金属纳米晶的界面热力学及热稳定性研究.pdf

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超薄纳米晶Zr-N扩散阻挡性能及其热稳定性的研究

ａ的ｎ型Ｓ（０）片上沉积厚度为２ｎ的Ｚ＿ｍｉ１０基５ｍｒＮ薄膜。基片放入真空室前在超声波清洗器中依次用丙
和Ｃｕ膜间制备了２ｎ的纳米晶Ｚ－阻挡层，ｕ５ｍｒＮＣ／
Ｚ－ｓ样品在高纯氮气保护பைடு நூலகம்下退火至７０。用四ｒＮ／ｉ０℃
文章编号：０１９３（０８０－５５０１０－７１２０）９１４－４
Ｃ／ｒＮ（ｏ／ｉ了考察Ｎ２ｕＺ－一５ｖ）ｓ。为分压对Ｚ－薄膜ｒＮ
电阻率的影响，衬底不加热和一１０偏压的条件在０Ｖ下，／Ｎ：Ｎ：（＋Ａｔ）１变化到２。，由５５用Ｓ－ＤＹ４型数字式四探针测试仪测定薄膜的方块电阻，Ｘ’ ｅｔｒ用ＰｒＰｏ型Ｘ射线衍射仪分析薄膜的结
构，ａｔ０Ｑｕｎａ２０型扫描电子显微镜观察薄膜的表面形貌，Ａ一用ＪⅢ型原子力显微镜观察薄膜的表面形貌，用ＭｉｏＬｂ３０ｃ－ａ１Ｆ型ＡＥｒＳ研究薄膜的原子深度分布。
物［。Ｃ。ｉ１ｕＳ的存在使连线中的电流密度下降几个数］量级，造成整个布线系统的电学性能完全失效。因此在Ｃｕ和ｓ之间插入合适的扩散阻挡层抑制Ｃｉｕ的扩散成为热点课题。难熔金属及其氮化物由于其良好的热稳定性和电学性能一直是阻挡层材料的研究热点［２叫。目前被用作Ｃｕ布线扩散阻挡层的材料主要

纳米材料的界面效应及其性能研究

纳米材料的界面效应及其性能研究随着纳米科技的发展，纳米材料的应用越来越广泛。

然而，与传统材料相比，纳米材料具有更高的表面能和更强的表面反应性，界面效应对其性质和应用产生了重要影响。

因此，研究纳米材料的界面效应是非常重要的。

一、纳米材料的界面效应界面是两个或多个材料之间的交界处，表面是材料与外界或其他介质之间的界面。

对于纳米材料而言，表明与界面之间的比例更大，并且具有更高的表面能和更强的表面反应性，因此界面效应对于纳米材料的性质和应用产生极大的影响。

纳米颗粒之间的界面效应主要表现为以下三种情况：1. 晶界效应晶界是晶粒之间的界面，是晶体材料中的重要界面。

对于纳米晶体，晶界面积占材料总表面积的比例远高于大晶粒材料。

晶界特有的原子排布和局部表面结构使晶界具有非常独特的结构和物性，在纳米晶体的性质和应用研究中起着至关重要的作用。

2. 表面效应表面效应是指由于纳米晶体的表面高比表面积，导致表面原子比体积原子更加活泼，更容易发生化学反应和吸附反应。

表面吸附可使晶体的光学、电学、磁学等性质发生变化，例如经典的量子尺寸效应和磁阻效应。

3. 界面效应界面是两种或多种不同材料之间的交界处。

当纳米材料作为复合材料的组分时，不同材料之间的相互作用就能够产生明显的界面效应，从而影响到整个复合材料的性能。

同时，纳米材料的表面、晶界也是界面，因此也存在所谓的表面界面效应。

二、纳米材料性能的界面效应设计界面效应对于纳米材料的应用和设备设计产生了很大的影响。

通过调控纳米材料的界面效应，可以实现对其性能的各种调控，为纳米材料的应用和设备设计提供了新的思路和方法。

1. 超分子表面修饰超分子表面修饰是利用有机分子与纳米材料表面相互作用的方法，在纳米颗粒表面形成超分子结构，从而改变纳米颗粒的表面性质。

超分子表面修饰可以提高纳米颗粒的分散性，延长其使用寿命，同时也能够调节纳米颗粒的光学、电学、磁学、生物学等性质。

例如，将金纳米颗粒表面修饰为特定的生物分子，可以实现生物传感器的应用，种种多了才发挥出纳米材料的可塑性。

Cr-Si合金钢表面纳米晶热稳定性的研究

ｃａａｔｒｚｄｂｉＲａｆｒｃｉｎ（ｈｒｃｅｉｅｙｕｓｎｇＸ— ｙＤｉｆａｔｏＸＲＤ）ａｄＴｒｓｉｓｏｅｔｏｉｒｃｐｙ（ｎａｎｍｓｉｎＥｌｃｒｎＭｃｏｓｏＴＥＭ）．Ｅｘ—
Ａｂｔａｔｓｒｃ：ＡａｏｃｙｓａｌｕｒａｅｌｙｒＷ３ａｉａｅｎ３ｃｏ～ｉｉｏｎａｌｙｓｅｌｓｎｇＳｕｐｒｎｎｒｔｌｉｓｆｃａｅＳｆｂｒｃｔｄｏｈｒｍｅｓｌｎｅｃｌｏｔｅｕｉｅ— ｓｉｎｅＰａｔｃｅｍｂａｄｎｔ（ｏｎｃＦｉｒｉｌｓＢｏｒｍｅＳＦＰＢ）ＴｈｅｇｒｉｉｅｏｈｅｔａｃｙｔｌｉｅｌｙｒＷ３ｂｔ．ａｎｓｚｆｔｏｐｎｎｏｒｓａｌａｅＳａｏｕｎ
摘要：用超音速微粒轰击技术在Ｃ－ｉ金钢的表面制备了纳米结构层。最表面层的晶粒尺寸约为１ｎ采ｒ合Ｓ６ｍ。利用ｘ射线衍射（Ｒ）术和透射电镜（Ｅ）析技术对退火后表面纳米晶的结构变化进行分析。结果显示：ＸＤ技ＴＭ分当温度低于
维普资讯
２２
材料工程／２０年８０８期
பைடு நூலகம்
Ｃ —ｉ金钢表面纳米晶热稳定性的研究ｒＳ合
ＴｈｒａａｉｉｙｏｆＮａｏｃｙｓａｌｔｎＳｕｒａｅＬａｅｅｍｌＳｔｂｌｔｎｒｔｌｉｅｉｆｃｙｒ

纳米材料的物理性能.

《材料科学前沿》学号：S1*******流水号：S2*******姓名：张东杰指导老师：郝耀武纳米晶材料的物理性能摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。

纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。

本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。

关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能1、引言纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。

由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。

因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。

纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。

实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。

对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。

纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。

纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。

纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。

当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。

又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。

我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。

利用综合热分析仪研究纳米金属材料的热稳定性

利用综合热分析仪研究纳米金属材料的热稳定性邓晓燕1,2(1 青岛科技大学环境与安全学院,青岛,266042;2 中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,青岛,26610)摘要以氢电弧等离子体法制备的纳米铜和以惰性气体蒸发法制备的纳米铅和铋为研究对象,利用综合热分析仪(差示扫描量热-热重联用仪,简称DSC -T G)对其热性能进行了表征。

实验结果表明,纳米铅和铋在氧化膜受到破坏后,表现出极强的吸附和化学活性,熔点和熔化焓比粗晶材料降低,熔化成液态的热性能也与粗晶材料的不同;不同H 2/A r 比例工艺条件制备的两种纳米铜(1#和2#),熔化过程存在显著的不同,含氢量少的1#纳米铜比含氢量多的2#纳米铜热稳定性好。

关键词纳米金属粗晶材料 D SC 曲线 T G 曲线作者简介:邓晓燕,女,1973年出生,青岛科技大学环境与安全学院,副教授,中国海洋大学在读博士,主要研究方向:纳米材料热性能和环境监测技术。

E mail:den g_xiao_yan @1 引言纳米金属由于粒径尺寸减小,表面原子数的相对比例增加,表面能和表面张力也随之增加,这种形态的变化反馈到物质结构和性能上就会显示出奇异的效应,如:小尺寸效应、表面效应和量子效应等[1,2]。

随着纳米金属粉末粒径的下降,表面原子数急剧增加,有可能导致纳米金属粉末的熔点、烧结温度和晶化温度都比块体材料低得多。

但是到底能低多少?这种降低是由纳米材料的量子效应引起的,还仅仅是粉末材料与块体材料相比少量的降低?与粗晶材料相比,纳米材料的热稳定性如何?有什么特殊性?这些都是纳米材料应用中的关键性问题。

热分析法是在程序控制温度下,测量物质的物理性质与温度关系的一种技术。

它是研究材料热性能最重要的工具,但是用于研究纳米金属的热性能尤其熔化过程却比较少。

只有楚广[3,4]等研究了纳米铝,夏辉[5]等研究了纳米锌,颜秀文[2]等研究了纳米Ag -Cu -In -Sn 合金在熔化过程中的热稳定性。

界面热力学（PDF）

固-液界面能的计算
纯金属的固-液界面能计算
金属凝固过程中产生固-液界面，其界面能对金属的形核及晶核的长大有很大的影响。
由形核实验中总结出来的液-固界面能公式为：
ls
0.45
H sl A
其中，Hsl为摩尔熔化热，A为摩尔原子面积。
A
bN
1/ A
3V
2
/
3
b为单层原子排列系数；NA为阿伏伽德罗常数；V为固态金属的摩尔体积。
ZsN
2
在原子密排面上Zs最小，因而最小。
对于简单立方晶体，其（100）面上单位面积的原子数N=1/a2,故其（100）面上的表面能为
(100)
2a2
固体和液体表面能的计算
2、晶体表面能的各向异性
对于晶面指数为（h,k,l）的外表面，可以推得其表面能为
(hkl)
2a2
f (a1, a2 )
gb
gb ss
H ssgb
ZN A 2
H m 2
ZN A 2
Hm ZN A
gb：晶界相（非晶态，gb） ss：晶内相（晶态，ss）
随机晶界的三原子层模型
晶界能的计算
晶体与晶界相的摩尔体积相差很小，设均为Vm，则存在于3个原子间距的单位面积的“薄膜”（晶界）中的原子总数为3(NA/Vm)2/3。
能，即：
U UII UI W 2 A
U /(2A) (1)
热力学能的增量可由断键键能的总和来确定：
U
2
1 2
Zs AN
Zs AN
(2)
Zs为晶体断面上每个原子最近邻相
对于晶内最近邻原子数Z减少的个数；
N为晶体表面单位面积的原子数；

纳米材料的热稳定性能研究方法

纳米材料的热稳定性能研究方法一、引言纳米材料是具有独特性质和广泛应用潜力的材料，然而其热稳定性能一直是一个重要的研究课题。

准确评估纳米材料的热稳定性能对于科研和工程应用具有重要意义。

本文将介绍一些常用的纳米材料热稳定性能研究方法。

二、热重分析法（Thermogravimetric Analysis，TGA）热重分析法是一种常见的用于评估材料热稳定性能的方法。

该方法通过监测材料随温度变化时的质量变化来研究其热解降解性能。

在实验中，纳米材料样品被放置在热重分析仪中，升温速率逐渐增加，记录材料随温度的质量变化情况。

通过分析质量变化曲线，可以确定纳米材料的热分解特性和热稳定性能。

三、差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry，DSC）差示扫描量热法是通过测量材料在升温或降温过程中吸热或放热的量来研究其热稳定性能。

在实验中，纳米材料样品被放置在差热分析仪中，以恒定的升温或降温速率进行实验。

通过测量样品吸热或放热的大小和温度变化的关系，可以确定纳米材料的热分解反应特性和热稳定性能。

四、差示扫描量热法联用质谱技术（DSC-MS）差示扫描量热法联用质谱技术（DSC-MS）是将差热分析仪与质谱仪结合起来，用于研究纳米材料的热稳定性能和分解产物。

通过联用质谱仪，可以实时监测热分解过程中释放的气体，并对其进行分析和鉴定。

这种方法可以帮助确定纳米材料的热分解反应路径和产物生成机理。

五、红外光谱法（Infrared Spectroscopy，IR）红外光谱法是一种常用的评估材料热稳定性能的方法之一。

该方法通过检测材料在不同温度下红外光谱的变化，来研究其热解降解反应和分子结构的变化。

通过分析红外光谱的吸收峰位置和强度变化，可以确定纳米材料的热稳定性能和降解机制。

六、X射线衍射法（X-ray Diffraction，XRD）X射线衍射法是一种广泛应用于纳米材料研究的方法，同时也可以用于研究纳米材料的热稳定性能。

AZ91D镁合金表面纳米晶的热稳定性能研究

AZ91D镁合金表面纳米晶的热稳定性能研究作者：黄晶晶来源：《科技风》2021年第14期摘要：本文着重研究了经过激光冲击强化（LSP）引起的AZ91D镁合金表面纳米晶层的热稳定性。

透射电子显微镜（TEM）和X射线衍射装置（XRD）进行LSP后以表征AZ91D镁合金的微观结构的变化。

用差热显示仪（DSC）和热重分析法（TGA）检测了非晶态镁合金在LSP后的结晶温度和焓。

结果表明，经过激光冲击强化技术的镁合金AZ91D表面上产生的纳米晶尺寸平均为40～50nm。

纳米晶可以在200℃之前保持稳定，并在200℃至300℃之间缓慢生长。

当退火温度超过300℃时，处于亚稳态的纳米晶粒开始急剧生长，这主要是由于输入能量足以使晶界发生迁移。

关键词：激光冲击强化;AZ91D镁合金;结晶温度;纳米晶粒;晶界1绪论由于低密度和高强度重量比，镁合金已广泛应用于电子、汽车和航空航天工业。

然而，镁合金显示出低硬度和差的耐腐蚀性，严重限制了它们在工业实践中的潜在用途激光冲击强化技术是一种新的表面处理技术，这利用大功率短激光脉冲产生的高强度冲击波来有效改善金属材料的机械性能，例如强度、硬度和耐腐蚀性，尤其是抗疲劳断裂性[1]。

晶粒尺寸效应是纳米晶体材料最重要的性能]。

由于细晶粒和大体积分数的晶界，纳米材料具有独特的物理和机械性能。

热稳定性直接影响表面纳米结晶样品的应用范围和使用环境。

但是，随着温度的升高，纳米结构将失去稳定性，高密度晶界将明显降低。

一旦表面纳米晶体变成粗晶粒，其独特而卓越的性能就会消失。

已经发现，纳米晶材料相对于粗晶粒材料表现出优异的性能。

由激光冲击强化技术诱导的表面纳米结晶可在不改变化学成分和材料形状的情况下极大地提高表面性能。

然而，由纳米晶体引起的表面性能的改善可以使材料在应用中具有良好的热稳定性，并且纳米晶材料的热稳定性会随合金中产生的不同纳米晶体结构而变化。

2实验过程AZ91D镁合金的标称化学成分为（重量%）：8.59.5Al，0.90.95Zn，0.170.40Mn，≤0.05Si，≤0.025Cu，≤0.001Ni，≤0.004Fe和余量Mg。

纳米材料的热力学性质分析

纳米材料的热力学性质分析纳米材料是一种具有特殊结构和性质的材料，其尺寸范围在纳米级别。

由于纳米材料的尺寸效应和表面效应的存在，其热力学性质与宏观材料有很大差异。

本文将从纳米材料的熵、内能和自由能三个方面来分析其热力学性质。

首先，我们来看纳米材料的熵。

在宏观物体中，熵是描述系统无序程度的变量。

然而，在纳米尺度下，纳米材料的表面积增大，原子之间的相对位置变得更加复杂，系统的无序性增加。

因此，纳米材料的熵相对于宏观材料来说更大。

这也意味着纳米材料更容易发生相变和热力学过程，其对外界环境的敏感性也大大增强。

其次，我们研究纳米材料的内能。

内能是一个系统所包含的全部能量，包括系统的热能和势能。

由于纳米材料的尺寸效应，其内能与宏观材料相比也有所不同。

尺寸效应是指由于纳米材料的尺寸特征不同，其内部原子排列的方式和势场能量的分布也会发生变化。

举个例子，纳米金颗粒的表面原子会形成一层类似于固体的自由电子层，与周围原子产生强烈的相互作用。

这种电子层的存在对纳米材料的热力学性质产生了显著的影响，使其内能变化与宏观材料不同。

最后，我们关注纳米材料的自由能。

自由能是在恒温恒压条件下描述系统稳定性的指标。

与宏观材料不同，纳米材料的自由能受到尺寸效应和表面效应的影响。

由于纳米材料的比表面积大，表面原子和周围原子之间会产生较大的相互作用，导致纳米材料的自由能增大。

这种增大的自由能会导致纳米材料的稳定性降低，从而使其更容易发生相变和热力学过程。

总之，纳米材料的热力学性质与宏观材料存在很大差异。

纳米材料的熵相对较大，内能与宏观材料不同，并且自由能受到尺寸效应和表面效应的影响。

这些特性使得纳米材料对环境和外界条件更加敏感，容易发生相变和热力学过程。

研究纳米材料的热力学性质有助于深入理解纳米世界的奥秘，对于纳米材料的制备和应用具有重要意义。

纳米材料物理热学性质

纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。

由于纳米材料粒径小，比外表积大，处于粒子外表无序排列的原子百分比高达l 5 ～5 0 ％。

纳米粒子的这种特殊构造导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。

纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊构造使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有外表效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。

可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。

一热容1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。

1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果说明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比外表，当比外表远小于其物质的特征外表积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。

2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和外表相的热容之和，因为外表热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。

结合能确实比相应块体材料的结合能要低。

通过分子动力学方法，模拟Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定构造，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的奉献研究说明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。

金属纳米晶的界面热力学及热稳定性研究

上，选用ａＣ — ｏ纳米多晶体为研究对象，通过热力
理化学性能与传统粗晶材料有很大差异，如比热值升高、体弹性模量降低、热膨胀系数成倍增加，这
些性能差异与纳米晶中界面的热力学特性存在必然的联系．对于纳米晶界面的结构和特性已有较多研究，ＦｃｔＷａｎｒ最早应用晶界膨胀模型，分ｅｈ和ｇｅ别采用普适状态方程（ｎｖｒａｅｕｔｎｏｔｔ，ｕｉｅｓｌｑａｉｆｓａｅｏ
性的研究主要集中于纳米晶粒长大行为，而对纳米
晶热稳定性的内在热力学因素研究很少，尤其是对纳米晶失稳晶粒长大的热力学定量化描述至今几乎未见报道．纳米多晶体材料中晶界所占比例显著增加，其结构与能量状态必然对纳米晶粒长大行为产生重要影响．我们研究组对纳米多晶体热力学特性的初步计算表明，纳米尺度下随晶粒尺寸迅速增加将导致晶界自由焓的显著下降，即在一定条件下（内因如晶界结构、外因如驱动力、温度等因素），纳米晶粒存在突发快速长大的潜在趋势．本文在研究纳米晶界面热力学表征参量的基础
摘要
以六方相Ｃｏ为例，采用界面膨胀模型和普适状态方程，引用固体比热的Ｄｂｅ函数，模拟ｅｙ
计算了金属纳米多晶体界面的热力学性质，描述了纳米晶界面过剩焓、过剩熵和过剩Ｇｉｂｂｓ自由能随过剩体积的变化规律．利用界面过剩体积和过剩自由能的非单调关系，预测了发生失稳快速晶粒长大的临界过剩体积和临界温度．实验研究中发现的ａＣ－ｏ纳米晶在宽温度范围内退火时，在较低温区内

γ′-Fe4N纳米晶薄膜的磁性及热稳定性研究

关键词ｙ－ｅＮ薄膜；构；性；稳定性＇Ｆ结磁热
Ｏ１．０４．６１６；６８８文献标识码Ａ文章编号０５－７０２１）４０５ — ２１９（０００－６３００４中图分类号
磁性薄膜在磁记录介质、磁头材料等领域具有广泛的应用前景而备受关注．７－ｅＮ由于具有结＇Ｆ
收稿日期：０９０－６２０－５２．
基金项目：国家自然科学基金（批准号：０３０１资助．５８２０）
联系人简介：郑伟涛，，男博士，教授，博士生导师，主要从事功能材料和薄膜材料方面的研究． — ａ：ｔｅｇｌ．ｕｅＥｍｉｗｚｎ＠ｊｅ．ｌｌｈｕｄｌ
别于３０４０，０，０，００，０５０６０７０和８０ｏ０Ｃ下进行热处理，利用ＸＤ，ＳＭ和ＶＭ等测试手段对样品的结构、ＲＥＳ
形貌和磁性进行表征．结果表明，处理温度在３０～５０ｏ，＇ｅＮ纳米晶粒的界面处形成了Ｆ热００Ｃ时在－ＦｅＮ
王丽丽，安涛，宋立军，王欣，宫杰，郑伟涛
（．长春大学理学院，１长春１０２；．吉林大学材料科学与工程学院，３０２２长春１０１）３０２
摘要
采用直流磁控溅射方法，在Ｓ（０）单晶衬底上获得了Ｔ－ｅＮ纳米晶薄膜样品．将样品在真空中分ｉ１０＇Ｆ
Ｖ０＿ｌ３１２１００年４月
高等学校化学学报

热力学研究下金属合金的稳定性

热力学研究下金属合金的稳定性金属合金是现代工业中不可或缺的材料之一，其具有高强度、耐腐蚀、导电、导热等优良性能。

但是，金属合金也存在着一些问题，如晶界的强度、材料的稳定性等，这些问题的解决对于金属合金的应用有着重要的意义。

本文将以热力学为基础，探讨金属合金的稳定性。

一、热力学基础热力学是研究热现象和与热有关的其他能量转换的学科。

在化学和物理学等领域都有广泛应用。

热力学第一定律是能量守恒定律，它可以用来描述物理系统的能量变化。

热力学第二定律则是描述热量的不可逆性，在如何利用能量的过程和影响热力学体系状态的过程中具有重要作用。

在金属合金研究中，热力学定律可以帮助我们理解金属合金中微观结构的稳定性。

二、金属合金中微观结构的稳定性金属合金中的微观结构通常是由两种或两种以上的金属元素组成的晶体。

由于不同元素存在着不同的晶体结构、化学亲和力和原子半径等差异，所以金属合金的微观结构是复杂的，不同的配比会导致不同的晶体结构。

这些结构变化对于金属合金的力学性能、腐蚀性能等都有着重要的影响。

然而，金属合金中微观结构的稳定性也成为热力学研究的焦点。

在晶界处，由于晶界会破坏晶体的完整性，导致其力学性能下降。

因此，如何优化金属合金的微观结构，提高其稳定性是关键。

三、金属合金中的相变金属合金中的相变是指金属合金在不同温度和成分下形成各种不同的晶体结构。

金属合金的相变可以通过调整合金的成分、温度等条件来实现，从而达到优化微观结构的目的。

相变的热力学是相变研究的基础，在相变时，系统的热力学变化描绘了相变过程。

四、金属合金的平衡态和非平衡态在金属合金中，有两种重要的状态：平衡态和非平衡态。

平衡态是指当金属合金达到热力学稳定状态时的状态。

以某种金属合金为例，该合金的各个成分和晶体结构均处于稳定状态，任何扰动均会引起恢复的过程，这就是平衡态。

而非平衡态则是指金属合金状态在过程中无法达到平衡态。

这种状态标志着金属合金正经历着某种变化。

电沉积纳米晶Ni-19% Fe合金热稳定性研究

ｗａｎｅｔａｅ．ｌｙｒｓｔｅａｎｅｌｄｉｅｔｍｐｒｔｒａｇｆ７ —８３ＫｄｔｅｓｉｖｓｇｔｄＡｌｓｗｅｅｉｏｒｌａｎａｅｎｔｅｅａｕｅｒｎｅｏ３ｉｏｈｍｈ５７ａｎｈｇａｎｓｚｓｗｒａｙｅｙＸ－ａｉｒｃｏｃｎｑｅＴｅｇａｎｇｏｔｘｏｅｔａｄｔｅａｐｒｎｒｉｉｅｅｅａｌｚｄｂｒｙｄｆａｔｎｔｈｉｕ．ｈｉｒｗｅｐｎｎｐａｅｔｎｉｅｒｈｎｈａｔａｏｎｒｙｗｒｓｍａｅｙｔｅＡｒｈｎｕ — ｐｑａｏ．ｔａｏｎａｅｇａｎｇｏｈｃｖｔｎｅｅｇｅｅｅｔｔｄｂｒｅｉｓｔｅｅｕｔｎＩｓｕｄｔｔｉｒｗｔｉｉｉｉｈｙｉｗｆｈｔｒｈｎ
摘要：晶粒尺寸为一０姗的电沉积纳米晶Ｎ一９Ｆ合金的熟稳定性进行了研究。在５３—８３Ｋ温度范对２ｉ％ｅ１７７
围内对其进行等温退火，用ｘ射线衍射技术分析其晶粒尺寸，采根据Ａｒｅｉｓｔｅ公式计算晶粒生长指数及ｒｎｕ— ｐｈｙ
ｎｉｏｎａｙｄｆｓ．ａｄｇａｎｂｕｄｒｉｕｉｎｒｏ
ＫｅｒｓＮｉｋｌｒｎａｌｙ，ｅｍａｔｂｌ，ｎｏｒｓｌｎｙｗｏｄ：ｃｅ— ｏｌｏＴｒｌｓｉｔＮａｃｙｔｌｅｉｈａｉｙａｉ
ＡｂｔａｔＴｅｔｅｍａｔｂｌｙｏｎｅｅｔｄｐｓｅｉ１％Ｆｌｙｗｉｌｇａｎｓｚｆ一２ｍｓｒｃ：ｈｒｌｓａｉｔｆａｌｃｒｅｏｉｄＮ－９ｈｉｏｔｅａｌｔｒｉｉｅｏｏｌ０ｎ

纳米材料的热稳定性研究

纳米材料的热稳定性研究纳米材料作为一种新兴的材料形态，具有许多优异的性质和潜在的应用前景。

然而，随着其尺寸的减小，纳米材料的热稳定性成为一个重要的问题。

本文将就纳米材料的热稳定性进行探讨。

在纳米材料中，尺寸效应对热稳定性的影响是显著的。

以金属纳米颗粒为例，尺寸减小到纳米尺度后，其表面积相对于体积的比例增大。

这导致了纳米材料表面原子与周围环境之间的相互作用增强。

当纳米颗粒受到高温环境的作用时，其表面原子容易发生迁移和聚集，导致颗粒的形态和结构的改变。

为了研究纳米材料的热稳定性，研究者们采用了多种实验手段和理论模型。

例如，透过高分辨透射电子显微镜(HRTEM)观察纳米颗粒的形态变化，可以揭示纳米材料在高温下的结构演变。

通过X射线衍射(XRD)分析颗粒晶格的畸变和尺寸的变化，可以获得颗粒的相变温度和相变机制。

此外，还可以借助分子动力学模拟(MD)等方法，通过计算模拟纳米颗粒受热后的原子迁移、聚合动力学以及熔化点等性质。

这些研究发现，随着纳米颗粒尺寸的减小，其热稳定性呈现出明显的下降趋势。

华德曼等人通过实验发现，金属纳米颗粒的熔点与颗粒直径呈反比关系。

这是由于尺寸效应导致的颗粒表面能量增加，从而使得颗粒在高温下更容易熔化。

此外，纳米颗粒的晶格缺陷也会进一步加速颗粒的热破坏。

研究人员发现，纳米颗粒中晶格缺陷的密度随着温度的升高而迅速增加，这会削弱颗粒结构的稳定性，最终导致热失稳。

针对纳米材料的热稳定性问题，研究人员提出了一些策略来提高其热稳定性。

一种方法是通过合适的添加剂来提高纳米材料的热稳定性。

例如，金属纳米颗粒的热稳定性可以通过添加包覆剂来改善，这可以减少表面原子迁移和聚集的发生。

另一种方法是结合热处理技术，通过精确控制温度和时间，使纳米材料在高温下发生有序的相变，从而改善其结构的稳定性。

此外，纳米结构材料的热稳定性研究还涉及到纳米材料在应用中的耐热性。

例如，在电子器件领域中，纳米材料的热稳定性对器件的长期稳定性和性能至关重要。

纳米材料概论第八章纳米材料的热学性能

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。

自然科学奖稳定纳米结构金属及其优异性能pdf

项目名称:稳定纳米结构金属及其优异性能一、提名意见二、项目简介金属材料以其优异的综合力学性能而广泛应用于几乎所有工业领域，其性能的少许提高都将对经济社会发展起到巨大作用。

提高金属材料的强度一直是材料领域中最经典、最核心的科学技术问题之一。

添加适当的合金元素或者细化晶粒可以使金属强化，但其塑性、韧性和导电性等将显著下降，使得材料的强度与塑性（或韧性、导电性）形成倒置关系。

自上世纪八十年代纳米材料的出现，晶粒细化强化受到了广泛深入的研究，大量实验表明，当晶粒尺寸细化至纳米尺度时，金属的强度可以提高数倍至数十倍。

然而，由于高能态界面密度高导致结构稳定性降低，高强度纳米金属还丧失了良好的塑性、韧性及导电性，限制了纳米金属的发展和工业应用。

能否提高金属的强度而不损失其它良好性能，克服强度与塑性（或导电性等）―鱼与熊掌不可兼得‖的矛盾？这是国际材料研究领域近几十年以来亟待解决的重大科学难题。

该项目开创性地提出稳定纳米结构的两个途径：1）通过调控界面结构降低界面能和2）通过调控界面空间分布提高变形稳定性，以此提升纳米金属综合性能，先后在金属中发现了两类新型稳定纳米结构，即低能界面纳米结构和梯度纳米结构，在材料结构稳定化和金属综合强韧化机理研究方面取得了一系列重要突破。

主要原创性研究成果包括：1）发现纯铜中纳米孪晶的独特强化效应，获得超高强度高导电性纳米孪晶铜，突破了强度与导电性的倒置关系，进而提出材料的新强化机制—纳米孪晶强化；发现金属中的小角晶界纳米层片结构，突破了塑性变形细化金属晶粒尺寸的极限，获得超高硬度高稳定性纳米层片镍。

2）提出金属材料表面纳米化和梯度纳米结构新概念，发展了多种表面塑性变形制备技术，揭示了变形诱导的梯度纳米结构形成机制；发现梯度纳米结构独特的变形机制和力学响应，获得了兼具高强度和高塑性的梯度纳米金属；利用梯度纳米结构表层大幅度降低了铁的渗氮温度并推动了金属材料表面化学热处理技术的发展；发现表面梯度纳米结构可大幅度提高金属材料的力学、摩擦磨损和疲劳等性能，推动了纳米金属材料的发展和工业应用。