納米固體材料的性能ppt培訓(xùn)課件

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1、納米固體材料的性能§9.1力學(xué)性能§9.2熱學(xué)性質(zhì)§9.3納米結(jié)構(gòu)材料中的擴(kuò)散問題§9.4光學(xué)性質(zhì)§9.5磁性§9.6電學(xué)性質(zhì)9.1.1Hall-Petch關(guān)系其中為0．2％屈服應(yīng)力，是移動(dòng)單個(gè)位錯(cuò)所需的克服點(diǎn)陣磨擦的力，K是常數(shù)，d是平均晶粒尺寸。H表示硬度。這兩個(gè)公式對(duì)各種粗晶材料都是適用的。由這兩個(gè)公式可以看出：隨晶粒尺寸的減少，屈服強(qiáng)度或硬度都增加的，它們都是與之成線性關(guān)系的。(1)正Hall-Petch關(guān)系（K>0）用機(jī)械合金化（高能球磨）制備的納米Fe和Nb3Sn2(2)反Hall-Petch關(guān)系（K<0）用蒸發(fā)凝聚原位加壓制成的納米Pd晶體以

2、及非晶晶化法制備的Ni-P納米晶(3)正-反混合Hall-Petch關(guān)系納米晶Cu和Ni-P(4)斜率K變化圖9.2中的TiO2和Ni-P(5)偏離Hall-Petch關(guān)系圖9.3中的電沉積納米晶Ni而對(duì)多種納米固體材料的硬度與晶粒尺寸的關(guān)系進(jìn)行的大量的研究，歸納起來有五種情況:(1)正Hall-Petch關(guān)系（K>0）用機(jī)械合金化（高能球磨）制備的納米Fe和Nb3Sn2(2)反Hall-Petch關(guān)系（K<0）用蒸發(fā)凝聚原位加壓制成的納米Pd晶體以及非晶晶化法制備的Ni-P納米晶如圖9．5所示．納米晶材料存在大體積百分?jǐn)?shù)的三叉晶界，就會(huì)對(duì)材料性質(zhì)產(chǎn)生重要

3、的影響．研究表明，三叉晶界處原子擴(kuò)散快、動(dòng)性好，三叉晶界實(shí)際上就是旋錯(cuò)，旋錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)就會(huì)導(dǎo)致界面區(qū)的軟化，對(duì)納米晶材料來說，這種軟化現(xiàn)象就使納米晶材料整體的延展性增加，用這樣的分析很容易解釋納米晶材料具有的反H—P關(guān)系，以及K值的變化．(1)三叉晶界的影響為什么納米固體材料有這些反常的Hall-Petch關(guān)系。目前，有如下幾種觀點(diǎn)：(2)界面的作用隨納米晶粒尺寸減小，高密度的晶界導(dǎo)致晶粒取向混亂，界面能量升高．對(duì)蒸發(fā)凝聚原位加壓法獲得的試樣，考慮這個(gè)因素尤為重要。這時(shí)界面原子動(dòng)性大，這就增加了納米品材料的延展性(軟化現(xiàn)象)．(2)界面的作用(3)臨界尺寸Gl

4、eiter等人認(rèn)為在一個(gè)給定的溫度下納米材料存在一個(gè)臨界的尺寸，低于這個(gè)尺寸界面粘滯性增強(qiáng)，這就引起材料的軟化，高于臨界尺寸，材料硬化．他們把這個(gè)臨界尺寸稱為“等粘合晶粒尺寸”。(3)存在臨界尺寸9.1.2模量晶界對(duì)于物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)有重大的影響。因此可以預(yù)期納米微晶材料(納米晶體材料)的力學(xué)性質(zhì)比起常規(guī)的大塊晶體有許多優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榧{米微晶的晶粒尺寸極小而均勻，晶粒表面清潔等對(duì)于力學(xué)性能的提高都是有利的。表9.1列出了納米微晶CaF2和Pd的楊氏模量E與切變模量G．可以看出，它們比大塊試樣的相應(yīng)值要小得多．對(duì)納米微晶Pd，采用6nm尺寸的立方形晶粒及界面厚度為

5、1nm的簡(jiǎn)單模型，根據(jù)表9.1中的楊氏模量值E，可得到界面組元的楊氏模量Ei＝40GPa，比大塊晶體的相應(yīng)值減小50％以上．通常以為，彈性模量的結(jié)構(gòu)敏感性小，因此Ei的減小可能是由于界面內(nèi)原子間距增大的結(jié)果．圖9．6示出了納米微晶Pd的切變模量G在100K/h的加熱速率下隨溫度的變化及圖9．7，納米氧化物結(jié)構(gòu)材料的模量與燒結(jié)溫度有密切的關(guān)系。9.1.3超塑性超塑性從現(xiàn)象學(xué)上定義為在一定應(yīng)力拉伸時(shí)產(chǎn)生極大的伸長(zhǎng)量。界面的流變性是超塑性出現(xiàn)的重要條件，它可以由下式表示：(9.3)這里為應(yīng)變速率，是附加應(yīng)力，d為粒徑，n和p分別為應(yīng)力和應(yīng)變指數(shù)，A是與溫度和擴(kuò)散

6、有關(guān)的系數(shù)，它可以表示為Arrhenins形式:A∝exp(-Q/KBT)對(duì)超塑性陶瓷材料，n和p典型的數(shù)字范圍為1—3，在(9.3)中，不難看出，A愈大,愈大,超塑性越大，A是與晶界擴(kuò)散密切相關(guān)的參數(shù)。我們知道，當(dāng)擴(kuò)散速率大于形變速率時(shí)，界面表現(xiàn)為塑性，反之，界面表現(xiàn)為脆性。關(guān)于陶瓷材料超塑性的機(jī)制至今并不十分清楚，目前有兩種說法:一、界面擴(kuò)散蠕變和擴(kuò)散范性其中為拉伸應(yīng)力，為原子體積，d為平均晶粒尺寸，B為一數(shù)字常數(shù)，Db為晶界擴(kuò)散系數(shù)，為波爾茲曼常量，T為溫度，為晶界厚度。由公式可看出，d愈小，愈高．二、晶界遷移和粘滯流變9.1.4強(qiáng)度、硬度、韌性和塑

7、性（1）強(qiáng)度與硬度根據(jù)斷裂強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式可以推斷材料的斷裂與晶粒尺寸的關(guān)系，這個(gè)公式可表如下：這里與Kc為常數(shù)，d為粒徑．從式中可知，當(dāng)晶粒尺寸減到足夠小時(shí)，斷裂強(qiáng)度應(yīng)該變得很大，但實(shí)際上對(duì)材料的斷裂強(qiáng)度提高是有限度的，這是因?yàn)轭w粒尺寸變小后材料的界面大大增加，而界面與晶粒內(nèi)部相比一般看作是弱區(qū)，因而進(jìn)一步提高材料斷裂強(qiáng)度必須把著眼點(diǎn)放在提高界面的強(qiáng)度上．為了提高納米陶瓷的致密度，增強(qiáng)斷裂強(qiáng)度，通常采用兩個(gè)途徑：一、進(jìn)行燒結(jié)。二、通過加入添加劑進(jìn)一步提高燒結(jié)致密化。近年來的研究表明，采用上述措施制備的納米陶瓷強(qiáng)度、硬度及其他綜合性能都明顯地超過同樣材質(zhì)的常

8、規(guī)材料．（2）韌性和塑性納米材料的特殊構(gòu)成及大的體積百分?jǐn)?shù)的界面使