2 纳米材料的晶体结构
在超细晶态时，表现出了反常的相结构稳定性，即在 室温形成亚结构，或呈现与大粒晶体不同的结构。
纳米Cr粒在室温 下显示了大颗粒Cr在 高温时的相结构；纳 米Co粒在室温呈fcc
结构，这是在大块 Co中在420℃以上才 出现的稳定结构。
非晶材料可通过热 处理生成纳米和非晶的 复合材料。时效处理可 得到纳米fcc-Al粒子分 散于非晶相的复合材 料。组织控制主要取决 于工艺因素。
物体中存在超微磁性颗粒→生物磁罗盘
量子效应：电磁、光学、热学和超导等微观特 性和宏观性质表现出显著不同的特点
导电金属在超微颗粒时可变成绝缘体;
对超微颗粒在低温下须考虑量子效应，
例 子
原有宏观规律已不再成立。 电子具有粒子性和波动性，因此存在隧
道效应。微粒的磁化强度、量子相显示出
不同的隧道效应。
量子效应、宏观量子隧道效应将会是未
9.2 纳米材料的扩散型相变
对纳米材料中扩散性相变的研究，目前还很少。 以磁控溅射法制备了Al-Cu(0.3%Cu和1%Cu，摩尔分数) 厚度为500nm的薄膜，有衬底的晶粒为60-250nm，无衬底的 晶粒为30-120nm. 研究其经过323-773K温度间热循环后的相 变, 发现经过加热至773K，慢冷后都发生脱溶沉淀，大多是 沉淀在三角晶界上。冷却至室温后，大量的Cu(0.2%mol)不 在第二相内。EDS试验证明，Cu偏聚在晶界和位错上。和大 块Al-Cu中脱溶沉淀不同，在薄膜Al-Cu中，第二相粒子为非 共格的Al2Cu，无中间相形成。这工作揭示了薄膜材料中主 要是晶界的溶质偏聚使其脱溶沉淀出现一些异常现象。
（5）纳米晶内体积小，实验显示单颗粒的Cu-7.5Fe 及Cu-1.5Fe-0.5Ni（质量分数）在20-60nm时形成单一变 体马氏体。可能在纳米晶粒很难呈变体间的协调，使其 相变应变能较高。按照相变驱动力与马氏体界面移动速 率的方程推断，纳米晶内马氏体会很快长大；
（6）不同方法制备所得的纳米Fe-Ni合金中都显示出α 相加热时的逆转变，并且As与大块晶体的相当。
综合目前的研究成果，可归纳如下几点：
（1）对Fe-Ni合金的γ →α相变，一般都称为马氏体 相变。但需注意含Ni在15 %（mol）以下的Fe-Ni合金往 往发生块状转变。一般情况下，如Fe-20%Ni（mol）， γ相经过冷却呈马氏体相变，但如果是很缓慢的冷却， 也可能发生扩散型γ→α转变；
（2）不同制备方法所得到的纳米Fe-Ni合金都显示了 相的稳定化。因为在0K以上都会产生热激活，以室温 下不具备热激活而使相的稳定化的观点似缺乏依据。以 纳米材料特有的界面体积量考虑其界面（或表面）能量 会获得适当的解释；
右图 纳米粒子表面原 子与粒径的关系
根据粒子直径计算的球状粒子表面积变化规律 纳米级密度6.7 g/cm3（纯Fe0和Fe3O4的平均密度）
例9-1 纳米技术与材料发展将难以想象
显微镜下拍摄由William Mclellan 研制的微型电机（上方物体是一个 针头）（上左图 ） 剑桥大学利用电子束将碳纳米管 排成图案（ 上右图） 用101个原子组成了目前最小的汉 字“原子” （下右图）
相同成分的Fe-Ni细粒(0.14-10μm)的Ms也因不同制备方法 而呈现差异。经淬火至室温的粒子，冷至室温以下（直至4K） 不再转变（或很少转变）。高Ni合金经室温形变很容易诱发 →α’。但经过形变的奥氏体再经单纯冷却（至77K）却不发生 相变。
对Co和Co-Fe的实验也得到了类似的结果。Fcc相很难经冷 却相变（虽然有层错），而容易由应力诱发相变，
图 Co细粒的α、β结构体积 比 Vα/β 与细粒平均直径的关 系
图 Al89Fe10Zr1合金在fcc-Al析出的低温域时 效处 理后的晶胞参数(afcc-Al)、粒子直径(dfcc-Al) 和体积分数(φfcc-Al)与时效温度的关系
3 纳米材料的马氏体相变
大块材料，包括含ZrO2陶瓷的Ms受晶粒大小的控制，测 量方法对Ms值也有一定的影响。
（3）有些制备方法中，合金不经过形成相的温度区， 在室温形成bcc结构；显示了在一定的能量条件下，可能 由合金的原子直接组成α相；
（4）一些研究工作已发现Fe-Ni合金经过一定的热处 理，得到了在一定成分和晶粒大小等条件下，都显示出 γ →α马氏体相变的痕迹。继续探索，有可能会得到纳 米合金马氏体相变的特征，如K-S关系或表面浮凸等；
—— Nanotoday, 2005,12:14
例9-3 超硬陶瓷晶体结构的模拟设计
纳米结构陶瓷具有高硬度、断裂韧性和超塑性。可用于 陶瓷发动机和高速切削工具等。晶界的体积量比较大，也 可以说是两相的混合物：脆性的晶粒和软性的晶界。模拟 了平均晶粒8nm大小的纳米SiC。
—— Science, 2005, 309
第9章 纳米材料的相变
9.1 纳米材料的马氏体相变
1、 纳米材料的特殊效应
纳米材料是1~100nm超细微材料。纳米效应有 ：
小尺寸效应、量子效应、 表面效应和界面效应
纳米材料具有一系列优异的力学、 磁性、光学和化学等宏观特性
小尺寸效应：材料宏观性质产生新的变化
特殊光学性质 金属在纳米状态呈现为黑色； 例 特殊热学性质 材料的熔点将显著降低； 子 特殊磁学性质 鸽子、海豚、蝴蝶、蜜蜂等生
世界上目前最小的文字 （25个原子被移动成了著名的IBM的商标）
例9-2 纳米管机电开关
第一个纳米管机电开关(nanoscale electromechanical switch,NEMS)在剑桥大学研究成功。(a)~(c)示意表示开 关断开到触合的过程，接触点为100nm直径大小，(d)为 实物放大。该开关装置可用于代替某些电子开关，应用 于纳米机器人或记忆装置。
来微电子、光电子器件的基础。
表面效应：表面原子比例↑↑，→ 表面能及 表面张力↑↑， → 表面吸附性↑↑， → 纳米粒子性质的变化。
界面效应：很大比例的原子是处于缺陷环境 中→力学性能的变化。具有特殊而新奇的 力学性质。 牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是
由磷酸钙等纳米材料系