Nano Lett.：無定形納米涂層有助于提升氧化物納米纖維的性能

【引言】

當晶粒尺寸小于100nm時，納米晶材料的性能主要受晶界效應的影響，并由此可以表現出很多優異的機械和物理性能。但是，由于納米晶材料在一定溫度下會發生快速的晶粒生長過程，導致一切由尺寸效應引起的優異性能消失，并且其結構的完整性也會被損壞。例如，結晶的氧化物納米纖維在300-400^oC下就會發生嚴重的晶粒生長，這樣就限制了它們在高溫下的廣泛應用，包括煙氣過濾、耐火材料、催化劑支撐體等。截至目前，結晶的氧化物納米纖維的溫度穩定性仍然是一個被廣泛關注的科學問題，同時也是阻礙其廣泛應用的主要技術挑戰。

【成果簡介】

近日，清華大學的潘偉教授（通訊作者）和美國加州大學圣地亞哥分校的駱建教授（通訊作者）等人揭示了氧化物納米纖維中晶粒生長的機理。另外，他們在結晶的氧化物納米纖維表面鍍上一層納米尺度的無定形氧化鋁涂層，就有效地抑制了納米纖維中的晶粒生長。晶粒生長的有效抑制，提升了氧化物納米纖維的高溫穩定性，同時也提升了其柔韌性和導電性。該研究成果以“Stabilizing Nanocrystalline Oxide Nanofibers at Elevated Temperatures by Coating Nanoscale Surface Amorphous Films”為題發表在Nano Letters上。

【圖文導讀】

圖1 涂層的10ScSZ納米纖維的形貌表征

（A）無定形氧化鋁涂層的10ScSZ納米纖維的TEM圖片，插圖是納米纖維表面所選區域（橙色長方形）的高分辨率TEM圖片。

（B）涂層的10ScSZ納米纖維表面區域的HRTEM圖片。

（C）涂層的10ScSZ納米纖維內部區域的HRTEM圖片。

圖2 涂層和無涂層的10ScSZ納米纖維在不同退火溫度下的形貌圖

涂層的10ScSZ納米纖維在（A）700^oC、（B）900^oC、（C）1000^oC、（D）1100^oC的溫度下退火處理2h后的TEM圖片。

無涂層的10ScSZ納米纖維在（E）700^oC、（F）900^oC、（G）1000^oC、（H）1100^oC的溫度下退火處理2h后的TEM圖片。

（I）涂層和無涂層的10ScSZ納米纖維在1000^oC下退火處理2h和80h后的SEM圖片。

圖3 氧化物納米纖維中晶粒生長的動力學研究

（A）不同溫度下退火處理后，涂層和無涂層的10ScSZ納米纖維中平均晶粒大小。

（B）850^oC下退火處理時，涂層和無涂層的10ScSZ納米纖維中平均晶粒尺寸隨退火時間的變化。

（C）850^oC下退火處理時，涂層和無涂層的10ScSZ納米纖維中晶粒生長速率（k）隨退火時間的變化。

（D）涂層和無涂層的10ScSZ納米纖維以及10ScSZ塊體材料的晶粒生長激活能。

圖4 氧化物納米纖維的原位和非原位TEM圖片

850^oC下退火處理2h后，隨著時間延長，納米纖維表面邊緣位置（橙色箭頭標記）的一系列原位TEM圖片：（A）10ScSZ納米纖維中出現晶粒生長；（B）有氧化鋁涂層的10ScSZ納米纖維中沒有觀察到晶粒生長。

（C）無涂層的10ScSZ納米纖維中晶粒粗化以及涂層的10ScSZ納米纖維中晶粒粗化被抑制的示意圖。其中，紅色箭頭表示晶界移動被顯著抑制。

（D）涂層納米纖維表面和（E）無涂層的納米纖維表面的TEM圖片。其中，紅色虛線展示了晶粒的二面角。

圖5 涂層的氧化物納米纖維的抗彎性能

（A）無定形氧化鋁涂層的10ScSZ納米纖維的SEM圖片，展示了纖維在電子輻射下的自彎曲現象。

（B）1000^oC下退火處理后，涂層的和無涂層的10ScSZ納米纖維的應變曲線。

（C）涂層的納米纖維彎曲成不同角度的照片。

【小結】

本文利用原位掃描透射顯微鏡，對結晶的氧化物納米纖維進行了原位表征，由此揭示了快速的晶粒生長的機理。此外，研究人員還開發了一種簡便又新穎的方法，即利用納米尺度的無定形氧化鋁涂層，抑制氧化物納米纖維中晶粒生長。這種涂層可以抑制有害的相變，從而穩定納米纖維中耐高溫的、導電率高的立方相。因此，涂層的氧化物納米纖維展示出優異的高溫穩定性和柔韌性，并且其導電率提升了10倍。氧化物納米纖維的很多性能均依賴于它們的納米尺度和納米結晶性，因此本研究為實現氧化物納米纖維的高溫廣泛應用提供了一種新途徑。

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

本文由材料人編輯部納米學術組maggie供稿，材料牛整理。

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