内容简介

新近发展的新型的高技术材料——纳米材料因其具有特殊的性能，而显示

出巨大的潜力，正在广泛地引起广大科技工作者的关注和重视。在我国，纳米

材料的研究已被国家科委、中国科学院列入“八五”期间的重点支持项目。

作者H.Gleiter教授是纳米固体块状材料的创始人。书中引用了作者本人

和他人近期发表的论文400多篇，详细综述了纳米材料的各种制备方法，纳米

材料的结构，纳米材料在热学、电子、磁学、光学、力学等方面所显示的特性以及

纳米材料的应用前景。作者还为中译本写了他的最新实验方法和最新观点。

中译本另附有著名金属物理学家葛庭燧教授的一篇论文。

本书深入浅出，具有权威性。它对于我国纳米材料研究和应用具有重要的

指导作用。

目录

1.引言

1.1基本概念

2.制备

2.1纳米级团粒的产生

2.1.1真空法

2.1.2气相法

2.1.3凝聚相法

2.1.4包覆团粒

2.1.5团粒排列

2.2团粒沉积

2.2.1高速沉积

2.2.2用电离团粒束沉积

2.2.3固结

2.3其他方法

2.3.1高能球磨法

2.3.2合金混合法

2.3.3沉积法

2.3.4溶胶－凝胶法

3.结构

3.1化学成分

3.2密度

3.3微结构

3.3.1纳米金属

3.3.2纳米陶瓷

3.4固结压力对微结构的影响

3.5热稳定性

3.5.1纳米金属

3.6原子结构

3.6.1X射线衍射研究

3.6.2EXAFS研究

3.7谱分析

3.7.1正电子寿命谱

3.7.2μ子自旋研究

3.7.3穆斯堡尔谱

3.7.4氢吸收谱

3.7.5喇曼散射

3.8纳米晶体合金

3.8.1纳米尺寸的三明治结构

4.特性

4.1自扩散

4.2溶质扩散

4.3高的溶质固溶度

4.4比热

4.4.1低温下的比热测量

4.5熵

4.6热膨胀

4.7光学和红外吸收

4.8磁特性

4.9电阻率

4.10力学性质

4.10.1弹性性质

4.10.2内耗

4.10.3硬度和断裂

4.10.4纳米晶体陶瓷的低温延性

4.10.5纳米晶体金属的塑性变形

4.11动力学效应

4.12再结晶

4.13辐照损伤

5.纳米玻璃

致谢

参考文献

纳米结构材料（增补）

纳米材料的制备、结构和性能

2.1.2 气相法

2.1.2.1 惰性气体凝聚 在惰性气体凝聚情况下，蒸发出的单

体通过以下途径凝聚成团粒：（1）产生大量单体；（2）经过与“冷”惰性

气体原子碰撞使单体“冷却”；（3）靠往各团粒上添加单体和因团粒间

的碰撞而凝聚使团粒长大。到目前为止，采用的方法有炉源、溅射

源、电子枪蒸发、激光蒸发、热解、水解或超声膨胀。

2.1.2.2 炉源 产生大量单体的最简单的技术是利用加热的

坩埚或炉子。已经研制出各种各样的炉源。几个小组［30，31］广泛研

究了用直接蒸发到某种气体中的方法来产生团粒气溶胶或烟雾。在

源的附近观察到尺寸相当均匀的小团粒。在离源远一些的地方，团

粒变大，并有更宽的尺寸分布。最后，在高子开炉子的某个限定的距

离上（取决于惰性气体压力和蒸发速率），团粒达到某个随蒸发速率

和惰性气体原子量增加而增加的限制性尺寸。

在这种源中的平均团粒尺寸，可由改变炉子的蒸发速率和蒸发

室中的惰性气体压力加以控制。利用这种方法已制出平均直径小到

3～4nm的团粒。团粒尺寸呈对数正态分布。这样一种分布是团

粒－团粒凝聚的特征，并反映了大小团粒的不同的形态学。使惰性气

体强迫对流，可以减小团粒的平均尺寸，并使尺寸分布变窄。已经根

据这一概念研制出几种源［32～34］。靠近源的团粒的短滞留时间减少

了团粒－团粒的凝聚，而使团粒尺寸减小，尺寸分布变窄。例如，一个

多次膨胀团粒源［35］产生了恒定半宽度小于0.5nm的尺寸分布，平

均尺寸可控制在小于1nm到大约5nm之间。

当然，对于高蒸气压的固体也可以利用升华来代替蒸发。例如，

这种方法适用于MgO，已把MgO 在200Pa的He气中加热到

1600℃左右（MgO的熔点是2852℃）［36］。发现这种材料升华时是缺

氧的，但是随后暴露于引入真空室内的氧气中就完全转化为化学计

量的MgO。

炉源具有以下缺点：由炉子或坩埚材料造成的湿度限制；许多金

属与常用的耐火金属坩埚之间发生化学反应；熔融金属中的不均匀

温度分布导致不能令人满意的控制和再现性；因各种成分的不同活

性而限制了合金团粒的生产；因耐火舟皿的氧化限制了Al2O3之类

工艺上感兴趣的陶瓷的蒸发。

已通过在He中蒸发金属组分（Ti，Fe）实现了以炉源制备氧化

物陶瓷，从而制得了纳米尺寸的金属粉末。随后通过往此小室中充

氧（典型压力为2kPa）氧化了这些松散的金属粉末［37～40］。制成的

TiO2样品的X射线衍射表明［40］，唯一存在的相是稳定的金红石相，

无迹象表明存在着未反应Ti或其他的钦氧化物相。用卢瑟福反散

射分析法测定样品成分，发现制备态是缺氧的——TiO1.7，但是经

300℃烧结后即变为接近理想配比的——TiO1.95。同时，样品的颜

色也从黑色变为块状金红石的正常颜色白色［40］。

自然，后氧化不限于完全氧化的粒子。例如，已利用小的Al，Zn

或Mg晶体的氧化来产生具有金属核和氧化物表面的纳米量级的粒

子。已应用小金属粒子与气相反应的方法，通过在50KPa的H2气

氛中蒸发金属组分，来产生纳米量级的氢化物粒子（例如TiH2）［41］。

随后加热TiH2粒子（400℃，1min，真空），将其转化成具有六角形密

集结构的Ti。在250℃，10kPaH2压力下，把这些粒子退火5min，

使之再氢化为TiH2。Imawa及其同事［42］已利用在N2或NH3气体

中蒸发金属成功地制成了各种过渡金属氮化物的超细粉末。