文档库 最新最全的文档下载
当前位置:文档库 › 8%Y2O3-ZrO2纳米结构热障涂层失效机理研究

8%Y2O3-ZrO2纳米结构热障涂层失效机理研究

· 663 ·第 37 卷 第 6 期

Journal of Ceramics

Vol.37 No.6

Dec. 2016

第 37 卷 第 6 期2016 年 12 月DOI:10.13957/https://www.wendangku.net/doc/403609363.html,ki.tcxb.2016.06.014

8%Y 2O 3-ZrO 2纳米结构热障涂层失效机理研究

李任伟 1

,宫文彪

2

(1.东北电力大学工程训练教学中心,吉林 吉林 132012;2.长春工业大学先进材料重点实验室,吉林 长春 130012)

摘 要:采用大气等离子喷涂技术,在高温合金钢表面制备了纳米8%Y 2O 3- ZrO 2热障涂层(YSZ)。跟踪涂层在900 ℃热震试

验的失效过程,使用FESEM,XRD和EDS技术从失效涂层的微观结构,相的稳定性和涂层截面形貌进行分析。结果表明,YSZ涂层随热震次数的增加,陶瓷涂层晶粒明显长大,出现少量t-ZrO 2→m-ZrO 2转化,同时许多热生长氧化物(TGO)在陶瓷层和粘结层交界处生成。

关键词:纳米8%ZrO 2-Y 2O 3 ; 热障涂层 ;晶粒长大;TGO;失效机理

中图分类号:TQ174.75 文献标志码:A 文章编号:1000-2278(2016)06-0663-05

Investigation on Failure Mechanism of Nanostructured 8%ZrO 2-Y 2O 3

Thermal Barrier Coating

LI Renwei 1

, GONG Wenbiao

2

(1. Engineering Training Center, Northeast Dianli University, Jilin 132012, Jilin, China; 2. Key Laboratory of Advanced Structural

Materials of Ministry of Education, Changchun University of Technology, Changchun 130012, Jilin, China)

Abstract:The nanosized 8%Y 2O 3-ZrO 2 (YSZ) was used to prepare a thermal barrier coating material on GH30 superalloy surface by air

plasma spraying. The failing process of coating was followed during the thermal shock test at 900 ℃. Meanwhile, the microstructures, phase stability and cross-section of the failed coatings were analyzed by FESEM, EDS and XRD. The results showed that with the increase of the number of thermal shock test cycles, the grain size of the ceramic coating grew obviously, and there was less phase transformation from t-ZrO 2 to m-ZrO 2 of coating. A large amount of thermally grown oxide (TGO) was found between ceramic layer and bond layer.

Key words: nanostructured 8%ZrO 2-Y 2O 3; thermal barrier coating; grain growth; TGO; failure mechanism

0 引 言

热障涂层(TBCs)是指通过表面处理技术在零件表面堆积一定厚度并具有隔热作用的一种功能涂层,涂层有效地提高了零件的使用温度和延长了使用寿命[1, 2]。热障涂层主要应用于航空领域,例如航空发动机涡轮机叶片,长期处于高温和高速旋转环境,发动机叶片材质为GH30高温合金钢,GH30耐高温极限为1100℃,近年来推重比为15-20级的涡轮机进气口温度最高已达到1900 ℃左右,飞机本身的高效冷却技术,也只能将温度降低600 ℃左右[3]。这对热障涂层材料的要求越来越高,传统的微米级8%Y 2O 3- ZrO 2热障涂层材料已不能满足航空发动机涂层的使用要求。上世纪末期,由于纳米材

料具有独特的物理化学性质,对纳米功能复合材料及改进的纳米核壳类复合材料有了突飞猛进的发展,我国将纳米功能复合材料的制备和应用研究列入了国家“十五”期间材料领域重点研究方向之一,同时由于纳米结构中大量晶界的存在能增加声子散射,有效降低材料的热导率,所以纳米级的热障涂层具有优良的性能[4-7]。近年来纳米级的8%Y 2O 3- ZrO 2成为热障涂层领域学者们的研究热点,相对于传统的微米级热障涂层材料,能有效地提高零件的使用温度和延长使用寿命[8, 9],但是系统的研究纳米热障涂层失效原因的报道偏少,从热障陶瓷涂层工作环境考虑,本文选用热震试验对纳米8%Y 2O 3- ZrO 2涂层失效机理进行研究,利用FESEM,XRD和EDS技术,对纳米热障涂层失效原

收稿日期:2016-03-21。 修订日期:2016-05-13。基金项目:总装备部武器预研基金项目(51461020201JW1301)。通信联系人:李任伟(1986-),男,硕士。

Received date: 2016-03-21. Revised date: 2016-05-13.Correspondent author:LI Renwei(1986-), male, Master.E-mail: li.renwei@https://www.wendangku.net/doc/403609363.html,

万方数据

浅谈纳米技术及其应用

浅谈纳米技术及其应用 1 概述 1.1 引言 纳米技术(nanotechnology)是用单个原子、分子制造物质的科学技术。纳米科学技术是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术,它是现代科学(混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学)和现代技术(计算机技术、微电子和扫描隧道显微镜技术、核分析技术)结合的产物。纳米技术兴起于20世纪80年代,随着它的逐步发展和完善,人类将必然在认识和改造自然方面进入一个前所未有的新阶段。 1.2 纳米技术的发展 最早提出纳米尺度上科学和技术问题的是著名物理学家、诺贝尔奖获得者理查德·费曼教授[1]。1959年他在一次题为《在底部还有很大空间》的演讲中提出:物理学的规律不排除用单个原子制造物品的可能。也就是说,人类能够用最小的机器制造更小的机器。直至达到分子或原子状态,最后可以直接按意愿操纵原子并制造产品。这正是关于纳米技术最早的构想。 20世纪70年代,科学家开始从不同角度提出有关纳米技术的构想。美国康奈尔大学Granqvist和Buhrman[2]利用气相凝集的手段制备出纳米颗粒,提出了纳米晶体材料的概念,成为纳米材料的创始者。之后,麻省理工学院教授德雷克斯勒[3]积极提倡纳米科技的研究并成立了纳米科技研究小组。 纳米科技的迅速发展是在20世纪80年代末、90年代初。1981年发明了可以直接观察和操纵微观粒子的重要仪器——扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM),为纳米科技的发展起到了积极的促进作用。1984年德国学者格莱特[4]把粒径6nm的金属粉末压成纳米块,经研究其内部结构,指出了它界面奇异结构和特异功能。1987年,美国实验室用同样的方法制备了纳米TiO 多晶体。 2

热障涂层的制备及其失效的研究现状

收稿日期:2009206201; 修订日期:2009206225 作者简介:邢亚哲(19762 ),陕西岐山人,讲师,博士.研究方向:材料表 面强化及器件制造. Email:x ingyazhe@gm https://www.wendangku.net/doc/403609363.html, 热障涂层的制备及其失效的研究现状 邢亚哲,郝建民 (长安大学材料科学与工程学院,陕西西安710064) 摘要:热障涂层作为航空发动机和燃气轮机高温部件的保护涂层,其抗高温失效能力直接决定了部件的工作效率和寿命。回顾热障涂层的发展历史及研究现状,着重介绍了热障涂层的主要制备方法及其相应涂层的结构特征,综述了各类热障涂层失效的影响因素和失效机理。 关键词:热障涂层;电子束物理气相沉积;等离子喷涂;失效机理 中图分类号:TG174.44 文献标识码:A 文章编号:100028365(2009)0720922204 Re se a rc h Stat us in Fa bric at ion and Fa ilure of The rmal Barrie r Co atings XING Ya 2zhe,HAO Jian 2min (School of Mater ials Science and Engineering,Chang p an University,Xi p an 710064,China) Abst ract:Thermal barrier coatings are widely used to protect the components in aircraft and industrial gas 2turbine engines against high temperature damage.The e ne rgy efficiency and lifetime of these components are mainly dominated by the failure resistance of thermal barrier coatings in the high te mperature atmosphere.In this paper,the development and research status of thermal barrie r coatings are reviewe d.Especially,the main fabricating methods and the microstructure fe ature of the coatings,as well as the factors re sulting in the failure of thermal barrier coatings and its failure mechanisms,are summarized in detail. K e y words:Thermal barrier coatings;Electron beam physical vapor deposition;Plasma Spraying; Fa ilure mechanism 随着现代工业的发展,数以百计种类型的涂层被用在各种结构材料表面,以使这些材料表面免受腐蚀、磨损、侵蚀和高温氧化等危害。热障涂层(T BCs:Thermal Barrier Coatings)就是其中的一种,其具有最复杂的结构且工作在高温环境下,常作为航空发动机和燃气轮机受高温零件的保护涂层,以提高设备的工作温度和效能,同时减少温室气体的排放量。典型的TBCs 在结构上包含四个部分 [1] :1基体,即被保护的 零件;o金属结合层(BC:Bond Coat),通常为高温合金MCrA lY(M 代表Ni 、Co 或NiCo 合金);?热生长氧化物层(T GO:Thermally Grown Oxide),TGO 是在高温条件下外部氧通过T C 层到达BC 层表面并使其氧化而形成的,通常为一致密的Al 2O 3薄膜,在随后的工作过程中能够阻止外部氧向BC 层内部和基体的扩散,起到保护基体(零件)的作用;?陶瓷顶层(TC:Top Coat),一般为6%~8%Y 2O 32Zr O 2(YSZ), 正是由于YSZ 低的热传导率和相对较高的热膨胀系数,使其具有优越的热障和耐热冲击性能。目前,TBCs 研究的难点和重点主要为对其失效的控制[1~4]。为此,对TBCs 微观结构的研究显得尤为重要。而作为控制其微观结构的主要因素,即TBCs 的制备工艺就成了国内外学者们关注的热点。1 基于制备工艺的T BCs 的发展历程 早期在航空航天发动机中应用的TBCs(又称第一代T BCs),其BC 层和TC 层均采用大气等离子喷涂(APS:Atmospheric Plasma Spr aying)制备。对于APS BC 层,涂层含氧量较高,特别是有一定量的氧化镍生成,而氧化镍的存在致使难以形成在高温下具有保护性能的致密TGO 氧化膜,BC 层使用过程中容易在其内部也发生显著氧化而使层内结合弱化,裂纹易在BC 层内扩展而造成涂层剥落失效,使得该类T BCs 寿命较低。 随着低压(又称真空)等离子喷涂(LPPS:Low Pressur e Plasma Spraying)技术的进步和发展,逐步采用VPS 制备BC 层,避免了喷涂过程中高温合金BC 层的氧化,并通过热扩散处理,从根本上强化了BC

热障涂层材料研究进展_周洪

*2005民口配套项目  周洪:男,1972年生,博士生,讲师,主要从事材料表面技术的研究工作 E -mail :zhouhong @https://www.wendangku.net/doc/403609363.html, 热障涂层材料研究进展* 周 洪,李 飞,何 博,王 俊,孙宝德 (上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室,上海200030) 摘要 简要概述了热障涂层材料的基本要求,介绍了国内外热障涂层材料近年来的研究状况和发展趋势。目前 广泛使用的是Y 2O 3稳定Z rO 2热障陶瓷材料及其粘结层材料,而稀土锆酸盐和稀土氧化物是非常有前景的隔热材料。 关键词 热障涂层 M C rAlY 二氧化锆  Research Progresses in Materials for Thermal Barrier Coatings ZHO U Hong ,LI Fei ,HE Bo ,WANG Jun ,SUN Baode (T he Sta te K ey Labor atory of M e ta l M at rix Co mpo sitio ns ,Shanghai Jiao tong U niver sity ,Shanghai 200030) A bstract T he rmal bar rie r coating s (T BCs )o ffer the po tential to significantly improve efficiencies of aero en -g ines a s w ell as g as turbine engines fo r po wer generatio n.State -of -the -ar t T BCs ,ty pica lly consisting of an y ttria -stabi -lized zir co nia top coat and a metallic bo nd co at ,hav e bee n widely used to prolong lifetime now adays.In the pape r ,re -sear ch status a nd prog resses o f materials for the rmal bar rie r coating s a re briefly rev iew ed.Except y ttria stabilized zir -co nia ,o ther materials such a s lanthanum zirconate and rar e ear th o xides a re also promising materials for thermal bar rie r co ating s. Key words ther mal bar rier co atings ,M CrA lY ,zir co nia 0 引言 热障涂层(T hermal bar rier coating s ,简称T BCs )通常是指沉积在金属表面、具有良好隔热效果的陶瓷涂层,主要用来降低 基体的工作温度,免受高温氧化、腐蚀、磨损。美国N AS A -Lew is 研究中心为了提高燃气涡轮叶片、火箭发动机的抗高温和耐腐蚀性能,早在20世纪50年代就提出了热障涂层概念。在涂层材料选择和制备工艺上进行较长时间的探索后,80年代初取得了重大突破,为热障涂层的应用奠定了坚实基础。文献表明,目前先进陶瓷热障涂层能在工作环境下降低零件温度170℃左右[1~3]。随着热障涂层在高温发动机热端部件上的应用,人们认识到热障涂层的应用不仅可以达到提高基体抗高温腐蚀能力,进一步提高发动机工作温度的目的,而且可以减少燃油消耗、提高效率、延长热端部件的使用寿命。与开发新型高温合金材料相比,热障涂层的研究成本要低得多,工艺也现实可行[2,4]。 1 热障涂层系统材料体系 高温隔热涂层的研究发展经历了数十年。20世纪60年代研制出β-NiA l 基铝化物涂层,但其脆性大,A l 元素向基体扩散 快,寿命短;之后出现了加入Cr 、Ti 、Si 、Y 、T a 、Pt 等元素改进的铝化物涂层,其中镀Pt 渗Al 形成的铂铝涂层具有较长的寿命。目前普遍使用的热障涂层系统是以M Cr AlY (M =N i ,Co ,Fe ,N i +Co )高温抗氧化合金为中间粘结层,表面覆盖Y 2O 3稳定的Z rO 2陶瓷隔热涂层[5,6]。 1.1 热障涂层陶瓷材料 热障涂层材料需要具有难熔、化学惰性、相稳定和低热导、低密度、高热反射率等重要物理化学特征,同时要考虑其热膨胀 系数与基体材料相匹配。另外,针对高温部件氧化腐蚀的问题,应当考虑低烧结率、界面反应和抗高温氧化腐蚀等因素。 陶瓷材料具有离子键或共价键结构,键能高,因此熔点高、硬度高、化学性能稳定,是热障涂层的理想材料。但韧性、抗疲劳性和抗热震性较差,对应力集中和裂纹敏感。目前使用的热障涂层陶瓷材料多为金属氧化物,这是因为金属氧化物陶瓷的导热以声子传导和光子传导机理为主,热导率较低且其涂层在富氧环境中具有良好的高温稳定性[7]。常用氧化物陶瓷的导热顺序为[8]: BeO >M g O >Al 2O 3>CaO >Z rO 2 常用热障涂层陶瓷材料有Al 2O 3、Z rO 2、SiO 2等,主要性能如表1所示[6,8~10]。 研究表明[1,2,4,9~12],Z rO 2是目前应用广泛、综合性能最好的热障涂层材料。它具有高熔点、耐高温氧化、良好的高温化学稳定性、较低且稳定的热传导率和优良的抗热震性等特性,并且热膨胀系数接近金属材料。纯Zr O 2具有同素异晶转变,常温下稳定相为单斜结构;高温下稳定相则为立方结构: 单斜相(m ) 1170℃950℃ 正方相(t )2370℃ 立方相(c ) 单斜相与四方相间转化因伴有3%~6%的体积分数变化而导致热应力产生,因此,使用纯Z rO 2制备的热障涂层不稳定。为避免这个缺点,可采用M gO 、CaO 、CeO 2、Sc 2O 3、In 2O 3、Y 2O 3等氧化物来稳定Z rO 2,起到相变增韧的效果[8]。最早使用的是22%M gO 完全稳定的Zr O 2,在热循环过程中M gO 会从固溶体中析出,使涂层热导率提高,降低了涂层的隔热性能。CaO 对Zr O 2的稳定也不好,在燃气的硫化作用下,CaO 从涂层

纳米材料的制备及合成

纳米材料的合成与制备 (1) 摘要 (1) 关键词 (1) The synthesis and preparation of nanomaterials (1) Abstract (1) Keywords (1) 引言 (1) 1纳米材料的化学制备 (2) 1.1纳米粉体的湿化学法制备 (2) 1.2纳米粉体的化学气相法制备 (2) 1.2.1气体冷凝法 (3) 1.2.2溅射法 (3) 1.2.3真空蒸镀法 (4) 1.2.4等离子体方法 (4) 1.2.5激光诱导化学气相沉积法(LICVD) (4) 1.2.6爆炸丝方法 (5) 1.2.7燃烧合成法 (5) 1.3纳米薄膜的化学法制备 (5) 1.4纳米单相及复相材料的制备 (6) 2纳米材料的物理法制备 (7) 2.1纳米粉体(固体)的惰性气体冷凝法制备 (7) 2.2纳米粉体的高能机械球磨法制备 (7)

2.3纳米晶体非晶晶化方法制备 (8) 2.4深度塑性变形法制备纳米晶体 (9) 2.5纳米薄膜的低能团簇束沉积方法(LEBCD)制备 (9) 2.6纳米薄膜物理气相沉积技术 (9) 3纳米材料的应用展望 (10) 4 总结 (11) 参考文献 (12)

纳米材料的合成与制备 摘要本文综述了近年来在纳米材料合成与制备领域的一些最新研究进展,包括纳米粉体、块体及薄膜材料的物理与化学方法制备。从纳米材料合成和制备的角度出发,较系统的阐述了纳米材料合成与制备的最新研究进展,包括气相法,液相法及固相法合成与制备纳米材料;并介绍了纳米材料在高科技领域中的应用展望。 关键词纳米材料,合成,制备 The synthesis and preparation of nanomaterials Abstract This paper summarized the recent years in the field of nanometer material synthesis and preparation of some of the latest research progress, including nano powder, bulk and thin film materials preparation physical and chemical methods. From the perspective of nano material synthesis and preparation, systematically expounds the synthesis and the latest progress in the preparation of nanometer materials, including gas phase, liquid phase method and solid phase synthesis and preparation of nano materials; And introduces the application of nanomaterials in the field of high-tech prospects. Keywords nano materials, synthesis, preparation 引言 纳米材料是晶粒尺寸小于100nm的单晶体或多晶体,由于晶粒细小,使其晶界上的原子数多于晶粒内部的,即产生高浓度晶界,因而使纳米材料有许多不同于一般粗晶材料的性能,如强度硬度增大、低密度、低弹性模量、高电阻低热导率等。

先进热障涂层的综述

关于先进热障涂层的综述 摘要:在过去的几十年中,许多陶瓷材料都被作为新型的热障涂层材料,其中很大一部分都是氧化物。由于它独特的性能,这些新型化合物很难与最先进的热障涂层材料YSZ相媲美。另一方面,由于YSZ有一些缺点,尤其是在1200℃以上时它有限的高温性能使得在先进的燃气轮机中YSZ被其他材料所取代。 本篇文献是对不同新型涂层材料的综述,尤其是参杂氧化锆、烧绿石、钙钛矿和氯酸盐等材料。文献的结果还有由我们的研究调查得出的结果都将同我们的要求相比较。最终,我们将讨论双层结构这个概念。它是一种克服新型热障涂层材料冲击韧性的方法 关键词:热障涂层、氧化锆、烧绿石、钙钛矿、氯酸盐、热导率 一、简介 TBC系统是典型的双层式结构,它包括金属粘结层和陶瓷顶层。粘结层是保护基层氧化和腐蚀的并有改善陶瓷层和基层之间结合强度的作用。陶瓷顶层相比金属机体而言拥有很低的热传导率,通过内冷发陶瓷层可以实现一个很大的温差度(几百K)。因此,它既可以降低金属基体的温度以提高部件的使用寿命又可以提高涡轮发动机的点火温度来提高它的工作效率。 自19世纪50年代第一个军用发动机搪瓷涂层的制造起热障涂层开始了工业化发展。在19世纪60年代,第一个带有NiAl粘结层的火焰喷涂陶瓷涂层应用于商业航空发动机上。接下来的几十年中,热障涂层材料和喷涂技术持续的发展。19世纪80年代热障涂层迅猛发展。在这十年中,氧化钇稳定的氧化锆(YSZ)被认为是一种特殊的陶瓷顶层材料,因为它作为一个近30年来的标准而被确立。 根据沉积工艺的不同,已经确立了两种不同的方法。一种是电子束物理气相沉积(EB-PVD),另一种是大气等离子喷涂(APS)。电子束物理气相沉积法制备的涂层拥有柱状显微结构并被广泛应用于航空发动机的高热机械载荷叶片中。同电子束物理气相沉积法相比,大气等离子喷涂以它的操作粗放度及经济可行性为傲,因此现在更多的TBC 采用这种方法。典型静态部件,像燃烧器罐和叶片平台都是用APS进行喷涂。在固定的燃气轮机中,其叶片也常使用热喷涂的方法进行喷涂。 燃气涡轮机效率的进一步提升有赖于燃烧及冷却技术的进步与更高的涡轮机入口温度相结合。这意味着由于在高温下烧结和相转变,标准材料YSZ必然会接近它的极限。 由EB-PVD和APS方法加工的YSZ包含亚稳态的T`相。长时间处于高温下,它能够

我谈纳米科技

我谈纳米科技(金融一班,林紫馨,1021034) 经过一个学期纳米科学的学习,我对纳米产生了浓厚的兴趣,也对纳米科学有了一定的了解,提起纳米技术,人们可能以为遥不可及,其实不然。纳米技术正在悄悄渗透到老百姓衣、食、住、行各个领域。首先我们要知道什么是纳米科学。纳米(nm),又称毫微米,如同厘米、分米和米一样,是度量长度的单位,具体地说,一纳米等于十亿分之一米的长度,形象地比喻,一纳米的物体放到乒乓球上,就像一个乒乓球放在地球上一般。这就是纳米长度的概念。自从扫描隧道显微镜发明后,世界上便诞生了一门以0.1至100纳米这样的尺度为研究对象的前沿学科,这就是“纳米科技”。 在王老师的课上,他向我们娓娓道来纳米的来源以及给我们带来的影响。课后我也查阅了一些资料。国家纳米材料科学首席专家张立指出,纳米科技将对人类产生深远的影响,甚至改变人们的思维方式和生活方式。纳米技术将在21世纪对我们的社会、经济以及国家安全产生重大影响。“纳米技术计划”是继人类基因组计划之后,美国提出的又一项重大科研计划。 作为经济学院的学生,我了解到,据统计,全球纳米技术的年产值已经达到500亿美元,我国7条纳米材料的生产线已投入生产或正在开发之中。这意味着纳米有着巨大的潜在商机。并且全球以美国为首,紧接着日本(12.76%)、德国(11.28%)、中国(10.64%)和法国(7.89%)紧随其后为世界5大纳米大国。 既然它如此的受人瞩目,那么我们就来看看纳米这个神奇的世界是如何改变世界的。 化纤布料制成的衣服虽然艳丽但因摩擦容易产生静电,而在生产时加入少量的金属纳米微粒,就可以摆脱烦人的静电现象。冰箱、洗衣机等一些电器时间长了容易产生细菌,而采用了纳米材料,新设计的冰箱、洗衣机既可以抗菌,又可以除味杀菌。紫外线对人体的害处极大,有的纳米微粒却可以吸收紫外线对人体有害的部分,市场上的许多化妆品正是因为加入了纳米微粒而具备了防紫外线的功能。传统的涂料耐洗刷性差,时间不长,墙壁就会变得斑驳陆离,纳米技术运用之后,涂料的技术指标大大提高,外墙涂料的耐洗刷性将提高十多倍。是什么魔法让纳米技术这样神通广大呢?魔法自然是没有的,其原因在于,当物质被“粉碎”到纳米级细小,制成的“纳米材料”不仅光、电、热、磁特性发生变化,而且具有辐射、吸收、催化、杀菌、吸附等许多新特性,从而给人们生活带来突破性变化。 以前的电视、音响等家电外表一般都是黑色的,被称为黑色家电,这是因为家电外壳材料中必须加入碳黑进行静电屏蔽。而利用纳米技术,人们已研制出可屏蔽静电的纳米涂料,通过控制纳米微粒的种类,进而可控制涂料颜色,使黑色家电变成彩色家电。 纳米技术将给医学带来变革。纳米级粒子会使药物在人体内的传输更为方便 在电子信息领域,纳米技术应用广泛。可从硬盘上读取信息的纳米级磁读卡机以及存储容量为目前芯片上千倍的纳米级存储器芯片都已投入生产。纳米电子学使量子元件代替微电子器件,“深蓝”、“银河”等巨型计算机就能装入口袋,“亚洲一号”通信卫星可只有鸽子大小。可以预见,未来以纳米技术为核心的计算机处理信息的速度将更快,效率将更高。 纳米科技运用于国防建设,同样可以大显神通。把纳米微粒加入到陶瓷中,可以使脆硬的陶瓷韧性增强,新一代坦克的装甲材料便是这种陶瓷与钢材的混合体。 如此种种都是神奇的纳米给人类带来的变化,我们也可以听到一些反对的声音说纳米技术也有其一些潜在危险性,大致可以分为三个方面:人类健康和环境的潜在危害,对社会安全的威胁,对伦理道德的挑战。 对于这些我想说纳米技术在刚开始的阶段一定会有其本身的不利因素,我们应该具有前瞻性,在医学,电子技术,国防技术快达到瓶颈的阶段,希望纳米技术可以注入一股新的活力,给人类社会带来新的气息。同时我也可喜的看到国家正在加大这方面的投入。

纳米材料与技术

纳米材料与技术 (2007-05-15 16:05:21) 转载 1959年,美国著名物理学家(1965年诺贝尔物理学奖获得者)费因曼教授(R.P.Feynman)曾指出:“如果有一天人类能够按人的意志安排一个原子和分子,那将会产生什么奇迹?”今天,这个美好的愿望已经开始走向现实。目前,人 类已经能够制备出包括有几十个到几万个原子的纳米颗粒,并把它们作为基本单元构造一维量子线、二维量子面和三 维纳米固体,创造出相同物质传统材料完全不具备的奇特 性能。这就是面向21世纪的纳米科学技术。 0.2纳米材料的研究历史 人类对物质的认识分为宏观和微观两个层次。宏观是指研究的对象尺寸很大,并且下限有限,上限无限(肉眼可见的是最小宏观,而上限是天体、星系)。到目前为止,人类对宏观物质结构及运动规律已经有相当的了解,一些学科 领域都已建立,如力学、地球物理学、天体物理学、空间 科学等。微观指原子、分子,以及原子内部的原子核和电子,微观有上限而无法定义下限。

19世纪末到20世纪初,人类对微观世界的认识已延伸到一定层次,时间上达到纳秒、皮秒和飞秒数量级。建立了相应的理论,例如原子核物理、粒子物理、量子力学等。 相对而言,在原子、分子与宏观物质的中间领域,人类的认识还相当肤浅,被誉为有待开拓的“处女地”。近20年以来,人类已经发现,在微观到宏观的中间物质出现了许多既不同于宏观物质,也不同于微观体系的奇异现象。下面对纳米材料的研究历史作简要介绍。 1 000年以前。当时,中国人利用燃烧的蜡烛形成的烟雾制成碳黑,作为墨的原料或着色染料,科学家们将其誉为最早的纳米材料。中国古代的铜镜表面防锈层是由Sn02颗粒构成的薄膜,遗憾的是当时人们并不知道这些材料是由肉眼根本无法看到的纳米尺度小颗粒构成。 1861年,随着胶体化学(colloidchemistry)的建立,科学家们开始对1—lOOnm的粒子系统进行研究。但限于当时的科学技术水平,化学家们并没有意识到在这样一个尺寸范围是人类认识世界的一个崭新层次,而仅仅是从化学角度作为宏观体系的中间环节进行研究。 20世纪初,有人开始用化学方法制备作为催化剂使用的铂超微颗粒。

纳米材料的湿法合成

论文中英文摘要 作者姓名:孙旭平 论文题目:纳米材料的湿化学合成及新颖结构的自组装构建 作者简介:孙旭平,男,1972年08月出生,2000年09月师从于中国科学院长春应用化学研究所汪尔康研究员,于2006年03月获博士学位。 中文摘要 围绕论文题目“纳米材料的湿化学合成及新颖结构的自组装构建”,我们开展了一系列研究工作。通过湿化学途径,在贵金属纳米粒子及其二维纳米结构和导电聚合物纳米带的合成方面进行了深入研究。同时,利用界面自组装及溶液自组装技术,构建了一些新颖结构。本论文研究工作的主要内容和创新点表现在以下几个方面: (1)首次提出了一步加热法制备多胺化合物保护的贵金属纳米粒子。我们利用多胺化合物(包 括聚电解质和树枝状化合物)作为还原剂和保护剂,直接加热贵金属盐和多胺化合物的混合水溶液,在不加入其它保护剂和还原剂的情况下,一步制备得到了稳定的贵金属金和银的纳米粒子。我们在实验中发现,树枝状化合物聚丙烯亚胺能对反应生成的金纳米粒子的大小及成核和生长动力学进行有效控制。我们还发现,室温下直接混合浓的阳离子聚电解质分支型聚乙烯亚胺和浓的HAuCl4水溶液可得到高浓度的、稳定的胶体金。这种一步合成法操作简单且方便易行,是一种制备多胺化合物保护的贵金属纳米粒子的通用方法;同时,本方法合成的纳米粒子表面带正电荷,可用作加工纳米粒子功能化薄膜的构建单元。 (2)首次提出了一种无表面活性剂的、无模板的、大规模制备导电聚合物聚邻苯二胺纳米带的 新方法。我们通过在室温下直接混合邻苯二胺和HAuCl4水溶液,在没有表面活性剂或“硬模板”存在的条件下,获得了长度为数百微米、宽度为数百纳米、厚度为数十纳米的聚邻苯二胺。纳米带的自发形成可归因于反应中生成的金纳米粒子催化的邻苯二胺的一维定向聚合。本方法方便快速,无需加入表面活性剂或使用“硬模板”,且可用于大规模制备。 此外,我们通过在室温下直接混合AgNO3和邻苯二胺水溶液,也获得了大量的一维纳米结构,并发现其形貌可通过调节实验参数而改变。我们还发现,当溶液pH降低时,这些一维结构将分解成水溶性的低聚体,而如果再次升高pH,这些低聚体又将自组装形成一

纳米材料和纳米技术

纳米材料和纳米技术 纳米材料的使用古已有之。据研究认为中国古代字画之所以历经千年而不褪色,是因为所用的墨是由纳米级的碳黑组成。中国古代铜镜表面的防锈层也被证明是由纳米氧化锡颗粒构成的薄膜。只是当时的人们没有清楚的了解而已。纳米材料在近十几年的研究中,领域迅速拓宽,内涵不断扩展。目前,普遍接受的定义为基本单元的颗粒或晶粒尺寸至少在一维上小于100nm,且必须具有与常规材料截然不同的光、电、热、化学或力学性能的一类材料体系。纳米材料的奇异性是由于其构成基本单元的尺寸及其特殊的界面、表面结构所决定的。 纳米技术的灵感,来自于诺贝尔奖获得者Richard Feyneman于1959年所作的《在底部还有很大空间》的演讲。他以“由下而上的方法” 出发,提出从单个分子甚至原子开始进行组装,以达到设计要求。他说道,“至少依我看来,物理学的规律不排除一个原子一个原子地制造物品的可能性。”并预言,“当我们对细微尺寸的物体加以控制的话,将极大得扩充我们获得物性的范围。” 纳米技术是面向尺寸在1~100nm之间的物质组成的体系的运动规律和相互作用以及在应用中实现特有功能和智能作用的技术问题,发展纳米尺度的探测和操纵。它从思维方式的概念表明生产和科研的对象将向更小的尺寸、更深的层次发展,将从微米层次深入至纳米层次。纳米技术未来的目标是按照需要,操纵原子、分子构建纳米级的具有一定功能的器件或产品。纳米科学与技术主要包括:纳米体系物理学、纳米化学、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学、纳米加工学、纳米力学等,这七个相对独立又相互渗透的学科和纳米材料、纳米器件、纳米尺度的检测与表征这三个研究领域。纳米材料的制备和研究是整个纳米科技的基础。扫描隧道显微镜(STM)在纳米科技中占有重要的地位,它贯穿到七个分支领域中,以其为分析和加工手段所做的工作占一半以上。 纳米材料的研究最初源于十九世纪六十年代对胶体微粒的研究,二十世纪六十年代后,研究人员开始有意识得通过对金属纳米微粒的制备和研究来探索纳米体系的奥秘。2001年初,中国科技大学朱清时院士的研究组首次直接拍摄到能够分辨出化学键的C60单分子图像[2],这种单分子直接成像技术为解析分子内部结构提供了有效的手段,使科学家可以人工“切割”和重新“组装”化学键,为设计和制备单分子级的纳米器件奠定了基础。3月,美国佐治亚理工学院留美中国学者王中林教授的研究组利用高温固体气相法,在世界上首次合成了独特形态且无缺陷的半导体氧化物纳米带状结构[3]。这是继纳米管、纳米线之后纳米家族增加的新的成员。它有望解决纳米管在大规模生产时稳定性的问题,并在纳米物理研究和纳米器件应用上有重要的作用。6月,香港科技大学沈平教授的研究组在单根纯碳纳米碳管中观察到超导特性[4]。这一观察表明,当纳米碳管细到一定程度时,其材料性质将发生突变。从应用上来讲,纳米碳管超导性的发现,将有助解决电子在集成半导体器件中传输时的发热问题。 由上可见,在纳米基础研究领域,中国并不落后。自90年代初,科技部、国家自然科学基金委、中国科学院等单位就启动了有关纳米材料的攀登计划、国家重点基础研究项目等,投入数千万元资金支持纳米基础研究;中国的纳米科学家,在国际上取得了一系列令人瞩目的成果,相继在《Science》、《Nature》等权威杂志上发表了高水平的论文,使中国在纳米材料基础研究方面,尤其是纳米结构的控制合成方面,走在比较前沿的位置,继美、日、德之后,位居世界第四。

中国微米纳米技术学会会士评选办法(试行)【模板】

附件4.《中国微米纳米技术学会会士评选办法》 中国微米纳米技术学会会士评选办法(试行) 中国微米纳米技术学会会士(以下简称会士)即为中国微米纳米技术学会设立的最高层次的会员。会士每年遴选一次,每次遴选后产生的会士名额不超过2个(含2个)。 一、会士候选人的资格 会士候选人(被提名人)需要是热心于中国微米纳米技术学会的工作,并有5年(含5年)以上高级会员会龄的会员。 二、会士候选人的提名 1.中国微米纳米技术学会各工作委员会、专业分会可作为提名机构提名会士候 选人。 2.中国微米纳米技术学会会士可作为提名人提名会士候选人。 三、会士评选工作机构 1.评审委员会。最终通过不记名投票决定会士人选,由中国微米纳米技术学会部 分会士组成。为了保证评审的公平性,委员会名单不公开。 2.会士评选工作办公室。负责会士评选的日常工作,对提名人或提名机构报送的 会士候选人资料进行初步审查,为评审委员会提供服务。办公室设在中国微米纳米技术学会秘书处,由中国微米纳米技术学会秘书处办公室人员组成。 四、会士评审程序 1.提名会士候选人。 提名机构、提名人提名会士候选人,并填写《会士候选人提名表》。 2.邀请评议人。 (1)提名机构、提名人邀请被提名人单位以外的本学会会士共4人,作为被提名人的评议人。 (2)评议人需参考《会士候选人提名表》对会士被提名人进行评议,并填写《会士候选人评议表》。 3.会士候选人材料报送。 提名机构或提名人将已填好的《会士候选人提名表》和《会士候选人评议 表》邮寄到中国微米纳米技术学会会士评选工作办公室,同时将电子版发送 到会士评选工作办公室邮箱。

4.会士评选工作办公室组织初审。 (1)会士评选工作办公室在规定时间内收到《会士候选人提名表》和至少3位评议人的《会士候选人评议表》后,对会士被提名人的资格与提名程序进行初 步审核。 (2)若资料符合要求,则提名成立,被提名人确定为正式候选人,将其名单及材料提交会士评审委员会最终评定遴选。 5.会士评审委员会终审。 (1)中国微米纳米技术学会会士评选工作办公室组织召开评审会,评审委员会委员根据提交的会士候选人的材料进行不记名投票。 (2)按照获得票数的排名结果确定最终会士人选。同时,此次投票结果必须获得会士评审委员会半数以上票数方能生效。 6.会士人选公示。 将最终遴选确定的会士人选信息放入中国微米纳米技术学会官方网站进行30 天的公示。 五、监督与保密 1.提名机构、中国微米纳米技术学会就投诉内容进行调查核实,如果投诉属实 则取消被投诉人的会士资格。 2.参与会士评选的全体专家、工作人员及被提名人必须有高度的责任感,树立 严格的保密观念。 3.被提名人所有材料不得含有涉密内容。 六、附则 1. 会士候选人提名文件由中国微米纳米技术学会会士评选办公室统一制作。文件包括:《会士候选人提名表》、《会士候选人评议表》。 2. 提名机构、提名人应当根据本办法,严格有序的提名会士候选人。 3. 本办法由中国微米纳米技术学会负责解释。 4. 本办法自颁布之日起实施。

微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术解读

绪论微米纳米技术是指研究尺度在微米纳米范围的技术,包括系统、器件及相应的材料与加工技术。 特点: 1.多数微米纳米系统、器件会保持宏观基本性质,这就为大型器件和系统微小型化提供了空间,而微小型化会带来占用空间、能量消耗、材料耗费、应用范围等方面的巨大好处2.一些微米纳米尺度的系统、器件、材料具有宏观不具备的一些特殊性质,产生前所未有的新功能 3.在微米纳米尺度上的科学研究还进行得很少,已有研究一般都停留在现象上,有关加工、操作和理论上的研究涉及较少 4.理论有别于宏观理论和微观理论,为科学研究留下较大空间 5.加工方式特殊 6.交叉性和渗透性强 7.应用广泛 MEMS是将热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他微加工工艺加工到芯片上,并通过与电路的集成乃至相互之间的集成组成复杂的微型系统。 特点: 1.微小结构。体积小重量轻 2.智能化 3.交叉性与渗透性 4.具备集成电路的一些特点,如批量化、低成本等 纳米技术的分类: 纳米电子学、纳米材料、纳米结构、NEMS纳机电系统、纳米操作和纳米制造、纳米结构的检测与表征。 当把微机电系统的特征尺寸缩小到100纳米以下变成了纳机电系统,其特点是尺寸更小、质量更小、更灵敏精确、更低功耗,可用于精密测量,机械结构更高的固有频率,但噪声大,加工难度大。 对社会的影响: 新型材料、生物与医学、能源、环境、国土安区和反恐、科学发展 微纳米技术的应用微纳力学传感器包括微惯性、压力传感器、应变力传感器、触觉传感器、微麦克风等。 压力传感器 把压力转换成电信号输出的传感器,分为绝对压力传感器和差压传感器。 压力传感器应用早且广泛,是目前MEMS最大的市场之一,早期用于汽车发动机的进气管绝对压力(MAP)测量,另一个重要的应用是检测轮胎压力,其他的应用包括血压计、工业控制、环境监测等方面。 微型惯性传感器包括加速度计和陀螺,是利用物体的惯性来测量物体运动情况的一类传感器。 加速度计

纳米材料的合成及其应用

纳米材料的合成及其应用 摘要:本文介绍了几种纳米材料的合成制备的方法,主要是固相法、液相法和气相法,并且简单的介绍了其应用领域。 关键词:纳米材料、固相法、液相法、气相法 引言: 纳米级结构材料简称为纳米材料,是指其结构单元的尺寸介于1纳米~100纳米范围之间。由于它的尺寸已经接近电子的相干长度,它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化。并且,其尺度已接近光的波长,加上其具有大表面的特殊效应,因此其所表现的特性。纳米材料出现的重要科学意义在于它引领人们认识自然的新层次,是知识创新的亮点。在纳米领域发现新现象,提出新概念,认识新规律,建立新理论,为构建纳米材料科学体系新框架奠定基础[1]。材料的结构决定材料的性质。 纳米材料产生的特殊效应,具有常规材料所不具备的性能,使得它在各个方面的潜在应用极为广泛,并且非常普遍[2~4]。 一、纳米材料的制备方法 1. 固相法 传统的固相合成法反应温度较高,能耗太,而且难以得到高纯度、各组分完全均匀、物相单一的产物,因而不宜用来制各纳米氧化物。 传统的固相法是将金属盐和金属氢氧化物按一定的比例充分混合,发生复分解反应生成前驱物,多次洗涤后充分研磨进行煅烧,然后再研磨得到纳米粒子。此法设备和工艺简单,反应条件容易控制,产率高,成本低,环境污染少,但产品粒度分布不均,易团聚。刘长久等[5]采用固相反应法制备了粒径为30nm的NiO纳米粉体,并对其电化学性能进行了研究。Feng Li等[6]在环境温度下用固相反应成功地合成了纳米氧化物SiO2、 CeO2、SnO2,并初步探讨了环境温度下纳米材料的形成机理。贾殿赠等[7]对此法进行了改进,在固相配位化学反应的基础上,将室温固相配位化学反应引入金属氧化物纳米粒子的合成中,提出一种室温固相化学反应合成纳米材料的新方法,即用室温固相化学反应首先制得前驱物,进而前驱物经热分解得纳米金属氧化物。此法不仅是无溶剂反应,而且许多反应可在室温或低温条件下发生。因此从原料的使用、合成条件及合成工艺等方面考虑,固相配位化学反应法在合成新颖纳米材料方面具有其潜在的优点。目前采用此新方法已制得纳米CuO[8]、ZnO、NiO等。

材料合成与制备论文(纳米材料).

纳米材料的制备方法 纳米制备技术是 80年代末刚刚诞生并正在崛起的新技术,其基本涵义是:纳米尺寸范围 (10-9~10-7m 内认识和改造自然,通过直接操作和安排原子、分子创造新物质。由于纳米材料具有奇特的力学、电学、磁学、热学、化学性能等,目前正受到世界各国科学家的高度重视。 一、气相法制备纳米微粒 1. 溅射法 此方法的原理为:用两块金属板分别作为阴极和阳极, 阴极为蒸发用材料,在两电极间充入 Ar(40~250Pa ,两极间施加的电压范围为 0.3~1.5kV 。由于两极间的辉光放电使 Ar 粒子形成,在电场作用下 Ar 离子冲击阳极靶材表面,使靶材原子从其表面蒸发出来形成超微粒子, 并在附着面上沉积下来。离子的大小及尺寸分布主要取决于两极间的电压、电流、气体压力。靶材的表面积愈大,原子的蒸发速度愈高,超微粒的获得量愈大。 溅射法制备纳米微粒材料的优点是:1 可以制备多种纳米金属, 包括高熔点和低熔点金属。常规的热蒸发法只能适用于低熔点金属; 2 能制备出多组元的化合物纳米微粒,如 A lS2, Tl 48 , Cu 91, Mn 9, ZrO 2等; 通过加大被溅射阴极表面可加大纳米微粒的获得量。采用磁控溅射与液氮冷凝方法可在表面沉积有方案膜的电镜载网上支撑制备纳米铜颗粒。 2. 混合等离子法 此方法是采用 RF (射频等离子与 DC 直流等离子组合的混合方式来获得超微粒子。该制备方法有以下几个特点: 1 产生 RF 等离子时没有采用电极, 不会有电极物质 (熔化或蒸发混入等离子体而导致等离子体中含有杂质,故超微粒的纯度较高; 2 等离子体所处的空间大,气体流速比 DC 直流等离子体慢,致使反应物质在等离子空间停留时间长,物质可以充分加

半导体纳米材料的制备方法(精)

摘要:讨论了当前国内外主要的几种半导体纳米材料的制备工艺技术,包括物理法和化学法两大类下的几种,机械球磨法、磁控溅射法、静电纺丝法、溶胶凝胶法、微乳液法、模板法等,并分析了以上几种纳米材料制备技术的优缺点 关键词:半导体纳米粒子性质;半导体纳米材料;溶胶一凝胶法;机械球磨法;磁控溅射法;静电纺丝法;微乳液法;模板法;金属有机物化学气相淀积 引言 半导体材料(semiconductormaterial)是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间,电阻率约在1mΩ·cm~1GΩ·cm范围内)。相对于导体材料而言,半导体中的电子动能较低,有较长的德布罗意波长,对空间限域比较敏感。半导体材料空间中某一方向的尺寸限制与电子的德布罗意波长可比拟时,电子的运动被量子化地限制在离散的本征态,从而失去一个空间自由度或者说减少了一维,通常适用体材料的电子的粒子行为在此材料中不再适用。这种自然界不存在,通过能带工程人工制造的新型功能材料叫做半导体纳米材料。现已知道,半导体纳米粒子结构上的特点(原子畴尺寸小于100nm,大比例原子处于晶界环境,各畴之间存在相互作用等是导致半导体纳米材料具有特殊性质的根本原因。半导体纳米材料独特的质使其将在未来的各种功能器件中发挥重要作用,半导体纳米材料的制备是目前研究的热点之一。本文讨论了半导体纳米材料的性质,综述了几种化学法制备半导体纳米材料的原理和特点。 2.半导体纳米粒子的基本性质

2.1表面效应 球形颗粒的表面积与直径的平方成正比,其体积与直径的立方成正比,故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。随着颗粒直径变小,比表面积将会显著增大,说明表面原子所占的百分数将会显著地增加。对直径大于0.1微米的颗粒表面效应可忽略不计,当尺寸小于0.1微米时,其表面原子百分数激剧增长,甚至1克超微颗粒表面积的总和可高达100平方米,这时的表面效应将不容忽略。 随着纳米材料粒径的减小,表面原子数迅速增加。例如当粒径为10nm时,表面原子数为完整晶粒原子总数的20%;而粒径为1nm时,其表面原子百分数增大到99%;此时组成该纳米晶粒的所有约30个原子几乎全部分布在表面。由于表面原子周围缺少相邻的原子:有许多悬空键,具有不饱和性,易与其他原子相结合而稳定下来,故表现出很高的化学活性。随着粒径的减小,纳米材料的表面积、表面能及表面结合能都迅速增大。 超微颗粒的表面与大块物体的表面是十分不同的,若用高倍率电子显微镜对金超微颗粒(直径为2*10-3微米)进行电视摄像,实时观察发现这些颗粒没有固定的形态,随着时间的变化会自动形成各种形状(如立方八面体,十面体,二十面体多李晶等),它既不同于一般固体,又不同于液体,是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下,表面原子仿佛进入了“沸腾”状态,尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性,这时微颗粒具有稳定的结构状态。 因此想要获得发光效率高的纳米材料,采用适当的方法合成表面完好的半导体材料很重要。 2.2量子尺寸效应 量子尺寸效应--是指当粒子尺寸下降到某一数值时,费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时,导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。当半导体材料从体相减小到某一临界尺寸(如与电子的德布罗意波长、电子的非弹性散射平均自由程和体相激子的玻尔半径相等以后,其中的电子、空穴和激子等载流子的运动将受到强量子封闭性的限制,同时导致其能量的

相关文档