納米固體材料

納米固體材料

納米固體材料通常指由尺寸小於15納米的超微顆粒在高壓力下壓製成型,或再經一定熱處理工序後所生成的緻密型固體材料。

基本介紹

  • 中文名:納米固體材料
  • 外文名:nanometer sized materials
  • 類別:固體材料
  • 領域:工程技術
簡介,複合納米固體材料,定義,結構特徵,界面,(1)界面結構特徵,(2)界面結構模型,性能,(1)力學性能,(2)熱學性能,(3)光學性質,(4)磁學性能,

簡介

納米固體材料的主要特徵是具有巨大的顆粒間界面,如5納米顆粒所構成的固體每立方厘米將含1019個晶界,原子的擴散係數要比大塊材料高1014~1016倍,從而使得納米材料具有高韌性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蝕等優點,但又具有脆性和難以加工等缺點,納米陶瓷在一定的程度上卻可增加韌性,改善脆性。
如將納米陶瓷退火使晶粒長大到微米量級,又將恢復通常陶瓷的特性,因此可以利用納米陶瓷的范性對陶瓷進行擠壓與軋制加工,隨後進行熱處理,使其轉變為通常陶瓷,或進行表面熱處理,使材料內部保持韌性,但表面卻顯示出高硬度、高耐磨性與抗腐蝕性。電子陶瓷發展的趨勢是超薄型(厚度僅為見微米),為了保證均質性,組成的粒子直徑應為厚度的1%左右,因此需用超微顆粒為原材料。隨著積體電路、微型組件與大功率半導體器件的迅速發展,對高熱導率的陶瓷基片的需求量日益增長,高熱導率的陶瓷材料有金剛石、碳化矽、氮化鋁等,用超微氮化鋁所製成的緻密燒結體的導熱係數為100~220瓦/(K·米),較通常產品高2 5~5.5倍。用超微顆粒製成的精細陶瓷有可能用於陶瓷絕熱渦輪複合發動機,陶瓷渦輪機,耐高溫、耐腐蝕軸承及滾球等。

複合納米固體材料

複合納米固體材料亦是一個重要的套用領域。例如含有20%超微鑽顆粒的金屬陶瓷是火箭噴氣口的耐高溫材料;金屬鋁中含進少量的陶瓷超微顆粒,可製成重量輕、強度高、韌性好、耐熱性強的新型結構材料。超微顆粒亦有可能作為漸變(梯度)功能材料的原材料。例如,材料的耐高溫表面為陶瓷,與冷卻系統相接觸的一面為導熱性好的金屬,其間為陶瓷與金屬的複合體,使其間的成分緩慢連續地發生變化,這種材料可用於溫差達1000°C的太空梭隔熱材料、核聚變反應堆的結構材料。漸變功能材料是近年來發展起來的新型材料,預期在醫學生物上可製成具有生物活性的人造牙齒、人遺骨。人造器官,可製成複合的電磁功能材料、光學材料等。

定義

由顆粒或晶粒尺寸為1~100nm的粒子形成的三維塊體稱為納米固體(結構)材料。其晶粒尺寸、晶界寬度、析出相分布、氣孔尺寸和缺陷尺寸都在納米數量級。

結構特徵

納米晶體材料由晶態納米顆粒壓制的納米材料,每個小晶粒(1-100納米)中的原子排列相同,且具有長程有序結構,而晶粒間的界面則是無序態結構。
具有巨大的顆粒間界面,界面部分占總體積的百分比很大(>50%),缺陷結構極多(>70%)。如5納米顆粒所構成的固體每立方厘米將含1019個晶界.
原子的擴散係數要比大塊材料高1014~1016倍,從而使得納米材料具有高韌性。

界面

(1)界面結構特徵

原子密度降低:界面部分的平均原子密度比同成分的晶體少10-30%
最近鄰原子配位數變化:由於晶界的原子間距差別也較大,導致最近鄰原子配位數發生變化

(2)界面結構模型

類氣態模型
1987年由Gleiter提出,認為納米晶體的界面原子的排列,既沒有長程有序,也沒有短程有序,是一種類氣態的、無序程度很高的結構。
該模型與大量事實不符,已不再引用該模型。
有序模型
納米材料的界面有序是有條件的,主要取決於界面的原子間距ga和顆粒大小d :
當ga>d/2時,界面為無序結構
當ga<d/2時,界面為有序結構
結構特徵分布模型
納米材料的界面不是單一的,同樣的結構、界面結構是多種多樣的,在龐大的界面中,由於在能量、缺陷、晶粒取向、雜質偏聚上的差別,納米材料的界面結構存在一個分布,他們都處於無序到有序的中間狀態,有的是無序,有的是短程有序,有的是擴散有序,有的甚至是長程有序。這受製備方法、溫度、壓力等因素的影響很大。

性能

(1)力學性能

·強度和硬度
Hall-Petch關係
sy= s0+kd-1/2
H = H0+kd-1/2
納米固體材料存在情況
(1)正Hall-Petch關係
(2)反Hall-Petch關係
(3)正-反混合Hall-Petch關係
(4)斜率K變化
(5)偏離Hall-Petch關係
·塑性和韌性
一般材料低溫下表現為脆性,納米固體材料低溫下表現為良好的塑性和韌性
·超塑性
超塑性指在一定應力下伸長率>100%的塑性變形。
納米陶瓷材料超塑性機制:
(1)界面擴散蠕變和擴散范性
(2)界面遷移和粘滯流變

(2)熱學性能

·比熱
材料的比熱主要由熵來貢獻。在溫度不太低的情況下,電子熵可忽略,主要由振動熵和組態熵來貢獻。納米材料的界面結構中原子分布比較混亂,與常規材料相比,界面體積分數較大,因而納米材料熵對比熱的貢獻比常規材料大得多。
例如,在150-300K,納米Pd比多晶Pd大29%-54%。
·熱膨脹
材料的熱膨脹與晶格非線性振動有關,如果晶體點陣作線性振動就不會發生膨脹現象。
納米材料在溫度變化時非線性熱振動分為兩個部分:
一:晶內非線性熱振動
二:晶界非線性熱振動(起主導作用)
納米晶體比常規晶體熱膨脹係數幾乎大1倍。且晶界對熱膨脹的貢獻比晶內高3倍。
·熱穩定性
納米晶材料晶粒尺寸穩定的溫度範圍較窄,納米晶材料顆粒尺寸穩定的溫度範圍較寬。
原因:
(1)長大激活能:晶粒長大激活能小,而顆粒長大激活能大。
(2)界面遷移:抑制界面遷移會阻止晶粒長大,提高熱穩定性。
(3)晶界結構馳豫
(4)晶界釘扎

(3)光學性質

·紅外吸收:出現藍移和寬化
·螢光現象:用紫外光激發納米晶材料時,在可見光範圍可觀測到新的螢光現象。
·光致發光:光致發光指在一定波長的光照射下,被激發到高能級的電子重新躍入低能級,被空穴捕獲而發光的微觀現象。

(4)磁學性能

·低的飽和磁化強度
·磁性轉變:抗磁體轉變為順磁體
·超順磁性
·居里溫度降低

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