納米材料的性能及應(yīng)用展望

1、納米材料的性能及應(yīng)用展望1引言納米材料是指納米粉末，或用納米粉末經(jīng)過一系列制備工藝而得到的薄膜材料或塊體材料，由于納米材料的晶粒尺寸，晶界尺寸，缺陷尺寸均處在100nm及其以下，且晶界數(shù)量大幅度增加，使得材料的強(qiáng)度，韌性和超塑性大為提高。對(duì)于材料的電學(xué)，磁學(xué),光學(xué)等性能產(chǎn)生重要的影響。本文根據(jù)大量資料，對(duì)納米材料所具有的一些獨(dú)特性能進(jìn)行綜述，對(duì)其應(yīng)用及前景進(jìn)行了介紹和展望。2納米材料的性能21納米材料的力學(xué)性能大量研究表明，納米陶瓷材料具有超塑性性能，所謂超塑性是指材料在一定的應(yīng)變速率下產(chǎn)生較大的拉伸應(yīng)變。納米TiO2陶瓷在室溫下就能發(fā)生塑性形變，在180c下塑性變形可達(dá)100%。若試樣中存在

2、微裂紋，在180c下進(jìn)行彎曲時(shí)，也不發(fā)生裂紋擴(kuò)展4。摻雜Y203的四方氧化錯(cuò)多晶體納米陶瓷材料（YTZP）當(dāng)晶粒尺寸為150nm時(shí)，材料可在1250c下呈現(xiàn)超塑性。且起始應(yīng)變速率達(dá)到3X10-2S-1,壓縮應(yīng)變量達(dá)380%5。對(duì)晶粒尺寸為350nm的3Y-TZD陶瓷進(jìn)行循環(huán)拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在室溫下就已出現(xiàn)形變現(xiàn)象。另外納米ZnO陶瓷也具有超塑性性能。納米Si3N4陶瓷在1300c下。即可產(chǎn)生200%以上的形變。關(guān)于納米陶瓷產(chǎn)生超塑性的原因，一般認(rèn)為是擴(kuò)散蠕變引起晶界滑移所致。擴(kuò)散蠕變速率與擴(kuò)散系數(shù)成正比，與晶粒尺寸的三次方成反比，當(dāng)納米粒子尺寸減小時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)非常高，從而造成擴(kuò)散蠕變異常高。因此

3、，在較低溫度下，因材料具有很高的擴(kuò)散蠕變速率，當(dāng)受到外力后能迅速做出反應(yīng)，造成晶界方向的平移，從而表現(xiàn)出超塑性：塑性的提高也使其韌性大為提高。納米陶瓷的硬度和強(qiáng)度也明顯高于普通材料。在100c下，納米TiO2陶瓷的顯微硬度為1300kgf/mm2,而普通TiO2陶瓷的顯微硬度低于200kgf/mm26。在陶瓷基體中引入納米分散相進(jìn)行復(fù)合，對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度，斷裂韌性會(huì)有大幅度的提高，還能提高材料的硬度，彈性模量，抗熱震性以及耐高溫性能。又例如納米S1C彌散到S13N4基體中形成的納米復(fù)合材料，其韌性常數(shù)KiC為4.57.5MPam1/2，斷裂強(qiáng)度（rS為8501400MPa,最高工作溫度可達(dá)12

4、00-1500Co另?yè)?jù)報(bào)道7,用燒結(jié)技術(shù)制成的碳纖維增強(qiáng)S1C/Sialon納米復(fù)合陶瓷材料與碳纖維增強(qiáng)S1a1on微米復(fù)合材料相比，其強(qiáng)度和韌性也得到較大改善，性能對(duì)比見表1。表1碳纖維增強(qiáng)SiC/Sialon納米復(fù)合陶瓷與碳纖維增強(qiáng)Sial加微米復(fù)合材料性能對(duì)比性能納米復(fù)合材料微米復(fù)合材料強(qiáng)度/MPa705314韌性;MP'23.59.822納米材料的其它性能納米材料由于晶粒尺寸的減小，對(duì)磁學(xué)性能，電學(xué)性能等也產(chǎn)生一些影響。研究表明：Fe,Co,N1超微粉的矯頑Hc隨平均粒徑的減小而增大，當(dāng)這三種金屬粉末的平均粒徑分別達(dá)到14nm,14nm和18nm時(shí)，Hc達(dá)到最大。上述粒徑分別相

5、當(dāng)于Fe,Co,Ni的單磁疇的臨界尺寸。某些納米材料與一般固體材料的飽和磁化強(qiáng)度、磁化率、超導(dǎo)臨界溫度也不同（見表2）。表2納米材料與一般材料性質(zhì)比較材料杰別性質(zhì)納米材料幗體材料%飽和戚化強(qiáng)度4©x3A葭130222肺磁化率（4K）+201A1超臨界溫度,K3.21,23納米材料的應(yīng)用及展望納米材料的實(shí)際應(yīng)用還不多，但由于它具有獨(dú)特的性能，可以預(yù)料其應(yīng)用前景應(yīng)是非常廣闊的。31高韌、高強(qiáng)納米結(jié)構(gòu)陶瓷材料陶瓷具有很高的硬度，耐磨性，耐熱性和耐腐蝕性能，但致命弱點(diǎn)是脆性。改善脆性，增加韌性一直是材料科學(xué)工作者關(guān)注的焦點(diǎn)。用納米碳化物，氮化物，氧化物彌散到陶瓷基體中去，可以顯著改善陶瓷的韌

6、性。用納米復(fù)合陶瓷來制備發(fā)動(dòng)機(jī)的部件，可以省去冷卻系統(tǒng)，從而可以大大提高發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率。32高性能磁性材料以納米級(jí)磁性粉末作為磁記錄材料，研究表明，記錄密度和矯頑力高，可以達(dá)到很高的信噪比和穩(wěn)定性。用以制造視頻磁帶，計(jì)算機(jī)磁帶和磁盤，其性能和工作壽命高于現(xiàn)在使用的a一Fe203廣品。美國(guó)Xerox公司采用含磺酸鹽的離子交換樹脂與Fe2+和Fe3+交換，再加入濃NaOH，產(chǎn)生Fe（OH）2再加入H202和腫，變?yōu)?10的m的VFe203,將其分散到聚合物基體中，得到在磁場(chǎng)中顯示磁性，且室溫磁性為FeBO3或FeF2十倍多的材料。在彩色圖象，計(jì)算機(jī)磁性主記憶，磁性流體與磁性致冷方面均有廣泛的應(yīng)用。

7、33電磁波吸收材料納米級(jí)的默基鐵粉，饃粉，和鐵氧體粉末具有電磁波吸收能力。用該種納米粉配制的涂料涂到飛機(jī)、導(dǎo)彈、軍艦等武器裝備上，使該裝備具有隱身性能。納米級(jí)超細(xì)粉末不僅能吸收雷達(dá)波，也能吸收可見光和紅外線，用該種粉末配制成隱身材料不僅能在很寬的頻帶范圍內(nèi)逃避雷達(dá)的偵察，而且能起到紅外隱身作用。34做催化劑由于納米顆粒表面是一層既無長(zhǎng)程序，又無短程序的非晶層，表面上的原子周圍缺少相鄰原子,有許多懸空鍵，因而具有極大的活性，催化效率相當(dāng)高8。用納米1102從硫化氫中除去硫的量比用傳統(tǒng)T1O2的除硫量增加近5倍,該現(xiàn)象有助于將來發(fā)展用于環(huán)境保護(hù)的廢氣轉(zhuǎn)換器。用納米T1O2可使有機(jī)磷殺蟲藥水在陽(yáng)光的照射下半小時(shí)內(nèi)全部分解；利用納米饃粉作為火箭固體燃料反應(yīng)觸媒，可使燃燒效率提高近100倍;用納米鉗黑作催化劑可以使乙稀氫化反應(yīng)從600c降至室溫。35納米級(jí)微粒傳感器納米級(jí)微粒傳感器是利用了表面與外界環(huán)境，如溫度，光，氣體，水分子之間的相互作用，當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生改變時(shí)，迅速引起表面或界