第八章 纳米固体
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纳米固体材料制备方法§1 纳米金属材料的制备1.1惰性气体蒸发原位加压法1.2高能球磨法1.3非晶晶化法§2 纳米陶瓷材料的制备2.1无压烧结2.2热压烧结2.3微波烧结§ 3 纳米金属材料的制备1.惰性气体蒸发原位加压法(a)用该方法成功地制备了Fe、Cu、Au、Pd等纳米晶金属块体和Si-Pd、Pd-Fe-Si、Si-Al等纳米金属玻璃。
(b)惰性气体蒸发原位加压法属于“一步法”,步骤是:制备纳米颗粒→颗粒收集→压制成块体。
上述步骤一般都是在真空下进行的。
图3-1 惰性气体蒸发原位加压装置示意图2.高能球磨法(a)高能球磨法是利用球磨机的转动或振动,使硬球对原料进行强烈的撞击、研磨和搅拌,把金属或合金粉末粉碎为纳米级微粒的方法。
(b)将两种或两种以上金属粉末同时放入球磨机的球磨罐中进行高能球磨,粉末颗粒经压延,压合,又碾碎,再压合的反复过程,最后获得组织和成分分布均匀的合金粉末。
这种方法称为机械合金法(Mechanical Alloying,简写成MA)。
高能球磨法已成功地制备出以下几类纳米晶材料(a)纳米晶纯金属。
高能球磨可以容易地使具有体心立方(bcc)结构和六方最紧密堆积(hcp)结构的金属形成纳米晶结构,而对于具有面心立方(fcc)结构的金属则不易形成纳米晶。
(b)不互溶体系纳米结构。
可将相图上几乎不互溶的几种元素制成固溶体,这是用常规熔炼方法根本无法实现的。
(c)纳米金属间化合物。
目前已制备Ti—B、Ti—A1等十多个合金系纳米金属间化台物。
(d)纳米金属—陶瓷复合粉体。
如,采用高能球磨法把纳米Y2O3粉体复合到Co-Ni-Zr合金中,使矫顽力提高两个数量级。
3.非晶晶化法图3-2 非晶晶化法制备的纳米晶Ni—P合金的晶粒尺寸与退火温度的关系图3-3非晶晶化法制备的FeBSi纳米合金的晶粒尺寸与退火温度的关系卢柯等人率先采用非晶晶化法成功地制备出纳米晶Ni—P合金(图3-2)。
纳米固态钠-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:纳米固态钠是一种具有巨大潜力的新型材料,在各个领域引起了广泛的关注和研究。
纳米固态钠具有独特的物理和化学性质,其粒径通常在1-100纳米之间,具有高度的表面活性和反应活性。
该材料在能源储存、传感器、催化剂等方面展示出了出色的性能,因此被认为是未来材料科学领域的重要研究方向。
本文旨在系统地介绍纳米固态钠的定义、制备方法以及已知的应用领域。
首先,我们将详细解释纳米固态钠的定义和特点,包括其结构、形态和物理性质等。
其次,我们将介绍纳米固态钠的制备方法,包括溶剂热法、微乳液法、电化学法等,以及各种制备方法的优缺点。
最后,我们将涵盖纳米固态钠在能源储存、传感器和催化剂等方面的应用领域,从而展示这一材料的潜在价值。
通过对纳米固态钠进行深入研究和应用,我们有望在新能源技术、环境监测和化学反应加速等领域取得重大突破。
纳米固态钠的特殊性质和多样化的应用前景使其成为材料科学领域的研究热点。
本文的目的是为读者提供一份全面且系统的纳米固态钠综述,以期为其学术研究提供参考和启发。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以如下所述:文章的结构主要包括引言、正文和结论三个部分。
引言部分主要是对纳米固态钠这个主题进行一个概述,明确文章的目的和意义。
正文部分则详细介绍了纳米固态钠的定义和特点、制备方法以及应用领域。
最后的结论部分对纳米固态钠的潜在价值进行总结,并展望了其未来的发展趋势。
通过这种结构,读者可以全面了解和掌握纳米固态钠这一主题的核心内容,同时也能够对其未来的发展方向有一个比较清晰的认识。
整个文章结构严谨明晰,层次分明,使读者能够系统地理解和引用文章所提供的信息。
1.3 目的本文的目的是介绍和探讨纳米固态钠的特点、制备方法和应用领域。
首先,我们将概述纳米固态钠的基本概念和特点,包括其定义、性质和结构等方面的内容。
其次,我们将详细介绍纳米固态钠的制备方法,包括物理和化学方法,以及其制备过程中所面临的挑战和解决方法。
定义:由超微粒子聚集而成的凝聚体。
包括三维纳米块体和二维纳米薄膜。
超微粒子的大小介于原子团和通常微粉颗粒之间,线度一般在1~100纳米范围内(1纳米=10-9米),故又称纳米粒子。
分类:纳米固体是用清洁的纳米粒子经高压和烧结处理后形成的人工凝聚体。
由晶态纳米微粒构成的固体称纳米晶体,非晶态纳米微粒构成的固体称纳米非晶体。
构成纳米固体的纳米微粒可以是单相的,也可以是不同材料或不同相的,分别称为纳米相材料和纳米复合材料。
发明过程:1963年,日本名古屋大学教授田良二首先用蒸发冷凝法获得了表面清洁的纳米粒子。
1984年,由德国H.格莱特教授领导的小组首先研制成第一批人工金属固体(Cu、Pa、Ag和Fe)。
同年美国阿贡实验室研制成TiO2纳米固体。
20世纪80年代末,合金、半导体和陶瓷离子晶体等人工纳米固体相继问世。
纳米粒子的结构:当微粒尺寸进入纳米量级时,就从量变到质变,其力学、热学、电学、磁学和光学性质发生根本性变化。
纳米粒子的尺寸小,表面积大,位于表面的原子占很大比例。
表面的原子具有不饱和的悬挂键,性质很不稳定,这使纳米粒子的活性大大增加。
例如金属纳米粒子在空气中能燃烧,无机材料的纳米粒子能吸附环境中的气体并与之反应。
普通大块晶体内含有大量原子(或原胞),其能带中的能级间距很小,呈准连续结构(见能带理论)。
纳米粒子只包含有限数的原胞,这使能级间距增大,能带将分裂成离散能级。
当能级间距大于通常的热、电、光的作用能量时,量子效应将显著地改变其各方面的物理性质。
纳米固体的特性:由于纳米粒子特有的结构,纳米粒子或纳米固体表现出一系列奇异而独特的性质,例如:①颗粒为6纳米的铁晶体,其断裂强度比普通多晶铁提高约12倍。
普通陶瓷在常温下很脆,而纳米陶瓷不仅强度高,而且具有良好的韧性。
②纳米金属的比热容比是普通金属的2倍,热膨胀率提高1~2倍。
纳米晶体熔化时具有所谓准熔化相的中间相变过程。
纳米铜晶体的自扩散率是普通点阵扩散的106~1019倍,这与纳米固体中存在较大空隙有关。
第八章纳米材料的热学性能重点:纳米材料的热学性质及尺寸效应纳米晶体的熔化纳米晶体的热稳定性纳米晶体的点阵热力学性质纳米晶体的界面热力学重点材料的热性能是材料最重要的物理性能之一表现出一系列与块体材料明显不同的热学特性,如:比热容值升高热膨胀系数增大熔点降低纳米材料的热学性质与其晶粒尺寸直接相关Why?材料的热性能是材料最重要的物理性能之一8.1 纳米材料的热学性质及尺寸效应8.1.1纳米材料的热学性质纳米材料的熔点材料中分子、原子的运动行为决定材料的热性能当热载子(电子、声子及光子)的各种特征运动尺寸与材料尺度相当时,反映物质热性能的物性参数(如熔化温度、热容等)会体现出鲜明的尺寸依赖性。
特别是,低温下热载子的平均自由程将变长,使材料热学性质的尺寸效应更为明显。
8.1.2 纳米晶体的热容及特征温度热容是指材料分子或原子热运动的能量Q随温度T的变化率,与材料的结构密切相关。
在温度T时,材料的热容量C的表达式为:若加热过程中材料的体积不变,则测得的热容量为定容热容(CV);若加热过程中材料的压强不变,则测得的为定压热容(CP)。
晶界的过剩体积ΔV其中,V和V分别为完整单晶体和晶界的体积。
在纳米材料中,很大一部分原子处于晶界上,界面原子的最近邻原子构型与晶粒内部原子的显著不同,使晶界相对于完整晶格存在一定的过剩体积热力学计算表明:纳米晶的热容随着晶界过剩体积的增加而增加,因而亦随着晶界能的增加而增加。
由于高比例晶界组元的贡献,纳米材料的比热容会比其粗晶材料的高。
注意区分:纳米材料定容热容与比热容的特点2、德拜特征温度由固体物理,德拜特征温度的定义为:ωm表征晶格振动的最高频率;kB为玻尔兹曼常数。
纳米晶体材料的德拜特征温度θnc相对于粗晶的θc的变化率Δθnc可由下式给出:目前,对于纳米晶体材料特征温度的减小还无确切解释。
但可见,晶格振动达到最高频率变得容易了。
8.1.3纳米晶体的热膨胀热膨胀是指材料的长度或体积在不加压力时随温度的升高而变大的现象。