金属纳米材料

一些纳米材料的第一性原理研究共3篇

一些纳米材料的第一性原理研究1

一些纳米材料的第一性原理研究

纳米材料具有很高的表面积与量子效应，因此其物理化学性质与宏观材料存在很大差异。纳米材料长期以来一直是研究的热点领域，而第一性原理计算是研究纳米材料的有效手段之一。本文将介绍一些纳米材料的第一性原理研究进展。

一、金属纳米材料

金属纳米材料（nanoparticle）是指直径小于100纳米的金属粒子。由于尺寸效应，金属纳米材料的性质和普通金属材料有很大不同。例如，金属纳米材料的表面能远高于体能，因此具有较大的表面活性；金属纳米材料的电磁性质受畸变效应的影响，表现出很强的荧光性和拉曼散射性等特殊性质。

第一性原理计算可用于解释金属纳米材料的这些特殊性质。例如，研究表明，金纳米粒子中的电子受到电磁场的限制，因此显示出金的长波长表面等离子体共振（plasmon resonance）吸收峰。此外，金属纳米材料表面的电子损失谱（EELS）发现了一些与晶界和表面纳米结构相关的现象，例如局部表面等离子体激元的出现。

二、半导体纳米材料

半导体纳米材料（nanocrystal）是由几十到几百个原子组成的材料，填满一些晶格缺陷形成的结晶。它们通常由硫化物、硒化物或氧化物制成，具有量子效应、高表面积、大比表面积和远超其体材料的激子弛豫能。

第一性原理计算研究了半导体纳米材料的物理化学性质，例如电子结构、能带结构和局部密度等。研究表明，半导体纳米材料的能带宽度与尺寸大小直接相关。此外，在半导体纳米材料中，表面态和缺陷态对电子输运有显著影响；表面缺陷限制了电子的移动，降低了电荷载流子的扩散。因此，对于半导体纳米材料中的表面缺陷进行修饰或去除是改善其性能的有效方法。

三、碳基纳米材料

碳基纳米材料是由纳米碳分子组成的材料，包括纳米管、碳纤维、石墨烯等各种形式的纳米碳材料。碳基纳米材料具有独特的物理化学性质，例如热稳定性、导电性、强度高、柔韧性好等。

1 金属纳米材料的制备

数理系 应用物理 刘庆伟 学号：***********关键词：金属纳米材料 特性 制备 应用

简介

一、金属纳米材料

金属纳米材料是指晶粒尺寸在纳米量级(通常小于l00nm)的多晶体金属材料。其晶粒细小、晶界体积分数甚大，因而表现出许多普通金属材料所不具备的性能特征。例如，纳米金属材料通常具有极高的强度和硬度，晶粒尺寸为30nm纯铜的抗拉强度约为700MPa是普通粗晶Cu的十倍，超过普通碳钢的强度。纳米材料高强度源于大量晶界对位错运动阻碍。这种强化途径有别于传统的合金强化和形变强度，是晶粒细化强化的一种极端状态。因此，对纳米金属材料的研究是获得超高强度金属材料的一种探索。同时，由于纳米材料的晶粒尺寸已接近或小于一些特征尺寸，如晶格位错形核的临界晶粒尺寸和位错堵积临界尺寸，一些在常规多晶材料中的结构性能关系对纳米材料已不再适用，因此对纳米材料的结构性能研究将有助于拓展并完善材料中一些经典的结构性能关系。

二、金属纳米材料的制备方法

2.1零维金属纳米材料的制备方法

2.1.1气相法

气相法是直接利用气体或者通过各种手段将物质变成气体，使之在气体状态下发生物理变化或化学反应，最后在冷却过程中凝聚长大形成纳米微粒的方法。气相法又大致可分为：气体中蒸发法、化学气相反应法、化学气相凝聚法和溅射法等。

（1）低压气体中蒸发法

气体中蒸发法是在惰性气体(或活泼性气体)中将金属、合金或陶瓷蒸发气化，然后与惰性气体冲突，冷却、凝结(或与活泼性气体反应后再冷却凝结)而形成纳米微粒。

此法早在1963年由Ryozi Uyeda及其合作者研制出，即通过在纯净的惰性气体中的蒸发和冷凝过程获得较干净的纳米微粒。20世纪80年代初，G1eiter等人首先提出．将气体冷凝法制得的具有清洁表面的纳米微粒，在超高真空条件下紧压致密得到多晶体(纳米微晶)气体冷凝法的原理，如图2-1所示。

纳米金属材料的发展与应用

摘要：纳米技术的诞生将对人类社会产生深远的影响，可能许多问题的发展都与纳米材料的发展息息相关。在纳米金属材料的研究中，它的制备、特性、性能和应用是比较重要的方面。本文概要的论述了纳米材料的发现发展过程，并结合当今纳米金属材料研究领域最前沿的技术和成果，简述了纳米材料在各方面的应用及其未来的发展前景。

关键词：纳米金属材料、纳米技术、应用

一、前言

纳米级结构材料简称为纳米材料(nanomater material)，是指其结构单元的尺寸介于1纳米～100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。

纳米粒子异于大块物质的理由是在其表面积相对增大，也就是超微粒子的表面布满了阶梯状结构，此结构代表具有高表能的不安定原子。这类原子极易与外来原子吸附键结，同时因粒径缩小而提供了大表面的活性原子。

纳米技术在世界各国尚处于萌芽阶段，美、日、德等少数国家，虽然已经初具基础，但是尚在研究之中，新理论和技术的出现仍然方兴未艾。我国已努力赶上先进国家水平，研究队伍也在日渐壮大。

二、纳米材料的发现和发展

1861年，随着胶体化学的建立，科学家们开始了对直径为1~100nm的粒子体系的研究工作。1990年7月在美国召开了第一届国际纳米科技技术会议（International Conference on Nanoscience &Technology)，正式宣布纳米材料科学为材料科学的一个新分支。自20世纪70年代纳米颗粒材料问世以来，从研究内涵和特点大致可划分为三个阶段：

第一阶段（1990年以前）：主要是在实验室探索用各种方法制备各种材料的纳米颗粒粉体或合成块体，研究评估表征的方法，探索纳米材料不同于普通材料的特殊性能；研究对象一般局限在单一材料和单相材料，国际上通常把这种材料称为纳米晶或纳米相材料。

纳米金属结构材料的强韧化方法　

陈真　

（重庆大学材料科学与工程学院，重庆４０００４４）　２０１７８５月期中国金属通报　

摘要：介绍八种全新的纳米金属材料强韧化方法，这些设计策略成功解决了高强的纳米金属结构材料几乎没有延伸率　

的问题。能够使延伸率大幅提高同时保留了大部分通过纳米结构化所获得的大部分强度。通过不同的工艺路径调控纳米结　

构的微观结构，可以获得良好的强塑性匹配。此外，通过合理地控制纳米尺度晶粒结构的非同寻常的形变机理也是有利的。　

关键词：金属基复合材料；发动机制造；性能与制备　

中图分类号：ＴＢ３１　文献标识码：Ａ　文章编号：１１—５００４（２０１７）０５—００４３—２　

１前言　

近年来世界范围内对纳米结构的金属以及合金进行了　

大量的研究，通常纳米结构的金属以及合金是以块体的形　

式作为应用的。虽然这种新颖的材料使强度大幅提升，但　

是通常它们几乎没有什么延展性。纳米结构的材料可以定　

义为控制性能的微观结构特征在１００纳米尺度以下的多晶　

体固体材料。常见的制备纳米结构金属以及合金的加工工　

艺包括大塑形变形法，通过位错的积聚以及重排细化晶粒。　

此外还有电沉积等工艺，通过控制一个促进大量形核但抑　

制晶粒长大的沉积条件，可以制备纳米晶。获得这种非常　

小的晶粒尺寸的其中一个主要的动机是根据霍尔佩奇关系　

式可以预测，随着晶粒尺度的降低，可以获得前所未有的　

高强度。目前的已经累积的实验数据表明对于纳米结构的　

金属来说。几乎能得到５～１０倍于初始粗晶材料的高强度。　

而它们的延伸率，特别是均匀延伸率，在大多数情况下都　

相当低。　

过去的几年间已经有了一系列设计策略的突破，这些工　

艺能够使延伸率大幅提高，同时保留了大部分通过纳米结　

构化所获得的大部分强度。通过不同的工艺路径调控纳米　

结构的晶粒，可以获得良好的强塑性匹配。　

２八种强韧化方法　

２．１第一种强韧化方法　

来搞日期：２０１７年４月　

作者简介：陈真，男，生于１９９０年，汉族，甘肃定西人，在读研究生　主