纳米金属材料范文10篇

时间:2023-03-17 09:47:15

纳米金属材料

纳米金属材料范文篇1

40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料[例如,由50%(invol.)的非共植晶界和50%(invol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为"纳米晶体材料"(nanocrystallinematerials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"(nanostructuredmaterials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要包括:

l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;4)纳米晶体和纳米玻璃材料;5)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l)纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量;2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1)原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快10~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2)力学性能

目前,关于纳米材料的力学性能研究,包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有(或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷,早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2~7倍。随着晶粒的减小,硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为,纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如,纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70%。然而,最近的研究发现,这完全是样品中的缺陷造成的,纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同,屈服强度是退火粗晶的10~15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低,总延伸率仅1%~4%,晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8%。从粗晶到15urn,Cu的硬度测量值满足HallPetch关系;小于15nm后,硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓,虽然硬度值很高,但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过,纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值(Hv/3)非常吻合,高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推,纳米材料应该既具有高强度,又有较高韧性。但迄今为止,得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时,其断裂应变仅为<5%,远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu,其拉伸应变量可高达30%,说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明,随着晶粒的减小,在初始阶段(类似于纯金属盼情况)发生硬化,进一步减小晶粒,硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的,但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化,如晶界、致密性、相变、应力等,都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能,但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品,进行了"微型盘弯曲试验",观察到含碳量低的材料略表现出韧性,而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl,发现晶粒小于10nm时,屈服强度高干粗晶NiAl,且在室温下有韧性,对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性(真应变大于1.4),且屈服强度高(是粗晶的1O倍)。测量TiAl(平均晶粒尺寸约10nm)的压缩蠕变(高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化)表明,在起始的快速蠕变之后,第二阶段蠕变非常缓慢,这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时(低于扩散蠕变开始温度),纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降,原因之一是压头载荷使样品进一步致密化,而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道,在750~950°C,10-5~10-3s-1的应变速率范围,纳米晶Ti-47.5Al-3Cr(g-TiAl)合金的形变应力指数约为6,说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是,最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明,高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶(3~5nm)Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示,其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转,不发生开裂和位错发散,这与粗晶材料是截然不同的。

3)纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40%。Wagner等用小角中子散射(SANS)实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性(或弱铁磁性)的界面区域构成,界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒,而且可以扩展越过界面,使数百个晶粒磁化排列。Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸(50mm~7nm)无关,但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小,矫顽力显著增加。Schaefer等报道,纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB/原子(块状Ni为0.6mB/原子),界面组份的居里温度(545K)比块状晶体Ni的(630K)低。最近的研究还发现,制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大,纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后,软磁性能良好,可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美,且饱和磁化强度很高(Bs约为1.3T)。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe(Si)相(12~20nm)镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后,形成富Si的a-Fe相,他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后,90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列(称为''''Nanoperm")。退火后,这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10~20nm,饱和磁化强度可达1.5~1.7T,磁导率达到48000(lkHz)。铁芯损耗低,例如,Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1(在1T,50Hz条件下),比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3.5%Si合金小45%和95%,实用前景非常诱人。

4)催化及贮氢性能

在催化剂材料中,反应的活性位置可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置,因此很适宜作催化材料。事实上,早在术语"纳米材料"出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料,典型的如Rh/Al2O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5%(inmass)Li-MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m2·g-1)的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原SO2为S的反应,可在500°C实现100%转换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外,CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活化处理,即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道,用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为20~30nm,吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力小于20Pa,温度必须高于250°C),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如200°C、120bar(lbar=0.1Mpa),2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下,即可吸氢,毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后,含氢可达~3.4%(inmass)。在以后的循环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是:在真空中加热到400~450℃,随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35~65Pa)的氢中,激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h,便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约占材料的20%~30%)构成。4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面:

l)高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals,德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。

4)Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。

5结语

纳米金属材料范文篇2

40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料[例如,由50%(invol.)的非共植晶界和50%(invol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为"纳米晶体材料"(nanocrystallinematerials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"(nanostructuredmaterials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要包括:

l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;4)纳米晶体和纳米玻璃材料;5)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l)纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量;2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1)原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快10~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2)力学性能

目前,关于纳米材料的力学性能研究,包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有(或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷,早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2~7倍。随着晶粒的减小,硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为,纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如,纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70%。然而,最近的研究发现,这完全是样品中的缺陷造成的,纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同,屈服强度是退火粗晶的10~15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低,总延伸率仅1%~4%,晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8%。从粗晶到15urn,Cu的硬度测量值满足HallPetch关系;小于15nm后,硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓,虽然硬度值很高,但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过,纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值(Hv/3)非常吻合,高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推,纳米材料应该既具有高强度,又有较高韧性。但迄今为止,得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时,其断裂应变仅为<5%,远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu,其拉伸应变量可高达30%,说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明,随着晶粒的减小,在初始阶段(类似于纯金属盼情况)发生硬化,进一步减小晶粒,硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的,但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化,如晶界、致密性、相变、应力等,都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能,但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品,进行了"微型盘弯曲试验",观察到含碳量低的材料略表现出韧性,而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl,发现晶粒小于10nm时,屈服强度高干粗晶NiAl,且在室温下有韧性,对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性(真应变大于1.4),且屈服强度高(是粗晶的1O倍)。测量TiAl(平均晶粒尺寸约10nm)的压缩蠕变(高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化)表明,在起始的快速蠕变之后,第二阶段蠕变非常缓慢,这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时(低于扩散蠕变开始温度),纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降,原因之一是压头载荷使样品进一步致密化,而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道,在750~950°C,10-5~10-3s-1的应变速率范围,纳米晶Ti-47.5Al-3Cr(g-TiAl)合金的形变应力指数约为6,说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是,最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明,高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶(3~5nm)Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示,其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转,不发生开裂和位错发散,这与粗晶材料是截然不同的。

3)纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40%。Wagner等用小角中子散射(SANS)实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性(或弱铁磁性)的界面区域构成,界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒,而且可以扩展越过界面,使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸(50mm~7nm)无关,但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小,矫顽力显著增加。Schaefer等报道,纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB/原子(块状Ni为0.6mB/原子),界面组份的居里温度(545K)比块状晶体Ni的(630K)低。最近的研究还发现,制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大,纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后,软磁性能良好,可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美,且饱和磁化强度很高(Bs约为1.3T)。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe(Si)相(12~20nm)镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后,形成富Si的a-Fe相,他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后,90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列(称为''''Nanoperm")。退火后,这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10~20nm,饱和磁化强度可达1.5~1.7T,磁导率达到48000(lkHz)。铁芯损耗低,例如,Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1(在1T,50Hz条件下),比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3.5%Si合金小45%和95%,实用前景非常诱人。

4)催化及贮氢性能

在催化剂材料中,反应的活性位置可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置,因此很适宜作催化材料。事实上,早在术语"纳米材料"出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料,典型的如Rh/Al2O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5%(inmass)Li-MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m2·g-1)的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原SO2为S的反应,可在500°C实现100%转换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外,CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活化处理,即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道,用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为20~30nm,吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力小于20Pa,温度必须高于250°C),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如200°C、120bar(lbar=0.1Mpa),2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下,即可吸氢,毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后,含氢可达~3.4%(inmass)。在以后的循环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是:在真空中加热到400~450℃,随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35~65Pa)的氢中,激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h,便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约占材料的20%~30%)构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面:

l)高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals,德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。

4)Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。

5结语

在过去十多年里,尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展,但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如,如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料,以真实地反映纳米材料的本征结构与性能?如何开发新的制备技术与工艺,实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化?纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构(晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等)的?反之,如何利用微观结构的设计与控制,发展具有新颖性能的纳米材料,以拓宽纳米材料的应用领域?某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力?如何实现纳米材料的功能与结构一体化?如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性?等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键,也是纳米材料研究被称为"高风险与高回报并存"的原因。

纳米金属材料范文篇3

40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料[例如,由50%(invol.)的非共植晶界和50%(invol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为"纳米晶体材料"(nanocrystallinematerials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"(nanostructuredmaterials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要包括:

l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;4)纳米晶体和纳米玻璃材料;5)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l)纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量;2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1)原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快10~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2)力学性能

目前,关于纳米材料的力学性能研究,包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有(或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷,早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2~7倍。随着晶粒的减小,硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为,纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如,纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70%。然而,最近的研究发现,这完全是样品中的缺陷造成的,纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同,屈服强度是退火粗晶的10~15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低,总延伸率仅1%~4%,晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8%。从粗晶到15urn,Cu的硬度测量值满足HallPetch关系;小于15nm后,硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓,虽然硬度值很高,但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过,纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值(Hv/3)非常吻合,高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推,纳米材料应该既具有高强度,又有较高韧性。但迄今为止,得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时,其断裂应变仅为<5%,远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu,其拉伸应变量可高达30%,说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明,随着晶粒的减小,在初始阶段(类似于纯金属盼情况)发生硬化,进一步减小晶粒,硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的,但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化,如晶界、致密性、相变、应力等,都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能,但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品,进行了"微型盘弯曲试验",观察到含碳量低的材料略表现出韧性,而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl,发现晶粒小于10nm时,屈服强度高干粗晶NiAl,且在室温下有韧性,对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性(真应变大于1.4),且屈服强度高(是粗晶的1O倍)。测量TiAl(平均晶粒尺寸约10nm)的压缩蠕变(高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化)表明,在起始的快速蠕变之后,第二阶段蠕变非常缓慢,这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时(低于扩散蠕变开始温度),纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降,原因之一是压头载荷使样品进一步致密化,而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道,在750~950°C,10-5~10-3s-1的应变速率范围,纳米晶Ti-47.5Al-3Cr(g-TiAl)合金的形变应力指数约为6,说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是,最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明,高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶(3~5nm)Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示,其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转,不发生开裂和位错发散,这与粗晶材料是截然不同的。

3)纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40%。Wagner等用小角中子散射(SANS)实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性(或弱铁磁性)的界面区域构成,界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒,而且可以扩展越过界面,使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸(50mm~7nm)无关,但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小,矫顽力显著增加。Schaefer等报道,纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB/原子(块状Ni为0.6mB/原子),界面组份的居里温度(545K)比块状晶体Ni的(630K)低。最近的研究还发现,制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大,纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后,软磁性能良好,可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美,且饱和磁化强度很高(Bs约为1.3T)。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe(Si)相(12~20nm)镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后,形成富Si的a-Fe相,他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后,90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列(称为''''Nanoperm")。退火后,这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10~20nm,饱和磁化强度可达1.5~1.7T,磁导率达到48000(lkHz)。铁芯损耗低,例如,Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1(在1T,50Hz条件下),比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3.5%Si合金小45%和95%,实用前景非常诱人。

4)催化及贮氢性能

在催化剂材料中,反应的活性位置可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置,因此很适宜作催化材料。事实上,早在术语"纳米材料"出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料,典型的如Rh/Al2O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5%(inmass)Li-MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m2·g-1)的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原SO2为S的反应,可在500°C实现100%转换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外,CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活化处理,即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道,用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为20~30nm,吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力小于20Pa,温度必须高于250°C),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如200°C、120bar(lbar=0.1Mpa),2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下,即可吸氢,毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后,含氢可达~3.4%(inmass)。在以后的循环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是:在真空中加热到400~450℃,随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35~65Pa)的氢中,激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h,便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约占材料的20%~30%)构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面:

l)高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals,德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。

4)Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。

5结语

在过去十多年里,尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展,但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如,如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料,以真实地反映纳米材料的本征结构与性能?如何开发新的制备技术与工艺,实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化?纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构(晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等)的?反之,如何利用微观结构的设计与控制,发展具有新颖性能的纳米材料,以拓宽纳米材料的应用领域?某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力?如何实现纳米材料的功能与结构一体化?如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性?等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键,也是纳米材料研究被称为"高风险与高回报并存"的原因。

纳米金属材料范文篇4

40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料[例如,由50%(invol.)的非共植晶界和50%(invol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为"纳米晶体材料"(nanocrystallinematerials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"(nanostructuredmaterials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要包括:

l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;4)纳米晶体和纳米玻璃材料;5)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l)纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量;2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1)原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快10~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2)力学性能

目前,关于纳米材料的力学性能研究,包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有(或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷,早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2~7倍。随着晶粒的减小,硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为,纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如,纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70%。然而,最近的研究发现,这完全是样品中的缺陷造成的,纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同,屈服强度是退火粗晶的10~15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低,总延伸率仅1%~4%,晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8%。从粗晶到15urn,Cu的硬度测量值满足HallPetch关系;小于15nm后,硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓,虽然硬度值很高,但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过,纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值(Hv/3)非常吻合,高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推,纳米材料应该既具有高强度,又有较高韧性。但迄今为止,得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时,其断裂应变仅为<5%,远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu,其拉伸应变量可高达30%,说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明,随着晶粒的减小,在初始阶段(类似于纯金属盼情况)发生硬化,进一步减小晶粒,硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的,但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化,如晶界、致密性、相变、应力等,都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能,但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品,进行了"微型盘弯曲试验",观察到含碳量低的材料略表现出韧性,而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl,发现晶粒小于10nm时,屈服强度高干粗晶NiAl,且在室温下有韧性,对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性(真应变大于1.4),且屈服强度高(是粗晶的1O倍)。测量TiAl(平均晶粒尺寸约10nm)的压缩蠕变(高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化)表明,在起始的快速蠕变之后,第二阶段蠕变非常缓慢,这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时(低于扩散蠕变开始温度),纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降,原因之一是压头载荷使样品进一步致密化,而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道,在750~950°C,10-5~10-3s-1的应变速率范围,纳米晶Ti-47.5Al-3Cr(g-TiAl)合金的形变应力指数约为6,说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是,最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明,高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶(3~5nm)Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示,其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转,不发生开裂和位错发散,这与粗晶材料是截然不同的。

3)纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40%。Wagner等用小角中子散射(SANS)实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性(或弱铁磁性)的界面区域构成,界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒,而且可以扩展越过界面,使数百个晶粒磁化排列。Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸(50mm~7nm)无关,但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小,矫顽力显著增加。Schaefer等报道,纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB/原子(块状Ni为0.6mB/原子),界面组份的居里温度(545K)比块状晶体Ni的(630K)低。最近的研究还发现,制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大,纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后,软磁性能良好,可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美,且饱和磁化强度很高(Bs约为1.3T)。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe(Si)相(12~20nm)镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后,形成富Si的a-Fe相,他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后,90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列(称为''''Nanoperm")。退火后,这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10~20nm,饱和磁化强度可达1.5~1.7T,磁导率达到48000(lkHz)。铁芯损耗低,例如,Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1(在1T,50Hz条件下),比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3.5%Si合金小45%和95%,实用前景非常诱人。

4)催化及贮氢性能

在催化剂材料中,反应的活性位置可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置,因此很适宜作催化材料。事实上,早在术语"纳米材料"出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料,典型的如Rh/Al2O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5%(inmass)Li-MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m2·g-1)的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原SO2为S的反应,可在500°C实现100%转换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外,CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活化处理,即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道,用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为20~30nm,吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力小于20Pa,温度必须高于250°C),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如200°C、120bar(lbar=0.1Mpa),2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下,即可吸氢,毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后,含氢可达~3.4%(inmass)。在以后的循环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是:在真空中加热到400~450℃,随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35~65Pa)的氢中,激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h,便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约占材料的20%~30%)构成。4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面:

l)高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals,德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。

4)Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。

纳米金属材料范文篇5

40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料[例如,由50%(invol.)的非共植晶界和50%(invol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为"纳米晶体材料"(nanocrystallinematerials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"(nanostructuredmaterials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要?ǎ?BR>l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;4)纳米晶体和纳米玻璃材料;5)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l)纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量;2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1)原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快10~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2)力学性能

目前,关于纳米材料的力学性能研究,包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有(或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷,早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2~7倍。随着晶粒的减小,硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为,纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如,纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70%。然而,最近的研究发现,这完全是样品中的缺陷造成的,纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同,屈服强度是退火粗晶的10~15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低,总延伸率仅1%~4%,晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8%。从粗晶到15urn,Cu的硬度测量值满足HallPetch关系;小于15nm后,硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓,虽然硬度值很高,但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过,纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值(Hv/3)非常吻合,高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推,纳米材料应该既具有高强度,又有较高韧性。但迄今为止,得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时,其断裂应变仅为<5%,远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu,其拉伸应变量可高达30%,说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明,随着晶粒的减小,在初始阶段(类似于纯金属盼情况)发生硬化,进一步减小晶粒,硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的,但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化,如晶界、致密性、相变、应力等,都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能,但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品,进行了"微型盘弯曲试验",观察到含碳量低的材料略表现出韧性,而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl,发现晶粒小于10nm时,屈服强度高干粗晶NiAl,且在室温下有韧性,对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性(真应变大于1.4),且屈服强度高(是粗晶的1O倍)。测量TiAl(平均晶粒尺寸约10nm)的压缩蠕变(高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化)表明,在起始的快速蠕变之后,第二阶段蠕变非常缓慢,这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时(低于扩散蠕变开始温度),纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降,原因之一是压头载荷使样品进一步致密化,而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道,

在750~950°C,10-5~10-3s-1的应?渌俾史段В擅拙i-47.5Al-3Cr(g-TiAl)合金的形变应力指数约为6,说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是,最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明,高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶(3~5nm)Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示,其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转,不发生开裂和位错发散,这与粗晶材料是截然不同的。

3)纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40%。Wagner等用小角中子散射(SANS)实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性(或弱铁磁性)的界面区域构成,界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒,而且可以扩展越过界面,使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸(50mm~7nm)无关,但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小,矫顽力显著增加。Schaefer等报道,纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB/原子(块状Ni为0.6mB/原子),界面组份的居里温度(545K)比块状晶体Ni的(630K)低。最近的研究还发现,制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大,纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后,软磁性能良好,可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美,且饱和磁化强度很高(Bs约为1.3T)。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe(Si)相(12~20nm)镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后,形成富Si的a-Fe相,他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后,90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列(称为''''Nanoperm")。退火后,这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10~20nm,饱和磁化强度可达1.5~1.7T,磁导率达到48000(lkHz)。铁芯损耗低,例如,Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1(在1T,50Hz条件下),比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3.5%Si合金小45%和95%,实用前景非常诱人。

4)催化及贮氢性能

在催化剂材料中,反应的活性位置可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置,因此很适宜作催化材料。事实上,早在术语"纳米材料"出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料,典型的如Rh/Al2O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5%(inmass)Li-MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m2·g-1)的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原SO2为S的反应,可在500°C实现100%转换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外,CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活化处理,即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道,用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为20~30nm,吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力小于20Pa,温度必须高于250°C),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如200°C、120bar(lbar=0.1Mpa),2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下,即可吸氢,毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后,含氢可达~3.4%(inmass)。在以后的循环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是:在真空中加热到400~450℃,随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35~65Pa)的氢中,激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h,便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约占材料的20%~30%)构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面:

l)高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals,德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。

4)Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。

5结语

纳米金属材料范文篇6

40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料[例如,由50%(invol.)的非共植晶界和50%(invol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为"纳米晶体材料"(nanocrystallinematerials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"(nanostructuredmaterials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要?ǎ?BR>l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;4)纳米晶体和纳米玻璃材料;5)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l)纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量;2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1)原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快10~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2)力学性能

目前,关于纳米材料的力学性能研究,包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有(或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷,早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2~7倍。随着晶粒的减小,硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为,纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如,纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70%。然而,最近的研究发现,这完全是样品中的缺陷造成的,纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同,屈服强度是退火粗晶的10~15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低,总延伸率仅1%~4%,晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8%。从粗晶到15urn,Cu的硬度测量值满足HallPetch关系;小于15nm后,硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓,虽然硬度值很高,但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过,纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值(Hv/3)非常吻合,高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推,纳米材料应该既具有高强度,又有较高韧性。但迄今为止,得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时,其断裂应变仅为<5%,远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu,其拉伸应变量可高达30%,说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明,随着晶粒的减小,在初始阶段(类似于纯金属盼情况)发生硬化,进一步减小晶粒,硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的,但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化,如晶界、致密性、相变、应力等,都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能,但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品,进行了"微型盘弯曲试验",观察到含碳量低的材料略表现出韧性,而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl,发现晶粒小于10nm时,屈服强度高干粗晶NiAl,且在室温下有韧性,对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性(真应变大于1.4),且屈服强度高(是粗晶的1O倍)。测量TiAl(平均晶粒尺寸约10nm)的压缩蠕变(高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化)表明,在起始的快速蠕变之后,第二阶段蠕变非常缓慢,这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时(低于扩散蠕变开始温度),纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降,原因之一是压头载荷使样品进一步致密化,而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道,在750~950°C,10-5~10-3s-1的应?渌俾史段В擅拙i-47.5Al-3Cr(g-TiAl)合金的形变应力指数约为6,说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是,最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明,高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶(3~5nm)Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示,其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转,不发生开裂和位错发散,这与粗晶材料是截然不同的。

3)纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40%。Wagner等用小角中子散射(SANS)实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性(或弱铁磁性)的界面区域构成,界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒,而且可以扩展越过界面,使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸(50mm~7nm)无关,但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小,矫顽力显著增加。Schaefer等报道,纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB/原子(块状Ni为0.6mB/原子),界面组份的居里温度(545K)比块状晶体Ni的(630K)低。最近的研究还发现,制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大,纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后,软磁性能良好,可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美,且饱和磁化强度很高(Bs约为1.3T)。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe(Si)相(12~20nm)镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后,形成富Si的a-Fe相,他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后,90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列(称为''''Nanoperm")。退火后,这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10~20nm,饱和磁化强度可达1.5~1.7T,磁导率达到48000(lkHz)。铁芯损耗低,例如,Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1(在1T,50Hz条件下),比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3.5%Si合金小45%和95%,实用前景非常诱人。

4)催化及贮氢性能

在催化剂材料中,反应的活性位置可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置,因此很适宜作催化材料。事实上,早在术语"纳米材料"出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料,典型的如Rh/Al2O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5%(inmass)Li-MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m2·g-1)的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原SO2为S的反应,可在500°C实现100%转换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外,CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活化处理,即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道,用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为20~30nm,吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力小于20Pa,温度必须高于250°C),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如200°C、120bar(lbar=0.1Mpa),2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下,即可吸氢,毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后,含氢可达~3.4%(inmass)。在以后的循环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是:在真空中加热到400~450℃,随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35~65Pa)的氢中,激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h,便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约占材料的20%~30%)构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面:

l)高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals,德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。

4)Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。

5结语

在过去十多年里,尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展,但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如,如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料,以真实地反映纳米材料的本征结构与性能?如何开发新的制备技术与工艺,实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化?纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构(晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等)的?反之,如何利用微观结构的设计与控制,发展具有新颖性能的纳米材料,以拓宽纳米材料的应用领域?某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力?如何实现纳米材料的功能与结构一体化?如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性?等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键,也是纳米材料研究被称为"高风险与高回报并存"的原因。

纳米金属材料范文篇7

40多年以前,科学家们就认识到实际材料中的无序结构是不容忽视的。许多新发现的物理效应,诸如某些相转变、量子尺寸效应和有关的传输现象等,只出现在含有缺陷的有序固体中。事实上,如果多晶体中晶体区的特征尺度(晶粒或晶畴直径或薄膜厚度)达到某种特征长度时(如电子波长、平均自由程、共格长度、相关长度等),材料的性能将不仅依赖于晶格原子的交互作用,也受其维数、尺度的减小和高密度缺陷控制。有鉴于此,HGleitCr认为,如果能够合成出晶粒尺寸在纳米量级的多晶体,即主要由非共格界面构成的材料[例如,由50%(invol.)的非共植晶界和50%(invol.)的晶体构成],其结构将与普通多晶体(晶粒大于lmm)或玻璃(有序度小于2nm)明显不同,称之为"纳米晶体材料"(nanocrystallinematerials)。后来,人们又将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nn)的材料广义定义为"纳米材料"或"纳米结构材料"(nanostructuredmaterials)。由于其独特的微结构和奇异性能,纳米材料引起了科学界的极大关注,成为世界范围内的研究热点,其领域涉及物理、化学、生物、微电子等诸多学科。目前,广义的纳米材料的主要?ǎ?BR>l)清洁或涂层表面的金属、半导体或聚合物薄膜;2)人造超晶格和量子讲结构;功半结晶聚合物和聚合物混和物;4)纳米晶体和纳米玻璃材料;5)金属键、共价键或分子组元构成的纳米复合材料。

经过最近十多年的研究与探索,现已在纳米材料制备方法、结构表征、物理和化学性能、实用化等方面取得显著进展,研究成果日新月异,研究范围不断拓宽。本文主要从材料科学与工程的角度,介绍与评述纳米金属材料的某些研究进展。

2纳米材料的制备与合成

材料的纳米结构化可以通过多种制备途径来实现。这些方法可大致归类为"两步过程"和"一步过程"。"两步过程"是将预先制备的孤立纳米颗粒因结成块体材料。制备纳米颗粒的方法包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、微波等离子体、低压火焰燃烧、电化学沉积、溶胶一凝胶过程、溶液的热分解和沉淀等,其中,PVD法以"惰性气体冷凝法"最具代表性。"一步过程"则是将外部能量引入或作用于母体材料,使其产生相或结构转变,直接制备出块体纳米材料。诸如,非晶材料晶化、快速凝固、高能机械球磨、严重塑性形变、滑动磨损、高能粒子辐照和火花蚀刻等。目前,关于制备科学的研究主要集中于两个方面:l)纳米粉末制备技术、理论机制和模型。目的是改进纳米材料的品质和产量;2)纳米粉末的固结技术。以获得密度和微结构可控的块体材料或表面覆层。

3纳米材料的奇异性能

1)原子的扩散行为

原子扩散行为影响材料的许多性能,诸如蠕变、超塑性、电性能和烧结性等。纳米晶Co的自扩散系数比Cu的体扩散系数大14~16个量级,比Cu的晶界自扩散系数大3个量级。Wurshum等最近的工作表明:Fe在纳米晶N中的扩散系数远低于早期报道的结果。纳米晶Pd的界面扩散数据类似于普通的晶界扩散,这很可能是由于纳米粒子固结成的块状试样中的残留疏松的影响。他们还报道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的复相纳米合金(由Fe3Si纳米金属间化合物和晶间的非晶相构成)中的扩散要比在非晶合金中快10~14倍,这是由于存在过剩的热平衡空位。Fe在Fe-Si纳米晶中的扩散由空位调节控制。

2)力学性能

目前,关于纳米材料的力学性能研究,包括硬度、断裂韧性、压缩和拉伸的应力一应变行为、应变速率敏感性、疲劳和蠕变等已经相当广泛。所研究的材料涉及不同方法制备的纯金属、合金、金属间化合物、复合材料和陶瓷。研究纳米材料本征力学性能的关键是获得内部没有(或很少)孔隙、杂质或裂纹的块状试样。由于试样内有各种缺陷,早期的许多研究结果已被最近取得的结果所否定。样品制备技术的日臻成熟与发展,使人们对纳米材料本征力学性能的认识不断深入。

许多纳米纯金属的室温硬度比相应的粗晶高2~7倍。随着晶粒的减小,硬度增加的现象几乎是不同方法制备的样品的一致表现。早期的研究认为,纳米金属的弹性模量明显低于相应的粗晶材料。例如,纳米晶Pd的杨氏和剪切模量大约是相应全密度粗晶的70%。然而,最近的研究发现,这完全是样品中的缺陷造成的,纳米晶Pd和Cu的弹性常数与相应粗晶大致相同,屈服强度是退火粗晶的10~15倍。晶粒小子50nm的Cu韧性很低,总延伸率仅1%~4%,晶粒尺寸为110nm的Cu延伸率大于8%。从粗晶到15urn,Cu的硬度测量值满足HallPetch关系;小于15nm后,硬度随晶粒尺寸的变化趋于平缓,虽然硬度值很高,但仍比由粗晶数据技HallPetch关系外推或由硬度值转换的估计值低很多。不过,纳米晶Cu的压缩屈服强度与由粗晶数据的HallPetCh关系外推值和测量硬度的值(Hv/3)非常吻合,高密度纳米晶Cu牙DPd的压缩屈服强度可达到1GPa量级。

尽管按照常规力学性能与晶粒尺寸关系外推,纳米材料应该既具有高强度,又有较高韧性。但迄今为止,得到的纳米金属材料的韧性都很低。晶粒小于25nm时,其断裂应变仅为<5%,远低于相应粗晶材料。主要原因是纳米晶体材料中存在各类缺陷、微观应力及界面状态等。用适当工艺制备的无缺陷、无微观应力的纳米晶体Cu,其拉伸应变量可高达30%,说明纳米金属材料的韧性可以大幅度提高。纳米材料的塑性变形机理研究有待深入。

纳米晶金属间化合物的硬度测试值表明,随着晶粒的减小,在初始阶段(类似于纯金属盼情况)发生硬化,进一步减小晶粒,硬化的斜率减缓或者发生软化。由硬化转变为软化的行为是相当复杂的,但这些现象与样品的制备方法无关。材料的热处理和晶粒尺寸的变化可能导致微观结构和成份的变化,如晶界、致密性、相变、应力等,都可能影响晶粒尺寸与硬度的关系。

研究纳米晶金属间化合物的主要动机是探索改进金属间化合物的室温韧性的可能性。Bohn等首先提出纳米晶金属化合物几种潜在的优越性。其中包括提高强度和韧性。Haubold及合作者研究了IGC法制备的NiAl的力学性能,但仅限于单一样品在不同温度退火后的硬度测量。Smith通过球磨NiAl得到晶粒尺寸从微米级至纳米级的样品,进行了"微型盘弯曲试验",观察到含碳量低的材料略表现出韧性,而含碳多的材料没有韧性。最近Choudry等用"双向盘弯曲试验"研究了纳米晶NiAl,发现晶粒小于10nm时,屈服强度高干粗晶NiAl,且在室温下有韧性,对形变的贡献主要源于由扩散控制的晶界滑移。室温压缩实验显示由球磨粉末固结成的纳米晶Fe-28Al-2Cr具有良好的塑性(真应变大于1.4),且屈服强度高(是粗晶的1O倍)。测量TiAl(平均晶粒尺寸约10nm)的压缩蠕变(高温下测量硬度随着恒载荷加载时间的变化)表明,在起始的快速蠕变之后,第二阶段蠕变非常缓慢,这意味着发生了扩散控制的形变过程。低温时(低于扩散蠕变开始温度),纳米晶的硬度变化很小。观察到的硬度随着温度升高而下降,原因之一是压头载荷使样品进一步致密化,而主要是因为材料流变加快。Mishra等报道,在750~950°C,10-5~10-3s-1的应?渌俾史段В擅拙i-47.5Al-3Cr(g-TiAl)合金的形变应力指数约为6,说明其形变机制为攀移位错控制。

值得注意的是,最近报道了用分子动力学计算机模拟研究纳米材料的致密化过程和形变。纳米Cu丝的模拟结果表明,高密度晶界对力学行为和塑性变形过程中的晶界迁移有显著影响。纳米晶(3~5nm)Ni在低温高载荷塑性变形的模拟结果显示,其塑性变形机制主是界面的粘滞流动、晶界运动和晶界旋转,不发生开裂和位错发散,这与粗晶材料是截然不同的。

3)纳米晶金属的磁性

早期的研究发现。纳米晶Fe的饱和磁化强度试比普通块材a-Fe约低40%。Wagner等用小角中子散射(SANS)实验证实纳米晶Fe由铁磁性的晶粒和非铁磁性(或弱铁磁性)的界面区域构成,界面区域体积约占一半。纳米晶Fe的磁交互作用不仅限于单个晶粒,而且可以扩展越过界面,使数百个晶粒磁化排列。

Daroezi等证实球磨形成的纳米晶Fe和Ni的饱和磁化强度与晶粒尺寸(50mm~7nm)无关,但纳米晶的饱和磁化曲线形状不同于微米晶材料。随着晶粒减小,矫顽力显著增加。Schaefer等报道,纳米晶Ni中界面原子的磁拒降低至0.34mB/原子(块状Ni为0.6mB/原子),界面组份的居里温度(545K)比块状晶体Ni的(630K)低。最近的研究还发现,制备时残留在纳米晶Ni中的内应力对磁性的影响很大,纳米晶Ni的饱和磁化强度与粗晶Ni基本相同。

Yoshizawa等报道了快淬的FeCuNbSiB非晶在初生晶化后,软磁性能良好,可与被莫合金和最好的Co基调合金相媲美,且饱和磁化强度很高(Bs约为1.3T)。其典型成份为Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9称为"Finemet"。性能最佳的结构为a-Fe(Si)相(12~20nm)镶嵌在剩余的非晶格基体上。软磁性能好的原因之一被认为是铁磁交互作用。单个晶粒的局部磁晶体各向异性被有效地降低。其二是晶化处理后,形成富Si的a-Fe相,他和磁致伸缩系数ls下降到2′10-6。继Finemet之后,90年代初又发展了新一族纳米晶软磁合金Fe-Zr-(Cu)-B-(Si)系列(称为''''Nanoperm")。退火后,这类合金形成的bcc相晶粒尺寸为10~20nm,饱和磁化强度可达1.5~1.7T,磁导率达到48000(lkHz)。铁芯损耗低,例如,Fe86Zr7B6Cu1合金的铁芯损耗为66mW·g-1(在1T,50Hz条件下),比目前做变压器铁芯的Fe78Si9B13非晶合金和bccFe-3.5%Si合金小45%和95%,实用前景非常诱人。

4)催化及贮氢性能

在催化剂材料中,反应的活性位置可以是表面上的团簇原子,或是表面上吸附的另一种物质。这些位置与表面结构、晶格缺陷和晶体的边角密切相关。由于纳米晶材料可以提供大量催化活性位置,因此很适宜作催化材料。事实上,早在术语"纳米材料"出现前几十年,已经出现许多纳米结构的催化材料,典型的如Rh/Al2O3、Pt/C之类金属纳米颗粒弥散在情性物质上的催化剂。已在石油化工、精细化工合成、汽车排气许多场合应用。

Sakas等报道了纳米晶5%(inmass)Li-MgO(平均直径5.2nm,比表面面积750m2·g-1)的催化活性。它对甲烷向高级烃转化的催化效果很好,催化激活温度比普通Li浸渗的MgO至少低200°C,尽管略有烧结发生,纳米材料的平均活性也比普通材料高3.3倍。

Ying及合作者利用惰性气氛冷凝法制成高度非化学当量的CeO2-x纳米晶体,作为CO还原SO2、CO氧化和CH4氧化的反应催化剂表现出很高的活性。活化温度低于超细的化学当量CeO2基材料。例如,选择性还原SO2为S的反应,可在500°C实现100%转换,而由化学沉淀得到的超细CeO2粉末,活化温度高达600°C。掺杂Cu的Cu-CeO2-x纳米复合材料可以使SO2的反应温度降低到420°C。另外,CeO2-x纳米晶在SO2还原反应中没有活性滞后,且具有超常的抗CO2毒化能力。还能使CO完全转化为CO2的氧化反应在低于100°C时进行,这对冷起动的汽车排气控制非常有利。值得注意的是这样的催化剂仅由较便宜的金属构成,毋须添加资金属元素。

FeTi和Mg2Ni是贮氢材料的重要候选合金。其缺点是吸氢很慢,必须进行活化处理,即多次地进行吸氢----脱氢过程。Zaluski等最近报道,用球磨Mg和Ni粉末可直接形成化学当量的Mg2Ni,晶粒平均尺寸为20~30nm,吸氢性能比普通多晶材料好得多。普通多晶Mg2Ni的吸氢只能在高温下进行(如果氢压力小于20Pa,温度必须高于250°C),低温吸氢则需要长时间和高的氢压力,例如200°C、120bar(lbar=0.1Mpa),2天。纳米晶Mg2Ni在200°C以下,即可吸氢,毋须活化处理。300°C第一次氢化循环后,含氢可达~3.4%(inmass)。在以后的循环过程中,吸氢比普通多晶材料快4倍。纳米晶FeTi的吸氢活化性能明显优于普通多晶材料。普通多晶FeTi的活化过程是:在真空中加热到400~450℃,随后在约7Pa的H2中退火、冷却至室温再暴露于压力较高(35~65Pa)的氢中,激活过程需重复几次。而球磨形成的纳米晶FeTi只需在400℃真空中退火0.5h,便足以完成全部的氢吸收循环。纳米晶FeTi合金由纳米晶粒和高度无序的晶界区域(约占材料的20%~30%)构成。

4纳米材料应用示例

目前纳米材料主要用于下列方面:

l)高硬度、耐磨WC-Co纳米复合材料

纳米结构的WC-Co已经用作保护涂层和切削工具。这是因为纳米结构的WC-Co在硬度、耐磨性和韧性等方面明显优于普通的粗晶材料。其中,力学性能提高约一个量级,还可能进一步提高。高能球磨或者化学合成WC-Co纳米合金已经工业化。化学合成包括三个主要步骤:起始溶液的制备与混和;喷雾干燥形成化学性均匀的原粉末;再经流床热化学转化成为纳米晶WC-Co粉末。喷雾干燥和流床转化已经用来批量生产金属碳化物粉末。WC-Co粉末可在真空或氢气氛下液相烧结成块体材料。VC或Cr3C2等碳化物相的掺杂,可以抑制烧结过程中的晶粒长大。

2)纳米结构软磁材料

Finemet族合金已经由日本的HitachiSpecialMetals,德国的VacuumschmelzeGmbH和法国的Imply等公司推向市场,已制造销售许多用途特殊的小型铁芯产品。日本的AlpsElectricCo.一直在开发Nanoperm族合金,该公司与用户合作,不断扩展纳米晶Fe-Zr-B合金的应用领域。

3)电沉积纳米晶Ni

电沉积薄膜具有典型的柱状晶结构,但可以用脉冲电流将其破碎。精心地控制温度、pH值和镀池的成份,电沉积的Ni晶粒尺寸可达10nm。但它在350K时就发生反常的晶粒长大,添加溶质并使其偏析在晶界上,以使之产生溶质拖拽和Zener粒子打轧效应,可实现结构的稳定。例如,添加千分之几的磷、流或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。电沉积涂层脉良好的控制晶粒尺寸分布,表现为Hall-Petch强化行为、纯Ni的耐蚀性好。这些性能以及可直接涂履的工艺特点,使管材的内涂覆,尤其是修复核蒸汽发电机非常方便。这种技术已经作为EectrosleeveTM工艺商业化。在这项应用中,微合金化的涂层晶粒尺寸约为100nm,材料的拉伸强度约为锻造Ni的两倍,延伸率为15%。晶间开裂抗力大为改善。

4)Al基纳米复合材料

Al基纳米复合材料以其超高强度(可达到1.6GPa)为人们所关注。其结构特点是在非晶基体上弥散分布着纳米尺度的a-Al粒子,合金元素包括稀土(如Y、Ce)和过渡族金属(如Fe、Ni)。通常必须用快速凝固技术(直接淬火或由初始非晶态通火)获得纳米复合结构。但这只能得到条带或雾化粉末。纳米复合材料的力学行为与晶化后的非晶合金相类似,即室温下超常的高屈服应力和加工软化(导致拉神状态下的塑性不稳定性)。这类纳米材料(或非晶)可以固结成块材。例如,在略低于非晶合金的晶化温度下温挤。加工过程中也可以完全转变为晶体,晶粒尺寸明显大干部份非晶的纳米复合材料。典型的Al基体的晶粒尺寸为100~200nm,镶嵌在基体上的金属间化合物粒子直径约50nm。强度为0.8~1GPa,拉伸韧性得到改善。另外,这种材料具有很好的强度与模量的结合以及疲劳强度。温挤Al基纳米复合材料已经商业化,注册为GigasTM。雾化的粉末可以固结成棒材,并加工成小尺寸高强度部件。类似的固结材料在高温下表现出很好的超塑性行为:在1s-1的高应变速率下,延伸率大于500%。

5结语

在过去十多年里,尽管纳米材料的研究已经取得了显著进展,但许多重要问题仍有待探索和解决。诸如,如何获得清洁、无孔隙、大尺寸的块体纳米材料,以真实地反映纳米材料的本征结构与性能?如何开发新的制备技术与工艺,实现高品质、低成本、多品种的纳米材料产业化?纳米材料的奇异性能是如何依赖于微观结构(晶粒尺寸与形貌、晶界等缺陷的性质、合金化等)的?反之,如何利用微观结构的设计与控制,发展具有新颖性能的纳米材料,以拓宽纳米材料的应用领域?某些传统材料的局域纳米化能否为其注入新的生命力?如何实现纳米材料的功能与结构一体化?如何使纳米材料在必要的后续处理或使用过程中保持结构与性能的稳定性?等等。这些基本问题是进一步深入研究纳米材料及其实用化的关键,也是纳米材料研究被称为"高风险与高回报并存"的原因。

纳米金属材料范文篇8

【关键词】锌镀层;耐蚀;纳米氧化铈;金属基复合材料

锌镀层用于防止钢铁制品的锈蚀,已有200多年的历史,至今,它在钢铁材料防蚀涂层中仍占有重要的地位。锌镀层的使用寿命取决于镀层的耐蚀能力,镀层的耐蚀能力越强,则镀层的使用寿命就越长。随着日益发展的科技与经济的需要,如何更好的改善镀层的耐蚀能力对镀层材料提出了更高的要求。

一、土元素在镀锌防腐蚀应用研究中的进展

随着对稀土材料的开发研究,人们逐渐认识到其优越性,并将其应用在不同领域。20世纪80年代,Hinton和Wilson首次研究了稀土对纯锌的缓蚀作用,发现1.0g/L的CeCL3可使纯锌的腐蚀速率降低到原来的1/10,使电镀锌的腐蚀速率降低到原来的1/2,腐蚀试验完毕后纯锌和电镀锌表面形成了一层黄色的膜。之后,Hinton进一步研究了纯锌和电镀锌表面的稀土转化膜的成分和结构,发现膜中主要组成物质是CeO2和Zn,并且Ce是以四价形式存在于膜中的。昆明理工大学的郭忠诚副教授在1996年第5期的《金属学报》中发表过一篇《稀土对复合镀工艺及镀层性能的影响》,研究了稀土对Ni-SiC复合镀工艺及镀层性能的影响。结果表明,添加适量的稀土能显著地提高复合镀层中微粒的含量、硬度和耐磨性。

已有研究表明,加入稀土氧化物CeO2所产生作用如下:

1.稀土元素细化微观组织结构,减小第二相树状晶体间距和涂层夹杂物含量;

2.稀土元素的加入对减少涂层金属材料在基体上的扩散是很有效的;

3.稀土元素可以增大衍射角,降低晶体面间距和点阵常数;

4.稀土元素的加入提高抗腐蚀性能,钝化显著提高,腐蚀速率明显降低。

但是,稀土元素对于降低镀层腐蚀速率幅度与人们的期望值相比还略显不足,故此工艺也未能在生产中获得广泛应用。

二、纳米金属基复合材料的优越性分析

在镀层中添加纳米微粒改善锌镀层的耐蚀性,是在纳米技术之上建立起来的新方法。纳米微粒具有很多独特的物理及化学性能包括表面效应,体积效应,量子尺寸效应,宏观量子隧道效应和一些奇异的光、电、磁等性质。纳米材料这种非凡的特性赋予了这种方法广泛的发展前景,值得进一步深入研究。材料的分子尺度或纳米尺度设计是目前高性能复合材料研究的前沿科学。Roy和Kormameni等于1984年首次提出了纳米复合材料(nanocomposite)的概念,即复合物的分散相至少有一相的一维尺度在100纳米以下。由于纳米复合材料的基体相和分散相的界面面积特别大,如果能把分散相和基体相性质充分的结合起来,将大大改进和提高材料的性能。纳米颗粒在基体相中的作用不仅仅是补强,还能赋予基体很多别的性能。如由于其粒子尺寸小,透光性好,将其加入塑料中可以使塑料变得很致密。在半透膜中添加纳米材料后,不但透明的程度增加,韧性、强度也有所改善,且防水性大大增强。经过测试,纳米复合材料的性能优于同组分的常规复合材料。因此,制备纳米复合材料是获取高性能材料的有效方法之一。纳米复合材料按基体材料类型可以分为3种:金属基纳米复合材料、陶瓷基纳米复合材料、聚合物基纳米复合材料。金属基纳米复合材料是由纳米级的金属或非金属粒子均匀地弥散在金属及合金基体中而成,较之传统的金属基复合材料,其比强度、比模量、耐磨性、导电、导热性能等均有大幅度的提高。从国内外文献报道情况来看,目前,世界各国所发展的纳米复合材料多局限于聚合物材料中,而采用纳米粉体改性整体金属材料方面所做的工作却比较少。这是因为对于金属材料基体而言,尚无特别好的分散方法对团聚状态的纳米粉体进行分散。纳米金属基复合材料是一个尚未开发的处女地,是很有前景的一种新材料,这也是本课题需要解决的难点。

三、纳米氧化铈/锌金属基复合材料的制备和应用

金属基纳米复合材料的制备比聚合物基纳米复合材料要复杂和困难得多,这与金属的固有物理、化学特性有关。目前,制备金属基纳米复合材料的主要难点在于:

1.巨大的表面所产生的表面能使具有纳米尺寸的物体之间存在极强的团聚作用而使颗粒尺寸变大。如何能将这些纳米单元体分散在金属基体中构成复合材料,使之不团聚而保持纳米尺寸的单个体以充分发挥其纳米效应是合成金属基纳米复合材料必须解决的首要问题。然而迄今为止尚无十分有效的分散方法对团聚状态的纳米粉体在金属基体中进行分散。

2.为保证与纳米增强相能进行良好的复合,基体金属必须具有足够的流动性、成型性。但基体金属一般均具有较高的熔点,因此,金属基纳米复合材料在高温制备时势必会发生严重的界面反应、氧化等有害的化学反应如何严格控制界面反应是制备高性能金属基纳米复合材料的又一关键所在。

3.金属基体与纳米第二相之间浸润性差,甚至不浸润,必须设法对纳米微粒进行适当的表面处理以改善与(下转第61页)(上接第62页)基体的浸润性。

本课题拟制备纳米氧化铈/锌金属基复合材料,纳米稀土粉末由于其粒度非常细小、比表面能特别大,通常处于团聚状态,如果将其直接加入到热镀锌镀液中,其团聚现象将更为严重,而且还会产生偏聚。为此,拟采用粉末冶金方法先制备出纳米CeO2/Zn复合材料,作为中间体将纳米CeO2带入热镀锌镀液中。但对于常规粉末冶金法而言,混合物的均匀性很大程度上取决于两种粉末粒度的差别,纳米CeO2粉末与纯锌粉末的粒径相差很大,这就决定了粉末混合物的均匀性较差;而且纳米CeO2颗粒又呈团聚状态,所以很难实现纳米CeO2颗粒在锌基体中的弥散均匀分布。为解决这个问题,关键是先制备出均匀的纳米CeO2/Zn复合粉末。高能球磨作为一种材料制备的重要工艺方法,日益受到国内外材料科学界的重视。特别是在纳米材料科学与技术领域,有关高能球磨法制备纳米金属、纳米金属间化合物材料、纳米复合材料、非晶材料、纳米陶瓷等的研究很多,并取得了很大的进展。作者采用高能球磨法成功制备出纳米CeO2颗粒弥散均匀包覆、镶嵌在锌颗粒之上的纳米CeO2/Zn复合粉末,并通过XRD、SEM详细研究了粉体的组成、微观形貌(具体制备方法和结论将在另一篇文章中介绍),这意味着如以这种稀土金属基纳米复合材料作为中间合金代替单纯的锌合金,用在钢铁件表面实施热浸镀,可显著提高锌镀层的耐腐蚀性能,另外,高能球磨法制备工艺简单,成本低廉,容易实现大规模工业化应用。

四、结论

纳米CeO2/Zn金属基复合材料在锌镀层中的应用可以使锌镀层的防腐能力得到质的飞跃,这在纳米涂层材料的开发应用方面提出了一种新思路,具体的实施还有待于进一步研究,但在锌镀层方面的应用毫无疑问有着极为广泛的应用前景。

【参考文献】

[1]骆心怡,何建平,朱正吼.纳米氧化铈颗粒对电沉积锌层耐蚀性的影响[J].材料保护,2003,36(1).

[2]黄新民,吴玉程,郑玉春.纳米颗粒对复合镀层性能的影响[J].兵器材料科学与工程,1999,22(6).

[3]邓姝皓,龚竹青,陈文汩.电陈积纳米晶体材料的研究现状与发展[J].电镀与涂饰,2001,20(4).

纳米金属材料范文篇9

关键词:新材料;新工艺;应用研究

1前言

科学技术和人类文化艺术的有机融合诞生了工业设计,而工业设计想要发展就需要材料的应用和加工技术的不断发展,这不仅关系到设计的内涵也关系着设计的实用性。下面我们就浅谈了一下新材料和新工艺的应用研究。

2如今材料和工艺的发展概述

材料的开发,最原始的石器时代使用的兽皮、泥土等天然的材料,到了后来是用火制造的材料,再到了二十世纪主要是利用物理和化学原理合成的材料,其中有合成高分子材料、功能高分子材料和合金材料等。到了二十世纪五十年代出现了如金属陶瓷等材质的复合化材料,二十世纪后期主要是利用信息技术等。到了二十世纪,材料的材质种类愈加丰富,工艺水平也愈加的丰富多彩,这其中有锻造工艺、压力加工工艺等。

3新材料和新工艺在工业设计的应用研究

3.1关于新材料的应用研究

3.1.1新型造型结构材料的分类

新型的造型结构材料,主要要新型金属材料、新型高分子材料、新型复合材料、新型玻璃材料以及其他结构的结构材料。新型的金属材料主要分为两种,分别是保节灵超薄钢片和金属材料。其中的保节灵超薄钢片的灵活性非常强,可以随意的弯曲,而且材料的外观和色彩因为材质是聚合物的关系可以随意更换,这样这种材料的外观就会非常鲜亮和美丽。而金属材料是融合了聚合物塑料和非晶体结构材料,它具有一般金属材料达不到的热稳定性,这样就能够成形的非常容易。新型高分子材料主要是Ecoflx和Ecovio以及Prity材料。第一种材料的是一种特殊的可以降解的材料,它因为较好的弹性和耐候性经常被应用到包装的领域。第二种材料则是触摸起来的质感非常强烈,而且因为是含有凝胶剂聚氨酯的材料所以在外观和形态上可以根据洗好进行改变,这种材料不仅有多样的色彩和舒适的触感,而且无毒无害。新型玻璃材料主要分为纳米金刚材料和视觉控制玻璃以及超薄玻璃三种。纳米金刚玻璃的质地非常的坚硬,这是因为它的表面涂了一层碳,其主要应用在MP3上,金属的质感并且不会留下痕迹,非常的时髦。第二种玻璃中间有一层透明的玻璃和上色玻璃,这种玻璃跟随者电流的变化也会产生变化,这样它便主要能有效的调节我们的生活。第三种材质被称为世界上最薄的玻璃,其因为十分的轻薄主要应用在各种的电子设备屏幕上。其它的新型材料主要是光线互动材料、半透明混凝土和织物材料等。

3.1.2新型功能材料研究

如今的新型功能材料主要分为四个方面,能够自我修复、高性能纳米复合稀土材料的、聚异丙基薄膜和具有记忆能力的玻璃。第一种材料的可以在复合物基底的基础上进行自我修复,主要应用在汽车、飞机等微型芯片制造业。第二种主要是可以通过控制薄膜的厚度从而控制硬磁相和软磁相的晶粒排序,此材料如今还在发展阶段。第三种材料的特点是融合了疏水性和亲水性,根据温度的不同有所变化,用此制造服装具有较好的保暖冰凉作用。最后一种材料是运用太阳光和其他光储存能量而后释放的方式进行记忆,这样通过各种线路的照射就能储存信息,其材料采用的是稀土,用途相当广泛。

3.2关于新工艺的应用研究

3.2.1新工艺的分类

新型的工艺在工业设计中主要分为新型成型工艺、新型加工工艺和新型表面处理工艺。新型成型工艺主要是分为混动态成型技术、快速成型技术两种。第一种材料的凝练、分散效果极佳,多应用在电子、运输业。第二种材料的柔韧性加好,主要应用于工业设计和绘图等等。新型加工工艺主要分为仿生电火花加工技术、二氧化碳激光切割技术两种。第一种可以将原来的加工直孔或简单弯孔转变成较为复杂的曲线孔,其中研制出来的仿生机器人不仅结构简单、动作敦实,并且加工出来的曲线孔非常的光滑而且形状的简单。第二种是应用借光切割的手段来进行分割,这样的材料清洁、安全没有污染。

3.2.2新工艺的发展方向

如今的新型工艺主要体现在各种学科交叉和部门参与的工艺、各种材料的开发和应用更加密集、材料的结构和工艺越加小型的工艺和材料多朝向仿生智能。值得提出的原先的材料主要是被动型,材料和结构都比较单一,很难变成一个智能的东西,如今的材料研究方向是使得其智能化。也就是未来的方向更加的倾向于精密而成型的技术、微细的技术加工和多样化的表面处理等。

4建立工业设计的材料与工业数据库

建立数据库的重要意义。如今的材料和工艺数据库资源非常的分散导致维护和更新阻力非常大,所以建立数据库意义重大。而且工业设计和材料和工艺具备不同往常的特殊性,这不仅要考虑到不同尺寸、形状的材料,也要考虑到材料的外观和性能,所以建立数据库意义重大。最后是工业设计材料和数据库也能使得设计师更加快速直观的获取信息,从而进行更好的设计和创造。

5小结

对于面向工业设计的新材料与新工艺的应用研究,其中提出了很多新材料和工艺,但是还需要建立工业设计的材料和工业数据库。对于新材料和新工业是在一个不断探索的阶段,需要各方的不断努力。

作者:张倩倩 单位:广州现代信息工程职业技术学院

参考文献:

[1]夏燕靖.对我国高校艺术设计本科专业课程结构的探讨[D].南京艺术学院,2007.

纳米金属材料范文篇10

现代生物技术是以DNA分子技术为基础,包括微生物工程、细胞工程、酶工程、基因工程等一系列生物高新技术的总称。现代生物技术在农作物改良、医药研究、食品工程、治理污染、环境生物监测等方面发挥着重要的作用。由于现代生物技术对解决人类面临的重大问题如:粮食、健康、环境和能源等将开辟广阔的前景,因此越来越为各国政府和企业界所关注,与信息、新材料和新能源技术并列成为影响国计民生的四大科学技术支柱,是21世纪高新技术产业的先导。

(一)遗传工程

遗传工程的研究发展,为器官移植提供了一个很有前途的新手段——利用动物的器官代替人的器官。科学研究表明人体异种器官移植,猪较为合适。首先猪器官的大小与人的相当,生理上也比较接近;其次猪在无病原体条件下比较容易饲养和容易保证无病的供体;此外猪的繁殖率高,每窝可产十几只猪崽,存活率也较高。为了保证植入的器官不被排斥,生物学者正在培养具有人的基因的新型猪,这种猪叫转基因猪。

在农业生物技术中,转基因动植物的研究与开发最为突出。1983年转基因植物问世,1986年被批准进入田间试验,根据美国农业部动植物检疫局(APHIS)的数据,截止1997年1月31日,美国已批准的转基因植物田间试验达2584例。近年来,抗除草剂的大豆、抗病毒病的甜椒、抗腐能力强、耐贮性高的番茄、具有高含量必须氨基酸的马铃薯等转基因植物开始进入市场,成为农业生物技术的第一批成果;转基因的瘦肉型猪、高产奶的奶牛和能从奶中提取药物的转基因羊等也将进入实用化阶段。未来农业的模式将是:农业工厂化,按人类要求高水平的控制环境因素,实现规模化、机械化、自动化生产,产生质量稳定、供应稳定、价格稳定、营养丰富的农业产品;安全的转基因动植物投放市场;具有营养保健、医疗功效的猎牛羊、蔬菜水果等转基因食品大批走向餐桌。

农业生物技术的应用在我国也取得了丰硕成果,我国用花药培养、染色体工程等育种技术培养出才稻、小麦、油菜、橡胶等一批作物新品种、新品系、新种质。其中较突出的有京花3号、小偃1o7号小麦和中花1o号水稻等新品种,具有优质高产、抗病、抗盐碱等特性,已经在生产中推广应用。我国转基因技术在家畜及鱼类育种上也初见成效,中科院水生生物研究所在世界上率先进行转基因鱼的研究''''成功地)将人生长激素基因、鱼生长激素基因导入鲤鱼,育成的当代转基因鱼生长速度比对照组快’并从子代测得生长激素基因的表达,为转基因鱼的实用化打下基础。

(四)海洋生物技术

随着海洋生物学的发展和海洋生物资源开发规模的扩大,海洋生物技术兴起并成为一个新的研究开发领域。海洋生物技术的研究范围广泛,发展迅速。其中包括探索、开发和利用有价值海洋生物,优良养殖品种的培育和病害防治,海洋生物天然产物的利用,海洋特殊功能的阐明和利用,海洋生态系统的阐明和利用,海洋生物利用系统和辅助系统。海水养殖、海洋生物、天然产物开发和海洋环境保护的生物技术是三大研究热点。

1996年,我国政府已将海洋生物技术列入863计划,主要方向是大规模发展海水养殖。并已初见成效。海水养殖总产量、海藻、贝类等产量均居世界首位,对虾产量也曾一度居世界首位;裙带菜无性繁殖系、三倍体扇贝和牡蛎的培育,都已列入国家“攀登计划”,正在组织实施;山东省海藻养殖和海藻化工已成为世界上该领域第一大产地。此外我国在世界上首次研究成功了海带的单倍体育种技术、紫菜的体细胞育苗技术、对虾的三倍体与四倍体育苗技术、对虾精荚移植技术等;在海水鱼、贝类的三倍体育苗技术和鱼类性别控制技术的研究方面也取得了重大进展。

二、信息技术

计算机技术与现代通信技术一起构成了信息技术的核心内容。信息技术主要是指利用电子计算机和现代通信手段实现获取信息、传递信息、存储信息、处理信息、显示信息、分配信息等的相关技术。现代信息技术是以电子技术,尤其是微电子技术为基础,以计算机技术(信息处理技术)为核心,以通信技术(信息传递技术)为支柱,以信息技术应用为目的的科学技术群。包括信息获取技术、信息处理技术、信息传递技术、信息控制技术、信息存储技术等内容。具体来讲,信息技术主要包括以下几方面:

1.感测与识别技术。它的作用是扩展人获取信息的感觉器官功能。它包括信息识别、信息提取、信息检测等技术。这类技术的总称是“传感技术”。它几乎可以扩展人类所有感觉器官的传感功能。传感技术、测量技术与通信技术相结合而产生的遥感技术,更使人感知信息的能力得到进一步的加强。

2.信息传递技术。它的主要功能是实现信息快速、可靠、安全的转移。各种通信技术都属于这个范畴。广播技术也是一种传递信息的技术。由于存储、记录可以看成是从“现在”向“未来”或从“过去’向“现在”传递信息的一种活动,因而也可将它看作是信息传递技术的一种。

3.信息处理与再生技术。信息处理包括对信息的编码、压缩、加密等。在对信息进行处理的基础上,还可形成一些新的更深层次的决策信息,这称为信息的“再生"。信息的处理与再生都有赖于现代电子计算机的超凡功能。

4.信息施用技术。是信息过程的最后环节。它包括控制技术、显示技术等。

传感技术、通信技术、计算机技术和控制技术是信息技术的四大基本技术,其中现代计算机技术和通信技术是信息技术的两大支柱。

三、新材料

新材料是指那些新出现或已在发展中的、具有传统材料所不具备的优异性能和特殊功能的材料。新材料与传统材料之间并没有截然的分界,新材料在传统材料基础上发展而成,传统材料经过组成、结构、设计和工艺上的改进从而提高材料性能或出现新的性能都可发展成为新材料。

新材料作为高新技术的基础和先导,应用范围极其广泛,它同信息技术、生物技术一起成为21世纪最重要和最具发展潜力的领域。同传统材料一样,新材料可以从结构组成、功能和应用领域等多种不同角度对其进行分类,不同的分类之间相互交叉和嵌套,目前,一般按应用领域和当今的研究热点把新材料分为以下的主要领域:电子信息材料、新能源材料、纳米材料、先进复合材料、先进陶瓷材料、生态环境材料、新型功能材料(含高温超导材料、磁性材料、金刚石薄膜、功能高分子材料等)、生物医用材料、高性能结构材料、智能材料、新型建筑及化工材料等。在20世纪初,人们所指的建筑材料是木材、水泥和钢铁;二战后出现了新三材,指的是人工合成的塑料、橡胶和纤维,而80年代以来大量高新材料纷纷涌现。高新材料从使用的角度说可分为传递、记录或存储的信息材料;耐高温结构陶瓷、非晶态材料和超导材料的新能源材料,特别是超导材料80年代中期以来有突破性进展;高性能结构复合材料,高性能工程塑料和新型合金材料为主要内容的特殊结构材料和新功能材料,如高效能的陶瓷材料、有机氟材料、高功能的黏合剂等。从材料的构成来说可以分金属材料、高分子材料及陶瓷材料三大门类。近些年来,出现了金属材料、高分子材料、陶瓷材料及复合材料竞相发展的趋势。一些新兴金属材料在科技革命的大潮中应运而生。传统铁、铅、锌、铝等金属更新品种,与宇航、电子、原子能等高新技术联系密切的金属材料越来越受到重视。其他新型高性能金属材料出现了如快速冷凝金属的非晶体和微晶材料、纳米金属材料、有序金属间化合物、定向凝固柱晶和单晶合金等。纳米材料具有许多潜在的新用途,它是一门用单个原子和分子建造事物的科学,其最终目标是实现微型化。

四、新能源

新能源又称非常规能源,是传统能源之外的各种能源形式,指刚开始开发利用或正在积极研究、有待推广的能源,如太阳能、地热能、风能、海洋能、生物质能和核聚变能等。联合国开发计划署(UNDP)把新能源分为以下三大类:大中型水电;新可再生能源,包括小水电、太阳能、风能、现代生物质能、地热能、海洋能。新能源的各种形式都是直接或者间接地来自于太阳或地球内部发出所产生的热能,包括各种可再生能源和核能。相对于传统能源,新能源普遍具有污染少、储量大的特点,对于解决当今世界严重的环境污染问题和资源(特别是化石能源)枯竭问题具有重要意义。同时,由于很多新能源分布均匀,对于解决由能源引发的战争也有着重要意义。

能力提升练习

1.1856年,法国组建了世界上第一个现代天气服务系统,开展天气预报服务。天气预报的产生是源于()。

A.好奇

B.生产

C.生活

D.战争

2.具有高科技含量、高文化附加值的各类创新型产业所形成的经济形态可以被称作是()。

A.信息经济

B.知识经济

C.创意经济

D.市场经济

3.江西省、重庆市、贵州省、海南省、云南省的别称依次分别是()。

A.赣、渝、琼、滇、黔

B.赣、渝、黔、琼、滇

C.赣、渝、蓉、琼、黔

D.赣、渝、贵、琼、云

4.现代信息社会的基础设施是()。

A.电力网

B.电视网

C.交通网

D.电信网

5.以下各项中,属于空间技术的是()。

A.探空气球

B.人工降雨

C.卫星通讯

D.大气环流探测

参考答案及解析

1.D【解析】1854年11月,克里米亚战争爆发,英法联军准备在黑海的巴拉克拉瓦港登陆。突如其来的暴风雨摧毁了一艘法国旗舰,联军几乎全军覆没。法国国王拿破仑三世于是下令巴黎天文台台长勒弗里报告这场风暴的起因。1855年3月,勒弗里正式向法国科学院提出建议,由政府组织气象观测网,并将观测资料集中起来进行分析,绘制天气图。1856年,法国组建了第一个现代天气服务系统’用电报传送各地当日的气象观测结果,开展天气预报服务。

2.A【解析】信息经济,是以现代信息技术等高科技为物质基础,信息产业起主导作用的基于信息、知识、智力的一种新型经济;“知识经济”(TheKnowledgeEconomy)通俗地说就是“以知识为基础的经济”(TheKnowledge—basedEconomy)。这里的以知识为基础,是相对于现行的“以物质为基础的经济”而言的;创意产业,又叫创意工业、创造性产业、创意经济等。指那些从个人的创造力、技能和天分中获取发展动力的企业,以及那些通过对知识产权的开发可创造潜在财富和就业机会的活动;市场经济(又称为自由市场经济或自由企业经济)是一种经济体系,在这种体系下产品和服务的生产及销售完全由自由市场的自由价格机制所引导,而不是像计划经济一般由国家所引导。

3.B【解析】略