《納米晶的微觀結構與熔化機制的XRD原位研究》是依託陝西師範大學，由陳曉明擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：納米晶的微觀結構與熔化機制的XRD原位研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳曉明
- 依託單位：陝西師範大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
材料熔化的本質至今尚無定論。Lindemann判據認為當原子均方根位移達到晶體中原子最近鄰距離的十分之一時，熔化即開始。納米晶具有大量內界面和表面，有利於從實驗上對界面或表面原子狀態與熔化本質的內在聯繫做進一步的定量研究，從而更加全面清晰地認識熔化機制。X射線衍射(XRD)對晶體結構非常敏感，結合XRD測量與Rietveld結構精修可以給出原子在晶格中的精確位置、熱振動參數、晶格參數、非晶相及各晶相所占比例等結構參數。本項目擬採用XRD原位技術與Rietveld結構精修，並結合其他實驗手段，從原子狀態這一角度研究金屬及陶瓷納米晶的微觀結構與熔化機制。希望得到具有不同微觀結構(含不同晶粒尺寸、界面環境及晶面結構等)的納米晶在原位受熱過程中原子狀態隨溫度的變化規律，結合理論分析將其關聯到熔化機制上；為揭示納米晶的熔化機制及Lindemann判據是否適用於納米晶的熔化及其修正提供實驗依據。
結題摘要
材料的熔化問題至關重要，然而，關於材料熔化的本質至今尚無定論。本研究中採用XRD原位技術，並結合DSC、TEM、SEM等實驗手段，研究了陶瓷及金屬納米顆粒的微觀結構與熔化機制；並在鍵能模型基礎上，分析了晶粒尺寸、晶格結構等對金屬納米晶的熔化溫度、熔化熵及熔化焓的影響。(1) 採用高能球磨法分別製備了分散在Al基體中的Sn納米顆粒，分散在SiO2基體中的Bi納米顆粒。通過改變球磨時間可以有效控制Sn納米顆粒和Bi納米顆粒的平均晶粒尺寸。DSC測量結果表明納米顆粒的熔化溫度與尺寸相關，但無法區分納米顆粒的體熔化與表面熔化。XRD原位測量表明，隨著測量溫度的升高，衍射峰強度逐漸降低；並且歸一化強度的改變與Sn(Bi)納米顆粒的比表面積密切相關。綜合考慮包括多重性因子、結構因子、吸收因子、織構因子、Debye-Waller因子和Lorentz-Polarization因子等因素的基礎上，發現在低溫階段，衍射峰強度的緩慢減弱主要歸因於上述因子隨溫度的變化；而當溫度接近熔點時，衍射峰強度的迅速減弱主要是由Sn(Bi)納米顆粒的表面熔化引起，並從Lindemann熔化判據出發提出了表面熔化模型。(2) 採用液相還原法製備了Sn納米顆粒；採用水熱法製備了Bi納米顆粒。所製備的納米顆粒均為純相；通過調節合成參數，可有效控制晶粒尺寸。採用XRD原位技術研究了上述納米顆粒的表面熔化性質，結合提出的表面熔化模型，很好地解釋了納米顆粒的表面熔化行為。(3) 採用水熱法合成了具有純相的BiFeO3微米/納米顆粒。採用XRD原位技術與Rietveld結構精修，並結合DSC等手段研究了BiFeO3微米/納米顆粒的相結構及熔化性質。結果表明所合成的BiFeO3顆粒的相變溫度不同於已有的相關報導，本研究中的試樣在370℃發生反鐵磁向順磁的轉變；在755-817℃範圍內為菱方相和立方相共存階段；從827℃開始，立方顆粒完全轉變為立方相；在930℃完全熔化。(4)從鍵能模型出發，綜合考慮晶格結構及晶粒尺寸對熔化性質的影響，引入了晶體緻密度因子(定義為晶胞中原子總體積與晶胞體積的比值)、beta因子(定義為晶體中表面原子與內部原子結合能的比值)及qs因子(定義為晶面被表面原子占據的比值)，從理論上分析了具有不同晶格結構的金屬納米顆粒熔化溫度、熔化熵及熔化焓的尺寸效應。
