《功能材料学概论》纳米材料

1、纳米材料(3)，第1节纳米材料和纳米技术介绍，第2节纳米粉末材料，第3节纳米块材料，1。块状纳米材料的制备2。嵌段纳米材料的结构。块体纳米材料的性质，块体纳米材料，首先是由小到大制备纳米颗粒，然后通过原位压制和热压制备大的纳米金属材料。纳米粒子制备方法、气相法、液相法、沉淀水热溶胶-凝胶法、冷冻干燥喷雾法、气体冷凝溅射法、流动液体表面真空蒸发法、爆炸丝法、电加热蒸发法、纳米粒子制备方法分类、固相法、机械球磨法、化学气相反应法、气相分解法、气相合成法、气固反应法、物理气相法、热分解法、固相反应法，第二种方法由大到小是将外部能量引入或作用于母体材料。使其产生相或结构转变，并直接制备块体纳米材料。纳

2、米块体制备方法，剧烈塑性变形，快速凝固，等通道转角挤压，重叠轧制，高压扭转，反复弯曲矫直，表面纳米化，等通道转角挤压，挤压后样品形状不变，很容易认识到反复变形的变形量与模具参数、重叠轧制有关，是的，用它制备的材料形状与工业轧制制备的产品形状相同，因此最有可能在实践中使用。高压扭转，样品一般为圆形，直径10-20毫米，厚度0.2-0.5毫米。高压扭转图，表面纳米化，非晶结晶，快速凝固。1.块体纳米材料的制备；2.块状纳米材料的结构；3.块状纳米材料的特性。如果界面厚度为(通常为1纳米)且粒径为d，则界面的体积分数为3d，d=1m，V界面%=0.3d=100纳米，V界面%=3% d=6纳米，V界面

3、%=50。缺陷的体积分数与纳米材料的制备过程有关。纳米铜采用剧烈塑性变形法制备，纳米铜采用脉冲电流沉积法制备。1.块体纳米材料的制备。3.块体纳米材料的性质、块体纳米材料和机械性质。对于没有明显屈服现象的材料，轻微塑性变形时的应力(0.2)通常作为钢的屈服强度。第三章。块体纳米材料的性质，霍尔-佩特奇关系：0是克服晶格摩擦以移动单个位错所需的力；k为常数，d为晶粒尺寸，20纳米铌晶粒尺寸与屈服强度的关系，纯铁晶粒尺寸与硬度的关系，(a)正霍尔-佩特奇关系(K0):对机械合金化(高能球磨)制备的蒸发冷凝、原位加压纳米二氧化钛、纳米铁和Nb3Sn等样品进行了维氏硬度测试，结果表明它们均服从正霍尔-

4、佩特奇关系。与常规多晶样品相同的规则(b)反向霍尔-佩特奇关系(K0):硬度随着纳米颗粒的减少而降低。例如，蒸发冷凝原位加压法制备的纳米晶钯晶体和非晶结晶法制备的NiP纳米晶碳的正负混合霍尔-珀奇关系：纳米晶铜和NiP的实验结果都符合这种混合关系。如果位错被晶界阻挡，晶粒的塑性变形不能直接传播到相邻晶粒，导致塑性晶粒中的位错堵塞。在外力作用下，晶界上的位错聚集产生应力场，该应力场可作为驱动力激活相邻晶粒中的位错源。当应力场强度和外应力之和等于位错起始的临界应力时，相邻晶粒中的位错源开始滑移和扩散，导致塑性变形。堆积位错的应力场强度与堆积位错的数量和外加剪应力值有关，堆积位错的数量与晶粒尺寸成正

5、比。因此，当金属材料的晶粒变薄时，有必要增加作用力以激活相邻晶粒中的位错源，这意味着细晶粒的塑性变形需要更高的作用力，这反映了细晶粒对金属材料的强化的贡献。纳米结构材料异常性质的解释不再依赖于传统的位错理论。纳米结构材料和传统多晶材料的主要区别在于界面占据了相当大的体积分数。对于只有几纳米的小晶粒，由于其尺寸与常规粗晶粒中位错堆积中相邻位错的尺寸相似，因此在这种小晶粒中很难产生位错源，也不会有位错扩散的问题。因此，在纳米晶体中不太可能出现位错堆积。因此，用位错堆积理论来解释块体纳米材料的力学行为是不合适的。有必要从纳米晶材料的结构特征出发，寻找新的模型，建立新的理论。(1)界面效应随纳米晶直径

6、的增加而减小，晶界的高密度导致晶粒取向的混乱和界面能的增加。(2)临界尺寸Gleiter等人认为纳米材料在给定温度下存在临界尺寸，低于该尺寸，界面粘度增加，导致材料软化；超过临界规模，材料变硬。他们称这个临界尺寸为“相等的粘结晶粒尺寸”。目前，从以下几个方面讨论了纳米结构材料的反常HP关系：(3)三叉晶界三叉晶界是三个或三个以上相邻晶粒之间形成的交叉“线”，晶粒直径对晶界、三叉晶界和晶间区体积分数的影响。到目前为止，纳米材料的力学性能还没有形成一个系统的理论。原因如下：纳米材料的密度只能达到理论密度的90-95%，样品中存在相当数量的孔洞甚至微裂纹。这些缺陷对强度和硬度有很大的影响，可能会引起

7、测量误差，使实验规律难以总结。准备样品的方法有很多。压制烧结纳米粉体制备的块体材料的晶界与球磨法或非晶化法制备的纳米材料的界面有很大的差异。前者含有空穴和原子配位数不完整等缺陷。在后者中，界面相对致密，并且界面处的原子排列更接近有序状态，这可能导致这两种不同类型的纳米结构材料之间的机械性能差异。超塑性超塑性是指材料在一定温度和一定应力下以一定应变速率变形时，延伸率高达100-1000%的现象。通常，当材料的晶粒尺寸为10微米时，超塑性变形温度为0.5-0.6 m，应变速率为10-4-10-3/s。减小晶粒尺寸不仅可以降低塑性变形温度，还可以实现较大应变速率下的超塑性变形、金属超塑性和电沉积纳米

8、铜。他们发现导致纳米铜超塑性扩展的主要机制是大量的晶界滑移而不是晶格位错运动。这项研究成果发表在2000年2月25日出版的科学杂志上。扩散材料从高浓度区到低浓度区的扩散类型有晶界扩散(界面扩散)、体扩散(体积扩散)、扩散、固相烧结、固溶处理、表面渗碳、渗氮等。纳米材料中存在大量的界面，为原子提供了短程扩散路径。因此，与单晶材料相比，纳米材料具有更高的扩散率，为了耐磨，气体渗氮的渗氮温度一般在480，520之间，保温时间近80小时。气体渗氮以耐腐蚀为目的，渗氮温度在550，700之间，保温时间为0.53小时。300，9h，纯铁的表面被机械研磨，纳米这一成就表明，纳米技术在推动传统工业技术升级方面

9、发挥了重要作用。纳米材料是亚稳态材料。由于纳米材料的超强度、超硬度和超塑性等一系列优异性能与纳米材料的晶粒尺寸和特殊结构有关，因此研究纳米材料的晶粒尺寸和结构热稳定性对确定其具体应用条件具有重要意义。纳米结构材料的热稳定性是一个非常重要的问题，它与纳米结构材料的优异性能可以使用的温度范围有关。在较宽的温度范围内获得具有良好热稳定性(粒径无明显增加)的纳米结构材料是需要解决的关键问题之一。根据经典晶粒生长理论，晶粒越小，表面活化能越大，晶粒生长的驱动力越大。纳米材料的粒径比普通材料小得多，因此理论上其热稳定性较差。简单来说：普通多晶的再结晶温度(约0.5Tm)纳米晶的生长温度约为0.2-0.4 m，纳米铜的晶粒生长温度约为373K(0.28 m)。纳米铁为473千(0.26微米)；纳米钯晶体为523k(0.28 m)；纳米锗为30万(超过0.25微米)。纳米合金材料的晶粒生长温度通常较高。一般高于0.5毫米.例如，纳米Ni80P20合金的晶粒生长起始温度约为620K(0.56 m)，晶粒尺寸为12nm的二氧化钛纳米晶的热稳定性几乎与普通多晶相当。对于元素