材料的亞穩(wěn)態(tài)培訓(xùn)教材課件

第9章材料的亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)：體系自由能最低的平衡狀態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)：體系高于平衡態(tài)時自由能的狀態(tài)的一種非平衡態(tài)。在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。為什么非平衡的亞穩(wěn)態(tài)能夠存在？

圖9.1第9章材料的亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)：體系自由能最低的平衡狀態(tài)。1非平衡的亞穩(wěn)態(tài)大致有以下幾種類型：

（1）細晶組織:組織細小界面增多，自由能升高——納米晶（2）高密度晶體缺陷的存在,晶體缺陷使原子偏離平衡位置，晶體結(jié)構(gòu)排列規(guī)則性下降，體系自由能增高。（3）由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無序，自由能增高——非晶材料（4）過飽和固溶體,即溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度超過平衡濃度，甚至在平衡狀態(tài)時互不溶解的組元發(fā)生了相互溶解——脫溶分解（5）發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，生成具有與原先不同結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)新相

——馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變非平衡的亞穩(wěn)態(tài)大致有以下幾種類型：29.1納米材料

9.2準晶態(tài)

9.3非晶態(tài)

9.4固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相

結(jié)構(gòu)制備性能應(yīng)用9.1納米材料結(jié)構(gòu)39.1納米材料單晶——多晶粗晶微晶納米晶定義：三維尺度上至少有一維達到納米級（<100nm）或由它們?yōu)榛締卧M成的固體（納米晶單體、納米晶粉體、塊體、纖維、薄膜等納米尺度物體）或納米結(jié)構(gòu)材料符合宏觀定律十億分之一米nano≈十萬分之一頭發(fā)絲晶體、準晶、非晶金屬、非金屬、高分子9.1納米材料單晶——多晶粗晶定義：三維尺度上至少有49.1.1納米材料的結(jié)構(gòu)圖9.5納米晶固溶體圖9.4、9.6、9.7納米復(fù)合材料存在大量的界面或自由界面的高能結(jié)構(gòu)50％以上的原子在排列不規(guī)則的晶界上原子密度和配位數(shù)遠遠偏離完整的晶體結(jié)構(gòu)層狀、彌散、界面分布晶界長度短于晶界厚度，晶界上的自由體積增加納米晶是一種非平衡的、存在大量晶體缺陷的結(jié)構(gòu)9.1.1納米材料的結(jié)構(gòu)圖9.55表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的

比例和粒徑間的關(guān)系

比表面積大，表面原子數(shù)多納米材料的結(jié)構(gòu)特點:量子尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng)表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的

比例和粒徑間的關(guān)系比表面積大，表6量子尺寸效應(yīng) 當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長或透射深度等物理尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件被破壞，導(dǎo)致聲、光、磁、熱、力等特性呈現(xiàn)新的效應(yīng)。1）具有非常高的擴散率，對蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響，出現(xiàn)超強度、超硬度、超塑性等；2）易與其它原子相結(jié)合，具有很大的化學(xué)活性，用于吸附、催化、低溫?zé)Y(jié)、低溫摻雜等，并可使不混溶金屬形成新的合金相。表面效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng)周圍缺少相鄰原子的表面原子數(shù)增多，具有不飽和性質(zhì)的懸空鍵增多量子尺寸效應(yīng) 當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波79.1.2納米晶材料的性能

硅晶體不發(fā)光，但納米硅卻會發(fā)光；硬脆的陶瓷做成納米陶瓷不但保持高的強度和硬度，而且具有很好的韌性；金屬納米微粒后，無金屬光澤，對光顯示極強的吸收性；導(dǎo)電金屬納米化后電阻增高，半導(dǎo)體材料納米化后卻具有低的電阻。鐵電體小于臨界尺寸時轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w；鐵磁體小于臨界尺寸時，則出現(xiàn)極強的順磁效應(yīng);納米銅晶體的自擴散是傳統(tǒng)晶體的1016—1019倍;惰性的Pt納米化后是活性極好的催化劑?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在納米的世界里，物質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。9.1.2納米晶材料的性能硅晶體不發(fā)光，但納米硅卻會8在納米材料中，若按照Frand-Reed模型進行位錯增殖，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒直徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以在納米材料中位錯的滑移和增殖不會發(fā)生，此即納米晶強化效應(yīng)?！袅W(xué)性能應(yīng)用：超硬薄膜—由普通硬質(zhì)膜組成的納米厚度的多層膜例如TiN／VN納米復(fù)合多層膜，硬度高達78GPa，接近金剛石的硬度；而納米晶粒復(fù)合的TiN／SiNx薄膜材料的硬度為105GPa，完全達到了金剛石的硬度。納米復(fù)合多層膜不僅硬度很高，摩擦系數(shù)也較小，是理想的工具(模具)涂層材料。與金剛石相比，在性能和經(jīng)濟性上有明顯優(yōu)勢，因此具有非常好的市場前景。同時，多層膜結(jié)構(gòu)也能提高材料的韌性。

P376圖9.9在納米材料中，若按照Frand-Reed模型進行位9◆光學(xué)性能1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國戰(zhàn)斗機表面包覆了納米材料涂層，可吸收寬頻帶微波，避開雷達監(jiān)視。美國還利用在一定條件下可產(chǎn)生光發(fā)散效應(yīng)的納米磁性材料，改變光傳播方向，達到擾亂敵人探測的目標，使伊拉克損失慘重。應(yīng)用：納米SiO2光導(dǎo)纖維，光傳播快，不失真；納米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其復(fù)合材料，可吸收紅外光或紫外光，做成保暖防寒布料和防曬化妝品，可吸收寬頻微波，作為屏蔽隱身材料；納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬超微粒子：光吸收率增大，易吸收可見光——金屬黑半導(dǎo)體納米微粒：吸收光澤普遍存在藍移現(xiàn)象，如TiO2超細納米粒子可用于抗紫外線用品?！艄鈱W(xué)性能1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國10由于納米材料晶界上原子體積分數(shù)增大，電子在納米材料中的傳輸過程受到空間維度的約束從而呈現(xiàn)出量子限域效應(yīng)。常態(tài)下電阻較小的金屬到了納米級電阻會增大（晶界散射效應(yīng)）；原來絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降，變成了半導(dǎo)體或?qū)щ婓w。

◆電學(xué)性能抗靜電膜對于三氧化二鐵等一系列氧化物半導(dǎo)體，在納米狀態(tài)下具有比常規(guī)氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。廣泛應(yīng)用于電器的儀表指示窗、計量儀器窗、半導(dǎo)體器件包裝袋、陰極射線管的顯示面等。超導(dǎo)器件納電子器件應(yīng)用：由于納米材料晶界上原子體積分數(shù)增大，電子在納米材料中的11催化方面的應(yīng)用光催化：由水制氫氣、污水處理等。納米光催化自潔凈玻璃，抗菌軍服、病服、納米洗衣機、家具、潔具、廚具、小孩玩具，具有自潔凈功能。

利用納米氣敏膜在吸附某種氣體之后所引起的物理參數(shù)的變化來探測氣體。納米氣敏膜吸附氣體的速率越高，信號傳遞的速度越快，靈敏度也越高。呼吸式酒精檢測儀：三氧化二銦納米晶膜氣敏特性的應(yīng)用燒結(jié)方面的應(yīng)用納米材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴散途徑，可使其在較低的溫度下被燒結(jié)。如普通鎢粉需在3000℃高溫下才能燒結(jié)，而摻入0.1%～0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)溫度可降到1200～1311℃；納米SiC的燒結(jié)溫度從2000℃降到1300℃。催化方面的應(yīng)用利用納米氣敏膜在吸附某種氣體之后所引起的物理12納米生物學(xué)應(yīng)用

分子機器人——在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞?！鞍邢蛩幬铩薄判约{米粒子(Fe3O4)作為藥物載體注射到人身體內(nèi)，隨血液循環(huán)，定向移動到病變部位納米生物學(xué)應(yīng)用分子機器人——在血液中循環(huán)，對身體各部位進13物理方法真空蒸發(fā)法濺射法機械球磨法快速冷卻法

化學(xué)方法氣相沉積法沉淀法水熱合成法溶膠凝膠法9.1.3納米材料的制備由非晶生長到納米晶由粗晶細化為納米晶原位生長物理方法化學(xué)方法9.1.3納米材料的制備由非晶生長到納米14

（1）非晶晶化法：

以非晶態(tài)（金屬玻璃或溶膠）為起始相，使之在晶化過程中形成大量的晶核而生長成為納米晶材料。

（2）強烈塑變法：

對起始為粗晶的材料，通過強烈地塑性形變（如高能球磨、高速應(yīng)變、爆炸成形等手段）或造成局域原子遷移，使之產(chǎn)生高密度缺陷而致自由能升高，轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。（3）沉積法：

通過蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、電化學(xué)等方法生成納米微粒然后固化（4）沉淀反應(yīng)法：如利用溶膠凝膠或熱處理時效沉淀等析出納米微粒。（1）非晶晶化法：159.2準晶材料晶體材料:原子周期有序排列，且具有平移對稱性正六邊形可排滿整個空間，但正五邊形卻不行將它們換成原子，那么原子按六重對稱排列可密排成二維晶體，而五重對稱性卻不行各個陣點的周圍環(huán)境完全相同；只有1，2，3，4，6次旋轉(zhuǎn)對稱軸9.2準晶材料晶體材料:原子周期有序排列，且具有平移對161984年，在Al86Mn14淬冷合金中發(fā)現(xiàn)存在5次對稱軸，并確證這些合金相是具有周期有序排列，而沒有平移對稱性的一種封閉的正20面體相，從而將這種新的原子聚集狀態(tài)稱之為準晶態(tài)。以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了具有8次、10次、12次的對稱結(jié)構(gòu)。

1984年，在Al86Mn14淬冷合金中發(fā)現(xiàn)存在17準晶材料仍然是晶體，準晶中的原子分布按照一定規(guī)則排列，呈現(xiàn)長程定向有序，但沒有周期平移有序，在準晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學(xué)的五次、八次、十二次對稱軸。從結(jié)構(gòu)角度看，準晶是一種新的物質(zhì)形態(tài)；從成分來講，準晶材料通常為金屬間化合物，成分范圍一般較窄。準晶材料仍然是晶體，準晶中的原子分布按照一定規(guī)則排列18有沒有辦法可以鋪砌成具有五重對稱性的無空隙地面呢？9.2.1準晶的結(jié)構(gòu)準晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體、也不同于非晶態(tài)。如何描繪準晶態(tài)結(jié)構(gòu)？由于它不能通過平移操作實現(xiàn)周期性，故不能如晶體那樣取一個晶胞來代表其結(jié)構(gòu)。目前較常用的是以拼砌花磚方式的模型來表征準晶結(jié)構(gòu)，有沒有辦法可以鋪砌成具有五重對稱性的無空隙地面呢？9.2.119準晶結(jié)構(gòu)就目前所知可分成下列幾種類型：

a．一維準晶

一個取向準周期，其它兩個取向呈周期性。b．二維準晶

由準周期有序的原子層周期性地堆垛而構(gòu)成，將準晶態(tài)和晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征結(jié)合在一起。c．二十面體準晶

A類：以含有54個原子的二十面體作為結(jié)構(gòu)單元,鋁-過渡族元素化合物；B類：以含有137個原子的多面體為結(jié)構(gòu)單元,極少含有過渡族元素。準晶結(jié)構(gòu)就目前所知可分成下列幾種類型：20準晶的成分

能夠形成準晶的合金系大體分為三種：Al-TM合金系(TM為過渡族金屬)，如Al-Mn、Al-Cu-Fe、Al-Mn-Si等;TM-Ti合金系(TM為過渡族元素)，如Ni-Ti、Zr-Ti等;Mg基準晶，主要有Mg-Al-X(X為Cu、Zn、Pd、Ag、Pt)、Mg-Zn-Al(Ga)、Mg-Zn-RE(RE是Y和Gd到Er的稀土元素)。準晶的成分能夠形成準晶的合金系大體分為三種：21形成條件還與合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型等多種因素有關(guān)，并非所有的合金都能形成準晶。亞穩(wěn)態(tài)準晶結(jié)晶；非晶態(tài)準晶。9.2.2準晶的形成

包括形核和生長，是熱激活過程退火退火大多數(shù)準晶相為亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物，制備方法快冷（適當?shù)睦渌伲┥钸^冷技術(shù)機械合金化+熱處理氣相沉積、離子注入高壓固結(jié)、熱噴涂注意：穩(wěn)態(tài)準晶相在加熱時不發(fā)生結(jié)晶化轉(zhuǎn)變。形成條件還與合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型等多種因素有關(guān)，并非所有的22準晶合金的本質(zhì)脆性和不可避免的存在疏松限制了其本身作為結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用，常用于表面材料、合金增強相等。9.2.3準晶的性能

高硬度、高耐磨、室溫脆性、高溫塑性；耐腐蝕、抗氧化、低潤濕、低密度；絕緣、隔熱、儲氫準晶合金的本質(zhì)脆性和不可避免的存在疏松限制了其本身作23力學(xué)性能的利用——彌散增強利用準晶的高硬度和高彈性模量性質(zhì),將其作為一種強化組元去增強基體合金。A)固態(tài)反應(yīng)——使準晶相以高溫強化相析出，并彌散分布于基體中,從而達到強化效果。B)粉末冶金技術(shù)——將準晶顆粒微米級與金屬粉混合后在高溫下擠壓成由準晶顆粒復(fù)合強化的金屬基復(fù)合材料。如AlCuCr準晶復(fù)合材料的硬度可達1280MPa，為純鋁的4倍,不銹鋼的2倍，尤其是高溫強度，可提高10倍。并且摩擦系數(shù)和磨損率均遠遠優(yōu)于基體,甚至好于SiC顆粒/Al基復(fù)合材料。力學(xué)性能的利用——彌散增強利用準晶的高硬度和高彈性模24表面特性A)氧化行為特性迄今為止發(fā)現(xiàn)的準晶材料絕大多數(shù)為鋁系準晶，而Al是極易氧化的活潑元素。實驗發(fā)現(xiàn)，在相同條件下,準晶相表面的氧化現(xiàn)象明顯低于鋁合金相近成分的晶體相。B)不粘特性準晶具有很低的表面能，表現(xiàn)出良好的不粘性（潤濕角大）。Al-Pd-Mn準晶的表面能接近于Taflon，已被用在不粘鍋上（Cybernoxlayer）。C)摩擦特性準晶的顯微硬度比鋁合金大一個數(shù)量級,但摩擦系數(shù)很小，僅為鋁合金的三分之一。當對準晶材料進行往復(fù)摩擦實驗時,其摩擦系數(shù)還會逐漸降低,且磨痕上的微裂紋會自動愈合。表面特性A)氧化行為特性25主要體現(xiàn)在以下兩個方面：A）導(dǎo)電特性——絕緣材料相對于普通金屬間化合物,準晶材料的電阻率異常地高；并且電阻溫度系數(shù)很小。B）熱傳導(dǎo)特性——隔熱材料與普通金屬材料相比,準晶的導(dǎo)熱率很低,室溫下比鋁合金低兩個數(shù)量級。并且具有負的溫度系數(shù)，即熱阻值隨著溫度升高而下降?？梢宰龀闪己玫臒嵴贤繉佣鵀槠?、航空業(yè)所重視。電子傳輸特性主要體現(xiàn)在以下兩個方面：電子傳輸特性26儲氫特性材料儲氫特性主要取決于金屬與氫之間的化學(xué)反應(yīng)以及金屬中可容納氫原子的間隙位置和數(shù)量。在大多數(shù)過渡金屬中，氫趨向于四面體位置。因而,具有四面體結(jié)構(gòu)的Laves相是很好的儲氫材料。而二十面體準晶恰好擁有大量的四面體配位結(jié)構(gòu),從理論上講這類準晶應(yīng)該具備很好的儲氫能力。已有實驗證實了某些二十面體準晶相確實具有很強的儲氫能力,每個金屬原子可達到吸收兩個氫原子的水平。儲氫特性材料儲氫特性主要取決于金屬與氫之間的化學(xué)反應(yīng)27演講完畢，謝謝觀看！演講完畢，謝謝觀看！28第9章材料的亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)：體系自由能最低的平衡狀態(tài)。亞穩(wěn)態(tài)：體系高于平衡態(tài)時自由能的狀態(tài)的一種非平衡態(tài)。在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。為什么非平衡的亞穩(wěn)態(tài)能夠存在？

圖9.1第9章材料的亞穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)：體系自由能最低的平衡狀態(tài)。29非平衡的亞穩(wěn)態(tài)大致有以下幾種類型：

（1）細晶組織:組織細小界面增多，自由能升高——納米晶（2）高密度晶體缺陷的存在,晶體缺陷使原子偏離平衡位置，晶體結(jié)構(gòu)排列規(guī)則性下降，體系自由能增高。（3）由晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)，由結(jié)構(gòu)有序變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)無序，自由能增高——非晶材料（4）過飽和固溶體,即溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度超過平衡濃度，甚至在平衡狀態(tài)時互不溶解的組元發(fā)生了相互溶解——脫溶分解（5）發(fā)生非平衡轉(zhuǎn)變，生成具有與原先不同結(jié)構(gòu)的亞穩(wěn)新相

——馬氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變非平衡的亞穩(wěn)態(tài)大致有以下幾種類型：309.1納米材料

9.2準晶態(tài)

9.3非晶態(tài)

9.4固態(tài)相變形成的亞穩(wěn)相

結(jié)構(gòu)制備性能應(yīng)用9.1納米材料結(jié)構(gòu)319.1納米材料單晶——多晶粗晶微晶納米晶定義：三維尺度上至少有一維達到納米級（<100nm）或由它們?yōu)榛締卧M成的固體（納米晶單體、納米晶粉體、塊體、纖維、薄膜等納米尺度物體）或納米結(jié)構(gòu)材料符合宏觀定律十億分之一米nano≈十萬分之一頭發(fā)絲晶體、準晶、非晶金屬、非金屬、高分子9.1納米材料單晶——多晶粗晶定義：三維尺度上至少有329.1.1納米材料的結(jié)構(gòu)圖9.5納米晶固溶體圖9.4、9.6、9.7納米復(fù)合材料存在大量的界面或自由界面的高能結(jié)構(gòu)50％以上的原子在排列不規(guī)則的晶界上原子密度和配位數(shù)遠遠偏離完整的晶體結(jié)構(gòu)層狀、彌散、界面分布晶界長度短于晶界厚度，晶界上的自由體積增加納米晶是一種非平衡的、存在大量晶體缺陷的結(jié)構(gòu)9.1.1納米材料的結(jié)構(gòu)圖9.533表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的

比例和粒徑間的關(guān)系

比表面積大，表面原子數(shù)多納米材料的結(jié)構(gòu)特點:量子尺寸效應(yīng)表面效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng)表面原子數(shù)占全部原子數(shù)的

比例和粒徑間的關(guān)系比表面積大，表34量子尺寸效應(yīng) 當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波長或透射深度等物理尺寸相當或更小時，晶體周期性的邊界條件被破壞，導(dǎo)致聲、光、磁、熱、力等特性呈現(xiàn)新的效應(yīng)。1）具有非常高的擴散率，對蠕變、超塑性等力學(xué)性能有顯著影響，出現(xiàn)超強度、超硬度、超塑性等；2）易與其它原子相結(jié)合，具有很大的化學(xué)活性，用于吸附、催化、低溫?zé)Y(jié)、低溫摻雜等，并可使不混溶金屬形成新的合金相。表面效應(yīng)納米材料的基本效應(yīng)周圍缺少相鄰原子的表面原子數(shù)增多，具有不飽和性質(zhì)的懸空鍵增多量子尺寸效應(yīng) 當超細微粒的尺寸與光波波長、德布羅意波359.1.2納米晶材料的性能

硅晶體不發(fā)光，但納米硅卻會發(fā)光；硬脆的陶瓷做成納米陶瓷不但保持高的強度和硬度，而且具有很好的韌性；金屬納米微粒后，無金屬光澤，對光顯示極強的吸收性；導(dǎo)電金屬納米化后電阻增高，半導(dǎo)體材料納米化后卻具有低的電阻。鐵電體小于臨界尺寸時轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂婓w；鐵磁體小于臨界尺寸時，則出現(xiàn)極強的順磁效應(yīng);納米銅晶體的自擴散是傳統(tǒng)晶體的1016—1019倍;惰性的Pt納米化后是活性極好的催化劑?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，在納米的世界里，物質(zhì)發(fā)生了質(zhì)的飛躍。9.1.2納米晶材料的性能硅晶體不發(fā)光，但納米硅卻會36在納米材料中，若按照Frand-Reed模型進行位錯增殖，其臨界位錯圈的直徑比納米晶粒直徑還要大，增殖后位錯塞積的平均間距一般比晶粒大，所以在納米材料中位錯的滑移和增殖不會發(fā)生，此即納米晶強化效應(yīng)?！袅W(xué)性能應(yīng)用：超硬薄膜—由普通硬質(zhì)膜組成的納米厚度的多層膜例如TiN／VN納米復(fù)合多層膜，硬度高達78GPa，接近金剛石的硬度；而納米晶粒復(fù)合的TiN／SiNx薄膜材料的硬度為105GPa，完全達到了金剛石的硬度。納米復(fù)合多層膜不僅硬度很高，摩擦系數(shù)也較小，是理想的工具(模具)涂層材料。與金剛石相比，在性能和經(jīng)濟性上有明顯優(yōu)勢，因此具有非常好的市場前景。同時，多層膜結(jié)構(gòu)也能提高材料的韌性。

P376圖9.9在納米材料中，若按照Frand-Reed模型進行位37◆光學(xué)性能1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國戰(zhàn)斗機表面包覆了納米材料涂層，可吸收寬頻帶微波，避開雷達監(jiān)視。美國還利用在一定條件下可產(chǎn)生光發(fā)散效應(yīng)的納米磁性材料，改變光傳播方向，達到擾亂敵人探測的目標，使伊拉克損失慘重。應(yīng)用：納米SiO2光導(dǎo)纖維，光傳播快，不失真；納米Al2O3、TiO2、SiO2、Fe2O3及其復(fù)合材料，可吸收紅外光或紫外光，做成保暖防寒布料和防曬化妝品，可吸收寬頻微波，作為屏蔽隱身材料；納米粒子的粒徑（10～100nm）小于光波的波長，因此將與入射光產(chǎn)生復(fù)雜的交互作用。金屬超微粒子：光吸收率增大，易吸收可見光——金屬黑半導(dǎo)體納米微粒：吸收光澤普遍存在藍移現(xiàn)象，如TiO2超細納米粒子可用于抗紫外線用品?！艄鈱W(xué)性能1991年海灣戰(zhàn)爭中，美國38由于納米材料晶界上原子體積分數(shù)增大，電子在納米材料中的傳輸過程受到空間維度的約束從而呈現(xiàn)出量子限域效應(yīng)。常態(tài)下電阻較小的金屬到了納米級電阻會增大（晶界散射效應(yīng)）；原來絕緣體的氧化物到了納米級，電阻卻反而下降，變成了半導(dǎo)體或?qū)щ婓w。

◆電學(xué)性能抗靜電膜對于三氧化二鐵等一系列氧化物半導(dǎo)體，在納米狀態(tài)下具有比常規(guī)氧化物高的導(dǎo)電特性，因而能起到靜電屏蔽作用。廣泛應(yīng)用于電器的儀表指示窗、計量儀器窗、半導(dǎo)體器件包裝袋、陰極射線管的顯示面等。超導(dǎo)器件納電子器件應(yīng)用：由于納米材料晶界上原子體積分數(shù)增大，電子在納米材料中的39催化方面的應(yīng)用光催化：由水制氫氣、污水處理等。納米光催化自潔凈玻璃，抗菌軍服、病服、納米洗衣機、家具、潔具、廚具、小孩玩具，具有自潔凈功能。

利用納米氣敏膜在吸附某種氣體之后所引起的物理參數(shù)的變化來探測氣體。納米氣敏膜吸附氣體的速率越高，信號傳遞的速度越快，靈敏度也越高。呼吸式酒精檢測儀：三氧化二銦納米晶膜氣敏特性的應(yīng)用燒結(jié)方面的應(yīng)用納米材料中有大量的界面，這些界面為原子提供了短程擴散途徑，可使其在較低的溫度下被燒結(jié)。如普通鎢粉需在3000℃高溫下才能燒結(jié)，而摻入0.1%～0.5%的納米鎳粉后，燒結(jié)溫度可降到1200～1311℃；納米SiC的燒結(jié)溫度從2000℃降到1300℃。催化方面的應(yīng)用利用納米氣敏膜在吸附某種氣體之后所引起的物理40納米生物學(xué)應(yīng)用

分子機器人——在血液中循環(huán)，對身體各部位進行檢測、診斷，并實施特殊治療，疏通腦血管中的血栓，清除心臟動脈脂肪沉積物，甚至可以用其吞噬病毒，殺死癌細胞?！鞍邢蛩幬铩薄判约{米粒子(Fe3O4)作為藥物載體注射到人身體內(nèi)，隨血液循環(huán)，定向移動到病變部位納米生物學(xué)應(yīng)用分子機器人——在血液中循環(huán)，對身體各部位進41物理方法真空蒸發(fā)法濺射法機械球磨法快速冷卻法

化學(xué)方法氣相沉積法沉淀法水熱合成法溶膠凝膠法9.1.3納米材料的制備由非晶生長到納米晶由粗晶細化為納米晶原位生長物理方法化學(xué)方法9.1.3納米材料的制備由非晶生長到納米42

（1）非晶晶化法：

以非晶態(tài)（金屬玻璃或溶膠）為起始相，使之在晶化過程中形成大量的晶核而生長成為納米晶材料。

（2）強烈塑變法：

對起始為粗晶的材料，通過強烈地塑性形變（如高能球磨、高速應(yīng)變、爆炸成形等手段）或造成局域原子遷移，使之產(chǎn)生高密度缺陷而致自由能升高，轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。（3）沉積法：

通過蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、電化學(xué)等方法生成納米微粒然后固化（4）沉淀反應(yīng)法：如利用溶膠凝膠或熱處理時效沉淀等析出納米微粒。（1）非晶晶化法：439.2準晶材料晶體材料:原子周期有序排列，且具有平移對稱性正六邊形可排滿整個空間，但正五邊形卻不行將它們換成原子，那么原子按六重對稱排列可密排成二維晶體，而五重對稱性卻不行各個陣點的周圍環(huán)境完全相同；只有1，2，3，4，6次旋轉(zhuǎn)對稱軸9.2準晶材料晶體材料:原子周期有序排列，且具有平移對441984年，在Al86Mn14淬冷合金中發(fā)現(xiàn)存在5次對稱軸，并確證這些合金相是具有周期有序排列，而沒有平移對稱性的一種封閉的正20面體相，從而將這種新的原子聚集狀態(tài)稱之為準晶態(tài)。以后又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了具有8次、10次、12次的對稱結(jié)構(gòu)。

1984年，在Al86Mn14淬冷合金中發(fā)現(xiàn)存在45準晶材料仍然是晶體，準晶中的原子分布按照一定規(guī)則排列，呈現(xiàn)長程定向有序，但沒有周期平移有序，在準晶材料中存在不符合傳統(tǒng)晶體學(xué)的五次、八次、十二次對稱軸。從結(jié)構(gòu)角度看，準晶是一種新的物質(zhì)形態(tài)；從成分來講，準晶材料通常為金屬間化合物，成分范圍一般較窄。準晶材料仍然是晶體，準晶中的原子分布按照一定規(guī)則排列46有沒有辦法可以鋪砌成具有五重對稱性的無空隙地面呢？9.2.1準晶的結(jié)構(gòu)準晶的結(jié)構(gòu)既不同于晶體、也不同于非晶態(tài)。如何描繪準晶態(tài)結(jié)構(gòu)？由于它不能通過平移操作實現(xiàn)周期性，故不能如晶體那樣取一個晶胞來代表其結(jié)構(gòu)。目前較常用的是以拼砌花磚方式的模型來表征準晶結(jié)構(gòu)，有沒有辦法可以鋪砌成具有五重對稱性的無空隙地面呢？9.2.147準晶結(jié)構(gòu)就目前所知可分成下列幾種類型：

a．一維準晶

一個取向準周期，其它兩個取向呈周期性。b．二維準晶

由準周期有序的原子層周期性地堆垛而構(gòu)成，將準晶態(tài)和晶態(tài)的結(jié)構(gòu)特征結(jié)合在一起。c．二十面體準晶

A類：以含有54個原子的二十面體作為結(jié)構(gòu)單元,鋁-過渡族元素化合物；B類：以含有137個原子的多面體為結(jié)構(gòu)單元,極少含有過渡族元素。準晶結(jié)構(gòu)就目前所知可分成下列幾種類型：48準晶的成分

能夠形成準晶的合金系大體分為三種：Al-TM合金系(TM為過渡族金屬)，如Al-Mn、Al-Cu-Fe、Al-Mn-Si等;TM-Ti合金系(TM為過渡族元素)，如Ni-Ti、Zr-Ti等;Mg基準晶，主要有Mg-Al-X(X為Cu、Zn、Pd、Ag、Pt)、Mg-Zn-Al(Ga)、Mg-Zn-RE(RE是Y和Gd到Er的稀土元素)。準晶的成分能夠形成準晶的合金系大體分為三種：49形成條件還與合金成分、晶體結(jié)構(gòu)類型等多種因素有關(guān)，并非所有的合金都能形成準晶。亞穩(wěn)態(tài)準晶結(jié)晶；非晶態(tài)準晶。9.2.2準晶的形成

包括形核和生長，是熱激活過程退火退火大多數(shù)準晶相為亞穩(wěn)態(tài)產(chǎn)物，制備方法快冷（適當?shù)睦渌伲┥钸^冷技術(shù)機械合金化+熱處理氣相沉積、離子注入高壓固結(jié)、熱噴涂注意：穩(wěn)態(tài)準晶相在加熱時不發(fā)生結(jié)晶化轉(zhuǎn)變。