納米論文合集(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 0℃很快致密化，而晶粒大小只有稍許的增加，所得的硬度和斷裂韌度值與單晶TiO2或粗顆粒壓縮體的相應(yīng)值比，性能相當(dāng)或更好。納米晶TiO2其硬度和斷裂韌度隨燒結(jié)溫度的增加(即空隙度的降低)而增加，在800~900℃溫度范圍燒結(jié)，與經(jīng)優(yōu)化燒結(jié)的塊狀陶瓷相比，兩者的硬度和斷裂韌度值相符。低溫?zé)Y(jié)后，納米晶TiO2就能獲得好的力學(xué)性能。通常硬化處理材料變脆，造成斷裂韌度的降低，而就納米晶而言，硬化和韌化由空隙的消除來形成，這樣就增加了材料的整體強(qiáng)度。納米晶TiO2經(jīng)800℃燒結(jié)后，維氏硬度H=630，斷裂韌度Kic(Mpam1/2)，空隙度為10％；而1000℃燒結(jié)后，H=925，Kic=，空隙度為5％。(1)比熱，納米材料的界面結(jié)構(gòu)中原子分布比較混亂，與常規(guī)材料相比，界面體積分?jǐn)?shù)較大，因而納米材料熵對(duì)比熱的貢獻(xiàn)比常規(guī)材料大得多。如對(duì)應(yīng)粒徑為80nmAl2O3的比熱，比常規(guī)粗晶Al2O3高8％。(2)熱膨脹，納米非晶氮化硅熱膨脹系數(shù)比常規(guī)晶態(tài)Si3N4高1～26倍。其原因是納米非晶氮化硅的結(jié)構(gòu)與常規(guī)晶態(tài)Si3N4有很大差別，前者是由短程有序的非晶態(tài)小顆粒構(gòu)成的，它們之間的界面占很大比例，界面原子的排列較之非晶顆粒內(nèi)部更為混亂。在相同條件下，原子和鍵的非線性熱振動(dòng)比常規(guī)晶態(tài)顯著得多，因此對(duì)熱膨脹的貢獻(xiàn)也必然很大。(3)導(dǎo)熱或超絕熱，絕熱材料目前在我國尚處于實(shí)驗(yàn)研究與工業(yè)實(shí)驗(yàn)的中間階段。由于氣孔尺寸小到納米級(jí)，主要產(chǎn)生如下納米效應(yīng)：當(dāng)輕質(zhì)材料中的氣孔尺寸小于50nm時(shí)，氣孔中的空氣分子就失去了自由流動(dòng)的能力，因此相當(dāng)于抽了真空，稱為“零對(duì)流效應(yīng)”。由于材料的體積密度較小，氣孔尺寸很小，這時(shí)氣孔壁的數(shù)目趨于“無窮多”。對(duì)于每一個(gè)氣孔壁來說都具有遮熱板的作用，因而產(chǎn)生近于“無窮多遮熱板”的效應(yīng)，從而使輻射傳熱下降到最小的極限。由于近于無窮多納米孔的存在．熱流在固體中傳遞時(shí)就只能沿著氣孔壁傳遞，近于無窮多的氣孔壁構(gòu)成了近于“無窮多路徑”效應(yīng)，使固體熱傳導(dǎo)的能力下降到接近最低極限。將硅酸鈣復(fù)合納米孔超級(jí)絕熱材料用于鋼結(jié)構(gòu)防火可使防火時(shí)間從目前一般厚質(zhì)防火涂料的2h左右延長到15h，給滅火贏得充足的時(shí)間。將該材料用于太陽能熱水器，可使其集熱效率提高一倍以上，而散熱損失下降到現(xiàn)在的30％。材料的光學(xué)性能與其內(nèi)部的微觀結(jié)構(gòu)，特別是電子態(tài)、缺陷態(tài)和能級(jí)態(tài)結(jié)構(gòu)有關(guān)。納米材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)材料有很大差別，突出表現(xiàn)在小尺寸顆粒和龐大體積分?jǐn)?shù)的界面，界面原子排列和鍵的組態(tài)的無規(guī)則性較大，使納米材料的光學(xué)性能出現(xiàn)一些與常規(guī)材料不同的新現(xiàn)象。(1)紅外吸收：對(duì)納米材料紅外吸收的研究表明，紅外吸收譜中出現(xiàn)藍(lán)移和寬化。納米相Al2O3，紅外吸收譜在400～1000cm1波數(shù)范圍內(nèi)有一個(gè)寬廣的吸收帶，與A12O3單晶相比，紅外吸收峰有明顯的寬化，其中對(duì)應(yīng)單晶的637cm1和442cm1的吸收峰。(2)熒光現(xiàn)象：用紫外光激發(fā)摻Cr和Fe的納米相A12O3時(shí)，在可見光范圍觀察到新的熒光現(xiàn)象。(3)光致發(fā)光：退火溫度低于673K時(shí)，納米非晶氮化硅塊體在紫外光到可見光范圍的發(fā)光現(xiàn)象與常規(guī)非晶氮化硅不同，出現(xiàn)6個(gè)分立的發(fā)光帶，而常規(guī)非晶氮化硅在紫外光到可見光很寬的波長范圍的發(fā)光呈現(xiàn)一個(gè)很寬的發(fā)光帶。納米材料與常規(guī)材料在結(jié)構(gòu)上，特別是在磁結(jié)構(gòu)上有很大差別，因此在磁性方面會(huì)有其獨(dú)特的性能。除磁結(jié)構(gòu)和磁化特點(diǎn)不同外，納米晶材料顆粒組元小到納米級(jí)，具有高的矯頑力，低的居里溫度，顆粒尺寸小于某一臨界值時(shí)，具有超順磁性等。同時(shí)，納米材料的界面組元與粗晶材料有很大差別，使界面組元本身磁性具有獨(dú)特性能。例如界面的磁各向異性小于晶內(nèi)，居里溫度低于常規(guī)材料等。由于納米材料中存在龐大體積分?jǐn)?shù)的界面，使平移周期在一定范圍內(nèi)遭到嚴(yán)重破壞，顆粒愈小，電子平均自由程愈短，偏離理想周期場愈嚴(yán)重。因此，納米材料的電學(xué)性能(如電導(dǎo)、介電性、壓電性等)與常規(guī)材料存在明顯的差別。(1)電阻和電導(dǎo)，晶界原子排列愈混亂，晶界厚度愈大，對(duì)電子散射能力就愈強(qiáng)。界面這種高能壘是使電阻升高的主要原因。當(dāng)晶粒尺寸小于電子平均自由程時(shí)，晶界組元對(duì)電子的散射起主導(dǎo)作用，這時(shí)電阻與溫度的關(guān)系以及電阻溫度系數(shù)的變化都明顯偏離粗晶情況，甚至出現(xiàn)反常現(xiàn)象。納米非晶氮化硅(粒徑大約15nm)的電導(dǎo)比常規(guī)非晶氮化硅高。(2)介電特性。納米材料在結(jié)構(gòu)上與常規(guī)材料存在很大差別，其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在介電常數(shù)和介電損耗對(duì)顆粒尺寸有很強(qiáng)的依賴關(guān)系，電場頻率對(duì)介電行為有極強(qiáng)的影響。納米材料的介電常數(shù)隨電場頻率的降低而升高，并顯示出比常規(guī)粗晶材料高的介電性。納米材料隨著電場頻率的下降，介質(zhì)的多種極化都能跟上外加電場的變化，介電常數(shù)增大。(3)壓電效應(yīng)，經(jīng)研究表明，未經(jīng)退火和燒結(jié)的納米非晶氮化硅塊體具有強(qiáng)的壓電效應(yīng)，而常規(guī)非晶氮化硅不具有壓電效應(yīng)。二、納米陶瓷材料制備工藝與方法 蒸發(fā)凝聚法(PVD法)蒸發(fā)凝聚法是制備納米粉體的一種早期的物理方法，蒸發(fā)法所得產(chǎn)品顆粒粒度一般在5～100納米之間。蒸發(fā)法是將金屬或化合物顆粒的原料加熱、蒸發(fā)，使之成為原子或分子，再使許多原子或分子凝聚，生成極微細(xì)的納米粉體。目前已發(fā)展出多種蒸發(fā)凝聚技術(shù)手段制備納米陶瓷粉體，這些方法大體上可分為：真空蒸發(fā)法、氣體蒸發(fā)法等。而按原料加熱蒸發(fā)技術(shù)手段不同，又可將蒸發(fā)法分為：太陽爐加熱蒸發(fā)法、電子束加熱蒸發(fā)法、等離子體加熱蒸發(fā)法及激光束加熱蒸法等。蒸發(fā)冷凝法也是一種蒸發(fā)凝聚法，在真空蒸發(fā)室內(nèi)充人低壓惰性氣體，加熱金屬或化合物蒸發(fā)源，蒸氣將凝聚成納米尺寸的團(tuán)簇，并在液氮冷卻棒上聚集得到納米粉體。蒸發(fā)冷凝法的優(yōu)點(diǎn)是可在體系中加置原位壓實(shí)裝置直接得到納米陶瓷材料。蒸發(fā)凝聚法的缺點(diǎn)是裝備龐大，設(shè)備投資昂貴，且不能制備高熔點(diǎn)的氧化物和碳化物粉體，所得粉體一般粒徑分布范圍較寬。2化學(xué)氣相反應(yīng)法(CVD法)化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor DePosition CVD)法是在高熱卞反應(yīng)產(chǎn)物蒸氣形成很高的過飽和蒸氣壓而使其自動(dòng)凝聚形成大量的晶核。這些晶核在加熱區(qū)不斷長大、聚集成顆粒，且隨著氣流進(jìn)人低溫區(qū)使顆粒生長、聚集和晶化過程停止，最終在收集室內(nèi)收集得到納米陶瓷粉體。CVD法可通過選擇適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)物濃度、流速、溫度和組成配比等工藝條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉體組成、形貌、尺寸、晶相等控制。3激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相法(LICVD法)激光誘導(dǎo)化學(xué)氣相沉積(Laser Indueed Chemical Vapor DePosition LICVD)法是利用反應(yīng)氣體分子對(duì)特定波長激光束的吸收而產(chǎn)生熱解或化學(xué)反應(yīng)，經(jīng)成核生長形成超細(xì)粉末。UCVD法通常采用高能CO2激光器。4等離子體氣相合成法（PCVD法）等離子化學(xué)氣相沉積伊（Plasma Chemical Vapor Deposition PCVD)法是納米陶瓷粉體制備的常用方法之一，它具有反應(yīng)溫度高、升溫和冷卻速率快等特點(diǎn)。等離子體是物質(zhì)存在的第四種狀態(tài)，由電離的導(dǎo)電氣體組成，其中包括:電子、正離子、負(fù)離子、激發(fā)態(tài)的原子和分子、基態(tài)原子和分子及光子。采用等離子氣相化學(xué)法制備陶瓷納米粉體材料具有許多優(yōu)點(diǎn):a、等離子體中具有較高的電離度，可以得到多種活性組分，有利于各類反應(yīng)的進(jìn)行；b、等離子體反應(yīng)空間大，可以使相應(yīng)物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)完全；c、與激光誘導(dǎo)氣相沉積法相比，等離子氣相化學(xué)法更容易工業(yè)化。5溶膠凝膠（SOLGEL）法溶膠凝膠法是指在水溶液中加入有機(jī)配體與金屬離子形成配合物，通過控制pH值、反應(yīng)溫度等條件讓其水解、聚合，經(jīng)溶膠)凝膠途徑形成一種空間骨架結(jié)構(gòu)，然后脫水焙燒得到目的產(chǎn)物的一種方法。此法在制備復(fù)合氧化物納米陶瓷材料時(shí)具有很大的優(yōu)越性。三、納米陶瓷材料的應(yīng)用領(lǐng)域硬性防護(hù)和軟性保護(hù)材料普通陶瓷在用作防護(hù)材料時(shí)，由于其韌性差，受到彈丸撞擊后容易在撞擊區(qū)出現(xiàn)顯微破壞、跨晶、界面破壞、裂紋擴(kuò)展等一系列破壞過程，從而降低了陶瓷材料的抗彈性能。納米陶瓷具有高韌性的性能，提高了陶瓷材料的抗沖擊性能，可有效提高主戰(zhàn)坦克復(fù)合裝甲的抗彈能力，增強(qiáng)速射武器陶瓷襯管的抗腐蝕性和抗沖擊性；由防彈陶瓷外層和碳納米管復(fù)合材料作襯底，可制成堅(jiān)硬如鋼的防彈背心。在未來的戰(zhàn)爭中，若能把納米陶瓷用于車輛裝甲防護(hù)，會(huì)具有更好的抗彈、抗爆震、抗擊穿能力，提供更為有力的保護(hù)。納米Y2O3和ZrO2在較低溫度燒結(jié)的陶瓷具有很高的韌性和強(qiáng)度，被用于軸承和刀具等耐磨器件。另一方面起著軟性保護(hù)的納米涂料也在防護(hù)領(lǐng)域起著重要的作用，目前納米陶瓷用于腐蝕條件惡劣環(huán)境中的防腐納米陶瓷涂料，能有效保護(hù)航標(biāo)燈座、船舶、石油化工設(shè)施和各類貯罐、橋梁、橋墩、鐵路涵洞、鉆井設(shè)備、海上油田等設(shè)施以及強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等生產(chǎn)設(shè)備的外表面，在較長時(shí)間內(nèi)防止強(qiáng)酸堿、鹽霧、凍融、霉菌等的浸漬。另外以納米陶瓷粉體為基體，利用其致密速度快、燒結(jié)溫度低和良好的界面延展性，在燒結(jié)過程中控制顆粒尺寸在200—500nm的的最佳范圍，可以獲得具有良好超塑性的納米陶瓷材料。如納米陶瓷電極板燈就是基于這樣的基礎(chǔ)，燈的電極使用了納米級(jí)的陶瓷粉燒接，起到了保護(hù)燈管的作用。耐高溫材料納米陶瓷粉末涂料在高溫環(huán)境下具有優(yōu)異的隔熱保溫效果，不脫落、不燃燒，耐水、防潮，無毒、對(duì)環(huán)境無污染，對(duì)提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪前溫度，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的推重比和降低燃料消耗具有重要作用，適用于冶金、化工工業(yè)、電廠的熱力鍋爐及焦化煤氣等熱力設(shè)備和熱力管網(wǎng)等高溫設(shè)備的防腐、爐外降溫，并有望成為艦艇、軍用渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件的理想材料，以提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，可靠性與工作壽命。在汽車工業(yè)也有著廣闊前景，如用納米陶瓷作為氣缸內(nèi)襯材料，因耐高溫可提高燃料燃燒溫度，使燃料的熱效率提高；涂覆于汽車玻璃表面可起到防污和防霧、隔熱作用。生物材料、臨床應(yīng)用材料隨著納米材料研究的深入，納米生物陶瓷材料的優(yōu)勢(shì)將逐步顯現(xiàn)，其強(qiáng)度、韌性、硬度以及生物相容性都有顯著提高。例如當(dāng)羥基磷灰石粉末中添加10％~70％的ZrO2粉末時(shí)，材料經(jīng)1300~1350℃熱壓燒結(jié)，其強(qiáng)度和韌性隨燒結(jié)溫度的提高而增加。納米SiCn增強(qiáng)羥基磷灰石復(fù)合材料比純羥、斷裂韌性提高2倍、與生物硬組織的性能相當(dāng)。從表1可看出納米陶瓷材料的力學(xué)性能。Erbe等用納米技術(shù)制備出納米磷酸鈣，它不僅可以作為骨髓細(xì)胞的細(xì)胞骨架，還可以加速細(xì)胞的形成。生物功能陶瓷能夠模仿人體某些特殊生理行為，可以用來構(gòu)成牙齒和骨骼等某些人體部位，甚至可望部分或整體地修復(fù)或替換人體的某種組織器官。傳統(tǒng)的陶瓷材料晶粒，氣孔較大，因此其脆性及彈性模量也較大，給人工牙齒的質(zhì)量帶來影響。Hlateng等正在研究一種納米陶瓷材料，該材料不僅強(qiáng)度、柔韌、可塑性好。而且彈性模量接近天然骨，極大地改善了材料的力學(xué)相容性和生物相容性，為臨床制作人工關(guān)節(jié)、人工牙齒及牙種植體開辟了新途徑。利用納米微?？稍隗w內(nèi)方便傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，科學(xué)家開發(fā)出放射療法用的羥基磷灰石復(fù)合陶瓷微粒。把可放射β射線的化學(xué)元素?fù)饺爰{米微粒內(nèi)，制成β射線源材料，把它植入人體腫瘤附近，就可直接照射癌細(xì)胞又不損傷周圍正常組織。目前，一種生物陶瓷材料硅酸鋁釔(YAS)就可以滿足這些要求。初步臨床表明，采用這種材料治療可以大大延長病人的壽命。以陶瓷粉末為吸收劑的吸收材料傳統(tǒng)的汽車尾氣凈化催化材料是在陶瓷載體表面涂一層Al2O3粉體材料作為分散層，再在分散層表面涂一層催化劑材料作為活性層。將分散層和活性層的材料制備技術(shù)開發(fā)成納米表面材料技術(shù)，可明顯改善汽車尾氣催化劑的性能，提高了汽車尾氣凈化器的壽命。壓電材料壓電陶瓷廣泛用于電子技術(shù)、激光技術(shù)、通汛、生物、醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航、自動(dòng)控制、精密加工、傳感技術(shù)、計(jì)量檢測、超聲和水聲、引燃引爆等軍用、商用及民用領(lǐng)域。納米陶瓷晶體結(jié)構(gòu)上沒有對(duì)稱中心，具有壓電效應(yīng)。通過精選材料組成體系和添加物改性，可以獲得高能和低溫?zé)Y(jié)兼?zhèn)涞膲弘娂{米陶瓷材料。通過控制納米晶粒的生長可獲得量子限域效應(yīng)，以及性能奇異的鐵電體，以提高壓電熱解材料機(jī)電轉(zhuǎn)換和熱釋性能。即卡金說的壓電材料就具有這樣的變化特征。研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)它們的厚度介于20~23nm時(shí)，其壓電效率提高了100％。近年迅速發(fā)展的各類壓電變壓器、壓電驅(qū)動(dòng)器、大功率超聲焊接技術(shù)、壓電式振動(dòng)給料器、超聲CVD新工藝和核電站相配套的大功率超聲工