第23卷第4期2002年7月

江苏大学学报(自然科学版)

Vol.23No.4July2002

块体纳米材料的研究现状与发展思路

居志兰,戈晓岚,许晓静

(江苏大学机械工程学院,江苏镇江212013)

[摘 要]块体纳米材料的制备技术及性能研究,是当前纳米材料领域内的一个热点 块体纳米材料具有奇异的结构和特殊性能,其在力学、电学、光学和磁学等方面发生了巨大的变化 文中较为详细地介绍了国内外块状纳米材料的制备技术 针对块体纳米材料加工过程中存在热稳定性及致密性等两个主要问题进行了探讨,提出了通过加入第二相微粒、强烈塑性加工措施来改善块体纳米材料的热稳定性;采用烧结、挤压辅助工艺来提高块体纳米材料的致密性的方案 [关键词]块体纳米材料;热稳定性;超塑性;强烈塑性加工

[中图分类号]TB311 [文献标识码]A [文章编号]1671-7775(2002)04-0047-05 块体纳米材料是晶粒尺寸小于100nm的多晶体,其晶粒细小,晶界原子所占的体积比很大,具有巨大的颗粒界面,原子的扩散系数很大等独特的结构特征,其表现出一系列奇异的力学及理化性能 文中简要介绍块体纳米材料的性能特点、制备技术、存在问题及相应解决方案

界面的各向同性以及在界面附近很难有位错塞积发生,应力集中减小,裂纹的出现与扩展的概率也大大

减低 例如,当热处理温度为1073~1273K时,纳米TiO2晶粒小于100nm,断裂韧性为28MPa m1/2,比常规TiO2多晶和单晶的高 因为组织超细化,有利于晶界滑移,其材料的超塑性好[2] 常规的陶瓷材料不可能出现超塑性,但纳米陶瓷材料因有良好的界面延展性,在烧结过程中控制颗粒尺寸在50~100nm,是完全有可能获得良好超塑性陶瓷材料的

1 3 扩散率和电导率

块体纳米材料的结构与原子排列的特殊性,使其内部的原子输送出现异常现象,其扩散系数是常规块体的1016~1019倍[2],是沿晶扩散的1000倍 大的界面分数导致了纳米固体具有高的电导率,如块体纳米Si的室温电导率为10-2( m)-1,比非晶Si(10~10( m))和微晶Si(10~10( m)-1)的电导率分别大5个和3个数量级[2]

-7

-8

-1

-5

-7

1 块体纳米材料的性能特点

块体纳米材料具有高浓度晶界、晶粒极小而均匀、晶粒表面清洁等特殊的结构,而这种结构的特殊性也使得这类材料与传统材料相比具有优异的性能 同时组成块体纳米材料的小颗粒自身具有小尺寸效应、量子效应、宏观隧道效应、表面和界面效应,从而使其具有特殊性能 1 1 强度、硬度

构成块体纳米材料的单元 超微颗粒由宏观尺寸进入纳米级范围,由于低能重位晶界大大增加,材料的界面强度也增加,因此其块体材料的强度和硬度高 纳米陶瓷材料和纳米金属材料的强度和硬度可达普通粗晶材料的5倍左右1 2 韧性、超塑性

[1]

1 4 其他特性

热学性能方面,块体纳米材料与同类粗晶和非晶相比,比热大,热膨胀系数大,比表面积大,其熔点要低得多,而磁化率比相应的晶态磁化率高得多,如纳米Sb的磁化率为20!10,晶态Sb为-1!10-5 而且块体纳米材料的光吸收性好 由于晶粒边界原子体积的增加,纳米材料的电阻高

[3]

-5

一般说来,延展性好的材料强度较低,而强度高的材料延展性较差 但纳米材料的特殊构成及大的体积百分数的界面,使它的塑性、冲击韧性和断裂韧性与常规材料相比有很大改善 纳米结构材料中的

[收稿日期]2002-03-04

[作者简介]居志兰(1976-),女,江苏高邮人,江苏大学硕士生