1 引言
奈米材料是指奈米粉末,或用奈米粉末經過一系列製備工藝而得到的薄膜材料或塊體材料,由於奈米材料的晶粒尺寸,晶界尺寸,缺陷尺寸均處在100ｎｍ及其以下,且晶界數量大幅度增加,使得材料的強度,韌性和超塑性大為提高。對於材料的電學,磁學,光學等效能產生重要的影響。
本文根據大量資料,對奈米材料所具有的一些獨特效能進行綜述,對其應用及前景進行了介紹和展望。
2 奈米材料的效能
2 1 奈米材料的力學效能
大量研究表明,奈米陶瓷材料具有超塑性效能,所謂超塑性是指材料在一定的應變速率下產生較大的拉伸應變。奈米ｔｉｏ2陶瓷在室溫下就能發生塑性形變,在180℃下塑性變形可達100%。若試樣中存在微裂紋,在180℃下進行彎曲時,也不發生裂紋擴充套件[4]。
摻雜ｙ2ｏ3的四方氧化鋯多晶體奈米陶瓷材料(ｙ—ｔｚｐ)當晶粒尺寸為150ｎｍ時,材料可在1250℃下呈現超塑性。且起始應變速率達到3×10-2ｓ-1,壓縮應變數達380%[5]。對晶粒尺寸為350ｎｍ的3ｙ—ｔｚｄ陶瓷進行迴圈拉伸試驗,發現在室溫下就已出現形變現象。
另外奈米ｚｎｏ陶瓷也具有超塑性效能。奈米ｓｉ3ｎ4陶瓷在1300℃下。即可產生200%以上的形變。
關於奈米陶瓷產生超塑性的原因,一般認為是擴散蠕變引起晶界滑移所致。擴散蠕變速率與擴散係數成正比,與晶粒尺寸的三次方成反比,當奈米粒子尺寸減小時,擴散係數非常高,從而造成擴散蠕變異常高。因此,在較低溫度下,因材料具有很高的擴散蠕變速率,當受到外力後能迅速做出反應,造成晶界方向的平移,從而表現出超塑性:
塑性的提高也使其韌性大為提高。
奈米陶瓷的硬度和強度也明顯高於普通材料。在100℃下,奈米ｔｉｏ2陶瓷的顯微硬度為1300ｋｇｆ/ｍｍ2,而普通ｔｉｏ2陶瓷的顯微硬度低於200ｋｇｆ/ｍｍ2[6]。在陶瓷基體中引入奈米分散相進行復合,對材料的斷裂強度,斷裂韌性會有大幅度的提高,還能提高材料的硬度,彈性模量,抗熱震性以及耐高溫效能。
又例如奈米ｓｉｃ瀰散到ｓｉ3ｎ4基體中形成的奈米複合材料,其韌性常數ｋｉｃ為4.5～7.5ｍｐａｍ1/2,斷裂強度σｓ為850～1400ｍｐａ,最高工作溫度可達1200～1500℃。
另據報道[7],用燒結技術製成的碳纖維增強奈米復合陶瓷材料與碳纖維增強ｓｉａｌｏｎ微公尺複合材料相比,其強度和韌性也得到較大改善,效能對比見表1。
2 2 奈米材料的其它效能
奈米材料由於晶粒尺寸的減小,對磁學效能,電學效能等也產生一些影響。研究表明:ｆｅ,ｃｏ,ｎｉ超微粉的矯頑ｈｃ隨平均粒徑的減小而增大,當這三種金屬粉末的平均粒徑分別達到14ｎｍ,14ｎｍ和18ｎｍ時,ｈｃ達到最大。
上述粒徑分別相當於ｆｅ,ｃｏ,ｎｉ的單磁疇的臨界尺寸。某些奈米材料與一般固體材料的飽和磁化強度、磁化率、超導臨界溫度也不同(見表2)。
3 奈米材料的應用及展望
奈米材料的實際應用還不多,但由於它具有獨特的效能,可以預料其應用前景應是非常廣闊的。
3 1 高韌、高強奈米結構陶瓷材料
陶瓷具有很高的硬度,耐磨性,耐熱性和耐腐蝕性能,但致命弱點是脆性。改善脆性,增加韌性一直是材料科學工作者關注的焦點。用奈米碳化物,氮化物,氧化物瀰散到陶瓷基體中去,可以顯著改善陶瓷的韌性。
用奈米復合陶瓷來製備發動機的部件,可以省去冷卻系統,從而可以大大提高發動機的熱效率。
3 2 高效能磁性材料
以奈米級磁性粉末作為磁記錄材料,研究表明,記錄密度和矯頑力高,可以達到很高的訊雜比和穩定性。用以製造**磁帶,計算機磁帶和磁碟,其效能和工作壽命高於現在使用的α—ｆｅ2ｏ3產品。
美國ｘｅｒｏｘ公司採用含磺酸鹽的離子交換樹脂與ｆｅ2+和ｆｅ3+交換,再加入濃ｎａｏｈ,產生ｆｅ(ｏｈ)2再加入ｈ2ｏ2和肼,變為2～10ｎｍ的ｖ—ｆｅ2ｏ3,將其分散到聚合物基體中,得到在磁場中顯示磁性,且室溫磁性為ｆｅｂｏ3或ｆｅｆ2十倍多的材料。在彩色圖象,計算機磁性主記憶,磁性流體與磁性致冷方面均有廣泛的應用。
3 3 電磁波吸收材料
奈米級的羰基鐵粉,鎳粉,和鐵氧體粉末具有電磁波吸收能力。用該種納公尺粉配製的塗料塗到飛機、飛彈、**等**裝備上,使該裝備具有隱身效能。奈米級超細粉末不僅能吸收雷達波,也能吸收可見光和紅外線,用該種粉末配製成隱身材料不僅能在很寬的頻帶範圍內逃避雷達的偵察,而且能起到紅外隱身作用。
3 4 做催化劑
由於奈米顆粒表面是一層既無長程式,又無短程式的非晶層,表面上的原子周圍缺少相鄰原子,有許多懸空鍵,因而具有極大的活性,催化效率相當高[8]。用奈米ｔｉｏ2從硫化氫中除去硫的量比用傳統ｔｉｏ2的除硫量增加近5倍,該現象有助於將來發展用於環境保護的廢氣轉換器。用奈米ｔｉｏ2可使有機磷殺蟲藥水在陽光的照射下半小時內全部分解;利用奈米鎳粉作為火箭固體燃料反應觸媒,可使燃燒效率提高近100倍;用奈米鉑黑作催化劑可以使乙稀氫化反應從600℃降至室溫。
3 5 奈米級微粒感測器
奈米級微粒感測器是利用了表面與外界環境,如溫度,光,氣體,水分子之間的相互作用,當外界環境發生改變時,迅速引起表面或介面離子價態和電子運動的變化,產生導電性。這種特異性能適用於氣體感測器[9]。如ｓｎｏ2[103、ｔｉｏ2等氧化物體系的氣體感測器,其特點是響應速度快,選擇性強,靈敏度高。
作者：梁忠友（單位：山東輕工業學院）
奈米材料的效能
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