纳米固体材料学术资讯 - 科技工作者之家

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