纳米复合材料ppt课件
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当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗 意波长以及超导态的相干长度或透射深度等 物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的 边界条件将被破坏；非晶态纳米微粒的颗粒 表面层附近原子密度减小．导致声、光、电 磁、热力学等物性呈现新的小尺寸效应。
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பைடு நூலகம்
纳米尺度的强磁性颗粒(Fe—Co合金，氧 化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时， 具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁 性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体 ，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密 封、润滑、选矿等领域。
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▪纳米复合材料(nanocomposites)是 指分散相尺度至少有一维小于100 nm 的复合材料(含有纳米单元相的复合材 料 )。从基体与分散相的粒径大小关系 ，复合可分为微米一微米、微米一纳 米、纳米一纳米的复合
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▪根据Hall—Perch方程，材料的屈服强度与晶 粒尺寸平方根成反比。这表明，随晶粒的细化 材料强度将显著增加。此外，大体积的晶区将 提供足够的晶界滑移机会，导致形变增加， 纳 米晶陶瓷因巨大的表面能，其烧结温度可大幅 下降。如用纳米ZrO2细粉制备陶瓷比用常规的 微米级粉时，烧结温度降低400℃左右， 即从 1600℃下降到1200℃左右即可烧结致密化。
总体来说，硬度随着粒径的减小而增长。
当晶粒尺寸很小时，硬度随着粒径的减小而 增长。
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5、超塑性
超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸 长量，这种现象通常发生在受中温(0.5Tm)、 中等到较低应变速率(10-6~10-2S-1)条件下的 细晶材料中。
一般认为陶瓷具有超塑性应该具备两个 条件：1）较小的粒径，2）快速的扩散途径 （增强的晶格、晶界扩散能力）。
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2、纳米粉体的合成
1）纳米粉体的物理制备方法。
惰性气体冷凝法制备纳米粉体 高能机械球磨法 其它方法：电子束蒸发不、激光剥离法、 DC或RF溅射法。
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2）纳米粉体的化学制备方 （1）湿化学制备纳米粉体法 湿化学法：简单，易工业化规模生产
共沉淀法； 乳浊液法；
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以氧化锆为例，在含有可溶性阴离子的盐溶 液中，通过加入适当的沉淀剂(OH-、CO3-、 C2O42－、SO42－）使之形成不溶性的沉淀， 经过多次洗涤，再将沉淀物进行热分解，即 可获得氧化物纳米粉体。但此法往往易得到 硬团聚体，会对以后的制备工艺特别是致密 烧结带来困难。研究表明，可通过控制沉淀 中反应物的浓度、PH值以及冷冻干燥技术来 避免形成硬团聚，以获得颗粒分布范围窄、 大小为15nm一25nm的超细纳米粉。
纳米复合材料
一、纳米材料的性能
1、纳米材料的基本物理效应 当小粒子尺寸进入纳米量级(1—100nm)时，其本身具
有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道 效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸 收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同 时也将推动基础研究的发展。
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1）、小尺寸效应
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2、奇特的物性 由于纳米微粒具有大的比表面积、表面原
子数、表面能和表面张力随着粒径的下降急 剧增加，表现出小尺寸效应、表面效应、量 子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特点，从 而导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和 表面稳定性等不同于正常粒子。如，纳米金 属在低温下呈现绝缘性
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3、扩散及烧结性能 由于纳米结构材料中有大量的界面，这
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纳米微粒的熔点可远低于块状金属。例如 2nm的金颗粒熔点为600K．随粒径增加，熔 点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔 点可降低刮373K。此特性为粉末冶金工业提 供了新—工艺。
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利用等离了共振频率随颗粒尺寸变化的性 质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移 ，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料， 可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等．
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3）、量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米
能级附近的电子能级由准连续变为离散能级 的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最 高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨 道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效 应。
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4）、宏观量子隧道效应 微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道
效应。近年来，人们发现某些宏观量也具有 隧道效应，称为宏观量子隧道效应
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6、光电性能及纳半导体。
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二、纳米复合材料 1、概述
纳米材料是指尺度为1 nm一100 nm的 超微粒经压制，烧结或溅射而成的凝聚态固 体。它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等 特性。
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自从德国Gleiter等发展了惰性气体凝聚法，即在高真 空超纯条件下将超微金属粉末的制备和成型结合在一 起原位压制成固体材料，并对其性能和结构进行研究 以来，世界各国先后对这种新型纳米材料给予极大关 注。近年来更是对纳米材料的结构与性能及应用前景 进行了广泛而深入的研究。据美国贤料显示，纳米结 构材料在美国市场将从1996年的4,130万美元增至 2001年的14，860万美元，年增长速率将超过29％。 纳米材料已成为当前材料科学和凝聚态物理领域中的 研究热点，被视为“21世纪最有前途的材料” 其中就 包括纳米复合材料
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2）、表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面
的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表 面原子数迅速增加．这是由于粒径小，表面 积急 剧变大所致。
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例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g，粒径 为5nm时，比表面积为180m2／g，粒径下降到2nm ，比表面积猛增到450m2／g。这样高的比表面，使 处于表而的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能， 使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与 其他原子结合。例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧 ，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气 体进行反应。
些界面为原子提供了短程扩散途径，因此纳 米材料具有较高的扩散率，这对蠕变、超塑 性等力学性能有显著影响，同时可以在较低 的温度下对材料进行有效掺杂，可在较低温 度使不混溶金属形成新的合金相。
增强扩散力产生的另一个结果是可经以 使纳米结构材料的烧结温度大大降低
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4、力学性能
与传统材料相比，纳米材料的力学性能有显著 的变化，一些材料的强度和硬度成倍提高经。 如14nm的Pd试样，其0.2%的屈服强度为 250MPa，而50u的粗晶材料为52MPa，粒径 为6nm的Cu的硬度是粗晶试样的5倍。
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பைடு நூலகம்
纳米尺度的强磁性颗粒(Fe—Co合金，氧 化铁等)，当颗粒尺寸为单磁畴临界尺寸时， 具有甚高的矫顽力，可制成磁性信用卡、磁 性钥匙、磁性车票等，还可以制成磁性液体 ，广泛地用于电声器件、阻尼器件、旋转密 封、润滑、选矿等领域。
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▪纳米复合材料(nanocomposites)是 指分散相尺度至少有一维小于100 nm 的复合材料(含有纳米单元相的复合材 料 )。从基体与分散相的粒径大小关系 ，复合可分为微米一微米、微米一纳 米、纳米一纳米的复合
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▪根据Hall—Perch方程，材料的屈服强度与晶 粒尺寸平方根成反比。这表明，随晶粒的细化 材料强度将显著增加。此外，大体积的晶区将 提供足够的晶界滑移机会，导致形变增加， 纳 米晶陶瓷因巨大的表面能，其烧结温度可大幅 下降。如用纳米ZrO2细粉制备陶瓷比用常规的 微米级粉时，烧结温度降低400℃左右， 即从 1600℃下降到1200℃左右即可烧结致密化。
总体来说，硬度随着粒径的减小而增长。
当晶粒尺寸很小时，硬度随着粒径的减小而 增长。
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5、超塑性
超塑性是指材料在断裂前产生很大的伸 长量，这种现象通常发生在受中温(0.5Tm)、 中等到较低应变速率(10-6~10-2S-1)条件下的 细晶材料中。
一般认为陶瓷具有超塑性应该具备两个 条件：1）较小的粒径，2）快速的扩散途径 （增强的晶格、晶界扩散能力）。
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2、纳米粉体的合成
1）纳米粉体的物理制备方法。
惰性气体冷凝法制备纳米粉体 高能机械球磨法 其它方法：电子束蒸发不、激光剥离法、 DC或RF溅射法。
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2）纳米粉体的化学制备方 （1）湿化学制备纳米粉体法 湿化学法：简单，易工业化规模生产
共沉淀法； 乳浊液法；
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以氧化锆为例，在含有可溶性阴离子的盐溶 液中，通过加入适当的沉淀剂(OH-、CO3-、 C2O42－、SO42－）使之形成不溶性的沉淀， 经过多次洗涤，再将沉淀物进行热分解，即 可获得氧化物纳米粉体。但此法往往易得到 硬团聚体，会对以后的制备工艺特别是致密 烧结带来困难。研究表明，可通过控制沉淀 中反应物的浓度、PH值以及冷冻干燥技术来 避免形成硬团聚，以获得颗粒分布范围窄、 大小为15nm一25nm的超细纳米粉。
纳米复合材料
一、纳米材料的性能
1、纳米材料的基本物理效应 当小粒子尺寸进入纳米量级(1—100nm)时，其本身具
有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道 效应，因而展现出许多特有的性质，在催化、滤光、光吸 收、医药、磁介质及新材料等方面有广阔的应用前景，同 时也将推动基础研究的发展。
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1）、小尺寸效应
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2、奇特的物性 由于纳米微粒具有大的比表面积、表面原
子数、表面能和表面张力随着粒径的下降急 剧增加，表现出小尺寸效应、表面效应、量 子尺寸效应及宏观量子隧道效应等特点，从 而导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和 表面稳定性等不同于正常粒子。如，纳米金 属在低温下呈现绝缘性
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3、扩散及烧结性能 由于纳米结构材料中有大量的界面，这
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纳米微粒的熔点可远低于块状金属。例如 2nm的金颗粒熔点为600K．随粒径增加，熔 点迅速上升，块状金为1337K；纳米银粉熔 点可降低刮373K。此特性为粉末冶金工业提 供了新—工艺。
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利用等离了共振频率随颗粒尺寸变化的性 质，可以改变颗粒尺寸，控制吸收边的位移 ，制造具有一定频宽的微波吸收纳米材料， 可用于电磁波屏蔽、隐形飞机等．
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3）、量子尺寸效应 当粒子尺寸下降到某一值时，金属费米
能级附近的电子能级由准连续变为离散能级 的现象以及纳米半导体微粒存在不连续的最 高被占据分子轨道和最低未被占据的分子轨 道能级而使能隙变宽现象均称为量子尺寸效 应。
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4）、宏观量子隧道效应 微观粒子具有的贯穿势垒的能力称为隧道
效应。近年来，人们发现某些宏观量也具有 隧道效应，称为宏观量子隧道效应
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6、光电性能及纳半导体。
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二、纳米复合材料 1、概述
纳米材料是指尺度为1 nm一100 nm的 超微粒经压制，烧结或溅射而成的凝聚态固 体。它具有断裂强度高、韧性好，耐高温等 特性。
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自从德国Gleiter等发展了惰性气体凝聚法，即在高真 空超纯条件下将超微金属粉末的制备和成型结合在一 起原位压制成固体材料，并对其性能和结构进行研究 以来，世界各国先后对这种新型纳米材料给予极大关 注。近年来更是对纳米材料的结构与性能及应用前景 进行了广泛而深入的研究。据美国贤料显示，纳米结 构材料在美国市场将从1996年的4,130万美元增至 2001年的14，860万美元，年增长速率将超过29％。 纳米材料已成为当前材料科学和凝聚态物理领域中的 研究热点，被视为“21世纪最有前途的材料” 其中就 包括纳米复合材料
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2）、表面效应 纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面
的原子占相当大的比例。随着粒径减小，表 面原子数迅速增加．这是由于粒径小，表面 积急 剧变大所致。
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例如，粒径为10nm时，比表面积为90m2／g，粒径 为5nm时，比表面积为180m2／g，粒径下降到2nm ，比表面积猛增到450m2／g。这样高的比表面，使 处于表而的原子数越来越多，同时表面能迅速增加。 由于表面原子数增多，原子配位不足及高的表面能， 使这些表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与 其他原子结合。例如金属的纳米粒子在空气中会燃烧 ，无机的纳米粒子暴露在空气中会吸附气体，并与气 体进行反应。
些界面为原子提供了短程扩散途径，因此纳 米材料具有较高的扩散率，这对蠕变、超塑 性等力学性能有显著影响，同时可以在较低 的温度下对材料进行有效掺杂，可在较低温 度使不混溶金属形成新的合金相。
增强扩散力产生的另一个结果是可经以 使纳米结构材料的烧结温度大大降低
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4、力学性能
与传统材料相比，纳米材料的力学性能有显著 的变化，一些材料的强度和硬度成倍提高经。 如14nm的Pd试样，其0.2%的屈服强度为 250MPa，而50u的粗晶材料为52MPa，粒径 为6nm的Cu的硬度是粗晶试样的5倍。