纳米固体材料的性能.ppt

纳米固体材料的性能§9.1力学性能
§9.2热学性质
§9.3纳米结构材料中的扩散问题
§9.4光学性质
§9.5磁性
§9.6电学性质9.1.1Hall-Petch(霍尔一佩奇)关系(1)正Hall-Petch关系（K>0）
用机械合金化（高能球磨）制备的纳米Fe和Nb3Sn2
(2)反Hall-Petch关系（K<0）
用蒸发凝聚原位加压制成的纳米Pd晶体以及非晶晶化
法制备的Ni-P纳米晶
(3)正-反混合Hall-Petch关系
纳米晶Cu和Ni-P
(4)斜率K变化
图9.2中的TiO2和Ni-P
(5)偏离Hall-Petch关系
图9.3中的电沉积纳米晶Ni(1)正Hall-Petch关系（K>0）
用机械合金化（高能球磨）制备的纳米Fe和Nb3Sn2如图9．5所示．纳米晶材料存在大体积百分数的三叉晶界，就会对材料性质产生重要的影响．研究表明，三叉晶界处原子扩散快、动性好，三叉晶界实际上就是旋错，旋错的运动就会导致界面区的软化，对纳米晶材料来说，这种软化现象就使纳米晶材料整体的延展性增加，用这样的分析很容易解释纳米晶材料具有的反H—P关系，以及K值的变化．(2)界面的作用随纳米晶粒尺寸减小，高密度的晶界导致晶粒取向混乱，界面能量升高．对蒸发凝聚原位加压法获得的试样，考虑这个因素尤为重要。这时界面原子动性大，这就增加了纳米品材料的延展性(软化现象)．9.1.2模量
晶界对于物质的力学性质有重大的影响。因此可以预期纳米微晶材料(纳米晶体材料)的力学性质比起常规的大块晶体有许多优点，因为纳米微晶的晶粒尺寸极小而均匀，晶粒表面清洁等对于力学性能的提高都是有利的。表9.1列出了纳米微晶CaF2和Pd的杨氏模量E与切变模量G．可
以看出，它们比大块试样的相应值要小得多．对纳米微晶Pd，采用
6nm尺寸的立方形晶粒及界面厚度为1nm的简单模型，根据表9.1中
的杨氏模量值E，可得到界面组元的杨氏模量Ei＝40GPa，比大块晶
体的相应值减小50％以上．通常以为，弹性模量的结构敏感性小，因此Ei的减小可能是由于界面内原子间距增大的结果．图9．6示出了纳米微晶Pd的切变模量G在100K/h的加热速率下随温度的变化及图9．7，纳米氧化物结构材料的模量与烧结温度有密切的关系。

关于陶瓷材料超塑性的机制至今并不十分清楚，目前有两种说法:
一、界面扩散蠕变和扩散范性

其中为拉伸应力，为原子体积，d为平均晶粒尺寸，B为一数字常数，Db为晶界扩散系数，为波尔兹曼常量，T为温度，为晶界厚度。由公式可看出，d愈小，愈高．
二、晶界迁移和粘滞流变
强度、硬度、韧性和塑性

（1）强度与硬度
根据断裂强度的经验公式可以推断材料的断裂与晶粒尺寸的关系，这个公式可表如下：

这里与Kc为常数，d为粒径．从式中可知，当晶粒尺寸减到足够小时，断裂强度应该变得很大，但实际上对材料的断裂强度提高是有限度的，这是因为颗粒尺寸变小后材料的界面大大增加，而界面与晶粒内部相比一般看作是弱区，因而进一步提高材料断裂强度必须把着眼点放在提高界面的强度上．
为了提高纳米陶瓷的致密度，增强断裂强度，通常采用两个途径：
一、进行烧结。
二、通过加入添加剂进一步提高烧结致密化。
近年来的研究表明，采用上述措施制备的纳米陶瓷强度、硬度及其他综合性能都明显地超过同样材质的常规材料．（2）韧性和塑性

纳米材料的特殊构成及大的体积百分数的界面使它的塑性、冲击韧性和断裂韧性与常规材料相比有很大的改善，这对获得高性能陶瓷材料特别重要，一般的材料在低温下常常表现为脆性，可是纳米材料在低温下就显示良好的塑性。

纳米结构材料从理论上进行分析应该有比常规材料高的断裂韧性，这是因为纳米结构材料中的界面的各向同性以及在界面附近很难有位错塞积发生，这就大大地减少了应力集中，使微裂纹的出现与扩展的概率大大降低。
9.2热学性质
9.2.1比热
材料的比热主要由熵来提供。在温度不太低的情下，电子熵可忽略，体系熵主要由振动熵和组态熵贡献．纳米结构材料的界面结构原子分布比较混乱，与常规材料相比，由于界面体积百分数比较大，因而纳米材料熵对比热的贡献比常规粗晶材料大得多，因此可以推测纳米结构材料的比热比常规材料高得多。
我们就用下面的图来说明这一推测：

从中可以看出，比热与温度成线性关系。对应粒径为80nm的Al2O3的比热，比常规粗晶Al2O3高8％9.2.2热膨胀
当温度发生变化时，晶格作非线性振动就会有热膨胀发生。纳米晶体在温度发生变化时非线性热振动可分为两个部分：
一、晶内的非线性热振动
二、晶界组分的非线性热振动
往往后者的非线性振动较前者更为显著，可以说占体积百分数很大的界面对纳米晶热膨胀的贡献起主导作用．
纳米Cu(8nm)晶体在110K到293K的温度范围它的膨胀系数为31×