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非金属材料及成形
第5章非金属材料及成形
5.1概述
非金属材料是指除金属材料之外的所有材料的总称。
随着高新科学技术的发展,使用材料的领域越来越广,所提出的要求也越来越高。
对于要求密度小、耐腐蚀、电绝缘、减振消声和耐高温等性能的工程构件,传统的金属材料已难以胜任。
而非金属材料这些性能却有着各自优势。
另外,单一金属或非金属材料无法实现的性能,可通过复合材料得以实现。
非金属材料的来源十分广泛,大多成形工艺简单,生产成本较低,已经广泛应用于轻工、家电、建材、机电等各行各业中,目前在工程领域应用最多的非金属材料主要是塑料、橡胶、陶瓷及各种复合材料。
5.1.1非金属材料的发展
人类社会的发展在很大程度上取决于生产力的发展,生产力水平的高低往往以劳动工具为代表,而劳动工具的进步又离不开材料的发展。
早在一百万年以前,人类开始用石头做工具,标志着人类进入旧石器时代。
大约一万年以前,人类知道对石头进行加工,使之成为精致的器皿或工具,从而标志着人类进入新石器时代。
在新石器时代,人类开始用皮毛遮身。
8000年前,中国就开始用蚕丝做衣服,4500年前,印度人开始种植棉花,这些都标志着人类使用材料促进文明进步。
在新石器时代,人类已发明了用黏土成形,经火烧固化而成为陶器。
陶器不但成为器皿,而且成为装饰品,历史上虽无陶器时代的名称,但其对人类文明的贡献却不可估量。
这是人类有史以来第一次使用自然界存在的物质(黏土和水),发明制造了自然界没有的物品(陶器)。
陶器可以盛水、煮食物。
水在100oC沸腾而保持恒温,食物的营养成分不但不被破坏,而且更易于消化吸收。
人类的饮食生活习性由烧烤发展为蒸煮,人类自身生存状况有了彻底改观。
因此,甚至有史学家认为陶器是人类最伟大的发明。
时至今日,满足人类居住的建筑用材料,仍以非金属材料为主。
随着5000年前的青铜、3000年前的铁以及后来钢等金属材料的出现,人类在十八世纪发明了蒸汽机,十九世纪发明了电动机、平炉和转炉炼钢。
金属材料使人类农业繁荣并逐步走向工业时代,把人类带进了现代物质文明。
当随着有机化学的发展,人造合成纤维的发明是人类改造自然材料的又一里程碑。
目前各种有机合成材料几乎渗透到人类日常生活的各个领域。
高性能的陶瓷材料以及各种复合材料支撑了航空航天事业的不断发展,使人类的文明走向宇宙。
以单晶硅、激光材料、光导纤维为代表的新材料的出现,使人类仅用五十年就进入了信息时代。
所以非金属材料对人类社会文明的进步发挥着重大的作用。
在现代科学技术的推动下,材料科学发展迅速,材料的种类日益增多,不同功能的新材料不断涌现,原有材料的性能不断改善与提高,以满足人类未来的各种使用需求,因此,材料特别是品种繁多的新型非金属材料是未来高科技的基石、先进工业生产的支柱和人类文明发展的基础。
5.1.2非金属材料的分类
目前,非金属材料通常以其组成的主要成分分为无机非金属材料、有机高分子材料及复合材料三大类。
典型无机非金属材料:
水泥、玻璃、陶瓷。
典型有机高分子材料:
塑料、橡胶、化纤。
典型复合材料:
无机非金属材料基复合材料、有机高分子材料基复合材料、金属基复合材料。
5.1.3非金属材料的选择及应用
1.非金属材料的选择
由于非金属材料的种类繁多,不同类型、成分、性能及不同成形方法的非金属材料在工程实际中的使用和选择,是个很复杂的过程。
设计师和工程师在选择非金属材料时,主要应考虑以下的因素:
1)满足使用性能和工艺性能;2)防止出现失效事故;3)经济性;4)考虑可持续发展选材。
此外,材料的选择是一个系统工程。
在一个部件或者装置中,所选用的各种材料要能够在一起使用,而不能因相互作用而降低对方的性能。
因此,在大多数情况下,材料的选择是一个反复权衡的复杂过程。
在某种意义上,其重要性不亚于材料本身的研究开发。
2.非金属材料的应用领域
过去,非金属结构材料传统的应用领域主要是建筑、轻工、纺织、家电、仪器仪表、农业等,在工业上主要是装饰件、密封件、刀具、轮胎等。
但是现在,非金属结构材料在工业领域的广泛应用正以前所未有的速度发展。
随着各种非金属材料合成和制备技术不断提高和完善,非金属材料的产量和性能均不断提高。
有关专家预测,很多传统上由金属制造的零件、部件、结构件,将会被工程塑料、工程陶瓷及复合材料等非金属材料所取代。
例如,汽车的车身可采用工程塑料或复合材料,每千克工程塑料可代替4~5千克钢铁,而且可整体成形,因而成本和油耗将进一步降低。
由于原料充足,可以设计、制造出无穷的新产品,非金属结构材料在工业领域的应用前景十分广阔。
另外,各种新型非金属材料,其应用领域远比非金属结构材料的应用领域广阔得多,特别是现代高科技密集的领域。
在微电子、信息通信、航空航天、生物工程、环境保护、新能源等领域中应用了大量的新型非金属材料,其中最具代表的有单晶硅、超导材料、固体激光材料、飞船高温防护材料、仿生材料、环保材料、隐形纳米材料等等。
由于篇幅所限,本章的主要内容为非金属结构材料及其成形。
5.2工程塑料及成形
塑料是一类以天然或合成树脂为主要成分,在一定温度、压力条件下经塑制成形,并在常温下能保持形状不变的高分子工程材料。
塑料具有一定的耐热、耐寒及良好的力学、电气、化学等综合性能,可以替代非铁金属及其合金,作为结构材料用来制造机器零件或工程结构。
塑料以其质轻、耐蚀、电绝缘,具有良好的耐磨和减磨性,良好的成形工艺性等特性以及有丰富的资源而成为应用很广泛的高分子材料,在工农业、交通运输业、国防工业及日常生活中均得到广泛应用。
5.2.1工程塑料的组成和性能
l.塑料的组成
一般说来,塑料是由树脂和若干种添加剂(如填充剂、增塑剂、润滑剂、着色剂、稳定剂、固化剂和阻燃剂)组成。
1)树脂树脂是塑料的主要组分,它是塑料中能起粘结作用的部分,并使塑料具有成形性能。
2)填充剂其主要作用是:
改变塑料的某些性能,降低塑料成本,扩大塑料的应用范围。
3)增塑剂增塑剂是用来提高树脂可塑性的。
常用增塑剂如氧化石蜡、磷酸脂类等。
4)润滑剂润滑剂是为防止塑料在成形过程中粘模而加人的添加剂。
5)着色剂着色剂是使塑料制品具有美丽色彩的有机或无机颜料。
6)固化剂固化剂是热固性塑料所必需的添加剂,目的在于促使线型结构转变为体型结构,成形后获得坚硬的塑料制品。
7)稳定剂稳定剂又称防老化添加剂,其主要作用是提高某些塑料的受热或光照稳定性。
8)其他添加剂塑料添加剂除上述几项外还有阻燃剂(如氧化锑等)、抗静电剂、发泡剂、溶剂、稀释剂等。
2.工程塑料的性能
1)力学性能
力学性能是决定工程塑料使用范围的重要指标之一,工程塑料具有较高的强度、良好的塑性、韧性和耐磨性,可代替金属制造机器零件或构件,尤其是某些工程塑料的比强度(材料拉伸强度与密度之比)很高,大大超过金属的比强度(如玻璃纤维增强塑料),可制造减轻自重的各种结构件。
5.2.2工程塑料的分类和应用
1.塑料的分类
1)按树脂受热的行为分为热塑性与热固性塑料
热塑性塑料:
其分子结构主要为线型或支链线型分子结构,工艺特点是受热软化、熔融,具有可塑性,冷却后坚硬;再受热又可软化,可重复使用而其基本性能不变;可溶解在一定的溶剂中。
成形工艺简便、形式多种多样,生产效率高,可直接注射、挤压、吹塑成形。
如聚乙烯、聚丙烯、ABS等。
热固性塑料:
具有体型分子结构,热固性塑料一次成形后,质地坚硬、性质稳定,不再溶于溶剂中,受热不变形,不软化,不能回收。
成形工艺复杂,大多只能采用模压或层压法,生产效率低。
如酚醛塑料、环氧塑料等。
5.2.3工程塑料的成形
1.塑料成形加工技术分类
塑料的成形,按各种成形加工技术在生产中所属成形加工阶段的不同,可将其划分为一次成形技术、二次成形技术和二次加工技术三个类别。
2.塑料的一次成形技术
塑料的一次成形是指将粉状、粒状、纤维状和碎屑状固体塑料、树脂溶液或糊状等各种形态的塑料原料制成所需形状和尺寸的制品或半制品的技术。
这类成形方法很多,目前生产上广泛采用注射、挤出、压制、浇铸等方法成形。
注射成形主要应用于热塑性塑料和流动性较大的热固性塑料,可以成形几何形状复杂、尺寸精确及带各种嵌件的塑料制品,如电视机外壳、日常生活用品等。
目前注射制品约占塑料制品总量的30%。
近年来新的注射技术如反应注射、双色注射、发泡注射等的发展和应用,为注射成形提供了更加广阔的应用前景。
2)挤出成形
挤出成形又称挤塑成形或挤出模塑,其成形过程如图5-3所示。
首先将粒状或粉状的塑料加入到挤出机(与注射机相似)料斗中,然后由旋转的挤出机螺杆送到加热区,逐渐熔融呈粘流态,然后在挤压系统作用下,塑料熔体通过具有一定形状的挤出模具(机头)口模而成形为所需断面形状的连续型材。
3)压制成形
压制成形是指主要依靠外压的作用,实现成形物料造型的一次成形技术。
压制成形是塑料加工中最传统的工艺方法,广泛用于热固性塑料的成形加工。
根据成形物料的性状和加工设备及工艺的特点,压制成形可分为模压成形和层压成形。
模压成形(图5-4a)是将粉状、粒状、碎屑状或纤维状的热固性塑料原料放人模具中,然后闭模加热加压而使其在模具中成形并硬化,最后脱模取出塑料制件,其所用设备为液压机、旋压机等。
3.塑料的二次成形技术
塑料的二次成形是指在一定条件下将塑料半制品(如型材或坯件等)通过再次成形加工,以获得制品的最终形样的技术。
目前生产上采用的有中空吹塑成形、热成形和薄膜的双向拉伸成形等几种二次成形技术。
1)中空吹塑成形
吹塑成形是制造空心塑料制品的成形方法,是借助气体压力使闭合在模腔内尚处于半熔融态的型坯吹胀成为中空制品的二次成形技术。
中空吹塑又分为注射吹塑和挤出吹塑,注射吹塑是用注射成形法先将塑料制成有底型坯,再把型坯移入吹塑模内进行吹塑成形。
图5-6所示为注射吹塑成形过程。
首先由注射机在高压下将熔融塑料注入型坯模具内并在芯模上形成适宜尺寸、形状和质量的管状有底型坯,所用模芯为一端封闭的管状物,压缩空气可从开口端通入并从管壁上所开的多个小孔逸出。
型坯成形后,打开注射模将留在芯模上的热型坯移入吹塑模内,合模后从模芯通道吹入0.2~0.7Mpa的压缩空气,型坯立即被吹胀而脱离模芯并紧贴吹塑模的型腔壁上,并在空气压力下进行冷却定型,然后开模取出制品。
5.4工业陶瓷及成形
陶瓷是由天然或人工合成的粉状矿物原料和化工原料组成,经过成形和高温烧结制成的,由金属和非金属元素构成化合物反应生成的多晶体相固体材料。
5.4.1陶瓷的组织结构及性能
1.陶瓷的组织结构
普通陶瓷的典型组织是由晶体相、玻璃相和气体相组成的。
特种陶瓷的原料纯度高,组织比较单一。
如含Al203在95%以上氧化铝陶瓷,其组织主要由Al203晶体和少量气体相组成。
2.陶瓷的性能
1)陶瓷的力学性能
陶瓷的弹性模量E一般都较高,极不容易变形。
有的先进陶瓷有很好的弹性,可以制作成陶瓷弹簧。
陶瓷的硬度很高,绝大多数陶瓷的硬度远高于金属。
陶瓷的耐磨性好,是制造各种特殊要求的易损零、部件的好材料。
例如用碳化硅陶瓷制造的各种泵类的机械密封环,寿命很长,可以用到整台机器报废为止。
陶瓷的抗拉强度低,但抗弯强度较高,抗压强度更高,一般比抗拉强度高一个数量级。
陶瓷材料一般具有优于金属的高温强度,在1000oC以上的高温下陶瓷仍能保持其室温下的强度,而且高温抗蠕变能力强,是工程上常用的耐高温材料。
传统陶瓷在室温几乎没有塑性。
近年来还发现一些陶瓷具有超塑性,断裂前的应变可达到300%左右。
传统陶瓷的韧性低、脆性大。
而许多先进陶瓷材料则是既坚且韧,如增韧氧化锆瓷就非常坚韧。
2)陶瓷的物理性能
①热性能
陶瓷的线膨胀系数较小,比金属低得多;陶瓷的热传导主要靠原子的热振动来完成的,不同陶瓷材料的导热性能不同,有的是良好的绝热材料,有的则是良好的导热材料,如氮化硼和碳化硅陶瓷。
热稳定性陶瓷材料在温度急剧变化时具有抵抗破坏的能力。
热膨胀系数大、导热性差、韧性低的材料热稳定性不高。
多数陶瓷的导热性差、韧性低,故热稳定性差。
但也有些陶瓷具有高的热稳定性,如碳化硅等。
②导电性
多数陶瓷具有良好的绝缘性能,但有些陶瓷具有一定的导电性,如压电陶瓷、超导陶瓷等。
③光学特性
陶瓷一般是不透明的,随着科技发展,目前已研制出了如制造固体激光器材料,光导纤维材料、光存储材料等陶瓷新品种
3)陶瓷的化学性能
陶瓷的结构非常稳定,通常情况下不可能同介质中的氧发生反应,不但室温下不会氧化,即使1000oC以上的高温
表5-6常见纤维增强复合材料与钢等金属的性能
材料名称
密度(g/cm2)
抗拉强度
(x103MPa)
拉伸弹性模量(x105MPa)
比强度
(x106m)
比模量
(x108m)
钢
7.8
1.03
2.10
0.13
0.27
铝
2.80
0.47
0.75
0.17
0.27
钛
4.50
0.96
1.14
0.21
0.25
玻璃钢
2.00
1.06
0.40
0.53
0.21
高强碳纤维/环氧复合材料
1.45
1.50
1.40
1.03
0.97
高模石墨纤维/环氧复合材料
1.60
1.07
2.40
0.67
1.50
芳纶/环氧复合材料
1.40
1.40
0.80
1.00
0.57
硼纤维/环氧复合材料
2.10
1.38
2.10
0.66
1.00
硼纤维/铝复合材料
2.65
1.00
2.00
0.38
0.75
也不会氧化,并且对酸、碱、盐等的腐蚀有较强的抵抗能力,也能抵抗熔融金属(如铝、铜等)的侵蚀。
5.4.2陶瓷的分类及应用
陶瓷按组成可分为硅酸盐陶瓷、氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷(氮化物陶瓷、碳化物陶瓷和复合陶瓷);按性能可分为普通陶瓷(如日用陶瓷、建筑陶瓷、化工陶瓷等)和特种陶瓷(如结构陶瓷、功能陶瓷);按用途可分为日用瓷、艺术瓷、建筑瓷、工程陶瓷等。
5.5复合材料及成形
5.5.1复合材料的定义、分类和性能
1.复合材料定义
复合材料是由两种或两种以上的组分材料通过适当的制备工艺复合在一起的新材料,其既保留原组分材料的特性,又具有原单一组分材料所无法获得的或更优异的特性。
从理论上说,金属材料、陶瓷材料或高分子材料相互之间或同种材料之间均可复合形成新的复合材料。
事实上也是如此,如在高分子材料/高分子材料、陶瓷材料/高分子材料、金属材料/高分子材料、金属材料/金属材料、陶瓷材料/金属材料、陶瓷材料/陶瓷材料之间的复合都已获得许多种高性能新型复合材料。
复合材料通常由基体材料和增强材料两部分组成,基体一般选用强度韧性好的材料,如聚合物、橡胶、金属等,而增强材料则选用高强度、高弹性模量的材料,如玻璃纤维、碳纤维和硼纤维等。
4.复合材料的性能
1)比强度和比模量大
复合材料的突出优点是比强度(强度/密度)与比模量(弹性模量/密度)高,比强度和比模量是度量材料承载能力的一个指标,比强度愈高,同一零件的自重愈小;比模量愈高,零件的刚度愈大。
表5-6列出了常见纤维增强复合材料与钢等金属的性能比较。
因此,这些特性为某些要求自重轻和刚度好的零件提供了理想的材料。
2)抗疲劳性能好
多数金属的疲劳极限是抗拉强度的40%~50%,而碳纤维聚酯树脂复合材料则可达70%~80%。
3)耐热性高
碳纤维增强树脂复合材料的耐热性比树脂基体有明显提高,而金属基复合材料在耐热性方面更显示出其优越性,碳化硅纤维、氧化铝纤维与陶瓷复合,在空气中能耐1200oC~1400oC高温,要比所有超高温合金的耐热性高出100oC以上。
用于汽车发动机,使用温度可高达1370oC
4)减振性能好
结构的自振频率除与结构本身形状有关外,还与材料的比模量的平方根成正比。
高的自振频率避免了工作状态下共振而引起的早期破坏。
而且复合材料中纤维与基体界面具有吸振能力,因此其振动阻尼很高。
5)高韧性和抗热冲击性,在PMC和CMC中尤为重要;
6)绝缘、导电和导热性
玻璃纤维增强塑料是一种优良的电气绝缘材料,用于制造仪表、电机与电器中的绝缘零部件,这种材料还不受电磁作用,不反射无线电波,微波透过性良好,还具有耐烧蚀性、耐辐照性,可用于制造飞机、导弹和地面雷达罩。
金属基复合材料具有良好的导电和导热性能,可以使局部的高温热源和集中电荷很快扩散消失,有利于解决热气流冲击和雷击问题。
7)耐烧蚀性、耐磨损
8)特殊的光、电、磁性能等。
复合材料除具有上述性能外,还具有可设计性,可以根据对材料的性能要求,在基体、增强材料的类型和含量上进行选择,并进行适当的制备与加工。
在制品制造时,复合材料还适合一次整体成形,具备良好的加工性能。
5.5.2复合材料的应用
复合材料的基体可以是聚合物(树脂)、金属材料和无机非金属材料,增强材料可以是各类纤维、晶须和颗粒。
为了便于介绍,以下主要介绍几种已经得到广泛应用的各类典型复合材料。
1.聚合物基复合材料
在结构复合材料中发展最早、研究最多、应用最广和用量最大的是聚合物基复合材料(PMC)。
众所周知,现代复合材料就是以20世纪40年代玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)的出现为标志。
经过60余年的发展,已经研究开发出了具有各种优异性能及应用的聚合物基复合材料,包括玻璃纤维增强、碳纤维增强、芳纶纤维、硼纤维、碳化硅纤维等增强复合材料。
其中为了获得更高比强度、比模量的复合材料,除主要用于玻璃钢的酚醛树脂、环氧树脂和聚酯外,研究与开发了许多具有耐热性好的基体树脂,如聚酰亚胺(PI)、聚苯硫醚(PPS)、聚醚砜(PES)和聚醚醚酮(PEEK)等热塑性树脂。
1)玻璃钢(玻璃纤维增强塑料,GFRP)
GFRP是一类采用玻璃纤维增强以酚醛树脂、环氧树脂、聚酯树脂等热固性树脂以及聚酰胺、聚丙烯等热塑性树脂为基体的聚合物基复合材料。
GFRP是物美价廉的复合材料。
GFRP的突出特点是密度低、比强度高。
其密度为1.6~2.0g/cm3,比轻金属铝还低;而比强度要比最高强度的合金钢还高3倍,“玻璃钢”的名称就是由此而来。
因此,玻璃钢在需要轻质高强材料的航空航天工业首先得到广泛应用,在波音B-747飞机的机内、外结构件中玻璃钢的使用面积达到了2700m2,如雷达罩、机舱门、燃料箱、行李架和地板等。
由于火箭结构材料不但要求具有高比强度和比模量,而且还要求材料的耐烧蚀性能,玻璃钢用于航天工业中做火箭发动机壳体、喷管。
在现代汽车工业中为了减轻自重、降低油耗,玻璃钢也得到了大量应用,如汽车车身、保险杠、车门、挡泥板、灯罩以及内部装饰件等。
除了比强度高外,玻璃钢还具有良好的耐腐蚀性能,在酸、碱、海水,甚至有机溶剂等介质中都很稳定,耐腐蚀性超过了不锈钢。
因此,在石油化工工业中玻璃钢得到了广泛应用,如玻璃钢制成的贮罐、容器、管道、洗涤器、冷却塔等。
值得一提的是采用玻璃钢制作的体育用品也越来越多,大到快艇、帆船、滑雪车,小到自行车赛车、滑雪板等,应有尽有。
此外,玻璃钢具有透光、隔热、隔音和防腐等性能,因而可作为轻质建筑材料,如用于建筑工程的各种玻璃钢型材,这是玻璃钢应用最广泛的领域。
2)碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)
在要求高模量的结构件中,往往采用高模量的纤维,如碳纤维、B纤维或SiC纤维等增强。
其中应用最广泛的是碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)。
CFRP密度更低,具有比玻璃钢更高的比强度和比模量,比强度是高强度钢和钛合金的5~6倍,是玻璃钢的2倍,比模量是这些材料的3~4倍。
因此CFRP应用在航天工业中,如航天飞机有效载荷门、副翼、垂直尾翼、主起落架门、内部压力容器等,使航天飞机减重达2吨之多。
此外在空间站大型结构桁架及太阳能电池支架也采用CFRP。
在航空工业,CFRP首先在军用飞机中得到应用,如美国F-14、F-16、F-18上主翼外壳、后翼、水平和垂直尾翼等,军用直升飞机主旋翼和机身等。
现在甚至在研究全机身CFRP的战斗机。
同样,在民用飞机中也在大量采用CFRP,如波音B-757、B-777上的阻流板、方向舵、升降舵、内外副翼等。
由于碳纤维的价格高,CFRP主要应用于航空航天领域。
但随着碳纤维的研究开发工作的深入,碳纤维价格在不断降低,因此在玻璃钢应用的一些领域也开始采用更轻、更强和刚度更好的CFRP。
如体育用品中的网球拍、高尔夫球杆、钓鱼杆,F-1方程式赛车车身。
同样,为减轻车体重量,降低油耗,提高车速,汽车的部分部件也开始采用CFRP。
甚至在大型混凝土结构遭受一定的破坏后(如地震),用CFRP片材进行修复,可节省大量资金。
5.6纳米材料
5.6.1纳米材料的定义和特性
1.纳米材料的定义
纳米(nm)和米、微米等单位一样,是一种长度单位,一纳米等于十的负九次方米,约比化学键长大一个数量级。
纳米科技是研究由尺寸在0.1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及可能的实际应用中的技术问题的科学技术。
可衍生出纳米电子学、机械学、生物学、材料学、加工学等。
纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级(1-100nm)的材料,它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小,界面占用相当大的成分。
而且原子排列互不相同,界面周围的晶格结构互不相关,从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。
因此,纳米材料具有多种特点,这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次,它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节,是人们过去从未探索过的新领域,实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中,在结构上有序度的变化,在状态上的非平衡性质,使体系的性质产生很大的差别,对纳米材料的研究将使人们从宏观到微观的过渡有更深入的认识。
2.纳米材料的特性
在纳米材料中,纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。
纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序,通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级,高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。
纳米相材料跟普通的金属、陶瓷,和其他固体材料都是由同样的原子组成,只不过这些原子排列成了纳米级的原子团,成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。
其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100nm,包含的原子不到几万个。
一个直径为3nm的原子团包含大约900个原子,几乎是英文里一个句点的百万分之一,这个比例相当于一条300多米长的轮船跟整个地球的比例。
当材料的尺寸进入纳米级,材料本身便会出现以下奇异的崭新的物理性能:
1)量子尺寸效应
当纳米粒子的尺寸下降到某一值时,金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级;并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级,使能隙变宽的现象,被称为纳米材料的量子尺寸效应。
在纳米粒子中处于分立的量子化能级中的电子的波动性带来了纳米粒子的一系列特殊性质,如高的光学非线性,特异的催化和光催化性质等。
当纳米粒子的尺寸与光波波长,德布罗意波长,超导态的相干长度或与磁场穿透深度相当或更小时,晶体周期性边界条件将被破坏,非晶态纳米微粒的颗粒表面层附近的原子密度减小,导致声、光、电、磁、热力学等特性出现异常。
如光吸收显著增加,超导相向正常相转变,金属熔点降低,增强微波吸收等。
利用等离子共振频移随颗粒尺寸变化的性质,可以改变颗粒尺寸,控制吸收边的位移,制造具有一定频
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