第五章-纳米固体材料ppt课件.ppt

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1、我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物第五章第五章 纳米固体材料纳米固体材料我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物内容一、纳米结构材料结构特征一、纳米结构材料结构特征 及研究方法及研究方法二、纳米结构材料的性能二、纳米结构材料的性能三、纳米材料的制备方法三、纳米材料的制备方法四、纳米复合材料四、纳米复合材料我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，

2、证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物一、纳米结构材料结构特征及研究方法 1 结构特征及缺陷结构特征及缺陷 2 纳米固体材料的界面结构模型纳米固体材料的界面结构模型 3 纳米固体材料界面的研究方法纳米固体材料界面的研究方法我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1 结构特征及缺陷 纳米固体材料是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm的粒子凝聚而成的三维块体。纳米固体材料的基本构成是纳米微粒加上它们之间的界面。物理上的界面不只是指一个几何分界面，而是指一个薄层，这种分界的表面（界面）具有和它两边基体不同的

3、特殊性质。因为物体界面原子和内部原子受到的作用力不同，它们的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的原因。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米固体材料的结构缺陷有三种类型：点缺陷（空位、空位对、空位团、溶质原子、杂质原子等）、线缺陷（刃型位错、螺型位错、混合型位错等）、面缺陷（层错、相界、晶界、三叉晶界、孪晶界等）。1 结构特征及缺陷缺陷是实际晶体结构偏离了理想晶体结构的区域。纳米材料结构中平移周期遭到很大破坏，界面原子排列比较混乱，界面中原子配位数不全使得缺陷增加。另外，纳米粉体压成块

4、体后，晶格常数会增加或减少，晶格常数的变化也会使缺陷增加。这就是说，纳米材料实际上是缺陷密度十分高的一种材料。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.1 纳米材料中的位错 位错位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）。从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线，其存在对材料的物理性能，尤其是力学性能，具有极大的影响。若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处，则称这种不规则排

5、列为一个刃位错。刃位错附近的原子面会发生朝位错线方向的扭曲。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.1 纳米材料中的位错 目前，许多人用高分辨TEM分别在纳米晶Pd中观察到位错、位错网络、孪晶等。图1-2为纳米晶钯 Pd中的位错和孪晶的高分辨像。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 俄国Gryaznov等人从理论上分析了纳米材料的小尺寸效应对晶粒内位错组态的影响，对多种金属纳米晶体的位错组态发生

6、突变的临界尺寸进行了计算。他们认为：当粒径小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋于离开晶粒；当粒径大于此临界尺寸时，位错稳定地处于晶粒中。并且，对于同一种材料，粒子的形状不同，位错稳定存在的临界尺寸也不同。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 纳米固体材料中的三叉晶界 三叉晶界是三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域。Palumbo等人假设三叉晶界为三棱柱，见图1-3所示。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有

7、一个活的生物 三叉晶界体积分数对晶粒尺寸的敏感度远远大于晶界体积分数。当粒径从100nm减小到2nm时，三叉晶界体积分数增加了三个数量级，而晶界体积分数仅增加约一个数量级。这意味着三叉晶界对纳米晶块体材料性能的影响将是非常大的。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.3 纳米固体材料中的空位 在纳米材料中，界面（包括晶界和三叉晶界）体积分数比常规多晶材料大得多，界面中的原子悬键较多，使得空位、空位团和孔洞等点缺陷增加。 单空位主要存在于晶界上，是由于纳米固体颗粒在压制成块体时形成的。 空位团主要

8、分布在三叉晶界上。它的形成一部分归结为单空位的扩散凝聚，另一部分是在压制块体时形成的。 孔洞一般处于晶界上。纳米固体材料用一般的压制和烧结方法很难获得高致密度。这主要归结于孔洞的存在，因而孔洞率的问题是决定纳米固体材料致密化的关键。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2 纳米固体材料的界面结构模型 纳米固体材料的结构研究，主要应考虑：颗粒的尺寸、形态及分布，界面的形态、原子组态或键组态，颗粒内和界面内的缺陷种类、数量及组态，颗粒和界面的化学组成，杂质元素的分布等。 其中，界面的微观结构是影响纳

9、米固体材料性能的最主要因素，庞大体积的界面对纳米固体材料的性能负有重要的责任。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1 类气态模型 类气态模型（gass-like）认为，纳米晶体界面原子的排列，既没有长程有序，也没有短程有序，是一种类气态的、无序度很高的结构。该模型与大量事实有出入。至1990年以来文献上不再引用该模型。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.2 有序模型 有序模型认为纳米固体

10、材料的界面原子排列是有序的，纳米材料的界面结构和常规粗晶材料的界面结构本质上没有太大差别。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.3 结构特征分布模型 结构特征分布模型的观点是：纳米材料的界面不是单一的、同样的结构，界面结构是多种多样的。纳米材料的界面结构存在一个分布，它们都处于无序到有序的中间状态。 有人用高分辨TEM观察了纳米晶Pd块体的界面结构，在同一个试样中既看到了有序界面，也看到了无序界面。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，

11、证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3 纳米固体材料界面的研究方法 3.1. XRD结构分析结构分析 3.2. TEM结构观察结构观察 3.3. 正电子湮没研究正电子湮没研究我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.1. XRD结构分析图1-4为Fe的纳米微粒、纳米块体和界面的XRD曲线。从中可见，界面的XRD曲线不同于非晶Fe，却类似于气态Fe的结构。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 E

12、astman研究了纳米晶Pd的氢化行为，结果见图1-5。说明纳米晶Pd的界面不是扩展的无序晶界。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2. TEM结构观察 高分辨TEM（Transmission Electron Microscopy）是直接观察纳米材料的结构，尤其是界面结构的一种有效方法。Thomas等人对纳米晶Pd的界面结构进行了高分辨TEM观察，发现界面内结构与常规粗晶材料的界面没有明显差别（图1-6）。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我

13、也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 这里应指出，在用TEM观察纳米材料界面结构时，有两个问题应该考虑： 试样制备过程中界面结构弛豫问题，即制备TEM试样时，由于应力松弛，导致纳米材料界面结构弛豫，使观察结果可能与原始状态有很大差别； 电子束诱导界面结构弛豫问题。高能量的电子束照射薄膜试样表面可能导致局部过热，而产生界面结构弛豫。纳米材料界面内原子扩散速度快，原子弛豫激活能小，即使在低温下电子束轰击也会对纳米材料界面的原始状态有影响。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.3 正

14、电子湮没研究正电子射入材料中时，在与周围达到热平衡后，通常要经历一段时间才会和电子湮没，这段时间称为正电子寿命。材料中的空位、孔洞和位错等缺陷强烈吸引正电子，使其处于被束缚状态。处于自由态或束缚态的正电子都会和电子湮没同时发射出射线。正电子湮没谱为不同正电子寿命与湮没事件数之间的关系图谱。通过对图谱分析，可得到在不同空位型缺陷中与电子湮没的正电子寿命、材料的电子结构或缺陷结构的有用信息。正电子与电子相遇后一起消失而放出光子的过程。正电子是电子的反粒子，它的质量和电荷量与电子相同，但电荷符号相反。1929年P.A.M.狄喇克预言了正电子的存在，1932年C.D.安德森用云室研究宇宙射线时发现了正

15、电子。中国物理学家赵忠尧在此之前(19291930)曾观测到重元素对硬射线有反常的吸收，并伴随放出能量大约为5.50105电子伏的光子,后来被证实为正、负电子对的产生和随后正电子的湮没辐射。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物H. E. Schaefer等人用NaCl正电子源对纳米晶Fe块体进行了正电子寿命谱测量，结果见图1-7。纳米晶的正电子湮没寿命谱与纳米微粒、常规粗晶及非晶的都不同。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜

16、测没有错：表里边有一个活的生物 其它用于纳米固体材料界面的研究方法还有扩展X射线吸收谱、穆斯堡尔谱、核磁共振、电子自旋共振、喇曼光谱、结构的内耗研究等。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物二、纳米结构材料的性能 1 纳米固体材料纳米固体材料力学力学性能性能 2.纳米固体材料纳米固体材料热学热学性能性能 3 纳米固体材料纳米固体材料光学光学性能性能 4 纳米固体材料纳米固体材料磁学磁学性能性能 5 纳米固体材料纳米固体材料电学电学性能性能我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一

17、个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1 纳米固体材料力学性能1.1 1.1 强度和硬度强度和硬度 Hall-PetchHall-Petch关系是常规多晶材料的屈服强度或硬度与晶粒关系是常规多晶材料的屈服强度或硬度与晶粒尺寸之间的关系，它是建立在位错塞积理论基础上，经过尺寸之间的关系，它是建立在位错塞积理论基础上，经过大量实验的证实，总结出来的经验公式，即：大量实验的证实，总结出来的经验公式，即： 式中：为移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力；式中：为移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力；K K是常是常数；数；d d是平均晶粒直径。这一普遍的经验公式，对各种粗

18、是平均晶粒直径。这一普遍的经验公式，对各种粗晶材料都是适用的，晶材料都是适用的，K K值为正数。这就是说，随晶粒直径值为正数。这就是说，随晶粒直径的减小，屈服强度或硬度都增加，它们都与成线性关系。的减小，屈服强度或硬度都增加，它们都与成线性关系。1/201/20yKdHHKd我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 1.1.1 正正Hall-Petch关系关系(K 0) 1.1.2 反反Hall-Petch关系关系(K0) 1.1.3 正一反混合正一反混合Ha11-Petch关系关系 1.1.4 斜

19、率斜率(K)变化变化 1.1.5 偏离偏离Hall-Petch关系关系我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 对于蒸发凝聚原位加压纳米TiO2、用机械台金化(高能球磨)制备的纳米Fe(图21)和Nb3Sn(图22)、用金属Al水解法制备的-A12O3和-A12O3等纳米固体材料试样，进行维氏硬度试验，结果表明，它们均服从正Hall- Petch关系，与常规多晶试样一样遵守同样规律。 图2-1 纳米晶材料Fe、Ni、Pd、Cu1.1.1 正正Hall-Petch关系关系(K 0)我吓了一跳，蝎子是多

20、么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.1.2 反Hall-Petch关系(K0)；当晶粒直径ddc，呈反Hall-Petch关系(K0)。这种现象是在常规粗晶材料中从未观察到的新的现象。图2-1给出了由蒸发凝聚原位加压制成的纳米晶Cu实验结果，它服从这种混合关系。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.1.4 斜率(K)变化 在正Hall-Petch关系和反Hall-Petch关系中，随着晶粒直径的进一步减小，对

21、正Hal-Petch关系，K减小；对反Hall-Petch关系，K变大(见图2-1和图2-2中纳米晶体Ni和Ni-P的情况)。(再附图2-1和2-2)我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.1.5 偏离Hall-Petch关系 图2-3给出了电沉积的纳米晶体Ni维氏硬度与晶粒度平方根倒数的关系。从图中可以看到当d44nn时，出现了非线性关系。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 塑性和韧性塑

22、性和韧性 纳米材料的特殊结构及庞大体积分数的界面，使它的塑性、冲击韧性和断裂韧性与粗晶材料相比有很大改善。一般材料在低温下常常表现为脆性，但是纳米材料在低温下却显示良好的塑性和韧性。 从理论上分析，纳米材料比常规材料断裂韧性高。因为纳米材料中的各向同性以及在界面附近很难有位错塞积，从而大大减少了应力集中，使微裂纹的产生和扩展的几率大大降低。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.3 1.3 超塑性超塑性 超塑性是指在一定应力下伸长率100%的塑性变形。 陶瓷超塑性主要是界面的贡献。界面数量太少，

23、没有超塑性；界面数量过多，虽然可能出现超塑性，但是强度下降也不能成为超塑性材料。 最近研究表明，陶瓷材料出现超塑性颗粒的临界尺寸范围约200500nm，粗略估计在这个尺寸范围内界面的体积百分数约为1%0.5%。 超塑性产生的原因： 界面的流变性是超塑性出现的重要条件。界面中原子的高扩散性是有利于陶瓷材料的超塑性的。 界面能及界面的滑移也是影响陶瓷超塑性的重要因素。原子流动性愈好，界面粘滞性愈好，这种性质的界面对拉伸应力的响应极为敏感，而低能界面具有上述特性我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.

24、 纳米固体材料热学性能 2.1 比热比热 2.2 热膨胀热膨胀 2.3 晶粒长大临界温度晶粒长大临界温度我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1 比热 J. Rupp等人研究了晶粒尺寸为8nm和6nm的纳米晶Pd和Cu的定压比热。在150K300K温度范围内，纳米晶Pd比多晶Pd增大29%54%；纳米晶Cu比多晶Cu增大9%11%。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.2 热膨胀 纳米晶体在温

25、度变化时非线性热振动可分为两个部分：晶内的非线性热振动和晶界的非线性热振动。后者的非线性热振动较前者更为显著。占体积分数很大的界面对纳米晶体热膨胀的贡献起主导作用。纳米晶体比常规晶体热膨胀系数几乎大1倍，并且证实晶界对热膨胀的贡献比晶内高3倍。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.3 晶粒长大临界温度 对纳米相材料的退火实验表明，在相当宽温度范围内颗粒尺寸没有明显长大。但当退火温度大于某一临界温度（Tc）时，颗粒突然长大。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世

26、界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3 纳米固体材料光学性能 3.1 红外吸收红外吸收 3.2 荧光现象荧光现象 3.3 光致发光光致发光我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.1 红外吸收 对纳米材料红外吸收的研究表明，红外吸收谱中出现蓝移和宽化。纳米相Al2O3红外吸收谱见图2-6。红外吸收谱的蓝移和宽化可以解释为小尺寸效应和量子尺寸效应导致蓝移和尺寸效应和界面效应导致宽化。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感

27、到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物图2-6 不同温度退火的纳米相Al2O3的红外吸收谱我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.2 荧光现象 用紫外光激发掺Cr和Fe的纳米相Al2O3时，在可见光范围观察到新的荧光现象，见图2-7。出现两个较宽的荧光带P1和P2，说明纳米相Al2O3在可见光范围的荧光现象具有很好的热稳定性。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物3.3 光致发光 光致发光

28、是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过程。电子跃迁可分为两类：非辐射跃迁和辐射跃迁。当能级间距很小时，电子通过非辐射跃迁而发射声子，不能发光；只有当能级间距较大时，才有可能发射光子，实现辐射跃迁而发光。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物4 纳米固体材料磁学性能 1.饱和磁化强度饱和磁化强度纳米晶纳米晶Fe与常规非晶态与常规非晶态Fe和粗晶多晶和粗晶多晶 Fe都都具有铁磁性，但纳米晶具有铁磁性，但纳米晶Fe的饱和磁化强度的饱和磁化强度Ms比常规非

29、晶态比常规非晶态Fe和粗晶多晶和粗晶多晶 Fe低。在低。在4K时，其饱和磁化强度时，其饱和磁化强度Ms仅为常规粗晶仅为常规粗晶 Fe的的30%。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 2.磁性转变磁性转变由于纳米材料颗粒尺寸很小，这就可能使一由于纳米材料颗粒尺寸很小，这就可能使一些抗磁体转变成顺磁体。如金属些抗磁体转变成顺磁体。如金属Sb通常为通常为抗磁性的抗磁性的( 0，其，其 一一110-6 emu/Oeg，但纳米微晶，但纳米微晶Sb的的 2010-6 emu/Oeg，表现出顺磁性。，表现出顺

30、磁性。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 3.超顺磁性超顺磁性穆斯堡尔谱研究表明，对于纳米穆斯堡尔谱研究表明，对于纳米 -Fe203块体，块体，界面体积分数很大，界面的磁各向异性常界面体积分数很大，界面的磁各向异性常数数K比晶粒内部小，这就使磁有序的弛豫时比晶粒内部小，这就使磁有序的弛豫时间变小，磁有序易实现，因此超顺磁性峰间变小，磁有序易实现，因此超顺磁性峰降低。降低。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有

31、一个活的生物 4.居里温度居里温度 纳米晶材料具有低的居里温度。例如粒径为70nm的纳米晶Ni块体比常规粗晶Ni的居里温度低约40。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5 纳米固体材料电学性能 5.1电阻和电导电阻和电导 5.2介电特性介电特性 5.3 压电效应压电效应我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.1电阻和电导1、纳米材料中大量界面的存在，使大量电子的运动局限在小晶粒范围。2、晶界原子排

32、列愈混乱，晶界厚度愈大，对电子散射能力就愈强。界面这种高能垒是使电阻升高的主要原因。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.2介电特性 介电常数变化的尺寸效应与纳米材料的结构特征是密切相关的: 纳米材料的晶内，电子松弛极化起主要作用，而在界面内，则其离子松弛极化或其它极化赵主导作用。 随着颗粒尺寸的增大，晶内组元体积分数增加，而界面组元体积分数下降，结果导致缺陷数量减少。 总的趋势是随颗粒尺寸增加，晶内组元对介电贡献越来越大，界面组元的贡献越来越小，电子松弛极化的贡献越来越大，而离子松弛极化及其

33、它极化(特别是空间电荷极化)越来越弱，这必然导致在某个临界尺寸下介电常数出现极大值。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物5.3 压电效应某些晶体受到机械作用(应力或应变)，在其两端出现符号相反的束缚电荷的现象称压电效应。具有压电效应的物体称为压电体。仅有20种非中心对称点群的晶体才可能具有压电效应。在各向同性的物体里不存在压电效应。未经迟火或烧结的纳米非晶氮化硅块体均具有比PCM和PZT压电陶瓷高得多的压电常数。纳米非晶氮化硅块体的压电性是由界面产生的。传统的非晶氮化硅，界面急剧减少（0.01%

34、），导致压电效应为0. 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物三、纳米材料的制备方法1.纳米纳米金属金属材料的制备材料的制备1.1 惰性气体蒸发原位加压法惰性气体蒸发原位加压法1.2高能球磨法高能球磨法1.3非晶晶化法非晶晶化法我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1

35、.1 惰性气体蒸发原位加压法用该方法成功地制备了Fe、Cu、Au、Pd等纳米晶金属块体和SiPd、PdFeSi、SiAl等纳米金属玻璃。惰性气体蒸发原位加压法属于“一步法”，步骤是：制备纳米颗粒颗粒收集压制成块体。上述步骤一般都是在真空下进行的。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.2 高能球磨法 高能球磨法是利用球磨机的转动或振动，使硬球对原料进行强烈的撞击

36、、研磨和搅拌，把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。将两种或两种以上金属粉末同时放入球磨机的球磨罐中进行高能球磨，粉末颗粒经压延，压合，又碾碎，再压合的反复过程，最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。这种方法称为机械合金法(Mechanical Alloying，简写成MA)。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物高能球磨法已成功地制备出以下几类纳米晶材料: 纳米晶纯金属。高能球磨可以容易地使具有体心立方（bcc）结构和六方最紧密堆积（hcp）结构的金属形成纳米晶结构，而对于具有面心立方（fcc

37、）结构的金属则不易形成纳米晶。 不互溶体系纳米结构。可将相图上几乎不互溶的几种元素制成固溶体，这是用常规熔炼方法根本无法实现的。 纳米金属间化合物。目前已制备TiB、TiA1等十多个合金系纳米金属间化台物。 纳米金属陶瓷复合粉体。如，采用高能球磨法把纳米Y2O3粉体复合到CoNiZr合金中，使矫顽力提高两个数量级。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1.3 非晶晶化法 卢柯等人率先采用非晶晶化法成功地制备出纳米晶NiP合金。采用非晶晶化法还可制备FeBSi纳米合金我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖

38、的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2 纳米陶瓷材料的制备纳米陶瓷的优越特性有以下几个主要方面：纳米陶瓷的优越特性有以下几个主要方面：超塑性：例如纳米晶超塑性：例如纳米晶Ti02(金红石金红石)在低温在低温下具有超塑性；下具有超塑性；在保持原来常规陶瓷的断裂韧性的同时，在保持原来常规陶瓷的断裂韧性的同时，强度大大提高；强度大大提高；烧结温度可降低几百度，烧结速度大大提烧结温度可降低几百度，烧结速度大大提高。如，高。如，10nm的陶瓷微粒比的陶瓷微粒比10 m的理论的理论烧结速度提高烧结速度提高12个数量级。个数量级。我吓了一跳

39、，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物 2.1 无压烧结无压烧结 2.2 热压烧结热压烧结 2.3 微波烧结微波烧结我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1 无压烧结该工艺过程是将无团聚的纳米粉，在室温下经模压成块状试样，然后在一定的温度下烧结使其致密化。无压力烧结工艺简单，不需特殊的设备，因此成本低。稳定剂掺入。在纳米ZrO2粉中掺入5Vol%MgO，通过无压烧结，相对密度可达98%。掺MgO的纳米ZrO

40、2粉晶粒长大的速率，远低于未掺稳定剂MgO的ZrO2试样(见图3-4)。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.2 热压烧结无团聚的粉体在一定压力下进行烧结，称为热压烧结。该工艺优点是对于许多未掺杂的纳米粉，可制得具有较高致密度的纳米陶瓷，并且晶粒无明显长大。但该工艺要求的设备比无压烧结复杂，操作也较复杂。纳米TiO2金红石和纳米ZrO2的生坯经不同温度烧结24

41、小时后的相对密度、平均粒径与烧结温度的关系见图3-5和图3-6。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.3 微波烧结要想使纳米陶瓷材料烧结过程中晶粒不过分长大，必须采用快速升温、快速降温的烧结方法。微波烧结的升温速度快（500 oC/min），升温时间短（约2min），解决了纳米晶异常长大问题。且能量可节约50%左右。微波烧结的原理是利用在微波电磁场中材料的介质

42、损耗，使陶瓷材料整体加热到烧结温度而实现致密化。采用微波烧结可制备ZrO2或Al2O3纳米陶瓷材料。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物四、纳米复合材料 1 纳米复合材料分类纳米复合材料分类 2 陶瓷基纳米复合材料陶瓷基纳米复合材料我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物1 纳米复合材料分类复合材料的结构：一个相为连续相，称为基体，而另一相是以一定的形态分布于连续相中，称为增强体。如果增强体是纳米级，

43、如纳米颗粒、纳米晶片、纳米晶须、纳米纤维等，就称为纳米复合材料。纳米复合材料的强度和韧性比单组分纳米材料可提高2-5倍（表4-1）。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米复合材料按基体形状可分为三种类型： （1）0-0复合，即不同成分、不同相或不同种类的纳米粒子复合而成的纳米固体，结构具有纳米非均匀性，也称为聚集型； （2）0-2复合，即把纳米粒子分散到二维的

44、薄膜材料中，称为纳米复合薄膜材料。有时，也把不同材质构成的多层膜如超晶格也称为纳米复合薄膜材料。 （3）0-3复合，即纳米粒子分散在常规三维固体中。另外，介孔固体亦可作为复合母体通过物理或化学方法将纳米粒子填充在介孔中，形成介孔复合的纳米复合材料。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物按复合方式不同，纳米复合材料有 （1）晶内型和晶间型纳米复合材料，是纳米粒子主要弥散于基体晶粒内或基体晶粒间，可改善力学性能及耐用性； （2）而纳米/纳米型复合材料则是由纳米级增强体和纳米基体晶粒构成，使材料增加某

45、些新的功能，例如可加工性和超塑性等。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物纳米复合材料按基体材料类型可以分为三种： （1）陶瓷基纳米复合材料是指在陶瓷基体结构中弥散有纳米级增强相的陶瓷基复合材料。 （2）金属基纳米复合材料是以金属及合金为基体，与一种或几种金属或非金属纳米级增强相相结合的复合材料。 （3）聚合物基纳米复合材料则是由各种纳米单元与有机高分子基体材料以各种方式复合成型的一种新型复合材料。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实

46、我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2 陶瓷基纳米复合材料的制备2.1 固相法固相法2.2 液相法液相法2.3 气相法气相法2.4 原位复合法原位复合法我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2 陶瓷基纳米复合材料2.1固相法固相法 2.1.1 热压烧结热压烧结 2.1.2热等静压烧结热等静压烧结 2.1.3 反应烧结反应烧结 2.1.4 微波烧结微波烧结 2.1.5 自蔓延高温合成自蔓延高温合成我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的

47、猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1.1 热压烧结将陶瓷粉体在一定温度和一定压力下进行烧结，称为热压烧结（hot press sintering，简称HP）。与无压烧结相比，烧结温度低得多。通过热压烧结可制得具有较高致密度的陶瓷基纳米复合材料，并且晶粒无明显长大。例如以Si3N4粉和纳米SiCw晶须为原料，加入少量添加剂（如MgO等），在1600-1700 oC的Ar气中热压烧结，压力20-30MPa，可得到致密的（理论密度95%）SiCw/Si3N4纳米复合材料。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个

48、活的生物2.1.2热等静压烧结热等静压烧结（hot isostatic press sintering，简称HIP）也属于热压烧结的一种。与一般热压烧结法相比，HIP法使混合物料受到各向同性的压力，使显微结构均匀。HIP法施加压力高，在较低温度下即可烧结。对氧化铝基复合材料而言，无压烧结温度为1800 oC，热压烧结（20MPa）温度为1500 oC，而HIP烧结（400MPa），在1000 oC的较低温度下就已致密化了。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1.3 反应烧结反应烧结（reac

49、tion sintering，简称RS）是将陶瓷基体粉末和增强体纳米粉末混合均匀，压制成型，经高温加热进行氮化或碳化，反应生成陶瓷基体，从而获得陶瓷基纳米复合材料的方法。用这种方法可以制备氮化硅或碳化硅基纳米复合材料。例如，以硅粉为原料，加入一定量的SiCw，成型后，在N2H2的气氛下预氮化1-1.5小时，进行机械加工，以达到所需尺寸。最后在1350 oC -1450 oC氮化18-36小时，得到尺寸精密的SiCw/Si3N4纳米复合材料。 我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1.4 微波烧

50、结微波烧结的升温速度快（500 oC/min），升温时间短（约2min），解决了普通烧结方法不可避免的纳米晶异常长大问题。例如，采用微波烧结（Microwave sintering，简称MS）可制备ZrO2/Al2O3纳米复合材料。化学共沉淀法ZrO2Y2O3Al2O3纳米复合粉体压制成型微波烧3-4分钟ZrO2/Al2O3纳米复合材料（纳米纳米型复合）。我吓了一跳，蝎子是多么丑恶和恐怖的东西，为什么把它放在这样一个美丽的世界里呢？但是我也感到愉快，证实我的猜测没有错：表里边有一个活的生物2.1.5 自蔓延高温合成自蔓延高温合成法（Selfpropagation Hightemperature