纳米材料的物理性能分解.docVIP

《材料科学前沿》 学 号： S130030 流水号： S20130 姓 名： 指导老师： 郝耀武 纳米晶材料的物理性能 摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。 关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能 1、引言 纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。 纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料； 具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。 纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。 2、纳米晶材料的物理性能 纳米结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、平均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（高密度缺陷）而呈现特殊的物理、化学和力学性能。下表所列的一些纳米晶材料与通常多晶体或非晶态时的性能比较，明显地反映了其变化特点。 纳米晶金属与通常多晶或非晶的性能 性能 单位 金属 多晶 单晶 纳米晶 热膨胀系数 10-6K-1 Cu 16 18 31 比热容(295K) J/(g(K) Pd 0.24 - 0.37 密度 g/cm3 Fe 7.9 7.5 6 弹性模量 GPa Pd 123 - 88 剪切模量 GPa Pd 43 - 32 断裂强度 MPa Fe-1.8%C 700 - 8000 屈服强度 MPa Cu 83 - 185 饱和磁化强度(4K) 4((10-7Tm3/kg Fe 222 215 130 磁化率 4((10-9Tm3/kg Sb -1 -0.03 20 超导临界温度 K Al 1.2 - 3.2 扩散激活能 eV Ag于Cu中 2.0 - 0.39 Cu自扩散 2.04 - 0.64 德拜温度 K Fe 467 - 3 纳米晶材料的力学性能远高于其通常多晶状态，上表中所举的高碳铁（质量分数=1.8%）就是一个突出的例子，其断裂强度由通常的700MPa提高到8000MPa，增加达1140％。但一些实验结果表明霍尔- 佩奇公式的强度与晶粒尺寸关系并不延续到纳米晶材料，这是因为霍尔- 佩奇公式是根据位错塞积的强化作用而导出的，当晶粒尺寸为纳米级时，晶粒中可存在的位错极少，甚至只有一个，故霍尔-佩奇公式就不适用了；此外，纳米晶材料的晶界区域在应力作用下会发生弛豫过程而使材料强度下降；再者，强度的提高不能超过晶体的理论强度，晶粒变细使强度提高应受此限制。 纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能也异常于通常材料。纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料，因为晶界对电子有散射作用，当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界散射作用加强，电阻及电阻温度系数增加。但纳米半导体材料却具有高的电导率，如纳米硅薄膜的室温电导率高于多晶硅3个数量级，高于非晶硅达5个数量级。纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力， 纳米晶材料的其他性能，如超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的。以下详细的介绍纳米金材料的各种力学性能。 2.1 纳米晶材料的力学性能 力学性能是材料能否作为结构应用的最重要依据。常用的金属、非金属以