纳米材料基础与应用课件：纳米固体材料.ppt

纳米材料基础与应用*对多种纳米材料的硬度和晶粒尺寸关系的研究结果表明，有三种不同的规律。（1）正Hall-Petch关系（K0）。（2）反Hall-Petch关系（K0）。在常规多晶材料中从未出现过，即硬度随纳米晶粒的减小而下降。例如，对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，它们遵循反Hall-Petch关系。（3）正-反混合Hall-Petch关系。硬度随晶粒直径的平方根的变化并不是线性地单调上升或单调下降，而是存在一个临界晶粒尺寸dc，当晶粒尺寸大于dc，呈正Hall-Petch关系，当ddc，呈反Hall-Petch关系。在常规粗晶材料中从未观察到。例如，由蒸发凝聚原位加压制得的纳米晶Cu。纳米材料基础与应用*对于纳米固体材料的反常Hall-Petch关系的解释有如下几种观点。（1）三叉晶界的影响。三叉晶界处原子扩散快、动性好，三叉晶界实际上就是旋错，旋错的运动会导致界面区的软化，这种软化现象使纳米晶体材料整体的延展性增加。（2）界面的作用。随纳米晶粒直径的减小，高密度的晶界导致晶粒取向混乱，界面能量升高，界面原子动性大，这就增加了纳米晶体材料的延展性，即引起软化现象。（3）存在临界尺寸。Gleiter等人认为，在一个给定的温度下，纳米材料存在一个临界尺寸，低于这个尺寸，界面粘滞性流动增强，引起材料的软化；高于这个尺寸，界面粘滞性流动减弱，引起材料硬化。纳米材料基础与应用*强度和硬度纳米材料的硬度一般是同成分的粗晶材料硬度的2~7倍。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，这个公式可表示如下：σc=σ0+Kcd-1/2（7-12）这里σ0与Kc为常数，d为粒径。从上式可知，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的提高是有限度的，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。纳米材料基础与应用*未经烧结的纳米陶瓷的生坯强度和硬度都比常规陶瓷材料低得多，其原因是纳米陶瓷生坯致密度很低。生坯的相对密度随压力的增加而增加，但最大也只有50%。粒径愈小相对密度愈低，这说明纳米陶瓷生坯界面原子密度很低、缺陷较多、很不致密。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，一是进行烧结；二是通过加入添加剂进一步提高烧结致密化，常用的添加剂有Y2O3、SiO2、MgO等。纳米材料基础与应用*弹性模量塑性和韧性超塑性力学性能的应用纳米固体材料由于其独特的结构，在力学方面表现出一些奇异的特性，可以作为高温、高强、高韧性、耐磨、耐腐蚀的结构材料。纳米材料基础与应用*纳米材料基础与应用*7.2.2纳米固体材料热学性能及应用比热容纳米材料的界面结构中原子分布比较混乱，与常规材料相比，界面体积分数较大，因而纳米材料熵对比热的贡献比常规粗晶材料大得多，因此可以推测纳米材料的比热比常规材料高得多，实验结果也证实了这一点。在150-300K温度范围内，纳米晶Pd比多晶Pd的Cp增大了29-54%；纳米晶Cu比多晶Cu的Cp增大9-11%。纳米材料基础与应用*热膨胀材料的热膨胀与晶格非线性振动有关。在温度变化时非线性热振动可分为两个部分：一是晶粒内的非线性热振动；二是晶界的非线性热振动。后者的非线性热振动较前者更为显著。占体积分数很大的界面对纳米晶体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单晶Cu在同样温度范围的膨胀系数几乎大一倍。纳米材料热膨胀系数的增强主要来自晶界组分的贡献。有人对Cu和Au（微米级）多晶晶界膨胀实验证实了晶界对热膨胀的贡献比晶内高3倍，这也间接地说明了纳米晶体为什么热膨胀系数比同类多晶常规材料高的原因。纳米材料基础与应用*纳米材料基础与应用*热稳定性关系到纳米固体材料优越性能究竟能在什么样的温度范围使用。纳米材料庞大比例的界面一般能量较高，这就为颗粒长大提供了驱动力，纳米材料通常处于亚稳态。通常加热退火过程将导致纳米微晶的晶粒长大晶粒尺寸随退火时间变化可由如下经验公式给出：