[科普中国]-纳米固体材料-

纳米固体材料通常指由尺寸小于15纳米的超微颗粒在高压力下压制成型，或再经一定热处理工序后所生成的致密型固体材料。

简介纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高1014～1016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。通常陶瓷材料具有高硬度、耐磨、抗腐蚀等优点，但又具有脆性和难以加工等缺点，纳米陶瓷在一定的程度上却可增加韧性，改善脆性。

如将纳米陶瓷退火使晶粒长大到微米量级，又将恢复通常陶瓷的特性，因此可以利用纳米陶瓷的范性对陶瓷进行挤压与轧制加工，随后进行热处理，使其转变为通常陶瓷，或进行表面热处理，使材料内部保持韧性，但表面却显示出高硬度、高耐磨性与抗腐蚀性。电子陶瓷发展的趋势是超薄型（厚度仅为见微米），为了保证均质性，组成的粒子直径应为厚度的1%左右，因此需用超微颗粒为原材料。随着集成电路、微型组件与大功率半导体器件的迅速发展，对高热导率的陶瓷基片的需求量日益增长，高热导率的陶瓷材料有金刚石、碳化硅、氮化铝等，用超微氮化铝所制成的致密烧结体的导热系数为100～220瓦/（K·米），较通常产品高2 5～5．5倍。用超微颗粒制成的精细陶瓷有可能用于陶瓷绝热涡轮复合发动机，陶瓷涡轮机，耐高温、耐腐蚀轴承及滚球等。1

复合纳米固体材料复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。例如含有20%超微钻颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料；金属铝中含进少量的陶瓷超微颗粒，可制成重量轻、强度高、韧性好、耐热性强的新型结构材料。超微颗粒亦有可能作为渐变（梯度）功能材料的原材料。例如，材料的耐高温表面为陶瓷，与冷却系统相接触的一面为导热性好的金属，其间为陶瓷与金属的复合体，使其间的成分缓慢连续地发生变化，这种材料可用于温差达1000°C的航天飞机隔热材料、核聚变反应堆的结构材料。渐变功能材料是近年来发展起来的新型材料，预期在医学生物上可制成具有生物活性的人造牙齿、人遗骨。人造器官，可制成复合的电磁功能材料、光学材料等。

定义由颗粒或晶粒尺寸为1~100nm的粒子形成的三维块体称为纳米固体（结构）材料。其晶粒尺寸、晶界宽度、析出相分布、气孔尺寸和缺陷尺寸都在纳米数量级。

结构特征纳米晶体材料由晶态纳米颗粒压制的纳米材料，每个小晶粒(1-100纳米)中的原子排列相同，且具有长程有序结构，而晶粒间的界面则是无序态结构。

具有巨大的颗粒间界面，界面部分占总体积的百分比很大(>50%)，缺陷结构极多(>70%)。如5纳米颗粒所构成的固体每立方厘米将含1019个晶界.

原子的扩散系数要比大块材料高1014～1016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。

界面（1）界面结构特征原子密度降低：界面部分的平均原子密度比同成分的晶体少10-30%

最近邻原子配位数变化：由于晶界的原子间距差别也较大，导致最近邻原子配位数发生变化

（2）界面结构模型类气态模型

1987年由Gleiter提出，认为纳米晶体的界面原子的排列，既没有长程有序，也没有短程有序，是一种类气态的、无序程度很高的结构。

该模型与大量事实不符，已不再引用该模型。

有序模型

纳米材料的界面有序是有条件的，主要取决于界面的原子间距ga和颗粒大小d ：

当ga>d/2时，界面为无序结构

当ga100%的塑性变形。

纳米陶瓷材料超塑性机制：

（1）界面扩散蠕变和扩散范性

（2）界面迁移和粘滞流变

（2）热学性能**·比热**

材料的比热主要由熵来贡献。在温度不太低的情况下，电子熵可忽略，主要由振动熵和组态熵来贡献。纳米材料的界面结构中原子分布比较混乱，与常规材料相比，界面体积分数较大，因而纳米材料熵对比热的贡献比常规材料大得多。

例如，在150-300K，纳米Pd比多晶Pd大29%-54%。

·热膨胀

材料的热膨胀与晶格非线性振动有关，如果晶体点阵作线性振动就不会发生膨胀现象。

纳米材料在温度变化时非线性热振动分为两个部分：

一：晶内非线性热振动

二：晶界非线性热振动（起主导作用）

纳米晶体比常规晶体热膨胀系数几乎大1倍。且晶界对热膨胀的贡献比晶内高3倍。

·热稳定性

纳米晶材料晶粒尺寸稳定的温度范围较窄，纳米晶材料颗粒尺寸稳定的温度范围较宽。

原因：

（1）长大激活能：晶粒长大激活能小，而颗粒长大激活能大。

（2）界面迁移：抑制界面迁移会阻止晶粒长大，提高热稳定性。

（3）晶界结构驰豫

（4）晶界钉扎

（3）光学性质·红外吸收：出现蓝移和宽化

·荧光现象：用紫外光激发纳米晶材料时，在可见光范围可观测到新的荧光现象。

·光致发光：光致发光指在一定波长的光照射下，被激发到高能级的电子重新跃入低能级，被空穴捕获而发光的微观现象。

（4）磁学性能·低的饱和磁化强度

·磁性转变：抗磁体转变为顺磁体

·超顺磁性

·居里温度降低2

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学