新材料概論課件ppt 第11章 納米材料

第11章納米材料遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院金屬材料工程系連景寶主要內(nèi)容11.1基本概念11.2納米結(jié)構(gòu)單元11.3納米材料的結(jié)構(gòu)特征與奇異性能11.4納米材料的制備與合成

11.5納米材料的應(yīng)用CompanyLogo11.1基本概念

納米材料研究是目前材料科學(xué)研究的一個(gè)熱點(diǎn)，公認(rèn)為是21世紀(jì)最具有前途的科研領(lǐng)域。

2000年，美國(guó)前總統(tǒng)克林頓親自宣布啟動(dòng)美國(guó)國(guó)家納米技術(shù)計(jì)劃（NNI)，拿出5億美元專門用于發(fā)展納米技術(shù)；日本從1991年開始就實(shí)施了一項(xiàng)為期10年的納米技術(shù)研究開發(fā)計(jì)劃；CompanyLogo德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)、印度、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等都制定了各自的納米技術(shù)研發(fā)計(jì)劃；中國(guó)政府在2001年7月就發(fā)布了《國(guó)家納米科技發(fā)展綱要》，并先后建立了國(guó)家納米科技指導(dǎo)協(xié)調(diào)委員會(huì)、國(guó)家納米科學(xué)中心和納米技術(shù)專門委員會(huì)。CompanyLogo11.1.1納米物質(zhì)與納米材料1nm相當(dāng)于頭發(fā)絲直徑的十萬(wàn)分之一。目前，國(guó)際上將處于1~100nm尺度范圍內(nèi)的超微顆粒及其致密的聚集體，以及由納米微晶所構(gòu)成的材料，統(tǒng)稱為納米材料。納米材料包括金屬、非金屬、有機(jī)、無(wú)機(jī)和生物等多種組成形式。CompanyLogo1納米材料定義：指在三維空間中至少有一維處于納米尺度（1~100nm）范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的各種固體超細(xì)材料。CompanyLogo2納米材料的分類：①按結(jié)構(gòu)（維度）分零維：指在空間三維尺度均在納米尺度(如納米顆粒)；一維：指在空間有兩維處于納米尺度（如納米絲、納米棒、納米管等）；CompanyLogo二維：指在三維空間中有一維在納米尺度（如超薄膜，多層膜，超晶格等）；體相納米材料：（由納米材料組裝而成）CompanyLogo②按納米顆粒結(jié)構(gòu)狀態(tài)分納米晶體材料納米非晶態(tài)材料納米晶材料非晶Fe-B納米顆粒非晶晶化后CompanyLogoCu納米顆粒Cu-Ni納米復(fù)相顆粒③按組成相數(shù)量分為：納米相材料(由單相的微粒構(gòu)成)納米復(fù)相材料(每個(gè)納米微粒本身由兩相構(gòu)成)。

CompanyLogo

納米材料大部分都是人工制備的，但在自然界中也廣泛存在著天然形成的納米材料。

(1)人和動(dòng)物堅(jiān)硬牙齒的外表面，即牙釉質(zhì)，是由納米尺寸的微晶組成。

(2)天體隕石的碎片和海洋中存在的亞微米膠體粒子。CompanyLogo

(3)蜜蜂的定向

最近英國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，蜜蜂的腹部存在著磁性納米粒子，這種磁性的納米粒子有類似指南針的功能，蜜蜂利用這種功能來(lái)確定其周圍環(huán)境并存儲(chǔ)圖像。當(dāng)蜜峰采蜜歸來(lái)時(shí)，把原來(lái)存儲(chǔ)的圖像和所見到的圖像進(jìn)行對(duì)比，直到兩個(gè)圖像達(dá)到一致，由此判斷自己的蜂巢。CompanyLogo(4)螃蟹的橫行—磁性粒子“指南針”定位作用的紊亂(5)海龜在大西洋的巡航—頭部磁性粒子的導(dǎo)航(6)蓮花效應(yīng)—蓮花出污泥而不染荷葉葉面上存在著非常復(fù)雜的多重納米和微米級(jí)的超微結(jié)構(gòu)。表面上有許多微小的乳突，乳突的平均大小約為10微米，平均間距約12微米。而每個(gè)乳突有許多直徑為200納米左右的突起組成的。

CompanyLogoCompanyLogo(7)壁虎飛檐走壁每只腳底部長(zhǎng)著數(shù)百萬(wàn)根極細(xì)的剛毛，而每根剛毛末端又有約400根至1000根更細(xì)的分支。這種精細(xì)結(jié)構(gòu)使得剛毛與物體表面分子間的距離非常近，從而產(chǎn)生分子引力。CompanyLogo11.1.2納米科技

所謂納米科學(xué)，是指研究納米尺寸范圍在0.1一100mm之內(nèi)的物質(zhì)所具有的物理、化學(xué)性質(zhì)和功能的科學(xué)。納米科技大致涉及以下七個(gè)分支：納米材料學(xué)、納米電子學(xué)、納米生物學(xué)、納米物理學(xué)、納米化學(xué)、納米機(jī)械學(xué)、納米加工及表征。CompanyLogo11.1.3納米材料研究與發(fā)展人工制備納米材料的歷史至少可以追溯到1000年以前。當(dāng)時(shí)，中國(guó)人利用燃燒的蠟燭形成的煙霧制成炭黑，作為墨的原料或著色染料，科學(xué)家們將其譽(yù)為最早的納米材料。古代的銅鏡表面防銹層是由SnO2顆粒構(gòu)成的薄膜，遺憾的是當(dāng)時(shí)人們并不知道這些材料是由肉眼根本無(wú)法看到的納米尺度小顆粒構(gòu)成。CompanyLogo

19世紀(jì)末至20世紀(jì)中葉，隨著膠體化學(xué)(colloidchemistry）的建立，科學(xué)家們開始對(duì)1-100nm的粒子系統(tǒng)進(jìn)行研究。1940年Ardeume首次采用電子顯微鏡對(duì)金屬氧化物的煙狀物進(jìn)行了觀察。1945年Balk提出在低壓惰性氣體中獲得金屬超微粒子的方法。CompanyLogo1959年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者理查德費(fèi)曼預(yù)言納米材料異乎尋常的特性，被科學(xué)界譽(yù)為納米技術(shù)萌芽的標(biāo)志。CompanyLogo

1962年Kubo及其合作者針對(duì)金屬超微粒子的研究提出了著名的Kudo理論，即超微粒子的量子限域理論。20世紀(jì)70-80年代初，科學(xué)家對(duì)一些納米顆粒的結(jié)構(gòu)、形態(tài)和特性進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究。描述金屬顆粒費(fèi)米面附近電子能級(jí)狀態(tài)的Kubo理論日臻完善，在用量子尺寸效應(yīng)解釋某些特性時(shí)獲得成功。CompanyLogo1990年，在美國(guó)巴爾的摩召開國(guó)際第一屆納米科技材料學(xué)會(huì)議，正式把納米材料科學(xué)作為材料科學(xué)的一個(gè)新分支公布于世。這標(biāo)志著納米材料學(xué)作為一個(gè)相對(duì)比較獨(dú)立學(xué)科的誕生，納米材料引起了世界各國(guó)材料界和物理界的極大興趣和廣泛重視。CompanyLogo11.2納米結(jié)構(gòu)單元11.2.1原子團(tuán)簇和納米微粒原子團(tuán)簇是20世紀(jì)80年代出現(xiàn)的一類新的化學(xué)物種，通常是指幾個(gè)到幾百個(gè)原子的聚集體（粒徑小于或等于1nm）。如Fen、CunSm（n和m都是整數(shù)）和C60、C70等碳簇。CompanyLogo11.2納米結(jié)構(gòu)單元11.2.1原子團(tuán)簇和納米微粒納米顆粒是指顆粒尺寸處在納米數(shù)量級(jí)的超細(xì)微粒。其尺度大于原子團(tuán)簇，小于通常的微粉，一般在1-100nm之間。日本名古屋大學(xué)上田良二教師給納米顆粒定義：用電子顯微鏡能看到的微粒。CompanyLogoCompanyLogo李亞棟Nature2005CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo通常，分散性好的納米粒子在良溶劑中不會(huì)沉淀，而且具有透光性。CompanyLogoCompanyLogo11.2.2一維納米材料1991年日本NEC公司飯島（Ijima）等人發(fā)現(xiàn)納米管以來(lái)，一維納米材料（納米管、納米絲、納米棒和同軸納米電纜）的制備研究已有大量報(bào)道。如WS2、MoS2、BN、NiCl4納米管。應(yīng)用：STM的針尖；納米器件；超大集成電路中的連線；光導(dǎo)纖維；微型鉆頭；復(fù)合材料的增強(qiáng)劑CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo11.2.3納米薄膜材料納米薄膜是指由尺寸在納米量級(jí)的晶粒（或顆粒）構(gòu)成的薄膜以及每層厚度在納米量級(jí)的單層或多層膜，有時(shí)也稱為納米晶粒薄膜和納米多層膜，其性能主要依賴于晶粒（顆粒）尺寸、膜的厚度、表面粗糙度及多層膜的結(jié)構(gòu)。CompanyLogo關(guān)于納米薄膜有多種分類方法：（1）按薄膜的用途可分為：

納米功能薄膜和納米結(jié)構(gòu)薄膜納米結(jié)構(gòu)薄膜：通過納米粒子復(fù)合，對(duì)材料進(jìn)行改性，以提高材料的機(jī)械性能為主要目的的薄膜。納米功能薄膜：利用納米粒子所具有的力、電、光、磁等方面的特性，通過復(fù)合制作出同基體功能截然不同的薄膜。CompanyLogo（2）按構(gòu)成和致密度可分為顆粒膜與致密膜顆粒膜是納米顆粒粘在一起，中間有極為細(xì)小的間隙的薄膜。致密膜是指膜層致密但晶粒尺寸為納米級(jí)的連續(xù)薄膜。CompanyLogo（3）按納米薄膜的沉積層數(shù)，可分為納米單層薄膜和納米多層薄膜。納米多層薄膜包括我們平常所說(shuō)的“超晶格”薄膜，它一般是由幾種材料交替沉積而形成自交替變化的薄膜，各層厚度均為nm級(jí)。組成納米單層薄膜和納米多層薄膜的材料可以是金屬、半導(dǎo)體、絕緣體、有機(jī)高分子，也可以是它們的多種組合。CompanyLogo（4）按薄膜的應(yīng)用性能可分為：納米磁性薄膜納米光學(xué)薄膜納米氣敏膜納米潤(rùn)滑膜納米多孔膜等。CompanyLogo納米薄膜的用途（1）利用納米薄膜吸收光譜的藍(lán)移與紅移特性，人們已制造出了各種各樣的紫外吸收薄膜和紅外反射薄膜，并在日常生產(chǎn)、生活中取得應(yīng)用。如在平板玻璃的兩面鍍制的TiO2納米薄膜，在紫外線作用下，該薄膜可分解沉積在玻璃上的有機(jī)污物，氧化室內(nèi)有害氣體，殺滅空氣中的有害細(xì)菌和病毒。CompanyLogo（2）在燈泡罩內(nèi)壁涂敷的納米SiO2和納米TiO2微粒多層干涉膜，燈泡透光率好，且具有很強(qiáng)的紅外線反射能力，可大大節(jié)約電能；（3）經(jīng)過納米復(fù)合的薄膜具有優(yōu)異的電磁性能，可對(duì)飛行器、重型武器等裝備起到隱身作用。CompanyLogo

（4）納米氧化鈦、氧化鉻、氧化鐵和氧化鋅等具有半導(dǎo)體性質(zhì)的粒子，加入到樹脂中形成涂層，有很好的靜電屏蔽性能；（5）納米結(jié)構(gòu)的Fe/Cr,Fe/Cu,Co/Cu等多層膜系統(tǒng)具有巨磁阻效應(yīng)，可望作為應(yīng)用于高密度存儲(chǔ)系統(tǒng)中的讀出磁頭、磁敏傳感器、磁敏開關(guān)等。CompanyLogo11.2.4納米塊體材料納米塊體材料，又可稱為納米固體材料或納米結(jié)構(gòu)材料，或簡(jiǎn)稱納米材料，它是由顆粒或晶粒尺寸為l~100nm的粒子凝聚而成的三維塊體。納米晶塊體材料具有特殊的結(jié)構(gòu)，不僅能作為優(yōu)良的功能材料，甚至可能成為一些特定用途的結(jié)構(gòu)材料或功能結(jié)構(gòu)雙用途材料。CompanyLogo11.3納米材料的結(jié)構(gòu)特征與奇異性能11.3.1結(jié)構(gòu)特征納米相材料的晶粒結(jié)構(gòu)主要是用透射電子顯徽鏡（TEM)、高分辨電鏡（HRTEM）直接觀察，也可以使用X射線衍射方法測(cè)定。CompanyLogo納米微粒一般為球形或類球形。也還具有各種其它形狀，這些形狀的出現(xiàn)與制備方法密切相關(guān)。例如，由氣相蒸發(fā)法合成的納米鉻微粒，當(dāng)鉻粒子尺寸小于20nm時(shí)，為球形，對(duì)于尺寸較大的粒子，為正方形或矩形，實(shí)際較子的形態(tài)是正方體或立方體。CompanyLogo11.3.2基本物性納米微粒具有大的比表面積，表面原子數(shù)、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加，表現(xiàn)出小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn)，從而導(dǎo)致納米微粒的熱、磁、光、敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同于常規(guī)粒子。CompanyLogo

基本物理效應(yīng)（1）小尺寸效應(yīng)當(dāng)納米粉體的粒徑小到與其德布羅意波長(zhǎng)或光波波長(zhǎng)相當(dāng)或更小時(shí)，聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性均會(huì)呈現(xiàn)新的尺寸效應(yīng)。

由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。CompanyLogo1）例如納米銅粉、納米金粉和納米銀粉將不再分別呈現(xiàn)其特有的赤銅、金黃和銀白色的金屬光澤，而統(tǒng)統(tǒng)變?yōu)楹谏?，且顆粒越小，顏色越黑。2）納米金屬粉末的熔點(diǎn)也會(huì)明顯降低。例如塊體金（Au）的熔點(diǎn)為1064℃，而10nm的金粉的熔點(diǎn)卻為940℃，2nm的金粉的熔點(diǎn)則下降為327℃。納米銀（Ag）粉的熔點(diǎn)則會(huì)從塊體銀的961℃降到100℃以下。CompanyLogo（2）表面效應(yīng)表面效應(yīng)是指納米粒子的表面原子數(shù)與總原子數(shù)之比隨著納米粒子尺寸的減小而大幅度地增加，粒子的表面能及表面張力也隨著增加，從而引起納米粒子性質(zhì)的變化。CompanyLogo

納米粒子具有許多懸空鍵，并具有不飽和的性質(zhì)，因此極易與其它原子結(jié)合而趨于穩(wěn)定。所以，納米粒子具有很高的活性。例如納米金屬粉體在空氣中迅速氧化燃燒。表面能d比表面積表面原子活性穩(wěn)定性金屬納米粒子自燃催化劑CompanyLogo3）量子尺寸效應(yīng)當(dāng)粒子尺寸下降到某一值時(shí)，費(fèi)米能級(jí)附近的電子能級(jí)由準(zhǔn)連續(xù)變?yōu)殡x散能級(jí)的現(xiàn)象和納米半導(dǎo)體微粒存在不連續(xù)的最高被占據(jù)分子軌道和最低未被占據(jù)的分子軌道能級(jí)，能隙變寬現(xiàn)象均稱為量子尺寸效應(yīng)。

例如金屬為導(dǎo)體，但納米金屬微粒在低溫由于量子效應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)電絕緣性。CompanyLogo久保理論（公式）：

對(duì)于宏觀物體，它包含無(wú)限個(gè)原子(即導(dǎo)電電子數(shù)N

)，由上式可得能級(jí)間距

0，即對(duì)大粒子或宏觀物體能級(jí)間距幾乎為零；對(duì)納米微粒，所包含原子數(shù)有限，N值很小，這就導(dǎo)致有一定的值，即能級(jí)間距發(fā)生分裂。

CompanyLogo4）宏觀量子隧道效應(yīng)微觀粒子具有穿透勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。一些宏觀量，如磁化強(qiáng)度、磁通量也具有隧道效應(yīng)，稱為宏觀隧道效應(yīng)。宏觀量子隧道效應(yīng)的研究對(duì)基礎(chǔ)研究及實(shí)用都具有著重要意義。它限定了磁帶、磁盤進(jìn)行信息存儲(chǔ)的時(shí)間極限。CompanyLogo

基本物理性質(zhì)1）熱學(xué)性能納米微粒的熔點(diǎn)比常規(guī)塊體的熔點(diǎn)低得多。由于顆粒粒徑小，納米微粒的表面能高、比表面原于數(shù)多，這些表面原子近鄰配位不全，活性大以及體積遠(yuǎn)小于大塊材料。因此，納米粒子熔化時(shí)所需增加的內(nèi)能小得多，這就使得納米微粒熔點(diǎn)急劇下降。CompanyLogo金納米顆粒的熔點(diǎn)與顆粒尺寸關(guān)系2nm的金顆粒的熔點(diǎn)僅為600K，而塊狀金的熔點(diǎn)卻高達(dá)為1337K；納米金屬銀粉的熔點(diǎn)也只有373K；而常規(guī)銀的熔點(diǎn)為1173K左右；大塊鉛熔點(diǎn)為600K，20nm球形鉛微粒的熔點(diǎn)低于288K。常規(guī)氧化鋁燒結(jié)溫度為1800-1900℃，納米氧化鋁可以在1150-1500℃燒結(jié)，致密度可達(dá)99.7%。CompanyLogo納米微粒熔點(diǎn)下降，對(duì)粉末冶金工業(yè)具有很大的吸引力一般Al2O3

或Si3N4

粉末

燒結(jié)溫度

2073~2173K

>2273K

致密陶瓷材料納米Al2O3

或Si3N4

粉末

燒結(jié)溫度

1423~1773K

673K~773K

致密陶瓷材料

（耗能耗時(shí)）

（節(jié)能省時(shí)）CompanyLogo2）磁學(xué)性能納米微粒奇異的磁特性主要表現(xiàn)在它具有超順磁性或高的矯頑力。例如α-Fe、四氧化三鐵、α-三氧化二鐵分別為5nm、16nm和20nm時(shí)進(jìn)入超順磁體。各種材料磁性質(zhì)的比較CompanyLogo3）光學(xué)性能①寬頻帶強(qiáng)吸收納米微粒對(duì)光的反射率低(如鉑的納米微粒僅為1%),吸收率高,因此，金屬納米微粒幾乎都呈黑色。納米粉CompanyLogo②藍(lán)移現(xiàn)象如納米SiC的紅外吸收頻率比大塊SiC藍(lán)移20cm-1。納米Si3N4則藍(lán)移14cm-1。電子的能級(jí)或能帶與組成材料的顆粒尺寸有密切的關(guān)系。隨顆粒尺寸減小，能隙加寬，發(fā)生藍(lán)移。CompanyLogo③發(fā)光現(xiàn)象光致發(fā)光譜(a)2.3nm(b)4.2nm(c)4.8nm(d)5.5nmSi顆粒STMCompanyLogo4）電學(xué)性能隨粒子尺寸降到納米數(shù)量級(jí)，金屬由良導(dǎo)體變?yōu)榉菍?dǎo)體，而陶瓷材料的電阻則大大下降。銀是優(yōu)異的良導(dǎo)體，而10-15nm的銀微粒電阻突然升高，已經(jīng)失去了金屬的特征。CompanyLogo5）力學(xué)性能

高強(qiáng)度、高硬度，良好的塑性和韌性是納米材料引人注目的特性之一。①?gòu)?qiáng)度與硬度多晶材料的屈服應(yīng)力（或斷裂強(qiáng)度）與晶粒尺寸的經(jīng)驗(yàn)公式：即Hall-Petch關(guān)系（以下簡(jiǎn)稱H-P關(guān)系）。對(duì)多種納米材料的硬度和晶粒尺寸的關(guān)系研究發(fā)現(xiàn)，納米結(jié)構(gòu)材料的H-P關(guān)系存在正H-P關(guān)系（K>0)、反H-P關(guān)系（K<0)、正反混合H-P關(guān)（非單調(diào)性，出現(xiàn)拐點(diǎn)）以及非線性關(guān)系。CompanyLogo如粒徑為8nm的納米Fe晶體斷裂強(qiáng)度比常規(guī)Fe高12倍；同樣的，納米材料硬度較常規(guī)材料也有較大增強(qiáng)。如納米Cu(6nm）及Pd(5-10nm）樣品的硬度比粗晶Cu(50μm）及Pd(100μm）分別增加了5倍和4倍。塊體納米銅的超塑性CompanyLogo②塑性與韌性納米固體材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使它的塑性、沖擊韌性和斷裂韌性與常規(guī)材料相比有很大改善。如納米TiO2在900℃時(shí)斷裂韌性增加了50%，并且實(shí)現(xiàn)了在熔點(diǎn)以下的塑性形變。日本科學(xué)家在納米氧化鈦條狀試樣上進(jìn)行拉伸,其延伸率接近100%。納米SiC的斷裂韌性比常規(guī)材料提高100倍，粒徑為200~500nm的納米陶瓷表現(xiàn)出良好的超塑性等。CompanyLogo11.4納米材料的制備與合成納米材料其實(shí)并不神秘和新奇，自然界中廣泛存在著天然形成的納米材料，如蛋白石、隕石碎片、動(dòng)物的牙齒、海洋沉積物等就都是由納米微粒構(gòu)成的。人工制備納米材料的實(shí)踐1000年的歷史，中國(guó)古代利用蠟燭燃燒之煙霧制成炭黑作為墨的原料和著色的染料，就是最早的的人工納米材料。中國(guó)古代銅鏡表面的防銹層為納米SnO2顆粒構(gòu)成的薄膜。CompanyLogo11.4納米材料的制備與合成20世紀(jì)60年代，人們自覺地將納米微粒作為研究對(duì)象，用人工方法有意識(shí)地獲得納米粒子。一般將納米材料的制備方法劃分為：物理方法和化學(xué)方法兩大類。CompanyLogo11.4.1非晶晶化法目前較為常用的方法（尤其是用于制備薄膜材料與磁性材料）。它是通過非晶態(tài)固體的晶化動(dòng)力學(xué)過程使產(chǎn)物晶化為納米尺寸的晶粒，它通常由非晶態(tài)固體的獲得和晶化兩個(gè)過程組成。CompanyLogo非晶態(tài)固體可通過熔點(diǎn)急冷、高速直流濺射、等離子流霧化、固態(tài)反應(yīng)法技術(shù)制備。以上方法只能獲得非晶粉末、絲及條帶等低維材料，因而還需采用熱模壓實(shí)、熱擠壓或高壓燒結(jié)等方法合成塊體。

晶化通常采用等溫退火方法，近年來(lái)還發(fā)展了分級(jí)退火、脈沖退火、激波誘導(dǎo)等方法。CompanyLogo目前利用該法已經(jīng)制備出Ni,Fe,Co,Pd基等多種合金系列納米晶體，也可制備出金屬間化合物和單質(zhì)半導(dǎo)體納米晶體，并已發(fā)展到實(shí)用階段。中科院金屬所盧柯等人于1990年首先提出此法制備大塊納米晶合金。這種方法為直接生產(chǎn)大塊納米晶合金提供了新途徑。CompanyLogo近年來(lái)Fe-Si-B體系的磁性材料多由非晶晶化法制備。該法的特點(diǎn)是成本低，產(chǎn)量大，界面清潔致密，晶粒度變化易控制，并有助于研究納米晶的形成機(jī)理及用來(lái)檢驗(yàn)經(jīng)典的形核長(zhǎng)大理論在快速凝固下應(yīng)用的可能性。其局限性在于依賴于非晶態(tài)固體的獲得，只適用于非晶形成能力較強(qiáng)的合金系。CompanyLogo11.4.2機(jī)械球磨法自從Shingu等人1988年采用機(jī)械球磨法制備出Al-Fe合金以來(lái)得到了極大關(guān)注。它是一個(gè)無(wú)外部熱量供給的、干的球磨過程，是一個(gè)由大晶粒變?yōu)樾【Я５倪^程。利用球磨機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)使硬球（不銹鋼球、瑪瑙球、硬質(zhì)合金球等）對(duì)原料進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌、控制球磨溫度和時(shí)間，把金屬和合金粉末粉碎為納米級(jí)微粒的方法。CompanyLogoAviewoftheactioninajarmill,theimpactofthefallingballsgrindsthematerialintopowderCompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo振動(dòng)球磨振動(dòng)球磨主要是慣性式，球體的運(yùn)動(dòng)方向和主軸的旋轉(zhuǎn)方問相反，除整體的運(yùn)動(dòng)外，每個(gè)球還有自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而且振動(dòng)的頻率愈高，振動(dòng)愈激烈。隨著頻率增高。球體在內(nèi)部也會(huì)脫離磨筒發(fā)生拋射，對(duì)物料產(chǎn)生沖擊力。振動(dòng)球磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

CompanyLogo攪動(dòng)球磨攪動(dòng)球磨機(jī)的磨筒是用水冷卻的固定筒，轉(zhuǎn)子攪動(dòng)球產(chǎn)生相當(dāng)大的加速度傳給物料，因而對(duì)物料有較強(qiáng)烈的研磨作用。攪動(dòng)球磨除了用于物料粉碎和硬質(zhì)合金混合料的研磨外，也用于機(jī)械合金化生產(chǎn)彌散強(qiáng)化粉末以及金屬陶瓷等。攪動(dòng)球磨機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1-圓桶；2-冷卻套；3-冷卻劑入口；4-冷卻劑出口；5-軸‘6、7、8-水平攪拌轉(zhuǎn)子；9-研磨體

CompanyLogo原料一般選用微米級(jí)的粉體或小尺寸條帶碎片。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高，并且能制備出常規(guī)方法難以獲得的高熔點(diǎn)金屬和合金納米材料，成本較低，可合成單質(zhì)金屬納米材料，還可以通過顆粒間的固相反應(yīng)直接合成各種化合物，如大多數(shù)金屬碳化物、金屬間化合物等。缺點(diǎn)：過程中易引入雜質(zhì)、純度低、粒度分布也不均勻。CompanyLogo球磨前W顆粒球磨后W顆粒CompanyLogo11.4.3快速冷凝法

1963年由上田良二（Ryozi

Uyeda）及其合作者研制出，即通過在純凈的惰性氣體中的蒸發(fā)和冷凝過程獲得較干凈的納米顆粒。采用氣體冷凝法可通過調(diào)節(jié)惰性氣體的壓力、蒸發(fā)物質(zhì)的分壓即蒸發(fā)溫度或速率，或惰性氣體的溫度，來(lái)控制納米微粒粒徑的大小。此法特點(diǎn)是純度高、結(jié)晶組織好、粒度可控，但技術(shù)設(shè)備要求高。CompanyLogoCompanyLogo11.4.4氣-固生長(zhǎng)（VS）法1997年，美國(guó)哈佛大學(xué)Yang等用改進(jìn)的晶體氣-固生長(zhǎng)制備了定向排列的MgO納米絲。11.4.5冷變形法在非晶晶化法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種方法，在施加外界能量使非晶變形時(shí)，由于局部發(fā)熱而導(dǎo)致結(jié)晶轉(zhuǎn)變，從而獲得納米晶體組織。CompanyLogoCompanyLogo11.5納米材料的應(yīng)用由于納米微粒在磁、光、電、敏感等方面呈現(xiàn)常規(guī)材料不具備的特性，科學(xué)家預(yù)言，納米材料在21世紀(jì)將是“最有前途的材料”，納米技術(shù)甚至?xí)^計(jì)算機(jī)和基因?qū)W，成為“決定性技術(shù)”。納米材料在磁、熱、光、電材料、信息、能源、催化、陶瓷增韌、生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮舉足輕重的作用。CompanyLogo11.5.1納米相陶瓷增韌

納米陶瓷可能克服陶瓷材料的脆性，具有象金屬一樣的柔韌性和可加工性（理想）。所謂納米陶瓷，是指顯微結(jié)構(gòu)中的物相具有納米級(jí)尺度的陶瓷材料。許多專家認(rèn)為，如能解決單相納米陶瓷的燒結(jié)過程中抑制晶粒長(zhǎng)大的技術(shù)問題，則它將具有高硬度、高韌性、低溫超塑性、易加工等優(yōu)點(diǎn)。CompanyLogo納米微粒比表面積大并有高的擴(kuò)散速率，因而用納米粉體進(jìn)行燒結(jié)，致密化的速度快，·還可以降低燒結(jié)溫度，目前材料科學(xué)工作者把發(fā)展納米高效陶瓷作為主要的奮斗目標(biāo)。從應(yīng)用的角度發(fā)展高性能的納米陶瓷最重要的是降低納米粉體的成本，在制備納米粉體的工藝上要保證納米粉體的質(zhì)量，做到尺寸和分布可控，無(wú)一團(tuán)聚，能控制顆粒的形狀。CompanyLogo日本的新原皓一總結(jié)了幾種納米復(fù)合陶瓷的力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)納米復(fù)合技術(shù)使陶瓷基體材料的強(qiáng)度和韌性提高2-5倍，工作溫度提高25％-33%。在氧化物陶適量的納米顆粒后，強(qiáng)度和耐高溫性能明顯提高，如SiC(nm)/MgO納米復(fù)合陶瓷在1400℃仍然有600MPa的強(qiáng)度。CompanyLogo11.5.2納米磁性材料從應(yīng)用的角度納米磁性材料大致分為：納米微晶軟磁材料納米微晶永磁材料納米磁記錄材料納米磁性液體顆粒膜磁性材料巨磁電阻材料CompanyLogo（1)納米磁性記錄材料磁性納米微粒由于尺寸小、具有單磁疇結(jié)構(gòu)、矯頑力很高的特性。用它制作磁記錄材料可以提高