1、粉末冶金材料应用与新发展 23 纳米材料4 纳米材料纳米材料按维数可以分为三类 零维：指空间三维尺度均在纳米尺度，如纳米尺度颗粒、原子团簇等 一维：指在空间有两维处于纳米尺度，如纳米丝、纳米棒、纳米管等 二维：指在三维空间中有一维处于纳米尺度，如超薄膜，多层膜等5 纳米材料发展历史 1990年以前，主要是在实验室探索用各种手段制备各种材料的纳米颗粒和合成块体，研究评估表征方法，探索纳米材料的特殊性能 1994年前，利用纳米材料的物理、化学和力学性能，设计纳米复合材料，主要探索纳米复合材料的合成与物性 1994年-至今：纳米组装体系，人工组装合成的纳米结构的材料体系6 纳米材料种类：原子团簇 1
2、985年发现的C60，直径0.7nm7 纳米材料种类：原子团簇 原子团簇不同于有特定大小和形状的分子、分子间以微弱的结合力的松散分子团簇和周期性很强的晶体 原子团簇的形式多样，尚未形成晶体，以化学键紧密结合的聚集体 原子团簇有一元原子团簇（金属：Nan；Nin和非金属：C60）； 二元原子团簇（InnPm）， 多元原子团簇（Vn（C6H6）m）8 纳米材料种类：纳米微粒 纳米微粒是指颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的尺寸大于原子团簇，一般在1-1000nm9 纳米材料种类：纳米纤维 纳米纤维是材料的三维空间尺度上有两维处于纳米尺度的线（管）状材料 纳米丝、纳米线、纳米棒 纳米电缆 碳纳米管10
3、 碳纳米管11 碳纳米管12 碳纳米管性能 导电性：可以是金属性，也可以是半导体，根据部位不同呈现不同的导电性 电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应，而电子在轴向的运动不受任何限制 力学性能：具有极高的强度和极大的韧性，弹性模量可达5Tpa，其强度是钢的100倍13 碳纳米管应用 作为模板用于一维纳米线的合成，可得金属线或复合线 碳纳米管在金属基或有机聚合物中形成复合材料，能稳定存在并具有强化作用：加入铜中，减少摩擦损耗；加入碳化硅中，得到韧性高的陶瓷，加入有机物中，可以制造出力学强度较高的尼龙复合材料和聚甲基丙烯酸甲酯复合材料 碳纳米管可用作信息技术材料 碳纳米管作为高
4、能电池电极材料14 纳米薄膜 纳米薄膜是指有尺寸在纳米量级的晶粒，构成的薄膜以及每层厚度在纳米量级的单层或多层膜 其性能强烈依赖于晶粒尺寸，膜的厚度、表面粗糙度及多层膜结构 按纳米薄膜的应用性能分为：纳米磁性薄膜，纳米光学薄膜，纳米气敏膜、纳米滤膜、纳米润滑膜及纳米多孔膜15 纳米块体 纳米块体材料是将纳米粉末高压成形或烧结，或控制液体结晶而得到的纳米材料 纳米块体材料是在团簇和纳米粒子的研究基础上，并在实际应用中发展起来的16 纳米复合材料 复合材料是由两种或两种以上物理和化学性质不同的物质组合而成的一种多相固体材料 0-0复合：即不同成分、不同相或不同种类的纳米微粒复合而成的纳米固体或液体
5、，通常采用原位压块、原位聚合、相转变、组合等方法实现 0-2复合：把纳米微粒分散到二维的纳米薄膜中， 0-3复合：纳米微粒分散在常规固体粉体中 1-3复合：主要是碳纳米管、晶须与常规聚合物粉体的复合 2-3复合：主要表现在插层纳米复合材料的合成17 纳米材料性质 小尺寸效应：光电声磁的变化 表面效应：纳米微粒的表面原子与总原子之比随着纳米微粒尺寸的减少而大幅度增加 量子尺寸效应：粒子尺寸下降到接近或小于某一值（激子波尔半径），费米能级附近的电子能级由准连续变为奋力能级的现象 宏观量子隧道效应18 纳米材料的强度与硬度 纳米结构材料的硬度变化为：一、硬度随着粒径的减小而增大 粒径为6nm的铜的硬
6、度比粗晶试样增长了500%二、当晶粒尺寸很小时，硬度随着粒径减小而降低19 纳米材料的超塑性超塑性的两个条件：较小的粒径，快速的扩散途径例如随着粒径的减少，纳米TiO2和ZnO陶瓷的形变率敏感度明显提高，体现出室温超塑性20 纳米材料的热学性能纳米微粒的熔点、开始烧结温度和晶化温度均比常规粉体低得多由于颗粒小，表面能高，表面原子数多，纳米颗粒表面原子近邻配位不全，活性大，熔化时所需内能小，熔点低，烧结温度低21 纳米材料的磁学性能纳米微粒具有奇异的超顺磁性和较高的矫顽力22 纳米材料的光学性能光谱迁移：蓝移和红移蓝移：主要是由于载流子或激子或发光离子受量子尺寸效应而导致其量子能级分裂显著，带隙
7、加宽红移：由于表面与界面效应引起纳米微粒的表面张力增大，是发光粒子所处的环境变化致使粒子的能级改变，带隙变窄所引起23 纳米材料的光学性能光的吸收性主要表现在纳米材料对光的不透射性和不反射性。例如：对金属而言，纳米粒度大，则纳米粒子的颜色较灰和浅黑，粒度减小，颜色越黑金膜是透明的吗？24 纳米材料的其他光性能光学发光性能：用在半导体发光方面光催化性质：表面积大，表面活性点多25 纳米材料的催化性质例如：纳米TiO2用于光解水金属复合纳米材料具有更强的催化选择作用，以粒径小于100纳米Ni和Cu-Zn合金的纳米颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氢化的效率达到传统Ni催化剂的10倍26 纳米材料
8、的制备27 纳米材料的制备28物理气相沉积法29物理气相沉积法30物理气相沉积法31化学气相沉积法32化学气相沉积法33液相合成法：沉淀法共沉淀法-均相沉淀法通过溶液中的化学反应使沉淀剂慢慢生成，从而克服了由外界向溶液中加沉淀剂而造成沉淀剂不均匀性并使沉淀剂不能在整个溶液中均匀反应的缺点利用共沉淀法，可在制备过程中完成反应及掺杂过程34液相合成法：水热法将反应物和水在密闭容器中加热到高温高压时，反应物发生变化形成纳米微粒的过程反应物可以是金属盐、氧化物、氢氧化物以及金属粉末的水溶液或液相悬浮液以有机溶剂代替水，可以实现其他合成，如笨，甲苯或乙二醇二甲醚35液相合成法：溶胶凝胶法36液相合成法：
9、溶胶凝胶法37液相合成法：微乳液法微乳液是两种互不相溶的液体形成的热力学稳定的各向同性、外观透明或不透明的分散体系由水溶液，有机溶剂、表面活性剂及助表面活性剂构成，一般有水包油型和油包水型及连续双包型主要有阴离子型AOT(丁二酸二(2-乙基己基)酯磺酸钠、SDS(十二烷基磺酸钠)；阴离子型CTAB(十六烷基三甲基溴化铵)；非离子型TritonX(聚氧乙烯醚)特点:微反应器的界面是一层表面活性剂分子、在微反应器中形成的纳米微粒因这层界面膜隔离而不能聚结，微乳液结构从根本上限制了颗粒的生长，使纳米颗粒的制备变得容易38液相合成法：微乳液法39液相合成法：微乳液法40纳米材料的应用l催化剂l陶瓷材料
10、l增强增韧材料l抗磨材料l磁性材料l光电转化材料l医用材料l防护材料l储氢材料l传感器材料41机械合金化工艺、材料及应用42机械合金化不同种材料的混合粉末球磨时被磨球碰撞，初期产生塑性变形冷焊合，形成复合粉，经过进一步球磨，发生扩散和固态反应形成合金粉l制备细小弥散的第二相颗粒l扩展固溶度l细化晶粒达到纳米级l合成奇异晶和准晶相l开发非晶相l使有序金属间化合物无序比l使难以形成合金的元素合金化l在低温下引发化学反应43机械合金化设备球磨机:振动式、行星式、搅拌式和滚筒式装料瓶:硬质钢、氧化铝、硬质合金、氧化锆、不锈钢、氮化硅等44机械合金化设备45机械合金化设备46球磨工艺参数:球磨时间、球料
11、比、装料量通常以粉末颗粒达到冷焊和断裂的稳定状态来选择球磨时间与球磨机类型、速度、球料比、球磨温度、粉末性质有关球料比越高，所需球磨时间越短一般球料比为10:1或者20:1装料量以球和粉末能自由运动为准，通常装料量以占容器容积的30-50%47球磨工艺参数:气氛、球尺寸、温度、控制剂气氛一般有两种:真空或者惰性气体磨球尺寸直径一般为6-10mm，需要大小球配合球磨温度：较高有利于粉末各组元的扩散均匀化和合金化，也会加速过饱和固溶和亚稳相分解，同时温度高容易非晶晶化控制机即为润滑剂或活化剂，可减少球磨时的冷焊作用，一般是表面活性剂的有机化合物，吸附在粉末表面，从而阻止粉末的粘球和凝聚，加速粉末的
12、细化，体积分为粉末1-5%(体积)，如甲醇、乙醇、己烷、硬脂酸48球磨工艺参数49机械合金化的基本原理50机械合金化的粉末颗粒尺寸及形貌变化51机械合金化的粉末颗粒尺寸及形貌变化52机械合金化粉末：层片组织53机械合金化粉末：层片组织54机械合金化粉末：层片组织55机械合金化粉末：层片组织56机械合金化粉末：微观结构变化57机械合金化粉末：微观结构变化58机械合金化制备纳米晶粉末59机械合金化制备纳米晶粉末60机械合金化制备非晶粉末非晶合金具有高强度、良好的弯曲延展性、高断裂韧性、良好的抗腐蚀性和理想的软磁性机械合金化非晶化分为三类:l微晶极度碎化直接导致的非晶化，微晶尺寸达几纳米l多层膜固相
13、扩散反应导致的非晶化l首先形成金属间化合物的中间产物，进一步球磨转化成非晶合金61机械合金材料：过饱和固溶体材料62机械合金材料：金属间化合物机械合金化制备的金属间化合物晶粒度细小，晶体结构更加对称通过机械合金化，可以获得亚稳晶体相及晶体相，有利于提高材料的高温强度、硬度以及抗氧化和耐腐蚀性能，这是由于这种结构的材料中位错难以滑移的缘故63机械合金化材料应用64机械合金化材料应用p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be学习总结结束语当你尽了自己的最大努力时，失败也是伟大的，所以不要放弃，坚持就是正确的。When You Do Your Best, Failure Is Great, So DonT Give Up, Stick To The End演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
