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1、综述与述评现代技术陶瓷2003年第1期(总第95期)纳米材料的微观结构及表面特性研究进展1,2111李嘉 尹衍升 谭训彦 李春胜1(山东大学材料液态结构与遗传性教育部重点实验室,工程陶瓷山东省重点实验室,济南 250061;2济南大学材料科学与工程学院,济南 250022)摘 要 综述了纳米晶粒内部结构、界面结构特性、纳米微粉表面特性及分散性方面研究进展,并对纳米晶粒界面及微粉表面表征予以阐述。关键词 纳米材料 微观结构 表面特性[9] 纳米材料的优异性能取决于其独特的微观结陷、位错、孪晶界等
2、。周光文等用高分辨电子显构。纳米材料大的比表面积、高浓度晶界对纳米微镜观察到在硅纳米线中存在微孪晶、堆垛层错、材料的物理及力学等性能有着重要影响。各种先小角晶界等高密度的结构缺陷。在纳米材料中,进检测手段的出现,从深层次上为探索纳米材料点缺陷及位错等低维缺陷很不稳定,经充分驰豫的微观结构提供了有利条件。纳米材料的界面结后,很难在纳米晶粒中存在,而面缺陷则相对比较构及结构单元之间的交叉作用的研究,是纳米材稳定,即使在纳米微粒中也可以有孪晶界存在。料基础理论研究的重要内容。此外,纳米材料中的缺陷还与
3、制备工艺密切相关,本文综述了近年来在纳米材料的微观结构及如与凝聚加压法相比,非晶晶化法制备的纳米固表面特性方面的研究进展。体材料中的缺陷密度要低得多,这是由于非晶晶化过程中,纳米粒子的形成是通过析出长大而成,2 纳米材料的结构未受到外部的挤压。然而,在机械合金化法制备的纳米晶体样品中,却存在相当高密度的缺陷结[2]211 晶粒内部结构及界面研究构。概括地说,所有纳米材料具有3个共同的结纳米材料中晶界的原子结构相当复杂,它在构特点:即纳米尺度结构单元、大量的界面或自由80年代末到90年代初曾一度成
4、为纳米材料研究表面以及各纳米单元之间存在着或强或弱的交互领域的一个热点。纳米材料的性能与他们的界面[1]作用。结构密切相关,但由于界面原子的排列方式、键合纳米材料主要由纳米晶粒和晶粒界面2部分形式以及配位状态等方面都随物质种类、制备方组成。有关纳米晶粒内部的微观结构的研究,国式和外界条件的不同而有很大的差异。所以,人外开展较多,我国近年来也有一些相关文献报道。们迄今为止未能对纳米材料中的界面结构和状态这些研究表明,纳米材料的微观结构与传统的晶给出一个清晰的物理模型和统一的理论描述。对[3]体结构
5、基本一致,只是由于每个晶粒仅包含着有于纳米材料的界面结构有3种不同的理论。限个晶胞,晶格点阵必然会发生一定程序的弹性(1)Gleiter的完全无序模型 这种理论认为畸变,尽管每个晶粒都非常小,但与传统粗晶材料纳米晶粒晶界具有较为开放的结构,原子排列具类似,其内部同样会存在着各种阵缺陷,如点缺有随机性,原子间距离大,原子密度低,既无长程作者简介:李嘉(1968～),男,博士研究生,讲师1主要从事陶瓷基复合材料的研究19©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.
6、,Ltd.Allrightsreserved.综述与述评2003年第1期(总第95期)现代技术陶瓷有序,又无短程有序。这种理论曾被广泛引用,但化物陶瓷不稳定,与其表面的氧化行为有关,表面近年来,许多关于纳米材料界面研究的实验和模氧化状态可由表面氧化层的化学组成、组织结构拟计算都与这个理论有出入,因此,人们基本上放以及氧化层的厚度来表征。研究表明:纳米微粉弃这个模型。中的含氧量和游离C的含量过高,必然导致陶瓷(2)有序结构模型 这种理论认为纳米晶界烧结过程中失重率的升高,产生大量的SiO和N2,处
7、的原子结构与传统粗晶晶界结构并无太大区从而在陶瓷制件中产生气泡,影响陶瓷的致密性,别,纳米晶界上原子排列是有序的或者是局域有降低陶瓷的强度。一般认为,粉体表面的氧化相序的,并通过阶梯式移动实现局部能量的最低状为无定形态,例如,对于Si3N4的检测认为,粉体表态。面为无定形态的Si-N-O的组成,该组成介于(3)有序无序模型 近年来,通过大量晶界的Si3N4和SiO2之间,即用化学式SiOxNy表示。目高分辨电镜观察,提出纳米材料晶界具有以下特前尚无表面呈化学计量比的报道。关于氧化层的征:多数晶粒
8、具有与粗晶中的晶界相类似的结构,厚度,能谱分析结果一般在1nm以下,高温氧化但由于晶粒很小且随机取向,晶界都呈现出弯曲后,厚度将增加。的特征,而且邻近晶界的区域晶体点阵存在畸变,金属Cu纳米粉随尺寸减小,表面原子比例增同时,在一些晶界上,存在局域的不完整性或无序高,因而表面原子富集并相互作用,产生一种附加[4][10]的区域以及纳米级空洞。可以认为:纳米材料压力,导致晶格收缩。从高分辨电镜上观察银中的界面存在着一个结构上的分布,它们处于无离子的晶格条纹,可分析出其表面膜呈微晶状态。序到有序的中间
