《納米固體材料》PPT課件

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1、第七章納米固體材料內(nèi)容一、納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)特征及研究方法二、納米結(jié)構(gòu)材料的性能三、納米材料的制備方法四、納米復(fù)合材料一、納米結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)特征及研究方法§1結(jié)構(gòu)特征及缺陷§2納米固體材料的界面結(jié)構(gòu)模型§3納米固體材料界面的研究方法§1結(jié)構(gòu)特征及缺陷納米固體材料是由顆?；蚓Я３叽鐬?-100nm的粒子凝聚而成的三維塊體。納米固體材料的基本構(gòu)成是納米微粒加上它們之間的界面。物理上的界面不只是指一個幾何分界面，而是指一個薄層，這種分界的表面（界面）具有和它兩邊基體不同的特殊性質(zhì)。因為物體界面原子和內(nèi)部原子受到的作用力不同，它們的能量狀

2、態(tài)也就不一樣，這是一切界面現(xiàn)象存在的原因。納米固體材料的結(jié)構(gòu)缺陷有三種類型：點缺陷（空位、空位對、空位團(tuán)、溶質(zhì)原子、雜質(zhì)原子等）、線缺陷（刃型位錯、螺型位錯、混合型位錯等）、面缺陷（層錯、相界、晶界、三叉晶界、孿晶界等）。§1結(jié)構(gòu)特征及缺陷缺陷是實際晶體結(jié)構(gòu)偏離了理想晶體結(jié)構(gòu)的區(qū)域。納米材料結(jié)構(gòu)中平移周期遭到很大破壞，界面原子排列比較混亂，界面中原子配位數(shù)不全使得缺陷增加。另外，納米粉體壓成塊體后，晶格常數(shù)會增加或減少，晶格常數(shù)的變化也會使缺陷增加。這就是說，納米材料實際上是缺陷密度十分高的一種材料。1.1納米材料中的位錯位錯

3、又可稱為差排（英語：dislocation），在材料科學(xué)中，指晶體材料的一種內(nèi)部微觀缺陷，即原子的局部不規(guī)則排列（晶體學(xué)缺陷）。從幾何角度看，位錯屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線，其存在對材料的物理性能，尤其是力學(xué)性能，具有極大的影響。若一個晶面在晶體內(nèi)部突然終止于某一條線處，則稱這種不規(guī)則排列為一個刃位錯。刃位錯附近的原子面會發(fā)生朝位錯線方向的扭曲。1.1納米材料中的位錯目前，許多人用高分辨TEM分別在納米晶Pd中觀察到位錯、位錯網(wǎng)絡(luò)、孿晶等。圖1-2為納米晶鈀Pd中的位錯和孿晶的高分辨像。俄國Gr

4、yaznov等人從理論上分析了納米材料的小尺寸效應(yīng)對晶粒內(nèi)位錯組態(tài)的影響，對多種金屬納米晶體的位錯組態(tài)發(fā)生突變的臨界尺寸進(jìn)行了計算。他們認(rèn)為：當(dāng)粒徑小于某一臨界尺寸時，位錯不穩(wěn)定，趨于離開晶粒；當(dāng)粒徑大于此臨界尺寸時，位錯穩(wěn)定地處于晶粒中。并且，對于同一種材料，粒子的形狀不同，位錯穩(wěn)定存在的臨界尺寸也不同。1.2納米固體材料中的三叉晶界三叉晶界是三個或三個以上相鄰晶粒之間的交叉區(qū)域。Palumbo等人假設(shè)三叉晶界為三棱柱，見圖1-3所示。三叉晶界體積分?jǐn)?shù)對晶粒尺寸的敏感度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于晶界體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)粒徑從100nm減小到2nm時，

5、三叉晶界體積分?jǐn)?shù)增加了三個數(shù)量級，而晶界體積分?jǐn)?shù)僅增加約一個數(shù)量級。這意味著三叉晶界對納米晶塊體材料性能的影響將是非常大的。1.3納米固體材料中的空位在納米材料中，界面（包括晶界和三叉晶界）體積分?jǐn)?shù)比常規(guī)多晶材料大得多，界面中的原子懸鍵較多，使得空位、空位團(tuán)和孔洞等點缺陷增加。單空位主要存在于晶界上，是由于納米固體顆粒在壓制成塊體時形成的。空位團(tuán)主要分布在三叉晶界上。它的形成一部分歸結(jié)為單空位的擴(kuò)散凝聚，另一部分是在壓制塊體時形成的?？锥匆话闾幱诰Ы缟稀＜{米固體材料用一般的壓制和燒結(jié)方法很難獲得高致密度。這主要歸結(jié)于孔洞的存在

6、，因而孔洞率的問題是決定納米固體材料致密化的關(guān)鍵?！?納米固體材料的界面結(jié)構(gòu)模型納米固體材料的結(jié)構(gòu)研究，主要應(yīng)考慮：顆粒的尺寸、形態(tài)及分布，界面的形態(tài)、原子組態(tài)或鍵組態(tài)，顆粒內(nèi)和界面內(nèi)的缺陷種類、數(shù)量及組態(tài)，顆粒和界面的化學(xué)組成，雜質(zhì)元素的分布等。其中，界面的微觀結(jié)構(gòu)是影響納米固體材料性能的最主要因素，龐大體積的界面對納米固體材料的性能負(fù)有重要的責(zé)任。2.1類氣態(tài)模型類氣態(tài)模型（gass-like）認(rèn)為，納米晶體界面原子的排列，既沒有長程有序，也沒有短程有序，是一種類氣態(tài)的、無序度很高的結(jié)構(gòu)。該模型與大量事實有出入。至1990

7、年以來文獻(xiàn)上不再引用該模型。2.2有序模型有序模型認(rèn)為納米固體材料的界面原子排列是有序的，納米材料的界面結(jié)構(gòu)和常規(guī)粗晶材料的界面結(jié)構(gòu)本質(zhì)上沒有太大差別。2.3結(jié)構(gòu)特征分布模型結(jié)構(gòu)特征分布模型的觀點是：納米材料的界面不是單一的、同樣的結(jié)構(gòu)，界面結(jié)構(gòu)是多種多樣的。納米材料的界面結(jié)構(gòu)存在一個分布，它們都處于無序到有序的中間狀態(tài)。有人用高分辨TEM觀察了納米晶Pd塊體的界面結(jié)構(gòu)，在同一個試樣中既看到了有序界面，也看到了無序界面?！?納米固體材料界面的研究方法3.1.XRD結(jié)構(gòu)分析3.2.TEM結(jié)構(gòu)觀察3.3.正電子湮沒研究3.1.XR

8、D結(jié)構(gòu)分析圖1-4為Fe的納米微粒、納米塊體和界面的XRD曲線。從中可見，界面的XRD曲線不同于非晶Fe，卻類似于氣態(tài)Fe的結(jié)構(gòu)。Eastman研究了納米晶Pd的氫化行為，結(jié)果見圖1-5。說明納米晶Pd的界面不是擴(kuò)展的無序晶界。3.2.TEM結(jié)構(gòu)觀察高分辨TEM（Transm