形状和原子数对纳米晶粒铟热力学性质的影响

应用热力学和固体物理的理论,从微观角度得到纳米晶德拜温度的变化规律及热容与表面原子数、体内原子数、形状因子、温度等的关系.以铟纳米晶为例,研究了形状、原子数对纳米晶热容的影响.结果表明纳米晶德拜温度与原子相互作用和结构、原子数、形状有关.研究纳米晶热容时,表面效应和形状因子不能忽略.铟纳米晶的热容随温度升高而增大,其中表面热容受形状的影响较大,而体内热容与形状无关.在各种形状的纳米晶粒中,立方形纳米晶粒热容最大.表面热容和体内热容均随原子数增加而增大.     

钒和金纳米晶体晶粒长大临界温度的“尺寸—形状”模型

处于亚稳态的纳米晶体中晶粒在一定临界温度开始长大变为粗晶,该临界温度依赖晶粒中原子迁移所需的能量.根据纳米晶体中晶粒长大的微观过程以及晶粒中原子迁移能量状态与晶粒尺寸、形状的相关性,建立了计算纳米晶粒长大临界温度的"尺寸—形状"模型.基于该模型计算了钒和金纳米晶体中晶粒长大的临界温度,结果表明纳米晶粒长大的临界温度随晶粒尺寸的减少而降低,并且与晶粒形状相关,表现了明显的"尺寸—形状"效应.该理论模型计算结果与实验结果相吻合.     

纳米硅薄膜的拉曼谱研究

通过等离子增强化学汽相沉积法,制备了本征和掺磷的氢化纳米硅薄膜（ｎｃ－Ｓｉ：Ｈ）研究了晶粒尺寸和掺杂浓度对纳米硅薄膜拉曼谱的影响。结果表明晶粒变小和掺杂浓度增加都使纳米晶粒的ＴＯ模峰位逐渐偏离声子限制模型的计算值。Ｘ－射线衍射和透射电镜像的结果表明晶粒变小导致硅晶粒应力增加,而掺杂使晶粒内部杂质和缺陷增多,这些因素破坏了晶粒内晶格的平移对称性,进一步减小声子的平均自由程,导致实验值偏离理论计算值,     

金属纳米晶的界面热力学及热稳定性研究

以六方相Co为例，采用界面膨胀模型和普适状态方程，引用固体比热的Debye函数，模拟计算了金属纳米多晶体界面的热力学性质，描述了纳米晶界面过剩焓、过剩熵和过剩Gibbs自由能随过剩体积的变化规律.利用界面过剩体积和过剩自由能的非单调关系，预测了发生失稳快速晶粒长大的临界过剩体积和临界温度.实验研究中发现的α-Co纳米晶在宽温度范围内退火时，在较低温区内晶粒长大非常缓慢、而在773—873K温区内纳米晶突发快速晶粒长大的结果与理论预测符合良好.     

脉冲激光沉积纳米Si晶粒气相生长的蒙特卡罗模拟

采用蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟方法,引入粘连成核模型,模拟了脉冲激光烧蚀制备纳米Si晶粒的气相成核与长大过程,并研究了初始烧蚀Si粒子总数对纳米晶粒尺寸和密度分布的影响.研究结果表明:随着初始烧蚀Si粒子总数增大,纳米晶粒数目增多,尺寸分布变宽,Si晶粒尺寸分布近似满足幂函数衰减规律.给出了烧蚀粒子和环境气体密度随时间演化图,所得结论可为进一步研究纳米晶粒生长动力学提供理论依据.     

激光烧蚀过程中密度交叠区振荡稳定时间与晶粒尺寸均匀性的关系

在不同环境气体中,对脉冲激光烧蚀产生的Si粒子的输运过程进行了Monte Carlo动力学模拟,并实验研究了脉冲激光烧蚀制备纳米Si薄膜的晶粒尺寸分布. 在理论分析和实验研究的基础上,讨论了纳米Si晶粒尺寸分布和烧蚀过程中出现的交叠区振荡稳定时间的对应关系. 结果表明,Si蒸气/环境气体高密度交叠区振荡稳定时间越短,所制备的纳米Si晶粒尺寸分布越均匀.     

双相纳米结构CuZr合金力学行为的模拟研究

采用分子动力学方法研究了在拉伸载荷作用下,晶粒尺寸对纳米多晶Cu和双相纳米结构CuZr复合材料塑性变形机制的影响.研究结果表明,小晶粒尺寸的纳米多晶Cu的变形机制以晶粒旋转以及晶界迁移为主,并伴随着少量位错的成核与滑移.晶粒尺寸较大的纳米多晶Cu的塑性变形机制则以裂纹的成核与生长为主.对于双相纳米结构Cu/CuZr复合材料,非晶相的塑性变形在复合材料的塑性变形过程中起主导作用,且这种现象与晶粒尺寸无关.此外,当晶粒尺寸增加到一定尺寸时,复合材料的晶界处也出现了晶界裂纹,但非晶相明显延缓和阻碍了裂纹的成核与扩展.研究表明非晶相的引入能有效提升纳米多晶Cu的塑性.     

纳米硅颗粒镶嵌氧化硅薄膜光致发光谱钉扎和缺陷分布研究

采用磁控溅射法制备了纳米硅颗粒镶嵌氧化硅薄膜,测试了其光致发光谱,发现其发光强度不仅是纳米硅晶粒尺寸的函数,而且与纳米硅晶粒和二氧化硅间的比例关系有关.实验证实,钉扎现象是由于存在于纳米硅晶粒与非晶态外部介质界面间的发光中心所致,发光中心在界面处的分布并不均匀.     

Cu-MgF_2纳米金属陶瓷薄膜的微结构及吸收光谱特性研究

对用蒸发技术制备的Cu -MgF2 纳米金属陶瓷薄膜微结构及吸收光谱特性进行了研究。微结构分析表明薄膜由fcc -Cu纳米晶粒镶嵌于主要呈非晶态的MgF2 基体中所组成 ,晶粒的平均粒度约为 1 4～ 1 6nm。Cu -MgF2 纳米金属陶瓷薄膜在 2 0 0～ 80 0nm波段内的吸收光谱表明 :随着波长增加 ,吸收减小 ;Cu纳米晶粒的表面等离子共振吸收峰出现于 560nm处 ;短波长区呈现较强的Cu的带间跃迁吸收。用三维弥散系统的Maxwell-Garnett理论对Cu -MgF2 复合体系的实验吸收光谱特性作出了解释。     

纳米材料特性形成机理的微观探析

基本尺寸单位10-9m的物质晶粒,具有界面效应、晶粒效应的物理、化学特性的物质形态均可称为广义的物质纳米态。纳米材料中基本粒子的维度结构、运动状态及结合力(能量结构)出现背离常态的变化,是其材料出现奇异和崭新物理或化学特性的主要原因。当纳米晶粒产生界面效应、形成小分子特性后,由于晶粒尺寸单位的减小,宏观上就表现出这类材料会对磁、电、光、力和热等产生不同变性的晶粒效应。而纳米晶粒的结构,则取决于纳米晶粒中的原子——夸克的能量态和虚量态的自由交合,不同形式的交合形成了多种形态的结构体。     

纳米硅氧化硅复合薄膜的光吸收蓝移数值计算

采用磁控共溅射法制备了含不同尺寸纳米硅晶粒的氧化硅复合薄膜.用高分辨电子透射显微镜测定了所制备样品中纳米硅粒的粒径,确定了其光学带隙和光吸收边蓝移量.对样品光吸收边蓝移量进行了理论计算,比较了理论蓝移量与实验蓝移量之间的差异,并进行了相应的理论分析.     

氧化钛纳米陶瓷的制备及其结构与力学性能

为探讨在无压烧结过程中TiO2纳米陶瓷的致密化与晶粒长大的关系以及纳米陶瓷的结构对其力学性能的影响,采用溶胶一凝胶技术制备的不同颗粒粒径的TiO2纳米粉体经冷压成型后无压烧结TiO2纳米陶瓷.研究结果表明:利用相变辅助无压烧结方法在800℃烧结获得了晶粒粒径小于60 nm、相对密度超过95%的TiO2纳米块体陶瓷:当800℃以下烧结时,TiO2纳米陶瓷的相对密度随烧结温度的升高而快速增大,而TiO2纳米陶瓷的平均晶粒粒径随烧结温度升高则缓慢长大;当大于800℃的温度烧结时,TiO2纳米陶瓷的致密化加快,但陶瓷的晶粒粒径则快速长大.TiO2纳米陶瓷的显微硬度主要取决于TiO2纳米陶瓷的相对密度和平均晶粒粒径,即纳米氧化钛陶瓷的相对密度越大,晶粒粒径越小,则显微硬度越大.     

激光烧结纳米A12O3微观结构研究

利用电子扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对激光烧结纳米Al2O3粉末块体材料进行了试验分析与研究,结果表明,纳米晶粒的微观结构在烧结过程中不断地发生变化,但激光烧结基本可以抑制纳米晶粒的生长,得到具有纳米尺度的烧结材料。     

氧化锌纳米晶高温高压下的晶粒演化

研究了ZnO纳米晶高温高压下的晶粒演化, 用MDI/JADE5 X射线衍射仪和XL30S-FEG场发射扫描电子显微镜对高压样品的相组成、晶粒尺寸及微观形貌进行了表征. 结果表明, 高压下, 200℃氧化锌纳米晶粒已经迅速长大. 300℃(包括300℃)以下, ZnO纳米材料中晶粒长大和晶粒减小的现象并存, 1 ~ 3 GPa烧结体晶粒尺寸随着压力的升高而增大, 4 ~ 6 GPa烧结体的晶粒尺寸随着压力的升高而减小. 400℃(包括400℃)以上, 1 ~ 6 GPa烧结体的晶粒尺寸随着压力的升高而不断增大. 在特定条件下, 可以获得高性能的ZnO纳米块体材料.     

激光烧结纳米Al_2O_3微观结构研究

利用电子扫描电镜(SEM)和X射线衍射仪(XRD)对激光烧结纳米Al2O3粉末块体材料进行了试验分析与研究.结果表明,纳米晶粒的微观结构在烧结过程中不断地发生变化,但激光烧结基本可以抑制纳米晶粒的生长,得到具有纳米尺度的烧结材料.     

水热法制备不同晶粒尺寸的纳米二氧化钛

以Ti(SO4)2为前驱体,H2SO4或NaOH为pH调节剂,通过水热法合成了不同晶粒尺寸的锐钛矿相纳米TiO2,并研究了反应体系的pH值、反应时间和Ti(SO4)2浓度对TiO2晶粒尺寸的影响。结果表明,纳米TiO2的晶粒尺寸与反应时间近似成对数关系,Ti(SO4)2浓度与反应体系的pH值对纳米TiO2晶粒尺寸的影响有近似线性叠加关系。通过对pH值、反应温度和Ti(SO4)2浓度的调节,可实现纳米TiO2的可控合成。     

散射电场对激光烧蚀制备纳米Si晶粒分布和尺寸的影响

在10 Pa的氩气环境下采用了脉冲激光烧蚀技术(PLA),通过引入散射电场沉积制备了纳米Si晶粒薄膜.X线衍射谱(XRD)和Raman谱测量均证实了在薄膜中已经形成了纳米Si晶粒;利用扫描电子显微镜(SEM)对所制备的薄膜进行了形貌表征.结果表明,纳米Si晶粒的分布以及其平均尺寸均相对于轴向呈对称分布,加入散射电场后纳米Si晶粒的分布范围增大,其平均尺寸最大值所对应与靶的轴向夹角变大.利用MATLAB对烧蚀颗粒在散射电场的运动过程进行数值模拟,得到与实验结果一致的规律.     

具有纳米尺寸晶粒结构银层的制备与形貌研究

利用无氰镀银工艺制备具有纳米尺寸晶粒结构的银层,其纳米级的结构为其材料的研究与应用带来了理想的模型.在不同温度、不同电流密度条件下制备了系列纯镀银样品,并利用扫描电镜和X射线衍射研究镀层的微观表面形貌和结晶状态.结果表明,制备的银镀层具有纳米级的晶粒尺寸,理想条件下,其粒径集中在15~30 nm,晶粒择优取向沿(220)晶面.经70℃热水处理后,粒径增大至50~60nm,晶粒数减少近50%,故通过调整电镀条件和后处理,有望得到具有可控纳米尺寸晶粒结构的镀层.     

基于整体结构的纳米晶体材料力学模型

为了系统地分析晶粒尺寸、应变速率和缺陷对纳米晶体材料的影响,提出了1个新的本构模型,运用能量法描述纳米晶体的变形机理、微结构演变和力学行为.在模型中,晶粒和晶界作为一个整体共同承担位错和晶界滑移.通过对纳米晶体Ni在不同应变速率和晶粒尺寸条件下的实验,验证改进模型的可行性.与实验数据对比发现,预测的模型可以用来描述纳米晶体材料的力学性能.     

纳米超微粉Bi的晶格收缩

研究了用电流体动力学技术制备的纳米超微粉Bi的晶格结构特征,利用X射线衍射技术精确测定了不同晶粒尺寸的纳米超微粉Bi的点阵参数a和c.结果表明,纳米超微粉Bi中的点阵参数a和c均小于完整单晶Bi的点阵参数a0和c0, 且点阵参数a和c及晶胞体积V均随着晶粒尺寸的减小而减小,而点阵参数c的变化较大.用快速凝固机制解释了纳米超微粉Bi中的晶格收缩.