纳米材料中晶粒尺寸对位错组态有影响 Gryaznov等人从理论上分析了纳米材料的小尺寸效应对晶粒内位错组态的 影响，对多种金属纳米晶体的位错组态发生突变的临界尺寸进行了计算。 他们认为：当晶粒尺寸与德布罗意波长或电子平均自由程差不多时，由于 量子尺寸效应，使许多物理性质发生变化。当粒径小于某一临界尺寸时， 位错不稳定，趋向于离开晶粒；当粒径大于此临界尺寸时，位错稳定地处 于晶粒中。对于单个小晶粒，他们把位错稳定的临界尺寸称为特征长度LP, 它可通过下式求得： LpKGb/op 式中，K为常数，G为剪切模量，b为伯格斯矢量，ō，为点阵摩擦力。 玉 16
纳米材料基础与应用 16 ⚫ Gryaznov等人从理论上分析了纳米材料的小尺寸效应对晶粒内位错组态的 影响，对多种金属纳米晶体的位错组态发生突变的临界尺寸进行了计算。 ⚫ 他们认为：当晶粒尺寸与德布罗意波长或电子平均自由程差不多时，由于 量子尺寸效应，使许多物理性质发生变化。当粒径小于某一临界尺寸时， 位错不稳定，趋向于离开晶粒；当粒径大于此临界尺寸时，位错稳定地处 于晶粒中。对于单个小晶粒，他们把位错稳定的临界尺寸称为特征长度Lp， 它可通过下式求得： Lp≈KGb/ σp 式中，K为常数，G为剪切模量，b为伯格斯矢量，σp为点阵摩擦力。 纳米材料中晶粒尺寸对位错组态有影响
同一种材料，粒子的形状不同可以使得位错稳定的特征长度不同，下表 列出了一些具有滑移界面的金属纳米晶体的位错稳定的特征长度以及G、 b和gp L(nm), L(nm)）, 材料 G(GPa) b(nm) 9,10 2GPa) 球形粒 圆柱形 子 粒子 Cu 33 0.256 1.67 38 24 Al 28 0.286 6.56 18 11 Ni 95 0.249 8.7 16 10 a-Fe 85 0.245 45.5 3 2 米小 17
纳米材料基础与应用 17 ⚫ 同一种材料，粒子的形状不同可以使得位错稳定的特征长度不同，下表 列出了一些具有滑移界面的金属纳米晶体的位错稳定的特征长度以及G、 b和σp。 材料 G(GPa) b(nm) σp (10- 2GPa) L(nm)， 球形粒 子 L(nm)， 圆柱形 粒子 Cu 33 0.256 1.67 38 24 Al 28 0.286 6.56 18 11 Ni 95 0.249 8.7 16 10 α-Fe 85 0.245 45.5 3 2
● 纳米固体材料中的三叉晶界 三叉晶界是三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域。纳米材料中的三叉 晶界体积分常高于常规材料，对力学性能影响很大。 √Palumbos等人考虑晶粒为多面体，三叉晶界为3个或多个相邻的晶粒中间的 交叉区域，假设它为三棱柱，如图82所示。他们把整个界面分成两部分， 一是三叉晶界区，二是晶界区，这两个部分的体积总和称为晶间区体积。 图7.2三叉晶界示意图（三 叉晶界为垂直纸面的三棱柱， 晶界 △为晶界厚度)。 三叉晶界 18
纳米材料基础与应用 18 ✓ 三叉晶界是三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域。纳米材料中的三叉 晶界体积分常高于常规材料，对力学性能影响很大。 ✓ Palumbo等人考虑晶粒为多面体，三叉晶界为3个或多个相邻的晶粒中间的 交叉区域，假设它为三棱柱，如图8.2所示。他们把整个界面分成两部分， 一是三叉晶界区，二是晶界区，这两个部分的体积总和称为晶间区体积。 图7.2 三叉晶界示意图（三 叉晶界为垂直纸面的三棱柱， Δ为晶界厚度）。 ⚫ 纳米固体材料中的三叉晶界
●纳米材料另一个特殊的地方是其三叉晶界在界面中的体积分数远比粗颗粒 的多晶材料高。 √据计算，三叉晶界体积分数对晶粒尺寸的敏感度远远大于晶界体积分数。 当粒径D从100nm减小到2nm时，三叉晶界体积分数增加3个数量级， 而同时晶界体积分数仅增加约1个数量级。 有人认为，三叉晶界是一种旋位错，其结构依赖于相邻晶粒的特有晶体学 排列，旋位错会导致界面区软化，增加纳米材料的延展性。随着相邻晶 粒间取向混乱度的增加，三叉晶界中缺陷增多。 V='-b=1-(D-δ)/D于33δ(D-δ)]/D 小勇 19
纳米材料基础与应用 19 ⚫ 纳米材料另一个特殊的地方是其三叉晶界在界面中的体积分数远比粗颗粒 的多晶材料高。 ✓ 据计算，三叉晶界体积分数对晶粒尺寸的敏感度远远大于晶界体积分数。 当粒径D从100nm减小到2nm时，三叉晶界体积分数增加3个数量级， 而同时晶界体积分数仅增加约1个数量级。 ✓ 有人认为，三叉晶界是一种旋位错，其结构依赖于相邻晶粒的特有晶体学 排列，旋位错会导致界面区软化，增加纳米材料的延展性。随着相邻晶 粒间取向混乱度的增加，三叉晶界中缺陷增多。 3 2 3 V V V 1 [(D )/ D] [3 (D ) ]/ D g b i i c i t j i = − = − − − −
纳米固体材料中的空位、空位团和孔洞 在纳米材料中，界面（包括晶界和三叉晶界）体积分数比常规多晶大得多， 界面中的原子悬键较多，使得空位、空位团和孔洞等点缺陷增加。 单空位主要存在于晶界上，是由于纳米固体颗粒在压制成块体时形成的。 因为纳米材料庞大的界面中原子排列比较松散，压制过程中很容易造成 点阵缺位并在界面中随机分布。 空位团主要分布在三叉晶界上。它的形成一部分归结为单空位的扩散凝 聚，另一部分是在压制块体时形成的。空位团一般都很稳定，在退火过 程中，即使晶粒长大了，空位团仍然存在。这是因为在退火过程中三叉 晶界不能被消除。 孔洞一般处于晶界上。孔洞存在的数量（孔洞率）决定了纳米材料的致 密程度。孔洞随退火温度的升高和退火时间的加长会收缩，甚至完全消 失，这个过程主要靠质量迁移来实现。 20
纳米材料基础与应用 20 ⚫ 在纳米材料中，界面(包括晶界和三叉晶界)体积分数比常规多晶大得多， 界面中的原子悬键较多，使得空位、空位团和孔洞等点缺陷增加。 ✓ 单空位主要存在于晶界上，是由于纳米固体颗粒在压制成块体时形成的。 因为纳米材料庞大的界面中原子排列比较松散，压制过程中很容易造成 点阵缺位并在界面中随机分布。 ✓ 空位团主要分布在三叉晶界上。它的形成一部分归结为单空位的扩散凝 聚，另一部分是在压制块体时形成的。空位团一般都很稳定，在退火过 程中，即使晶粒长大了，空位团仍然存在。这是因为在退火过程中三叉 晶界不能被消除。 ✓ 孔洞一般处于晶界上。孔洞存在的数量（孔洞率）决定了纳米材料的致 密程度。孔洞随退火温度的升高和退火时间的加长会收缩，甚至完全消 失，这个过程主要靠质量迁移来实现。 纳米固体材料中的空位、空位团和孔洞