的纯度、两端是否开口、长度和孔径是影响储氢性能的关键.因此，对碳纳米管的储氢性能仍须作大量艰苦细致的研究.8.1.2形状记忆合金1962年,美国海军军械实验室在Ni-Ti合金中发现了形状记忆效应．后来,多种形状记忆合金（SMA）被发现，如Ni-Ti、Ti-Ni-Cu、Ti-Ni-Nb、Cu-Z

6、n-Al、Cu-Al-Ni、Fe-Mn-Si等.形状记忆合金存在热弹性马氏体，含许多孪晶，受外力易变形，但原子结合方式不变.所以,再加热到一定温度就会逆变为稳定母相.形状记忆合金须具备三个特点:(1)马氏体是热弹性类型；(2)马氏体形变主要通过孪晶取向改变产生；(3)母相通常是有序结构.形状记忆性能源于马氏体相变及其逆转变特性Ni-Ti合金母相,有序结构的奥氏体.变形马氏体.含很多孪晶、较软的热弹性马氏体.择优、单一取向的有序马氏体.受外力易变形.点击动画按钮,用播放键分步观察8.2非晶态材料8.2.1非晶态固体及其结构特征非晶态（amorphous）又称玻璃态。1960年，P.Duw

7、ez首次获得非晶态合金.非晶态物质的结构特点:短程有序，原子排列既不具备晶态物质的长程有序性，又不像气体那样混乱无序，而是在每个原子周围零点几纳米内，最近邻原子数目及化学键的键长、键角与晶态固体相似.在短程有序的前提下，对非晶态物质的结构提出了不同模型，两种常见的模型是无规网络和微晶粒模型：无规网络模型认为非晶态材料中的原子完全无规排列堆积，呈现混乱性和随机性，没有任何小区有序的部分:无规网络模型微晶粒模型则认为非晶态材料由纳米量级的微晶（几个