纳米固体材料的性能.ppt

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1、纳米固体材料的性能§9.1力学性能§9.2热学性质§9.3纳米结构材料中的扩散问题§9.4光学性质§9.5磁性§9.6电学性质9.1.1Hall-Petch(霍尔一佩奇)关系其中为0．2％屈服应力，是移动单个位错所需的克服点阵磨擦的力，K是常数，d是平均晶粒尺寸。H表示硬度。这两个公式对各种粗晶材料都是适用的。由这两个公式可以看出：随晶粒尺寸的减少，屈服强度或硬度都增加的，它们都是与之成线性关系的。(1)正Hall-Petch关系（K>0）用机械合金化（高能球磨）制备的纳米Fe和Nb3Sn2(2)反Hall-Petch关系（K<0）

2、用蒸发凝聚原位加压制成的纳米Pd晶体以及非晶晶化法制备的Ni-P纳米晶(3)正-反混合Hall-Petch关系纳米晶Cu和Ni-P(4)斜率K变化图9.2中的TiO2和Ni-P(5)偏离Hall-Petch关系图9.3中的电沉积纳米晶Ni而对多种纳米固体材料的硬度与晶粒尺寸的关系进行的大量的研究，归纳起来有五种情况:(1)正Hall-Petch关系（K>0）用机械合金化（高能球磨）制备的纳米Fe和Nb3Sn2(2)反Hall-Petch关系（K<0）用蒸发凝聚原位加压制成的纳米Pd晶体以及非晶晶化法制备的Ni-P纳米晶如图9．5所示

3、．纳米晶材料存在大体积百分数的三叉晶界，就会对材料性质产生重要的影响．研究表明，三叉晶界处原子扩散快、动性好，三叉晶界实际上就是旋错，旋错的运动就会导致界面区的软化，对纳米晶材料来说，这种软化现象就使纳米晶材料整体的延展性增加，用这样的分析很容易解释纳米晶材料具有的反H—P关系，以及K值的变化．(1)三叉晶界的影响为什么纳米固体材料有这些反常的Hall-Petch关系。目前，有如下几种观点：(2)界面的作用随纳米晶粒尺寸减小，高密度的晶界导致晶粒取向混乱，界面能量升高．对蒸发凝聚原位加压法获得的试样，考虑这个因素尤为重要。这时界面原

4、子动性大，这就增加了纳米品材料的延展性(软化现象)．(2)界面的作用(3)临界尺寸Gleiter等人认为在一个给定的温度下纳米材料存在一个临界的尺寸，低于这个尺寸界面粘滞性增强，这就引起材料的软化，高于临界尺寸，材料硬化．他们把这个临界尺寸称为“等粘合晶粒尺寸”。(3)存在临界尺寸9.1.2模量晶界对于物质的力学性质有重大的影响。因此可以预期纳米微晶材料(纳米晶体材料)的力学性质比起常规的大块晶体有许多优点，因为纳米微晶的晶粒尺寸极小而均匀，晶粒表面清洁等对于力学性能的提高都是有利的。表9.1列出了纳米微晶CaF2和Pd的杨氏模量E

5、与切变模量G．可以看出，它们比大块试样的相应值要小得多．对纳米微晶Pd，采用6nm尺寸的立方形晶粒及界面厚度为1nm的简单模型，根据表9.1中的杨氏模量值E，可得到界面组元的杨氏模量Ei＝40GPa，比大块晶体的相应值减小50％以上．通常以为，弹性模量的结构敏感性小，因此Ei的减小可能是由于界面内原子间距增大的结果．图9．6示出了纳米微晶Pd的切变模量G在100K/h的加热速率下随温度的变化及图9．7，纳米氧化物结构材料的模量与烧结温度有密切的关系。9.1.3超塑性超塑性从现象学上定义为在一定应力拉伸时产生极大的伸长量。界面的流变性

6、是超塑性出现的重要条件，它可以由下式表示：(9.3)这里为应变速率，是附加应力，d为粒径，n和p分别为应力和应变指数，A是与温度和扩散有关的系数，它可以表示为Arrhenins形式:A∝exp(-Q/KBT)对超塑性陶瓷材料，n和p典型的数字范围为1—3，在(9.3)中，不难看出，A愈大,愈大,超塑性越大，A是与晶界扩散密切相关的参数。我们知道，当扩散速率大于形变速率时，界面表现为塑性，反之，界面表现为脆性。关于陶瓷材料超塑性的机制至今并不十分清楚，目前有两种说法:一、界面扩散蠕变和扩散范性其中为拉伸应力，为原子体积，d为平均晶粒尺

7、寸，B为一数字常数，Db为晶界扩散系数，为波尔兹曼常量，T为温度，为晶界厚度。由公式可看出，d愈小，愈高．二、晶界迁移和粘滞流变9.1.4强度、硬度、韧性和塑性（1）强度与硬度根据断裂强度的经验公式可以推断材料的断裂与晶粒尺寸的关系，这个公式可表如下：这里与Kc为常数，d为粒径．从式中可知，当晶粒尺寸减到足够小时，断裂强度应该变得很大，但实际上对材料的断裂强度提高是有限度的，这是因为颗粒尺寸变小后材料的界面大大增加，而界面与晶粒内部相比一般看作是弱区，因而进一步提高材料断裂强度必须把着眼点放在提高界面的强度上．为了提高纳米陶瓷的致密

8、度，增强断裂强度，通常采用两个途径：一、进行烧结。二、通过加入添加剂进一步提高烧结致密化。近年来的研究表明，采用上述措施制备的纳米陶瓷强度、硬度及其他综合性能都明显地超过同样材质的常规材料．（2）韧性和塑性纳米材料的特殊构成及大的体积