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纳米材料的性能及应用展望 1 引 言 纳米材料是指纳米粉末 ,或用纳米粉末经过一系列制备工艺而得到的薄膜材料或块体材 料 , 由于纳米材料的晶粒尺寸 , 晶界尺寸 ,缺陷尺寸均处在 100 ｎｍ及其以下 ,且晶界数量大幅 度增加 ,使得材料的强度 ,韧性和超塑性大为提高。 对于材料的电学 ,磁学 ,光学等性能产生重要 的影响。 本文根据大量资料 ,对纳米材料所具有的一些独特性能进行综述 ,对其应用及前景进行了 介绍和展望。 2 纳米材料的性能 2 1 纳米材料的力学性能 大量研究表明 ,纳米陶瓷材料具有超塑性性能 ,所谓超塑性是指材料在一定的应变速率下 产生较大的拉伸应变。 纳米ＴｉＯ 2 陶瓷在室温下就能发生塑性形变 ,在 180℃下塑性变形可 达 100% 。若试样中存在微裂纹 ,在 180℃下进行弯曲时 ,也不发生裂纹扩展 [4] 。掺杂Ｙ 2 Ｏ3 的四方氧化锆多晶体纳米陶瓷材料 ( Ｙ—ＴＺＰ )当晶粒尺寸为 150 ｎｍ时 ,材料可在 1250 ℃ 下呈现超塑性。 且起始应变速率达到 3 ×10-2 Ｓ-1,压缩应变量达 380%[5] 。对晶粒尺寸为 350 ｎｍ的 3 Ｙ—ＴＺＤ陶瓷进行循环拉伸试验 ,发现在室温下就已出现形变现象。 另外纳米Ｚｎ Ｏ陶瓷也具有超塑性性能。纳米Ｓｉ 3Ｎ4 陶瓷在 1300℃下。即可产生 200% 以上的形变。 关于纳米陶瓷产生超塑性的原因 ,一般认为是扩散蠕变引起晶界滑移所致。扩散蠕变速率与 扩散系数成正比 , 与晶粒尺寸的三次方成反比 ,当纳米粒子尺寸减小时 ,扩散系数非常高 ,从而 造成扩散蠕变异常高。 因此 ,在较低温度下 ,因材料具有很高的扩散蠕变速率 ,当受到外力后能 迅速做出反应 ,造成晶界方向的平移 ,从而表现出超塑性 :塑性的提高也使其韧性大为提高。 纳米陶瓷的硬度和强度也明显高于普通材料。在 100℃下 ,纳米ＴｉＯ 2 陶瓷的显微硬度为 1300 ｋｇｆ / ｍｍ 2,而普通ＴｉＯ 2 陶瓷的显微硬度低于 200 ｋｇｆ/ ｍｍ 2[6] 。在陶瓷基体中 引入纳米分散相进行复合 ,对材料的断裂强度 ,断裂韧性会有大幅度的提高 ,还能提高材料的 硬度 ,弹性模量 ,抗热震性以及耐高温性能。 又例如纳米ＳｉＣ弥散到Ｓｉ 3 Ｎ4 基体中形成的 纳米复合材料 ,其韧性常数ＫｉＣ为 4.5 ～7.5ＭＰａｍ 1/2,断裂强度 σＳ为 850～ 1400ＭＰａ , 最高工作温度可达 1200～ 1500℃。 另据报道 [7], 用烧结技术制成的碳纤维增强ＳｉＣ / Ｓｉａｌｏｎ纳米复合陶瓷材料与 碳纤维增强Ｓｉａｌｏｎ微米复合材料相比 ,其强度和韧性也得到较大改善 ,性能对比见表 1。 2 2 纳米材料的其它性能 纳米材料由于晶粒尺寸的减小 ,对磁学性能 ,电学性能等也产生一些影响。 研究表明 : Ｆｅ , Ｃｏ ,Ｎｉ超微粉的矫顽Ｈｃ随平均粒径的减小而增大 ,当这三种金属粉末的平均粒径分别达 到 14 ｎｍ,14 ｎｍ和 18 ｎｍ时 ,Ｈｃ达到最大。上述粒径分别相当于Ｆｅ , Ｃｏ, Ｎｉ的单磁畴 的临界尺寸。 某些纳米材料与一般固体材料的饱和磁化强度、 磁化率、 超导临界温度也不同