納米金屬材料小尺寸效應(yīng)

由于顆粒尺寸變小所引起的宏觀物理性質(zhì)的變化稱為小尺寸效應(yīng)。對(duì)納米顆粒而言，尺寸變小同時(shí)其比表面積顯著增加，從而產(chǎn)生一系列新奇的性質(zhì)。例如金屬納米顆粒對(duì)光吸收顯著增加，與大尺寸固態(tài)物質(zhì)相比納米顆粒的熔點(diǎn)會(huì)顯著下降，例如，2nm的金屬顆粒熔點(diǎn)為600K，隨著粒徑增加，熔點(diǎn)迅速上升，塊狀金屬為1337K。還有，小尺寸的納米顆粒磁性與大塊材料有明顯的區(qū)別。一般固體的熱運(yùn)動(dòng)僅限于晶格振動(dòng)，固體本身并不運(yùn)動(dòng)。而對(duì)于納米金屬粒子，除了晶格振動(dòng)以外，顆粒整體也振動(dòng)，結(jié)果使納米金屬粒子比導(dǎo)體中的電子自由程小，其磁疇比強(qiáng)磁性物質(zhì)的磁疇小，有時(shí)甚至小于磁疇，從而呈單磁疇結(jié)構(gòu)。

納米固體中的原子排列既不同于長(zhǎng)程有序的晶體，也不同于長(zhǎng)程無(wú)序、短程有序的“氣體狀”固體結(jié)構(gòu)，是一種介于固體與分子間的亞穩(wěn)中間態(tài)物質(zhì)。因此，一些研究人員把納米材料稱之為晶態(tài)、非晶態(tài)之外的“第三態(tài)晶體材料”。正是由于納米材料這種特殊的結(jié)構(gòu)，使納米材料科學(xué)與技術(shù)之產(chǎn)生四大效應(yīng)，即小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)(含宏觀量子隧道效應(yīng))、表面效應(yīng)和界面效應(yīng)，從而具有傳統(tǒng)材料所不具備的物理、化學(xué)性能，表現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)、磁學(xué)、催化、化學(xué)特性和超導(dǎo)性能等特性，使納米材料在國(guó)防、電子、化工、冶金、輕工、航空、陶瓷、核技術(shù)、催化劑、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

量子效應(yīng)包括量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)。

(1)量子尺寸效應(yīng)。大塊材料的能帶可以看成是連續(xù)的，而介于原子與大塊材料之間的納米材料的能帶將分裂為分立的能級(jí)。能級(jí)間的間距隨顆粒尺寸的減小而變大。當(dāng)熱能、電場(chǎng)能或者磁場(chǎng)能比平均的能級(jí)間距還小時(shí)就會(huì)呈現(xiàn)出一系列與宏觀物體截然不同的反常特性，稱之為量子尺寸效應(yīng)。如導(dǎo)電的金屬在納米顆粒狀態(tài)時(shí)變成絕緣體，磁矩的大小與顆粒中電子是奇數(shù)還是偶數(shù)有關(guān)，比熱亦會(huì)發(fā)生反常變化等。

(2)宏觀量子隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢(shì)壘的能力稱為隧道效應(yīng)。納米金屬粒子也具有這種效應(yīng)，故稱為宏觀量子隧道效應(yīng)。

通過(guò)傳統(tǒng)金屬材料的制備方法：冶煉、鑄造軋制、鍛壓熱處理等很難得到納米金屬材料。比較成熟的納米金屬材料的制備方法主要有：惰性氣體蒸發(fā)、原位加壓法、高能球磨法和非晶晶化法等。 2100433B

《納米金屬材料的制備及性能》以高強(qiáng)度、高塑性的塊體納米晶金屬材料為主要的研究對(duì)象，通過(guò)各種實(shí)驗(yàn)測(cè)試，考察納米晶合金的微觀變形機(jī)理，以揭示晶體合金成分、制備工藝、微觀結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，重點(diǎn)是改進(jìn)工藝，發(fā)展一種新的納米晶金屬的制備技術(shù)，制備晶粒尺寸在臨界晶粒尺寸附近的塊體納米晶金屬材料。書(shū)中內(nèi)容包括塊體納米鎳—鐵合金的制備及性能、納米銅的制備及性能等。

采用惰性氣體凝聚-真空原固結(jié)(可另加冷軋)、非晶態(tài)玻璃轉(zhuǎn)變區(qū)內(nèi)高壓合成等技術(shù)制備成功大尺寸納米金屬銀、銅、鋁、硒、鳥(niǎo)、鎳基、鋁基和鐵基合金、鋁氧化鋁復(fù)合材料以及碳化鎢--鈷類納米硬質(zhì)合金，其晶粒尺寸為6至-80納米，最大密度為100%，最大重量為400克，最大體積為39立方厘米。大尺寸納米金屬中空位缺陷的尺寸和微觀結(jié)構(gòu)與小尺寸納米金屬中的缺陷相似，晶格嚴(yán)重畸變，晶界能降低，納米金屬的硬度提高2至6倍。屈服和斷裂提高1至16倍。納米金屬鋁顯示極高強(qiáng)度和延性，呈前切穿晶塑性斷裂。鐵基納米合金的屈服和疲勞強(qiáng)度在30納米處呈極大值。大尺寸納米金屬的制備技術(shù)和納米金屬的高硬高強(qiáng)耐磨性能具有應(yīng)用前景。