金属纳米晶材料的制备、热力学特性及相稳定性的研究

摘要

纳米材料作为一种新型材料在宇航、电子、冶金、化工、生物和医学领域展现出广阔的应用前景。对于纳米多晶材料，由于晶粒细小，其内部由晶界、相界或畴界等构成的内界面含量很高，因而显著影响着纳米晶的物理和机械性能，使其具有传统材料所不具备的优异特性。相对于粗晶的块体多晶体材料，纳米材料的比热值升高、热膨胀系数成倍增大、以及与同成分粗晶材料相差较大的相变特征和相稳定性等特性，表明用于研究块体材料的传统热力学模型已不能合理解释纳米材料的相变行为。 首先，本文在应用“界面膨胀模型”和普适状态方程研究纳米界面热力学特性的基础上，发展了描述整个纳米晶体热力学函数的计算模型，推导出金属纳米晶的基本热力学函数表达式。由此进一步确定了纳米晶稳定相的形成温度与晶粒尺寸之间的依赖关系，以及可生成相存在的热力学条件和临界尺寸条件。 其次，探索出高能球磨方法获得Co纳米晶粉体的制备工艺，即，Ar气保护下采用10：1的球料比，干磨30-34h，即可获得平均晶粒尺寸为40nm左右的Co纳米晶粉体。利用XRD、SEM、TEM等方法对纳米晶形貌、亚结构及晶粒尺寸进行了全面的观测和分析。 最后，以制备出的平均晶粒尺寸为39nm的Co纳米晶粉体为研究对象，对其在一定温度下进行退火热处理，并对退火后的粉体进行相组成、相含量及晶粒尺寸的测定，证明了Co纳米晶的相变趋势和相变温度范围与模型预测结果的一致性。同时，通过对Co纳米晶粉体的等压热容Cp的测定，计算得到了该种材料的焓、熵和吉布斯自由能与温度的关系式，与理论模型所预测的热力学函数关系曲线相比，两者不仅变化趋势一致而且具体数值的数量级相同，从而进一步验证了模型预测的正确性。 本文所建立的单相纳米晶热力学函数模型，能够较准确预测单相纳米晶材料的基本热力学性质，以及稳定相与晶粒尺寸之间的定量关系，从而为研究纳米晶材料显微组织结构、热力学表征参量、相变行为及有关性能之间的关系提供了科学依据。

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1纳米材料的研究概述

1.2金属纳米晶材料结构与相变热力学的研究现状

1.2.1金属纳米晶材料的微观结构的研究

1.2.2金属纳米晶材料的相变热力学研究

1.3纳米晶材料的制备及合成技术

1.4纳米晶材料晶粒尺寸的评估

1.4.1电镜观察法

1.4.2 X射线衍射线宽法

1.5本课题的研究背景及内容

第2章金属纳米晶的热力学特性

2.1金属纳米晶基本热力学函数的推导

2.1.1分析模型

2.2金属纳米晶的相交热力学特点

2.2.1金属固态相变的热力学条件

2.2.2金属纳米晶相变特点

2.3本文模型的预测结果

2.3.1 Co纳米晶热力学函数

2.3.2 Co纳米晶材料界面处的热力学函数

2.3.3模型预测的Co纳米晶相变特性

2.4关于模型局限性的讨论

2.5本章小结

第3章金属Co纳米晶粉体的制备

3.1实验原理

3.1.1高能球磨法制备纳米晶材料的原理

3.2实验主要设备

3.3 Co纳米晶粉体制备的工艺摸索

3.3.1球磨时间的影响

3.3.2球磨介质的影响

3.4 Co纳米晶粉体的实验表征

3.4.1 XRD测定晶粒尺寸

3.4.2透射电镜(TEM)的实验结果

3.4.3 X射线荧光光谱(XRF)分析

3.5本章小结

第4章金属Co纳米晶相稳定性的实验研究及与模型预测的比较

4.2 Co纳米晶相稳定性的实验研究

4.2.1退火实验方案的确定

4.2.2退火工艺

4.2.3退火实验结果及对模型的验证

4.3利用纳米晶等压热容的测定验证理论模型

4.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致谢