《功能材料學(xué)概論》納米材料

納米材料（3）編輯ppt第一節(jié)納米材料和納米技術(shù)簡介第二節(jié)納米粉體材料第三節(jié)納米塊體材料

編輯ppt一.塊體納米材料的制備二.塊體納米材料的結(jié)構(gòu)三.塊體納米材料的性能塊體納米材料編輯ppt第一種──由小至大先制備納米顆粒，再由原位加壓、熱壓等方法制成大塊納米金屬材料一

塊體納米材料的制備編輯ppt納米粒子制備方法氣相法液相法沉淀法水熱法溶膠－凝膠法冷凍干燥法噴霧法......氣體冷凝法濺射法流動液面上真空蒸度法爆炸絲法通電加熱蒸發(fā)法……納米粒子制備方法分類固相法機械球磨法化學(xué)氣相反應(yīng)法氣相分解法氣相合成法氣－固反應(yīng)法物理氣相法熱分解法......固相反應(yīng)法編輯ppt編輯ppt第二種方法──由大變小是將外部能量引入或作用于母體材料。使其產(chǎn)生相或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，直接制備出塊體納米材料編輯ppt納米塊體制備方法嚴重塑性變形快速凝固等通道轉(zhuǎn)角擠壓疊軋高壓扭轉(zhuǎn)反復(fù)彎曲矯直表面納米化......編輯ppt等通道轉(zhuǎn)角擠壓擠壓后樣品外形不變，很容易實現(xiàn)反復(fù)變形變形量與模具參數(shù)有關(guān)編輯ppt疊軋是與工業(yè)應(yīng)用較為靠近的一種。它制備出的材料形狀與工業(yè)上軋制制備的產(chǎn)品相同，因而最有可能得到實際應(yīng)用編輯ppt高壓扭轉(zhuǎn)樣品一般為圓形,直徑在10-20mm之間,厚度在0.2-0.5mm之間高壓扭轉(zhuǎn)示意圖編輯ppt表面納米化編輯ppt非晶晶化快速凝固......編輯ppt一.塊體納米材料的制備二.塊體納米材料的結(jié)構(gòu)三.塊體納米材料的性能塊體納米材料編輯ppt設(shè)界面厚度為δ(通常為1nm)，晶粒直徑為d，則界面所占體積分數(shù)為3δ／dd=1μm,V界面%=0.3％d=100nm,V界面%=3%d=6nm,V界面%=50%二

塊體納米材料的結(jié)構(gòu)編輯ppt納米固體材料內(nèi)部存在著位錯，空位簇，微空洞等缺陷，其密度依制備方法而異，一般來說小于或接近多晶材料的密度。缺陷所占體積分數(shù)與納米材料的制備工藝有關(guān)編輯ppt嚴重塑性變形法制備納米Cu脈沖電流沉積制備納米Cu編輯ppt一.塊體納米材料的制備二.塊體納米材料的結(jié)構(gòu)三.塊體納米材料的性能塊體納米材料編輯ppt力學(xué)性能σy0.002對于無明顯的屈服現(xiàn)象的材料，通常以發(fā)生微量的塑性變形(0.2％)時的應(yīng)力作為該鋼材的屈服強度對于屈服現(xiàn)象明顯的材料，屈服強度就是在屈服點；

三.塊體納米材料的性能編輯pptHall-Petch關(guān)系：σ0為是移動單個位錯所需的克服點陣摩擦的力；K為常數(shù)，d為晶粒尺寸編輯ppt20MnSiNb晶粒度與屈服強度的關(guān)系純鐵晶粒尺寸和硬度之間關(guān)系編輯ppt(a)正Hall-Petch關(guān)系(K＞0)：對于蒸發(fā)凝聚、原位加壓納米TiO2、用機械合金化(高能球磨)制備的納米Fe和Nb3Sn等試樣，進行維氏硬度試驗，結(jié)果表明，它們均服從正Hall-Petch關(guān)系，與常規(guī)多晶試樣一樣遵守同樣規(guī)律

(b)反Hall-Petch關(guān)系(K＜0)：硬度隨納米晶粒的減小而下降。例如，用蒸發(fā)凝聚原位加壓制成的納米Pd晶體，以非晶晶化法制備的Ni—P納米晶體

(c)正一反混合Hall-Petch關(guān)系：納米晶Cu和Ni—P的實驗結(jié)果，它們均服從這種混合關(guān)系編輯ppt位錯源障礙如果位錯被晶界阻擋，晶粒的塑性變形就無法直接傳播到相鄰的晶粒中去，造成塑變晶粒內(nèi)位錯塞積。在外力作用下，晶界上的位錯塞積產(chǎn)生一個應(yīng)力場，可以作為激活相鄰晶粒內(nèi)位錯源開動的驅(qū)動力。當塞積位錯的應(yīng)力場強度與外應(yīng)力的和等于位錯開動的臨界應(yīng)力時，相鄰晶粒內(nèi)的位錯源開動、滑移與增殖，造成塑性形變。塞積位錯應(yīng)力場強度與塞積位錯數(shù)目和外加切應(yīng)力值有關(guān)，而塞積位錯數(shù)目正比于晶粒尺寸，因此當金屬材料的晶粒變細時，必須加大外加作用力以激活相鄰晶粒內(nèi)位錯源，這就意味著，細晶粒產(chǎn)生塑性變形要求更高的外加作用力，也就體現(xiàn)了細晶粒對金屬材料強化的貢獻。

編輯ppt對納米結(jié)構(gòu)材料反常性能的解釋，已不能依賴于傳統(tǒng)的位錯理論，它與常規(guī)多晶材料之間的差別關(guān)鍵在于界面占有相當大的體積分數(shù)，對于只有幾nm的小晶粒，由于其尺度與常規(guī)粗晶粒內(nèi)部位錯塞積中相鄰位錯間距相差不多，在這樣小尺寸的晶粒內(nèi)位錯源也很難開動，不會有大量位錯增殖問題。因此，位錯塞積不太可能在納米晶中出現(xiàn)，因此，用位錯的塞積理論來解釋塊體納米材料中的力學(xué)行為是不合適的，需要從納米晶體材料的結(jié)構(gòu)特點來尋找新的模型，建立新理論．編輯ppt(1)界面的作用隨納米晶粒直徑的減小，高密度的晶界導(dǎo)致晶粒取向混亂，界面能量升高。

(2)臨界尺寸

Gleiter等認為：在一個給定的溫度下納米材料存在一個臨界的尺寸，低于這個尺寸，界面粘滯性增強，這就引起材料的軟化；高于臨界尺才，材料硬化。他們把這個臨界尺寸稱為“等粘合晶粒尺寸”目前，對于納米結(jié)構(gòu)材料的反常H—P關(guān)系從下面幾方面進行了討論：

編輯ppt(3)三叉晶界三叉晶界是三個或三個以上相鄰的晶粒之間形成的交叉“線”編輯ppt晶粒直徑對晶界，三叉晶界及晶間區(qū)體積分數(shù)的影響編輯ppt迄今為止，納米材料的力學(xué)性能尚未形成比較系統(tǒng)的理論，原因如下：①納米材料的密度只能達到理論密度的90-95%，有相當數(shù)量的孔洞、甚至微裂紋存在于試樣中，這些缺陷對強度和硬度有很大的影響，這很可能造成測量上的誤差，給總結(jié)實驗規(guī)律造成困難。編輯ppt②試樣制備方法多種多樣，由納米粉壓制燒結(jié)而成的塊體材料的晶界與球磨或非晶晶化法獲得的納米材料的界面有很大的差別．前者包含孔洞之類缺陷，原子配位數(shù)不全；后者界面相對比較致密，界面的原子排列更接近有序狀態(tài)．這很可能導(dǎo)致這兩類不同的納米結(jié)構(gòu)材料力學(xué)性能有差異。編輯ppt超塑性超塑性是指材料在一定的應(yīng)力作用下，在一定的溫度-應(yīng)變速率下變形時，延伸率高達100-1000%的現(xiàn)象。溫度，應(yīng)變速率編輯ppt通常當材料的晶粒尺寸在10微米時，超塑性變形的溫度為0.5-0.6Tm，應(yīng)變速率為10-4-10-3/s。降低晶粒尺寸不僅可以降低塑性變形的溫度，而且可以在較大的應(yīng)變速率下實現(xiàn)超塑性變形編輯ppt金屬的超塑性編輯ppt電解沉積的納米銅……他們發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致納米銅超塑延展的主要機制是大量的晶界滑移而并非點陣位錯運動等……。這項研究成果發(fā)表2000年2月25日出版的《SCIENCE》編輯ppt擴散物質(zhì)從高濃度區(qū)向低濃度區(qū)的轉(zhuǎn)移擴散類型晶界擴散（界面擴散）體擴散（體積擴散）擴散性編輯ppt固相燒結(jié)固溶處理表面滲碳，滲氮......編輯ppt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。因此與單晶材料相比，納米材料具有高的擴散率編輯ppt以抗磨為目的的氣體滲氮，滲氮溫度一般在480～520℃之間,保溫時間近80小時。以抗蝕為目的的氣體滲氮，滲氮溫度在550～700℃之間,保溫0.5～3小時。

編輯ppt300℃,9h編輯ppt對純鐵進行表面機械研磨處理，在十微米厚的表面層中獲得納米晶組織。然后利用氣體滲氮技術(shù)在300℃保溫9小時后成功地實現(xiàn)了表面氮化，獲得10微米厚的氮化物層，而未經(jīng)處理的純鐵在同樣條件下幾乎無氮化物形成。這一結(jié)果證明鐵的表面氮化溫度可以利用表面納米化技術(shù)而大幅度下降。這一成果顯示出納米技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)技術(shù)的升級改造具有重要的推動作用。編輯ppt納米材料為亞穩(wěn)態(tài)材料，由于納米材料的一系列優(yōu)異的性能，如超強、超硬、超塑性等都與納米材料的晶粒大小和特殊結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此，研究納米材料晶粒尺寸和結(jié)構(gòu)熱穩(wěn)定性對確定其具體使用條件有重要意義。納米結(jié)構(gòu)材料熱穩(wěn)定性是一個十分重要的問題，它關(guān)系到納米材料優(yōu)越性能究竟能在什么樣的溫度范圍內(nèi)使用。能在較寬的溫度范圍獲得熱穩(wěn)定性好的(顆粒尺寸無明顯長大)納米結(jié)構(gòu)材料是要解決的關(guān)鍵問題之一。塊體納米材料的熱穩(wěn)定性編輯ppt根據(jù)經(jīng)典的晶粒長大理論，晶粒越小，表面活化能越大，晶粒長大的驅(qū)動力越大。納米材料的晶粒度遠小于普通材料，因此理論上講其熱穩(wěn)定性較差。編輯ppt對于單質(zhì)：普通多晶體的再結(jié)晶溫度(約為0.5Tm)納米晶粒長大溫度約在0.2-0.4Tm之間。納米Cu的晶粒長大溫度約為373K(0.28Tm)；納米Fe為473K(0.26Tm)；納米Pd晶體為523K(0.28Tm)；納米Ge為300K(超0.25Tm)。編輯ppt納米合金材料的晶粒長大溫度往往較高。通常高于0.5Tm。如納米Ni80P20合金的晶粒長大開始溫度約為620K(0.56Tm)晶粒尺寸為12nm的TiO2納米晶體的熱穩(wěn)定性幾