Nano Lett.：无定形纳米涂层有助于提升氧化物纳米纤维的性能

【引言】

当晶粒尺寸小于100nm时，纳米晶材料的性能主要受晶界效应的影响，并由此可以表现出很多优异的机械和物理性能。但是，由于纳米晶材料在一定温度下会发生快速的晶粒生长过程，导致一切由尺寸效应引起的优异性能消失，并且其结构的完整性也会被损坏。例如，结晶的氧化物纳米纤维在300-400^oC下就会发生严重的晶粒生长，这样就限制了它们在高温下的广泛应用，包括烟气过滤、耐火材料、催化剂支撑体等。截至目前，结晶的氧化物纳米纤维的温度稳定性仍然是一个被广泛关注的科学问题，同时也是阻碍其广泛应用的主要技术挑战。

【成果简介】

近日，清华大学的潘伟教授（通讯作者）和美国加州大学圣地亚哥分校的骆建教授（通讯作者）等人揭示了氧化物纳米纤维中晶粒生长的机理。另外，他们在结晶的氧化物纳米纤维表面镀上一层纳米尺度的无定形氧化铝涂层，就有效地抑制了纳米纤维中的晶粒生长。晶粒生长的有效抑制，提升了氧化物纳米纤维的高温稳定性，同时也提升了其柔韧性和导电性。该研究成果以“Stabilizing Nanocrystalline Oxide Nanofibers at Elevated Temperatures by Coating Nanoscale Surface Amorphous Films”为题发表在Nano Letters上。

【图文导读】

图1 涂层的10ScSZ纳米纤维的形貌表征

（A）无定形氧化铝涂层的10ScSZ纳米纤维的TEM图片，插图是纳米纤维表面所选区域（橙色长方形）的高分辨率TEM图片。

（B）涂层的10ScSZ纳米纤维表面区域的HRTEM图片。

（C）涂层的10ScSZ纳米纤维内部区域的HRTEM图片。

图2 涂层和无涂层的10ScSZ纳米纤维在不同退火温度下的形貌图

涂层的10ScSZ纳米纤维在（A）700^oC、（B）900^oC、（C）1000^oC、（D）1100^oC的温度下退火处理2h后的TEM图片。

无涂层的10ScSZ纳米纤维在（E）700^oC、（F）900^oC、（G）1000^oC、（H）1100^oC的温度下退火处理2h后的TEM图片。

（I）涂层和无涂层的10ScSZ纳米纤维在1000^oC下退火处理2h和80h后的SEM图片。

图3 氧化物纳米纤维中晶粒生长的动力学研究

（A）不同温度下退火处理后，涂层和无涂层的10ScSZ纳米纤维中平均晶粒大小。

（B）850^oC下退火处理时，涂层和无涂层的10ScSZ纳米纤维中平均晶粒尺寸随退火时间的变化。

（C）850^oC下退火处理时，涂层和无涂层的10ScSZ纳米纤维中晶粒生长速率（k）随退火时间的变化。

（D）涂层和无涂层的10ScSZ纳米纤维以及10ScSZ块体材料的晶粒生长激活能。

图4 氧化物纳米纤维的原位和非原位TEM图片

850^oC下退火处理2h后，随着时间延长，纳米纤维表面边缘位置（橙色箭头标记）的一系列原位TEM图片：（A）10ScSZ纳米纤维中出现晶粒生长；（B）有氧化铝涂层的10ScSZ纳米纤维中没有观察到晶粒生长。

（C）无涂层的10ScSZ纳米纤维中晶粒粗化以及涂层的10ScSZ纳米纤维中晶粒粗化被抑制的示意图。其中，红色箭头表示晶界移动被显著抑制。

（D）涂层纳米纤维表面和（E）无涂层的纳米纤维表面的TEM图片。其中，红色虚线展示了晶粒的二面角。

图5 涂层的氧化物纳米纤维的抗弯性能

（A）无定形氧化铝涂层的10ScSZ纳米纤维的SEM图片，展示了纤维在电子辐射下的自弯曲现象。

（B）1000^oC下退火处理后，涂层的和无涂层的10ScSZ纳米纤维的应变曲线。

（C）涂层的纳米纤维弯曲成不同角度的照片。

【小结】

本文利用原位扫描透射显微镜，对结晶的氧化物纳米纤维进行了原位表征，由此揭示了快速的晶粒生长的机理。此外，研究人员还开发了一种简便又新颖的方法，即利用纳米尺度的无定形氧化铝涂层，抑制氧化物纳米纤维中晶粒生长。这种涂层可以抑制有害的相变，从而稳定纳米纤维中耐高温的、导电率高的立方相。因此，涂层的氧化物纳米纤维展示出优异的高温稳定性和柔韧性，并且其导电率提升了10倍。氧化物纳米纤维的很多性能均依赖于它们的纳米尺度和纳米结晶性，因此本研究为实现氧化物纳米纤维的高温广泛应用提供了一种新途径。

文献链接：Stabilizing Nanocrystalline Oxide Nanofibers at Elevated Temperatures by Coating Nanoscale Surface Amorphous Films（Nano Lett., 2017, DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b03651）

本文由材料人编辑部纳米学术组maggie供稿，材料牛整理。

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