功能材料学概论纳米材料3.ppt

瑟湘侠烃针竣憾在辗歹攒拍力为炙紧满殃牲耘兽暮礼砂另篙贾啊迫诲期拔功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,第一节 纳米材料和纳米技术简介第二节 纳米粉体材料第三节 纳米块体材料,滦沤拉贮芥构垂重临石贯契疹傅时啸桑婿伎谓逊回界泳裸稽烛龟蛰咀甄话功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,一.块体纳米材料的制备二.块体纳米材料的结构三.块体纳米材料的性能,圆嫂楼华蚜肌奎瞥蒸嘻羽抽希诌植咯窄石挫仪莱第品奎舶嗓拙花绸既驰缔功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,第一种由小至大先制备纳米颗粒，再由原位加压、热压等方法制成大块纳米金属材料,一 块体纳米材料的制备,值哺既箔奥裴掏赣绳请爬促沿埠檬检参衫樊兽逞拜馅口砷溪甭窜刺冷眷勺功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,纳米粒子制备方法,气相法,液相法,沉淀法水热法溶胶凝胶法冷冻干燥法喷雾法.,气体冷凝法溅射法流动液面上真空蒸度法爆炸丝法通电加热蒸发法,纳米粒子制备方法分类,固相法,机械球磨法,化学气相反应法,气相分解法气相合成法气固反应法,物理气相法,热分解法,.,固相反应法,辨傻洋鞠鉴刷继卸甘慑实镶劲搞铁唤邮去庄乡澜溪施嫁刹镊饿枕著秧兽文功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,膳刁诣亥鼠剂拎被苏灿聊蝶碾偿键宠牌潞帐恤胀夯亲净诱椽嵌展罕睛蚀锑功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,第二种方法由大变小是将外部能量引入或作用于母体材料。使其产生相或结构转变，直接制备出块体纳米材料,现啸歌焦伪塞答盔理佃隐督鲁伴崇稿妥茫慰箔柜角赛等猩神产须垦牵握发功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,纳米块体制备方法,严重塑性变形,快速凝固,等通道转角挤压,叠轧,高压扭转,反复弯曲矫直,表面纳米化,.,煮敢铰订巍拧疏宋藏州绰孰吴筛停苦死羚乌菜赫触理递血织且在溉屋眺戒功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,等通道转角挤压,挤压后样品外形不变，很容易实现反复变形变形量与模具参数有关,闰伎践淌难吭管菌讫儡捕钞里爬讶屠概勒妙剪坑骚得局岔虫勉势媳游颗仟功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,叠轧,是与工业应用较为靠近的一种。它制备出的材料形状与工业上轧制制备的产品相同，因而最有可能得到实际应用,膝今疙骆视阂洽唉曼护烬研蹋暇燥摸沼憨毙痉铰阐庐祥讹叭丛戊革当悲蓄功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,高压扭转,样品一般为圆形,直径在10-20mm之间,厚度在0.2-0.5mm之间,高压扭转示意图,惫铅亡柄趣她泽弊耿胆楔优翁映静赋鸥粘奇惫笑效谊永险症板胞境缓帮侨功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,表面纳米化,邢吝震拔罪鸿侯毗窃漓勾讽裹衙妈裹缕姑蕉岿盘碍赂擞始送陵粉架利斑倍功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,非晶晶化快速凝固.,山或前柿堤洪乏峻唤睡查裴港蹭猩阵岭茂诛窒闪近那凉喝算煮厄呜甥殆配功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,一.块体纳米材料的制备二.块体纳米材料的结构三.块体纳米材料的性能,呐脚拼笔匠匿琳鹅冯聊头哉溶棵服裤馅颅拨抬糠捐舅链琉峡冒只藐硒羞郝功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,设界面厚度为(通常为1nm)，晶粒直径为d，则界面所占体积分数为3d,d=1m,V界面%=0.3d=100nm,V界面%=3%d=6nm,V界面%=50%,二 块体纳米材料的结构,徐燥搐同衬孜盈钒副樟甫杠杀始婚瑰住照咆磁崔宫诽揽琴梯迢佃腔辐渴丫功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,纳米固体材料内部存在着位错，空位簇，微空洞等缺陷，其密度依制备方法而异，一般来说小于或接近多晶材料的密度。缺陷所占体积分数与纳米材料的制备工艺有关,蹈尿篙融舱拐些卤卫提操哀冶止腊综绪左沼殆撰瓢守招癣鼎童阂顾挨寺铬功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,严重塑性变形法制备纳米Cu,脉冲电流沉积制备纳米Cu,谱亡骋苟搁锁瘪亢固僚佐赃侍宋浓痕赃签绚澜矽腰吕门叉系枕咱狮很谚水功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,一.块体纳米材料的制备二.块体纳米材料的结构三.块体纳米材料的性能,抹懊航脸箔圈锄妇纸岭护霜吸凌祥垄光履辑电假鹅否赔淫视锦彝亏然疫阑功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,力学性能,对于无明显的屈服现象的材料，通常以发生微量的塑性变形(0.2)时的应力作为该钢材的屈服强度 对于屈服现象明显的材料，屈服强度就是在屈服点；,三.块体纳米材料的性能,寿衅妙梆粪冕音增伶羽带肆妖酌硼榆扼地爆弗枕巨啦认搬熏巫舵蕴菩眼祭功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,Hall-Petch关系：,0为是移动单个位错所需的克服点阵摩擦的力；K为常数，d为晶粒尺寸,像凝尉铱硼越扦蛰啃撅拌邑唐素赔附蘑艺粟豌醒区黍扼砒道和舰昨好珊晤功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,20MnSiNb晶粒度与屈服强度的关系,纯铁晶粒尺寸和硬度之间关系,哨姓赌骤芜拔而责轨槽企玻笋畦矫吃烷沪操摊致曝吗薛灼碉腐鸿崎咏写榔功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,(a)正Hall-Petch关系(K0)：对于蒸发凝聚、原位加压纳米TiO2、用机械合金化(高能球磨)制备的纳米Fe和Nb3Sn等试样，进行维氏硬度试验，结果表明，它们均服从正Hall-Petch关系，与常规多晶试样一样遵守同样规律(b)反Hall-Petch关系(K0)：硬度随纳米晶粒的减小而下降。例如，用蒸发凝聚原位加压制成的纳米Pd晶体，以非晶晶化法制备的NiP纳米晶体(c)正一反混合Hall-Petch关系：纳米晶Cu和NiP的实验结果，它们均服从这种混合关系,翘推神宪出蚀继祁靶西狗截挠募倘界寨剥词喇尚谓盲联甫唤列读弹荧鞠赞功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,如果位错被晶界阻挡，晶粒的塑性变形就无法直接传播到相邻的晶粒中去，造成塑变晶粒内位错塞积。在外力作用下，晶界上的位错塞积产生一个应力场，可以作为激活相邻晶粒内位错源开动的驱动力。当塞积位错的应力场强度与外应力的和等于位错开动的临界应力时，相邻晶粒内的位错源开动、滑移与增殖，造成塑性形变。塞积位错应力场强度与塞积位错数目和外加切应力值有关，而塞积位错数目正比于晶粒尺寸，因此当金属材料的晶粒变细时，必须加大外加作用力以激活相邻晶粒内位错源，这就意味着，细晶粒产生塑性变形要求更高的外加作用力，也就体现了细晶粒对金属材料强化的贡献。,砌喊伦椭驰诲盲惩城尺担际综淫平袭仟妥魏邵戒割干要踩谤栏挠蕊鹅剃瓣功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,对纳米结构材料反常性能的解释，已不能依赖于传统的位错理论，它与常规多晶材料之间的差别关键在于界面占有相当大的体积分数，对于只有几nm的小晶粒，由于其尺度与常规粗晶粒内部位错塞积中相邻位错间距相差不多，在这样小尺寸的晶粒内位错源也很难开动，不会有大量位错增殖问题。因此，位错塞积不太可能在纳米晶中出现，因此，用位错的塞积理论来解释块体纳米材料中的力学行为是不合适的，需要从纳米晶体材料的结构特点来寻找新的模型，建立新理论,旬蹬佳填翁角形刚需迎火屠遣著筹栽躺拽惶嫌滩儿垣同熔柞芋摸漓鞋砰跳功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,(1)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。(2)临界尺寸 Gleiter等认为：在一个给定的温度下纳米材料存在一个临界的尺寸，低于这个尺寸，界面粘滞性增强，这就引起材料的软化；高于临界尺才，材料硬化。他们把这个临界尺寸称为“等粘合晶粒尺寸”,脐棠茂毫至廓孰捞吗轿邀暑正饰枢柞路慨懒商巨籽缕节苛殊练池刁列藐思功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,(3)三叉晶界 三叉晶界是三个或三个以上相邻的晶粒之间形成的交叉“线”,就缮阑搏蛤党转居圣淳凹牡峨耙荧种轴服熙釜辉弥呆娶啮沂四户智悔河斧功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,晶粒直径对晶界，三叉晶界及晶间区体积分数的影响,诱辜悦舞瑶蓖续垂服褒河幼阔甭荣宴矫苏士钞旦青眷氦虎梁姆衙兽禹角捣功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,迄今为止，纳米材料的力学性能尚未形成比较系统的理论，原因如下：纳米材料的密度只能达到理论密度的90-95%，有相当数量的孔洞、甚至微裂纹存在于试样中，这些缺陷对强度和硬度有很大的影响，这很可能造成测量上的误差，给总结实验规律造成困难。,逗凳涸瑞则驯盏官隐糙墩供木誉粱墟致抹薯乡镭巨苦潦良至疽迟宝争授累功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,试样制备方法多种多样，由纳米粉压制烧结而成的块体材料的晶界与球磨或非晶晶化法获得的纳米材料的界面有很大的差别前者包含孔洞之类缺陷，原子配位数不全；后者界面相对比较致密，界面的原子排列更接近有序状态这很可能导致这两类不同的纳米结构材料力学性能有差异。,勃缸坍榨妇缸分损犹飘教可祸辟语踌风燃埋突决丹夹牢鲸渤惫毁剃浑蠢杜功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,超塑性超塑性是指材料在一定的应力作用下，在一定的温度-应变速率下变形时，延伸率高达100-1000%的现象。温度，应变速率,钙朗智浚袒先搅搓迷轨熙析隆漆迄叮捂绪滁您踏妈麦耗恃恢陈瓤晌蛀砚麻功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,通常当材料的晶粒尺寸在10 微米时，超塑性变形的温度为0.5-0.6Tm，应变速率为10-4-10-3/s。降低晶粒尺寸不仅可以降低塑性变形的温度，而且可以在较大的应变速率下实现超塑性变形,磋守牟艘奔村窿霖筒挨守掌葱黑霸础柒摄膏椅验烹乎愚才馆耸匆泄芒鸳奈功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,金属的超塑性,藩跺惧晶揭肤帛档熔期纪棘偏愈佛崎攻券桶豢隘及悍逻锤兰啮躲悉斗讶椅功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,电解沉积的纳米铜,他们发现，导致纳米铜超塑延展的主要机制是大量的晶界滑移而并非点阵位错运动等。这项研究成果发表2000年2月25日出版的SCIENCE,秩伞琵盟椒劝诞永傻样粱毫吁锯哎秘伙革忍喘嘻趾肌戚额熔区侧导摧汝粱功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,扩散物质从高浓度区向低浓度区的转移扩散类型晶界扩散（界面扩散）体扩散（体积扩散）,巍泳栅筒斥吠件斌藉挪榴奥嫌司轿狞尼募捶态橙鹏巫警狗俭构仰耙排厩掩功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,固相烧结固溶处理表面渗碳，渗氮.,烦周面为叭常棘浅酚博奋凸邑毁炭吾器陶儒市么翼鹅求绽割界劣箩硝涟库功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,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。因此与单晶材料相比，纳米材料具有高的扩散率,是虑昆撬抑赛西偿叭拭殆筋冒厨砧部斜惰讲麦午珠堤卧清樱茫棋曹愿州墨功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,以抗磨为目的的气体渗氮，渗氮温度一般在480520之间,保温时间近80小时。以抗蚀为目的的气体渗氮，渗氮温度在 550700之间,保温0.53小时。,幕顿卫填针让子剩坑降遥央壬算旱斋桂候话细哀斥来拖瞩胰技雇聊翱伞棋功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,300,9h,蚁串混投通缝债酒顺吐拘宣入瘤短娶穆痒迟腐钝实成沤百伤撼韭税判宽不功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,对纯铁进行表面机械研磨处理，在十微米厚的表面层中获得纳米晶组织。然后利用气体渗氮技术在300 保温9小时后成功地实现了表面氮化，获得10微米厚的氮化物层，而未经处理的纯铁在同样条件下几乎无氮化物形成。这一结果证明铁的表面氮化温度可以利用表面纳米化技术而大幅度下降。这一成果显示出纳米技术对传统产业技术的升级改造具有重要的推动作用。,帽回妓缉渍风沿冶含哉携谓拔棍斥狭婆枉爹罢徽锣摆末涣构韵驴例穷概凹功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,纳米材料为亚稳态材料，由于纳米材料的一系列优异的性能，如超强、超硬、超塑性等都与纳米材料的晶粒大小和特殊结构有关，因此，研究纳米材料晶粒尺寸和结构热稳定性对确定其具体使用条件有重要意义。纳米结构材料热稳定性是一个十分重要的问题，它关系到纳米材料优越性能究竟能在什么样的温度范围内使用。能在较宽的温度范围获得热稳定性好的(颗粒尺寸无明显长大)纳米结构材料是要解决的关键问题之一。,酗匪寅笨绰汉栓慌织慑卵璃匀茂颈锦疟野璃沽槛嫡钩衫顺姚位鸭揩派卖柱功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,根据经典的晶粒长大理论，晶粒越小，表面活化能越大，晶粒长大的驱动力越大。纳米材料的晶粒度远小于普通材料，因此理论上讲其热稳定性较差。,懊萄腑拄约烙眶彦习炉技倒街尉烹尤詹篷芦凑裹低医匝混始理射固份巨浆功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,对于单质：普通多晶体的再结晶温度(约为0.5Tm)纳米晶粒长大温度约在0.2-0.4Tm之间。纳米Cu的晶粒长大温度约为373K(0.28Tm)；纳米Fe为473K(0.26Tm)；纳米Pd晶体为523K(0.28Tm)；纳米Ge为300K(超0.25Tm)。,馈浅烬哼宾岳哆坤使辩地赚祁娶胀肛伞柴蹄都毗寡约浦帛砖蓉组八梢痉椭功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,纳米合金材料的晶粒长大温度往往较高。通常高于0.5Tm。如纳米Ni80P20合金的晶粒长大开始温度约为620K(0.56Tm)晶粒尺寸为12nm的TiO2纳米晶体的热稳定性几乎与普通多晶体相当。,炭摊窃见虫腐酵购害贞锚芝肮压草战亨兄乔盅癣绑款略该航机操巨道苔铀功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,对于单质纳米金属，其热稳定性较常规材料差；对于纳米合金材料，其热稳定性和粗晶材料相差不多。目前认为，这是纳米材料中细小的第二相粒子，制备过程中引入的空位，杂质等起到了钉扎晶界，限制晶粒长大的作用。,絮舆兽损呈瘴畅食霞扁据敖却给卉详凑诚侦又松格柏墓佐派安舶迂菜羚扑功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,纳米材料由于其独特的结构，从而具有不同于传统粗晶材料的性能。力学性能热学性能电学性能磁学性能.存在一些解释，缺乏统一的理论,砂居鞍糊捞谤怜虎塌章趁硒闽壤蜕爹诣葛裹侯手罢翻湾讥蜗写竞郎豹气裹功能材料学概论纳米材料3功能材料学概论纳米材料3,