文档介绍：纳米金属材料:进展和挑战
一 引言
40 多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的
物理效应, 诸如某些相转变、 量子尺寸效应和有关的传输现象等, 只出现在含有缺陷的有序
固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度 (晶粒或晶畴直径或薄膜厚度) 达到某种
特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等) ,材料的性能将不仅依赖
于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此, hgleitcr
认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料 [ 例
如,由 50%( in vol .)的非共植晶界和 50%( in vol .)的晶体构成] ,其结构将与普通多
晶体(晶粒大于 lmm )或玻璃(有序度小于 2nm )明显不同,称之为 " 纳米晶体材料 "
(nanocrystalline materials )。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小
于 100nn )的材料广义定义为 " 纳米材料 " 或 "纳米结构材料 "( nanostructured materials)。由于
其独特的微结构和奇异性能, 纳米材料引起了科学界的极大关注, 成为世界范围内的研究热
点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。
经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性
能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。 本文主要从材料
科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。
二 纳米材料的制备与合成
材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为 " 两步过程 "
和" 一步过程 "。" 两步过程 " 是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的
方法包括物理气相沉积( pvd)、化学气相沉积( cvd)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化
学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中, pvd 法以 " 惰性气体冷凝法 "最具
代表性。 " 一步过程 "则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接
制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑
动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面: l)
纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量; 2)纳米粉末的
固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。
三 纳米材料的奇异性能
1)原子的扩散行为
原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶
co 的自扩散系数比 cu 的体扩散系数大 14~ 16 个量级,比 cu 的晶界自扩散系数大 3 个量级。
纳米晶 pd 的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状
试样中的残留疏松的影响。 他们还报道了 fe 在非晶 fesibnbcu( finemete )晶化形成的复相纳
米合金(由 fe3si 纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成) 中的扩散要比在非晶合金中快 10 ~
14 倍,这是由于存在过剩的热平衡空位