纳米材料结构与性能

《纳米材料结构与性能》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纳米材料结构与性能（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、纳米材料的结构及其性能20世纪90年代，以前人们从未探索过的纳米物质（Nanostructured materials） 一跃成为科学家十分关注的研究对象。新奇的纳米材料刚刚诞生才几年，以其所 具有的独特性和新的规律，如材料尺度上的超细微化而产生的表面效应、体积效 应、量子尺寸效应、量子隧道效应等及由这些效应所引起的诸多奇特性能，已引 起世界各国科技界及各国政要的高度重视，使这一领域成为跨世界材料科学研究 领域的热点。1、纳米和纳米材料纳米是一种长度的量度单位，1纳米（nm）等于IO-9米，lnm的长度大约为4 到 5 个原子排列起来的长度，或者说 1nm 相当于头发丝直径的 10 万分之一。

2、 纳米结构（nanostructure）通常是指尺寸在100nm以下的微小结构。纳米材料（nanostructure materials或nanomaterials）是纳米级结构材料的简 称。狭指由纳米颗粒构成的固体材料，其中纳米颗粒的尺寸最多不超过 100 纳米， 在通常情况下不超过 10 纳米；从广义上说，纳米材料，是指微观结构至少在一 维方向上受纳米尺度（110 Onm ）限制的各种固体超细材料，它包括零维的原 子团簇（几十个原子的聚集体）和纳米微粒；一维纳米纤维；二维纳米微粒膜（涂 层）及三维纳米材料。2、纳米材料的结构材料学研究认为：材料的结构决定材料的性能，同时材料的性能反映材料的

3、 结构。纳米材料也同样如此。对于纳米材料，其特性既不同于原子，又不同于结晶体，可以说它是一种不 同于本体材料的新材料，其物理化学性质与块体材料有明显的差异。纳米材料的结构特点是：纳米尺度结构单元，大量的界面或自由表面，以及 结构单元与大量界面单元之间存在的交互作用。在结构上，大多数纳米粒子呈现 为理想单晶，也有呈现非晶态或亚稳态的纳米粒子。纳米材料的结构上存在两种 结构单元；即晶体单元和界面单元。晶体单元由所有晶粒中的原子组成，这些原 子严格地位于晶格位置；界面单元由处于各晶粒之间的界面原子组成，这些原子 由超微晶粒的表面原子转化而来。纳米材料由于非常小，使纳米材料的几何特点之一是比表面积（单

4、位质量材 料的表面积）很大，一般在102104m2/g。它的另一个特点是组成纳米材料的单 元表面上的原子个数与单元中所有原子个数相差不大。例如：一个由 5 个原子组 成的正方体纳米颗粒，总共有原子个数 53=125 个，而表面上就有约 89 个原子， 占了纳米颗粒材料整体原子个数的 71%以上。这些特点完全不同于普通的材料。 例如，普通材料的比表面积在 10m2/g 以下，其表面原子的个数与组成单元的整 体原子个数相比较完全可以忽略不计。3、纳米材料的性能 运用纳米技术，将物质加工到一百纳米以下尺寸时，由于它的尺寸已接近光 的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性

5、、 化学、导热、导电特性等等，往往产生既不同于微观原子、分子，也不同于该物 质在整体状态时所表现的宏观性质，也即纳米材料表现出物质的超常规特性。3.1 力学性能高温、高硬、高强是结构材料开发的永恒主题，纳米结构材料的硬度（或强 度）与粒径成反比（符合 Hall-Retch 关系式）。材料晶粒的细化及高密度界面的 存在，必将对纳米材料的力学性能产生很大的影响。在纳米材料中位错密度非常 低，位错滑移和增殖采取 Frand-Reed 模型，其临界位错圈的直径比纳米晶粒粒 径还要大，增殖后位错塞积的平均间距一般比晶粒大，所以在纳米材料中位错的 滑移和增殖不会发生，此即纳米晶强化效应。3.2 光学性能纳

6、米粒子的粒径（10100nm）小于光波的波长，因此将与入射光产生复杂 的交互作用。金属在适当的蒸发沉积条件下，可得到易吸收光的黑色金属超微粒 子，称为金属黑，这与金属在真空镀膜时形成的高反射率光泽面成强烈对比。由 于量子尺寸效应，纳米半导体微粒的吸收光泽普遍存在蓝移现象，纳米材料因其 光吸收率大的特色，可应用于红外线感测器材料。此外， TiO2 超细或纳米粒子 还可用于抗紫外线用品。块状金属具有各自的特征颜色，但当其晶粒尺寸减小到纳米量级时，所有金 属便都呈黑色，且粒径越小，颜色越深，即纳米晶粒的吸光能力越强。纳米晶粒 的吸光过程还受其能级分离的量子尺寸效应和晶粒及其表面上电荷分布的影响。 由

7、于纳米材料的电子往往凝集成很窄的能带，因而造成窄的吸收带。半导体硅是 一种间接带隙半导体材料，通常情况下发光效率很弱，但当硅晶粒尺寸减小到 5nm 及以下时，其能带结构发生了变化，带边向高能带迁移，观察到了很强的可 见发射。4nm以下的Ge晶粒也可发生很强的可见光发射。3. 3 电学性能 由于纳米材料晶界上原子体积分数增大，纳米材料的电阻高于同类粗晶材 料，甚至发生尺寸诱导，金属向绝缘体转变，在磁场中材料电阻的减小非常明显。 电学性能发生奇异的变化，是由于电子在纳米材料中的传输过程受到空间维度的 约束从而呈现出量子限域效应。在纳米颗粒内，或者在一根非常细的短金属线内， 由于颗粒内的电子运动受到

8、限制，电子动能或能量被量子化了。结果表现出当金 属颗粒的两端加上电压，电压合适时，金属颗粒导电；而电压不合适时金属颗粒 不导电。这样一来，原本在宏观世界内奉为经典的欧姆定律在纳米世界内不再成 立了。金属银会失去了典型金属特征；纳米二氧化硅比典型的粗晶二氧化硅的电 阻下降了几个数量级；常态下电阻较小的金属到了纳米级电阻会增大，电阻温度 系数下降甚至出现负数；原来绝缘体的氧化物到了纳米级，电阻却反而下降，变 成了半导体或导电体。纳米材料的电学性能决定于其结构。如随着纳米碳管结构 参数的不同，纳米碳管可以是金属性的、半导体性的。3. 4 磁学性能当晶粒尺寸减小到纳米级时，晶粒之间的铁磁相互作用开始对

9、材料的宏观磁 性有重要的影响。 纳米颗粒由于尺寸超细，一般为单畴颗粒，其技术磁化过程由晶粒的磁各向异性 和晶粒间的磁相互作用所决定。纳米晶粒的磁各向异性与晶粒的形状、晶体结构、 内应力以及晶粒表面的原子有关，与粗晶粒材料有着显著的区别，表现出明显的 小尺寸效应。3. 5 热学性能由于纳米材料界面原子排列比较混乱、原子密度低、界面原子耦合作用变弱， 因此纳米材料的比热和膨胀系数都大于同类粗晶和非晶材料的值。如金属银界面 热膨胀系数是晶内热膨胀系数的2.1倍；纳米铅的比热比多晶态铅增加25% 50%；纳米铜的热膨胀系数比普通铜大好几倍；晶粒尺寸为 8nm 的纳米铜的自 扩散系数比普通铜大 1019

10、 倍。3. 6 烧结性能纳米材料不同于块状材料是由于其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面 占据在部分的结构空间，该结构代表具有高表面能的不安定原子。这类原子极易 与外来原子吸附键（结）合，同时因粒径细小而提供大表面的活性原子。纳米材料中有大量的界面，这些界面为原子提供了短程扩散途径。高的扩散 率对蠕变、超塑性等力学性能有明显的影响，同时可以在较低的温度对材料进行 有效的掺杂，也可以在较低的温度下使不混溶的金属形成新的合金相；纳米材料 的高扩散率，可使其在较低的温度下被烧结。如 12nmTiO2 在不添加任何烧结剂 的情况下，可以在低于常规烧结温度400600C下烧结；普通钨粉需在3000C 高温下才能烧结，而掺入 0.1%0.5%的纳米镍粉后，烧结温度可降到 1200 1311C ；纳米SiC的烧结温度从2000C降到1300C。很多研究表明，烧结温度 降低是纳米材料的共性。纳米材料中由于每一粒子组成原子少，表面原子处于不 安定状态，使其表面晶格震动的振幅较大，所以具有较高的表面能量，造成超微 粒子特有的热性质，也就是造成熔点下降，同时纳米粉末将比传统粉末容易在较 低温度烧结，而成为良好的烧结促进材料。