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纳米材料的制备方法
纳米材料的制备方法
纳米材料的制备方法主要包括:
物理法和化学法两大类。
(1)物理法:
放电爆炸法、机械合金化法、严重塑性变形法、惰性气体蒸发法、等离子蒸发法、电子束法、激光束法等。
(2)化学法:
气相燃烧合成法、气相还原法、等离子化学气相沉积法、溶胶一凝胶法、共沉淀法、碳化法、微乳液法、络合物分解法等。
纳米微粒和纳米材料具有广阔的应用前景,它的应用领域包括化工、机械、生物工程、电子、航天、陶瓷等方面。
(1)纳米微粒用作催化剂。
聚合型马来酰亚胺树脂材料在军工、民用行业得到广泛应用,它性能优良,被认为是最有发展前途的树脂基体。
纳米TiO2可作为N—苯基马来酰亚胺聚合反应的催化剂。
(2)纳米微粒可提高陶瓷塑性。
纳米TiO2与其它金属氧化物纳米晶一起可组成具有优良力学性能的各种新型复合陶瓷材料,在开发超塑性陶瓷材料方面具有诱人的前景。
(3)纳米微粒用作润滑油添加剂,可大大减轻摩擦件之间的磨损。
把平均粒径小于10nm的金刚石微粒(NMD)均匀加入Cu10Sn合金基体中,干滑动摩擦试验结果表明:
在载荷78N、滑动速率低于1.6m/s时,Cu10Sn2NMD复合材料的摩擦因数稳定在0.19左右,远低于基体Cu10Sn合金(μ=0.31~0.38)。
而且Cu10Sn合金在摩擦过程中产生较大的噪音,摩擦过程不平稳,而Cu10Sn2NMD复合材料摩擦过程非常平稳,噪音很低,并且在摩擦副的表面形成了部分连续的固体润滑膜。
(4)纳米颗粒用于生物传感器。
葡萄糖生物传感器在临床医学、食品工业等方面都有重要的用途。
将金、银、铜等纳米颗粒引入葡萄糖氧化酶膜层中,由此制得的生物传感器体积小,电极响应快、灵敏度高。
(5)纳米复合材料。
采用溶胶—凝胶法可制备出聚酰亚胺/二氧化硅纳米复合材料。
(6)纳米微晶应用于磁性材料中,可制备出高效电子元件和高密度信息贮存器。
纳米材料
人们将晶体区域或其它特征长度在纳米量级范围(小于100nm)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)人造超晶格和量子阱结构;
(3)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。
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固结成块体材料。
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。
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Ni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—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。
晶粒小于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15um,Cu的硬度测量值满足Hall-Petch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,但仍比由粗晶数据按Hall-Petch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Hall-PetCh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(类似于纯金属的情况)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中界面原子的磁矩降低至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,毋须添加贵金属元素。
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、高耐磨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、硫或金属元素足以使纳米结构稳定至600K。
电沉积涂层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退火)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,晶粒尺寸明显大于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%。
纳米材料的用途
纳米材料的用途很广,主要用途有:
1、医药
使用纳米技术能使药品生产过程越来越精细,并在纳米材料的尺度上直接利用原子、分子的排布制造具有特定功能的药品。
纳米材料粒子将使药物在人体内的传输更为方便,用数层纳米粒子包裹的智能药物进入人体后可主动搜索并攻击癌细胞或修补损伤组织。
使用纳米技术的新型诊断仪器只需检测少量血液,就能通过其中的蛋白质和DNA诊断出各种疾病。
2、家电
用纳米材料制成的纳米材料多功能塑料,具有抗菌、除味、防腐、抗老化、抗紫外线等作用,可用作电冰霜、空调外壳里的抗菌除味塑料。
3、电子计算机和电子工业
可以从阅读硬盘上读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米材料级存储器芯片都已投入生产。
计算机在普遍采用纳米材料后,可以缩小成为“掌上电脑”。
4、环境保护
环境科学领域将出现功能独特的纳米膜。
这种膜能够探测到由化学和生物制剂造成的污染,并能够对这些制剂进行过滤,从而消除污染。
5、纺织工业
在合成纤维树脂中添加纳米SiO2、纳米ZnO、纳米SiO2复配粉体材料,经抽丝、织布,可制成杀菌、防霉、除臭和抗紫外线辐射的内衣和服装,可用于制造抗菌内衣、用品,可制得满足国防工业要求的抗紫外线辐射的功能纤维。
6、机械工业
采用纳米材料技术对机械关键零部件进行金属表面纳米粉涂层处理,可以提高机械设备的耐磨性、硬度和使用寿命。
(《光明日报》)
纳米材料的制备方法
纳米粒子的制备方法很多,可分为:
物理方法和化学方法。
1、物理方法
1.1、真空冷凝法
用真空蒸发、加热、高频感应等方法使原料气化或形成等离子体,然后骤冷。
其特点:
纯度高、结晶组织好、粒度可控,但技术设备要求高。
1.2、物理粉碎法
通过机械粉碎、电火花爆炸等方法得到纳米粒子。
其特点:
操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。
1.3、机械球磨法
采用球磨方法,控制适当的条件得到纯元素、合金或复合材料的纳米粒子。
其特点:
操作简单、成本低,但产品纯度低,颗粒分布不均匀。
2、化学方法
2.1、气相沉积法
利用金属化合物蒸气的化学反应合成纳米材料。
其特点产品纯度高,粒度分布窄。
2.2、沉淀法
把沉淀剂加入到盐溶液中反应后,将沉淀物热处理得到纳米材料。
其特点:
简单易行,但纯度低,颗粒半径大,适合制备氧化物。
2.3、水热合成法
高温高压下在水溶液或蒸汽等流体中合成,再经分离和热处理得到纳米粒子。
其特点:
纯度高,分散性好、粒度易控制。
2.4、溶胶凝胶法
金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化,再经低温热处理而生成纳米粒子。
其特点:
反应物种多,产物颗粒均一,过程易控制,适于氧化物和Ⅱ~Ⅵ族化合物的制备。
2.5、微乳液法
两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液,在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子。
其特点:
粒子的单分散和界面性好,Ⅱ~Ⅵ族半导体纳米粒子多用此法制备。
几种典型的纳米材料
按照材料的形态,可将其分四种:
纳米颗粒型材料、纳米固体材料、纳米膜材料、纳米磁性液体材料。
1、纳米颗粒型材料:
应用时直接使用纳米颗粒的形态称为纳米颗粒型材料。
被称为第四代催化剂的超微颗粒催化剂,利用甚高的比表面积与活性可以显著地提高催化效率,例如,以粒径小于0.3微米的镍和钢-锌合金的超微颗粒为主要成分制成的催化剂可使有机物氯化的效率达到传统镍催化剂的10倍;超细的铁微粒作为催化剂可以在低温将二氧化碳分解为碳和水,超细铁粉可在苯气相热分解中起成核作用,从而生成碳纤维。
录音带、录像带和磁盘等都是采用磁性颗粒作为磁记录介质。
随着社会的信息化,要求信息储存量大、信息处理速度高,推动着磁记录密度日益提高,促使磁记录用的磁性颗粒尺寸趋于超微化。
目前用金属磁粉(20纳米左右的超微磁性颗粒)制成的金属磁带、磁盘,国外已经商品化,其记录密度可达4106~4107位/厘米(107~108位/英寸),即每厘米可记录4百万至4千万的信息单元,与普通磁带相比,它具有高密度、低噪音和高信噪比等优点。
超细的银粉、镍粉轻烧结体作为化学电池、燃料电池和光化学电池中的电极,可以增大与液体或气体之间的接触面积,增加电池效率,有利于电池的小型化。
超微颗粒的轻烧结体可以生成微孔过滤器。
例如,超微镍颗粒所制成的微孔过滤器平均孔径可达10纳米,从而可用于气体同位素、混合稀有气体、有机化合物的分离和浓缩,也可用于发酵、医药和生物技术中。
磁性超细微粒作为药剂的载体,在外磁场的引导下集中于病患部位,利于提高药效,这方面的研究国内外均在积极地进行。
采用超微金颗粒制成金溶胶,接上抗原或抗体就能进行免疫学的间接凝集试验,可用于快速诊断。
如将金溶胶妊娠试剂加入孕妇尿中,未妊娠呈无色,妊娠则呈显著红色,仅用0.5克金即可制备1万毫升的金溶胶,可测1万人次,其判断结果清晰可靠。
有一种超微颗粒乳剂载体,极易和游散于人体内的癌细胞溶合,若用它来包裹抗癌药物,可望制成克癌"导弹"。
在化学纤维制造工序中掺入铜、镍等超微金属颗粒,可以合成导电性的纤维,从而制成防电磁辐射的纤维制品或电热纤维,亦可与橡胶、塑料合成导电复合体。
1991年春的海湾战争,美国执行空袭任务的F-117A型隐身战斗机,其机身外表所包覆的红外与微波隐身材料中亦包含有多种超微颗粒,它们对不同波段的电磁波有强烈的吸收能力。
在火箭发射的固体燃料推进剂中添加l%重量比的超微铝或镍颗粒,每克燃料的燃烧热可增加l倍。
此外,超细、高纯陶瓷超微颗粒是精密陶瓷必需的原料。
因此超微颗粒在国防、国民经济各领域均有广泛的应用。
2、纳米固体材料:
纳米固体材料通常指由尺寸小于15nm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。
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(厚度仅为几微米),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25~5.5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。
复合纳米固体材料亦是一个重要的应用领域。
例如含有20%超微钴颗粒的金属陶瓷是火箭喷气口的耐高温材料;金属铝中含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
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