纳米材料的结构模型及其晶粒相关问题简述

有序模型：晶界结构原子排列是有序的，与粗晶结构原子排序无本质上的区别。纳米材料的界面有序，主要决定于纳米晶粒界面的原子间距大小以及纳米晶粒大小，但是此类有序模型并没有统一的说法。有学者认为与粗晶体材料并无区别，也有学者认为此类有序性是局部性的，在更大的范围内，这种有序性并没有按照严格相同类型，也有学者认为界面的拓展是有序的。

结构特征分布模型：纳米材料的晶界结构不是单一的、同一的结构，所以晶界在一种程度结构，处于一种有或者无序结构的状度。这是由于界面的数目庞大能量、缺陷、相邻晶粒间的取向以及杂质偏聚上有差别，等等。此结构特征分布受制备方法、温度和压力等因素的影响很大。退火温度升高，压力增大，都使有序或扩展有序的界面数量增加。

关于结构模型的一些问题

1、三叉晶界的问题：晶粒的异常长大及其热不稳定性

相同的纳米按照不同制备方法具有不同的晶界结构，就会具有完全不同的晶界能，从而导致材料在性能上表现出完全不同的性能。

晶界结构有以下特点：

1）相对于原子的大小，晶界结构具有巨大的空间；

2）配位数和密度并没有粗晶体那么高；

3）由于存在三叉晶界问题导致能量不稳定。

三叉晶界结构是材料结构中由一个及三个晶粒交叉的区域，纳米研究中又称为三叉线或者旋错，由于是由三个或以上的晶粒排列上相遇，所以在能量上具有极大的不稳定性，由于这种结构在边界处的原子扩散性和运动性上更加活跃，对纳米材料性能构成巨大的决定性因素。

由于三叉晶界的存在，纳米晶粒由于晶界中存在的动能异常长大、在晶界传输与传递效应，所以纳米材料的纳米晶界在热稳定性上极不稳定。为了防止晶粒的异常长大，材料中往往加入异质原子，降低晶界的自由能，从而降低晶界驱动力，减少晶粒的流动速率，从而获得一个较为稳定的亚稳组织。

2、位错

纳米材料的位错问题，现在主流的观点是认为具有尺寸效应，当晶粒小于某一尺寸时，位错极不稳定，纳米晶粒趋向于脱离原有的结构，当纳米晶粒大于这一特定的尺寸时，纳米晶粒则会稳定的存在于整个结构当中。但是在纳米研究的历史过程中，纳米材料晶粒的位错是否存在一定的争议？一些学者认为纳米结构的晶粒，由于自己尺寸处于纳米级，整个纳米结构不存在错位源，即使纳米源存在，也需要一个极大数量级的切应力，这个切应力应当大于常规材料的几个甚至几十个数量级的力。而这样力在自然界极其少见，甚至是不存在这样的力量，所以纳米材料的位错源不存在，所以纳米材料不存在错位。

3、退火效应

纳米材料经过高温后就变得极不稳定，在经过高温退火之后，晶粒内部的内耗峰逐惭消失，这表明纳米结构内部畸变消失，界面之间晶粒相互吸引力降低到一定程度。在经过高温的退火过程中，界面内晶粒结构变得更加松散，使原来较为混乱的原子排列结构趋向于一定的有序化，原子密度慢慢增加、原子平均间距较原来一定程度上减小，单位面积内配位数增加，相互之间悬挂键及其键长减少，使原子间的结合力（键）增强，晶粒排列变得更加有序，并且这种变化往往是不可逆转。这种经过高温退火后，原本无序的原子排列，现在变得有序的效应称为退火效应，被广泛运用在纳米材料的生产制备、研究新型纳米材料的实验过程当中。

由于纳米材料属于新兴材料，在学术研究的各个方向仍存在不同的学说，此文列举都是一些在学术界有一定共识的理论，如果其中存在不当或者不同之处，笔者希望可以接受一些纳米材料行业的学术性探讨。

作者简介

杨煊，笔名杨东泽，先后就读于北京大学、南开大学、天津商业大学，从事纳米材料行业多年，在纳米新材料应用方面有丰富经验。上海乾节科技创始人，任董事长兼CEO，乾节科技是有着先进和创新的纳米技术解决方案提供商，与世界顶级纳米技术实验室有着密切合作，不断在纳米涂层领域开发新的创新型产品。为多家文学平台签约诗人，号陆家嘴中央绿地里的抽象派哲理诗人，主要写作哲学散文、诗歌。

本文内容及图片由杨煊授权发布

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