纳米固体材料的微结构

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1、纳米固体材料的微结构老师:王成伟(教授)学生:张明发2013.5.18第八章纳米固体材料的微结构材料的性质与材料的结构有密切的关系，搞清纳米材料结构对进一步了解纳米材料的特性是十分重要的。从本章开始我们将比较系统地介绍一下纳米固体的结构特点，研究的现状，描述纳米固体界面的结构模型。在详细的评述有关纳米固体各种实验结果的基础上提出对纳米结构的基本看法。在本章的最后我们还对纳米固体中的缺陷，界面热力学进行简单地描述。8．1纳米固体的结构特点8．2纳米固体界面的结构模型8．2．1类气态模型8．2．2有序

2、模型8．2．3结构特征分布模型8．3纳米固体界面的X光实验研究8．3．1类气态模型的诞生及争论8．3．2有序结构模型的实验依据研究8．3．3纳米非晶固体界面的径向分布函数研究8．4界面结构的电镜观察8．5穆斯堡尔谱研究8．6纳米固体结构的内耗研究8．6．1界面黏滞性的研究8．6．2退火过程中纳米材料结构变化的内耗研究8.1纳米固体的结构特点该组元中所有原子都位于晶粒内的格点上所有原子都位于晶粒之间的界面上TEM,XRD,穆斯堡尔谱，正电子淹没纳米微晶晶粒组元界面组元用透射电镜，x射线衍射，正电子湮

3、没及穆斯堡尔谱对纳米微晶的结构研究表明，纳米微晶可分为两种组元：(i)晶粒组元，该组元中所有原子都位于晶粒内的格点上；(ii)界面组元，所有原子都位于晶粒之间的界面上。纳米非晶固体或准晶固体是由非晶或准晶组元与界面组元构成．晶粒，非晶和准晶组元统称为颗粒组元。界面组元与颗粒组元的体积之比，可由下式得到：R＝3δ／d（8.1）式中δ为界面的平均厚度，通常包括3到4个原于层，d为颗粒组元的平均直径。由此，界面原子所占体积百分数为Ci＝3δ／(d十δ)＝3δ／D(8.2)式中，d=(d十δ)为颗粒的平均

4、直径。假定粒子为立方体，则单位体积内的界面面积为单位体积内包含界面数Nf＝Si／D2Si=Ci/δ如果颗粒组元的平均直径d为5nm，界面的平均厚度为lnm，则用上述公式可得：界面体积分数Ct≈50%，单位体积内的界面面积St≈500m2/cm3，单位体积内包含的界面数Nf≈2×1019/cm3。这样庞大的界面对纳米固体材料的性能将产生很大的影响。纳米微晶界面的原子结构取决于相邻晶体的相对取向及边界的倾角。如果晶体取向是随机的，则纳米固体物质的所有晶粒间界将具有不同的原子结构，这些原子结构可由不同的

5、原子间距加以区分。如果8.1所示，不同的原子间距由晶界A,B内的箭头表示。纳米非晶结构材料与纳米微晶不同，它的颗粒组元是短程有序的非晶态。界面组元的原子排列是比颗粒组元内原子排列更混乱，总体来说，他是一种无序程度更高的纳米材料。上面叙述的评估纳米微晶的公式原则上也适用于纳米非晶材料的结构表征。8.2纳米固体界面的结构模型纳米材料结构的描述主要应该考虑到颗粒的尺寸、形态及其分布，界面的形态、原子组态或者键组态，颗粒内和界面的缺陷种类、数量及组态，颗粒内和界面的化学组分、杂质元素的分布等。其中界面的微

6、观结构在某种意义上来说是影响纳米材料性质的最重要的因素。下面我们简述一下自1987年以来描述纳米固体材料微结构的几个模型。类气态模型有序模型结构特征分布模型纳米微晶界面内原子排列既没有长程序，又没有短程序，是一种类气态的，无序程度很高的结构。纳米材料的界面原子排列是有序的。纳米结构材料的界面并不是具有单一的同样的结构，界面结构是多种多样的。纳米固体界面的结构模型内容：纳米材料的界面原子排列是有序的。Thomas和Siegel根据高分辨TEM的观察，认为纳米材料的界面结构和常规粗晶材料的界面结构本质

7、上没有太大差别。Eastman对纳米材料的界面进行了XRD和EXAFs的研究，在仔细分析多种纳米材料的实验结果基础上，提出了纳米材料的界面原子排列是有序的或者是局部有序的。Ishida用高压高分辨TEM观察到了纳米晶Pd的界面中局部有序化的结构，并观察到只有有序晶体中才出现的孪晶、层错和位错亚结构有序模型提出：Gleiter教授于1987年提出。内容：他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。评价：该模型与大量事实有出入。自1990年以来文

8、献上不再引用该模型，Gleiter教授也不再坚持这个模型。类气态模型例：许多人用高分辨TEM分别在纳米晶Pd中观察到位错、孪晶、位错网络等。图4.1为纳米晶Pd中的位错和孪晶的高分辨像。理论研究：俄国Gryaznov等人从理论上分析了纳米材料的小尺寸效应对晶粒内位错组态的影响，对多种金属纳米晶体的位错组态发生突变的临界尺寸进行了计算。结果：当晶粒尺寸与德布洛意波长或电子平均自由程差不多时，由于量子尺寸效应，使许多物理性质发生变化。当粒径小于某一临界尺寸时，位错不稳定，趋向于离开晶粒