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1、为了适应公司新战略的发展，保障停车场安保新项目的正常、顺利开展，特制定安保从业人员的业务技能及个人素质的培训计划物理用纳米材料做的东西材料科学前沿学号：S流水号：SXX0357姓名：张东杰指导老师：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的材料，它是由尺寸介于原子、分子
2、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
3、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。纳米晶材料的概念最早是由出的，这类固体是由尺寸为几个纳米的结构单元所构成。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和高体积分数的晶界而呈现特殊的物理、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
4、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
5、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。纳米晶材料的力学性能力学性能是材料能否作为结
6、构应用的最重要依据。常用的金属、非金属以及有关的复合材料，人们对其力学性能进行过许许多多的研究，有了相当充分的了解，而且建立了诸如位错理论、形变和断裂理论等一系列的理论，能够比较好地描述实验现象。今天甚至能够在一定程度上进行材料设计，按照所需要的性能来指导材料的生产。比较早期关于纳米材料力学性能的研究，明确地发现了下述几点：弹性模量比通常晶粒材料的要低30-50；晶粒度约10nm的纯金属的强度和硬度比粒度大于lmm的金属要高2-7倍；具有负的Hall-Petch斜率，即在纳米晶粒度内，硬度随粒度的减小而减小；韧性好，或许还具有超塑性。虽然这些早期的观察得到了随后研究的证实，但是早期所使用的体纳
7、米材料样品守包含了太多的孔洞或其他一些在制备过程中人为引入的掺杂，就是说真实的性能还需要进一步研究。下面对纳米晶材料的主要力学性能进行讨论。强度由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在,使其杨氏模量减小了百分之三十以上。此外,由于晶粒减小到纳米量级,使纳米材料的强度和硬度比粗晶材料高45倍。14nm晶粒的金属钯样晶,其%屈服强度为250MNm-2,而5-微米晶粒的仅为52MNm-2。Hall-Petch关系式给出了%屈服强度随晶粒尺寸变化的规律：式中d为晶粒尺寸,为%屈服强度或硬度,为移动单个位错的晶格摩擦应力或d趋近于无穷大时单晶样品的硬度,n为晶格尺寸指数,KH为常数。由上式可以看出,材
8、料的屈服强度或者硬度随晶粒的减小而增大,但当晶粒减小到一定程度时,由于晶界效应,使强度降低,即出现逆Hall-Petch效应。这显然不能解释纳米材料高强度的原因,这是由于Hall-Petch关系是从单原子堆积位错的概念中推导出来的,但由于纳米材料结构非常精细,不能形成堆积位错,从而使Hall-Petch关系不适用于纳米材料。关于纳米材料高强度产生的原因,国内外已有很多报道，但是目前尚无统一看法。塑性在普通金属材料中,当晶粒尺寸减小时,不仅材料的强度会提高,而且塑性也提高。但是已有的试验结果表明,纳米晶材料的塑性都比较低,与人们的期望相差甚远。不同纳米金属和合金的伸长率和晶粒大小的关系曲线表明,
9、随着晶粒减小,伸长率明显下降。当晶粒尺寸小于30nm时,大多数材料的伸长率均小于3%。压制制备的纳米铜，其伸长率低于10%,比粗晶铜小得多,并且伸长率随晶粒的减小而减小。但界面洁净、高致密纳米铜的伸长率大于30%,与粗晶铜差不多,而强度是粗晶铜的2倍。以晶粒尺寸为函数来阐述不同的塑性变形机制分子动力学模拟结果表明：晶粒尺寸d1m，材料中的位错和加工硬化现象控制了塑性变形；在最小的晶粒尺寸d10nm，其中晶内位错数量和活性有限，晶粒边界剪切被认为是主要的变形机制。中间的晶粒尺寸范围内，人们的理解仍然很少，正是这些不为人们所熟知的机理强烈地影响了材料的延展性。弹性模量纳米晶材料的弹性模量与其孔隙率
10、密切相关,随孔隙率减小,弹性模量增加。纳米晶银的弹性模量随密度的变化规律呈现三个明显的阶段,即当密度小于约92%时,弹性模量随密度增加而增加;当相对密度为92%94%时,弹性模量对密度变化不敏感;而当相对密度大于94%时,弹性模量又随密度增加而迅速增加。可见纳米晶材料中的孔隙、缺陷或裂纹使其弹性模量降低。如纳米晶铁的弹性模量随着孔隙率的降低快速增大。试样中如存在空隙和裂纹,杨氏模量可降低很多12。高致密度纳米晶材料的弹性模量与普通材料相近,或稍微低一些。无空隙纳米晶铁、铜及镍的测试结果显示其弹性模量比粗晶材料略小。有学者认为纳米晶材料的弹性模量与其晶界及三叉晶界所占的体积分数有关,随着晶粒尺寸
11、的减小,晶界及三叉晶界本征固有结构的影响使纳米晶材料的弹性模量比普通粗晶材料稍有下降。YulinLu等的工作也显示纳米制备纳米材料的物理方法和化学方法纳米科学技术是20世纪80年代末产生的一项正在迅猛发展的新技术。所谓纳米技术是指用若干分子或原子构成的单元纳米微粒，制造材料或微型器件的科学技术。纳米材料的制备方法甚多，目前制备纳米材料中最基本的原则有二：一是将大块固体分裂成纳米微粒；二是由单个基本微粒聚集形成微粒，并控制微粒的生长，使其维持在纳米尺寸。1物理制备方法早期的物理制备方法是将较粗的物质粉碎，如低温粉碎法、超声波粉碎法、冲击波粉碎法、蒸气快速冷却法、蒸气快速油面法等等。近年来发展了一
12、些新的物理方法，这些方法我们统称为物理凝聚法，物理凝聚法主要分为真空蒸发靛聚法将原料用电弧高频或等离子体等加热，使之气化或形成等离子体，然后骤冷，使之凝结成纳米微粒。其粒径可通过改变通入惰性气体的种类、压力、蒸发速率等加以控制，粒径可达1100nm。具体过程是将待蒸发的材料放人容器中的柑锅中，先抽到10?4Pa或更高的真空度，然后注人少量的惰性气体或性N2、NH3等载气，使之形成一定的真空条件，此时加热，使原料蒸发成蒸气而凝聚在温度较低的钟罩壁上，形成纳米微粒。等离子体蒸发凝聚法把一种或多种固体颗粒注人惰性气体的等离子体中，使之通过等离子体之间时完全蒸发，通过骤冷装置使蒸气奴聚制得纳米微粒。通
13、常用于制备含有高熔点金属合金的纳米微粒，如Fe-A1,Nb-Si等。此法常以等离子体作为连续反应器制备纳米微粒。综上所述，物理方法通常采用光、电等技术使材料在真空或惰性气氛中蒸发，然后使原子或分子形成纳米颗粒，它还包括球磨、喷雾等以力学过程为主的制备技术。物理法的特点是：操作简单，成本低，但产品纯度不高，颗粒分布不均匀，形状难以控制。2化学制备方法化学法是指通过适当的化学反应，从分子、原子、离子出发制备纳米物质，它包括化学气相沉积法、化学气相冷凝法、溶胶一凝胶法、水热法、沉淀法、冷冻干燥法等。化学气相沉积(CVD)是迄今为止气相法制备纳米材料应用最为广泛的方法，该方法是在一个加热的衬底上，通过
14、一种或几种气态元素或化合物产生的化学元素反应形成纳米材料的过程，该方法主要可分成热分解反应沉积和化学反应沉积。该法具有均匀性好，可对整个基体进行沉积等优点。其缺点是衬底温度高。随着其它相关技术的发展，由此衍生出来的许多新技术，如金属有机化学缺陷相沉积、热丝化学气相沉积等技术。化学气相冷凝法(CVC)主要通过有机高分子热解获得纳米粉体，具体过程是先将反应室抽到10?4Pa或更高真空度，然后注入惰性气体He，使气压达到几百帕斯卡，反应物和载气He从外部系统先进入前部分的热磁控溅射CVD装置由化学反应得到反应物产物的前驱体，然后通过对流达到后部分的转筒式骤冷器，用于冷却和收集合成的纳米微粒。化学沉淀
15、法是在金属盐类的水溶液中控制适当的条件使沉淀剂与金属离子反应，产生水合氧化物或难溶化合物，使溶液转化为沉淀，然后经分离、干燥或热分解而得到纳米级超微粒。化学沉淀法可分为直接沉淀法、均匀沉淀法、共沉淀法和醇盐水解沉淀法。走进纳米时代课程报告纳米材料的物理性能及其应用院系：材料科学与工程学院专业：材料物理班级：材物09级1班姓名：潘伯津学号：XX0600课程名称：走进纳米时代任课教师：王学伟题目：纳米材料的物理性能及其应用提交论文报告时间：XX年6月7日天津理工大学纳米材料的物理性能及其应用作为新材料领域的一个很重要的组成的纳米材料，近些年一直是科学研究的一个很热门的领域。为何纳米材料会成为如此受研究人员关注的对象呢？未来学家说，谁赢得了纳米科技，谁就赢得了21世纪。还有人预测过中国要在在21世纪一跃成为发达国家，那就一定是通过纳米技术。纳米材料的特殊性能纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10100个原子紧密排列在一起的尺度。而正是因为其在尺度上的差异，使其具有了与宏观物体不同的物理性能，总的归结起来可分为四大效应：表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应、宏观量
