纳米固体材料

科技工作者之家  |   2020-11-17 17:33

纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型,或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。

简介纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面,如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界,原子的扩散系数要比大块材料高1014~1016倍,从而使得纳米材料具有高韧性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点,但又具有脆性和难以加工等缺点,纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性,改善脆性。

如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级,又将恢复通常陶瓷的特性,因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工,随后进行热处理,使其转变为通常陶瓷,或进行表面热处理,使材料内部保持韧性,但表面却显示出高硬度、高耐磨性与抗腐蚀性。电子陶瓷发展的趋势是超薄型(厚度仅为见微米),为了保证均质性,组成的粒子直径应为厚度的1%左右,因此需用超微颗粒为原材料。随着集成电路、微型组件与大功率半导体器件的迅速发展,对高热导率的陶瓷基片的需求量日益增长,高热导率的陶瓷材料有金刚石、碳化硅、氮化铝等,用超微氮化铝所制成的致密烧结体的导热系数为100~220瓦/(K·米),较通常产品高2 5~5.5倍。用超微颗粒制成的精细陶瓷有可能用于陶瓷绝热涡轮复合发动机,陶瓷涡轮机,耐高温、耐腐蚀轴承及滚球等。1

复合纳米固体材料复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料;金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒,可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变(梯度)功能材料的原材料。例如,材料的耐高温表面为陶瓷,与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属,其间为陶瓷与金属的复合体,使其间的成分缓慢连续地发生变化,这种材料可用于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起来的新型材料,预期在医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿、人遗骨。人造器官,可制成复合的电磁功能材料、光学材料等。

定义由颗粒或晶粒尺寸为1~100nm的粒子形成的三维块体称为纳米固体(结构)材料。其晶粒尺寸、晶界宽度、析出相分布、气孔尺寸和缺陷尺寸都在纳米数量级。

结构特征纳米晶体材料由晶态纳米颗粒压制的纳米材料,每个小晶粒(1-100纳米)中的原子排列相同,且具有长程有序结构,而晶粒间的界面则是无序态结构。

具有巨大的颗粒间界面,界面部分占总体积的百分比很大(>50%),缺陷结构极多(>70%)。如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界.

原子的扩散系数要比大块材料高1014~1016倍,从而使得纳米材料具有高韧性。

界面(1)界面结构特征原子密度降低:界面部分的平均原子密度比同成分的晶体少10-30%

最近邻原子配位数变化:由于晶界的原子间距差别也较大,导致最近邻原子配位数发生变化

(2)界面结构模型类气态模型

1987年由Gleiter提出,认为纳米晶体的界面原子的排列,既没有长程有序,也没有短程有序,是一种类气态的、无序程度很高的结构。

该模型与大量事实不符,已不再引用该模型。

有序模型

纳米材料的界面有序是有条件的,主要取决于界面的原子间距ga和颗粒大小d :

当ga>d/2时,界面为无序结构

当ga100%的塑性变形。

纳米陶瓷材料超塑性机制:

(1)界面扩散蠕变和扩散范性

(2)界面迁移和粘滞流变

(2)热学性能**·比热**

材料的比热主要由熵来贡献。在温度不太低的情况下,电子熵可忽略,主要由振动熵和组态熵来贡献。纳米材料的界面结构中原子分布比较混乱,与常规材料相比,界面体积分数较大,因而纳米材料熵对比热的贡献比常规材料大得多。

例如,在150-300K,纳米Pd比多晶Pd大29%-54%。

·热膨胀

材料的热膨胀与晶格非线性振动有关,如果晶体点阵作线性振动就不会发生膨胀现象。

纳米材料在温度变化时非线性热振动分为两个部分:

一:晶内非线性热振动

二:晶界非线性热振动(起主导作用)

纳米晶体比常规晶体热膨胀系数几乎大1倍。且晶界对热膨胀的贡献比晶内高3倍。

·热稳定性

纳米晶材料晶粒尺寸稳定的温度范围较窄,纳米晶材料颗粒尺寸稳定的温度范围较宽。

原因:

(1)长大激活能:晶粒长大激活能小,而颗粒长大激活能大。

(2)界面迁移:抑制界面迁移会阻止晶粒长大,提高热稳定性。

(3)晶界结构驰豫

(4)晶界钉扎

(3)光学性质·红外吸收:出现蓝移和宽化

·荧光现象:用紫外光激发纳米晶材料时,在可见光范围可观测到新的荧光现象。

·光致发光:光致发光指在一定波长的光照射下,被激发到高能级的电子重新跃入低能级,被空穴捕获而发光的微观现象。

(4)磁学性能·低的饱和磁化强度

·磁性转变:抗磁体转变为顺磁体

·超顺磁性

·居里温度降低2

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学