多场耦合作用下纳米材料晶粒尺寸稳定性热力学模型的构建与应用研究

Nanomaterial has many excellent physical and chemical properties, which is based on the small grain size, high surface area and large number of dangling bonds. However, the research shows that the diffusion rate and driving forces of nanomaterials increases with decreasing grain size, all nanograins in a thermodynamically unstable state and grow very fast at room temperature. Therefore, research on the grain size stability thermodynamic model of nanomaterials has deeply scientific significance. .The service conditions of the aerospace field of nanomaterials are more complicated, involving many factors, only considering the change of single factor is not enough to solve the problems in the process of application, which need to take the coupling effect among various factors into consideration. In this project, based on the analysis of single component system and single field nanomaterial grain size stability, the formation mechanism of microstructure and the dimension stability of nanocrystallines in multiple coupled fields will be investigated detailedly. The microstructure and composition (such as the trifurcate, vacancy defects and second phase particles) will be characterized by scanning electron microscopy, transmission electron microscopy and nanoindentation tester. The thermodynamic model of grain size stability will be produced by grain boundary energy, vacancy formation energy theory and so on. Furthermore, this thermodynamic model and formation mechanism will be verified by computer simulations. The topic has significant influence for predicting reasonably thermodynamic properties. Consequently, this subject is readily available, indicating a significant advance in the investigation and application of nanomaterials.

纳米材料所具有的各种优异物理和化学性能，都是建立在小尺寸、高表面积、大量悬空键基础之上的。然而研究发现，纳米材料晶粒尺寸减小，扩散速率增快，纳米材料晶粒长大的驱动力越高，在室温下也极不稳定。因此，深入研究纳米材料晶粒尺寸稳定性，有重要科学意义。.航空、航天等领域纳米材料的服役条件较为苛刻，涉及的因素很多，仅考虑单一因素的变化是远远不够的，需要综合考虑各因素之间的耦合作用。本项目以单组元体系、单场作用下纳米材料晶粒尺寸稳定性为基础，探讨多组元体系、多场耦合对纳米材料晶粒尺寸稳定性的影响规律与微观作用机制。利用扫描电镜、透射电镜原位观察和纳米压痕仪等手段研究纳米材料微观组织结构和成分组成（如三叉晶界、空位缺陷和第二相粒子等）对晶粒尺寸稳定性的影响，利用晶界能、空位形成能等理论构建晶粒尺寸稳定性热力学模型，并用计算机和实验方法和对模型进行验证，为纳米材料晶粒尺寸稳定性提供计算依据。

纳米材料所具有的各种优异物理和化学性能，都是建立在小尺寸、高表面积、大量悬空键基础之上的。然而研究发现，纳米材料晶粒尺寸减小，扩散速率增快，纳米材料晶粒长大的驱动力越高，在室温下也极不稳定。因此，深入研究纳米材料晶粒尺寸稳定性，有重要科学意义。本项目通过各种先进的分析与测试技术，构建了纯金属纳米材料晶粒尺寸稳定性模型，分析了单一场和耦合场对纯金属纳米材料晶粒尺寸稳定性的影响，阐明了温度场对纯金属纳米材料晶粒尺寸稳定性的作用机制。在此基础上，基于物质的微观结构，进一步丰富了纳米晶体材料晶粒尺寸稳定性的统计热力学理论。最终，利用上述理论和技术设计了电场、温度场和应力场等耦合场综合作用下，锂离子电池正负电极材料和生物传感器材料等纳米晶体材料（当前研究的热点领域）的微观组织结构，厘清了微观组织结构和宏观使用性能之间的纳米晶体材料热动力学作用机理。结果表明，本研究构建的纯金属纳米材料晶粒尺寸稳定性模型与实验吻合较好，其思想可以更好地理解和设计各类纳米结构材料的组织结构。此外，着重研究了电场、温度场和应力场等耦合场对纳米晶体材料稳定性的影响规律，发现点缺陷的主要作用是降低晶体结合能，提高扩散速率，并增加晶粒长大的驱动力。更重要的是，纳米晶体材料晶粒尺寸稳定性的统计热力学理论可以解释所有的纳米晶体材料，包括化合物、固溶体与合金。利用上述理论和技术可以获得结合统计热力学和第一性原理的新型势函数，有望解决第一性原理计算纳米晶的难题。本技术可为纳米热力学相图计算、统计第一性原理的势函数开发和纳米材料组织结构的设计提供技术支撑，具有一定的应用前景。