材料力学性能(9)

材料力学性能,第九章 纳米材料的力学性能,9.1纳米材料的概念,第九章 纳米材料的力学性能,从尺寸概念分析，是指由尺寸小于100nm（0.1-100nm）的超细颗粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称。表现为粒子、晶粒或晶界等显微构造能达到纳米尺寸水平的材料； 按物理形态分，纳米材料大致可分为纳米粉末、纳米纤维、纳米膜、纳米块体和纳米相分离液体等五类。 从特性内涵分析，纳米材料能够体现小尺寸效应和量子尺寸效应。 至少有一个纬度的尺寸小于100nm或由100nm的基本单元组成,并具有纳米效应的材料叫纳米材料,9.2纳米效应,1、小尺寸效应,随着颗粒尺寸的量变，在一定条件下会引起颗粒性质的质变。由于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理性质的变化称为小尺寸效应。,2、表面效应随着物质粒径的减小，比表面积大大增加。粒径5nm的颗粒，表面占50，粒径2nm时，表面的体积百分数增加到80。庞大的比表面，键态严重失配，出现许多活性中心，使纳米材料具有极强的吸附能力。用高倍率电子显微镜对金超微颗粒（直径为 2*10-3微米）进行电视摄像，实时观察发现这些颗粒没有固定的形态，随着时间的变化会自动形成各种形状（如立方八面体，十面体，二十面体多李晶等），它既不同于一般固体，又不同于液体，是一种准固体。在电子显微镜的电子束照射下，表面原子仿佛进入了“沸腾”状态，尺寸大于10纳米后才看不到这种颗粒结构的不稳定性，这时微颗粒具有稳定的结构状态。,3、量子尺寸效应由于纳米材料尺寸小，电子被局限在一个体积十分微小的纳米空间，电子运输受到限制，电子平均自由程短，电子的局域性和相干性增强。尺度下降使纳米体系包含的原子数大大降低，宏观固定的准连续能带消失了，而表现为分裂的能级，这种能隙变宽的现象称为量子尺寸效应。,4、宏观量子隧道效应微观粒子具有贯穿势垒的能力称为隧道效应。（经典力学不能解释，波粒二象性，薛定谔方程 ）,近年来，人们发现一些宏观量，例如微粒子的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等也具有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。它限定了磁带、磁盘进行信息储存的时间极限。量子尺寸效应、隧道效应将会是未来微电子器件进一步微型化的极限，当微电子器件进一步细微化时，必须考虑量子效应。例如，在制造半导体集成电路时，当电路的尺寸接近电子波长时，电子就通过隧道效应而溢出器件，使器件无法正常工作。,由微观粒子波动性所确定的量子效应。又称势垒贯穿 。,9.3纳米材料的超塑性,超塑性是指在一定应力拉伸时产生极大的伸长变形而不发生破坏的现象,1987年，德国的Karch等人首次报道了所研制的纳米陶瓷具有高韧性与低温超塑性行为。第一次向世界展示了纳米陶瓷潜在的优异性能，为解决长期困扰人们的陶瓷脆性问题提供了一条新的思路。,但是，Karch等人所发现的具有室温超塑性的CaF2的相对密度都比较低，并不能真正反映纳米陶瓷的室温塑性。到目前为止，人们只观察到完全致密的纳米陶瓷拉伸疲劳断口微区上的室温超塑性。,纳米CaF2塑性形变,纳米陶瓷拉伸断口微区,陶瓷超塑性的机制,纳米材料在室温附近延展性与原子在晶界内扩散流变有关。Gleiter等人在解释纳米CaF2在353K出现塑性变形时，提出一个经验公式，即晶界扩散引起的蠕变速率,式中B为常数； 为原子体积； kB为玻尔兹曼常数；T为绝对温度；d为平均晶粒尺寸； 为晶界厚度 为拉伸应力； Db为晶界扩散系数。从式中可以看出，在别的因数不变的情况下，只要晶粒降低到足够小，即使温度比较低， 也可保持比较大。当d由常规多晶的10 减小到10nm时， 增加了1011倍，同时晶界扩散系数是常规多晶的103倍，这也使 大大增加。由此分析可知，超塑性主要来源于晶界原子扩散流变（扩散蠕变）。,9.4纳米材料的弹性模量,弹性模量E是原子之间结合力在宏观上的反映，取决于原子的种类及其结构，对组织的变化不敏感。由于纳米材料中存在大量晶界，而晶界的原子结构和排列不同于晶粒内部，且原子间间距较大，因此，纳米晶的弹性模量要受晶粒大小的影响，晶粒越细，所受影响越大，E的下降越大。按早期报道，一般纳米材料的E比常规晶粒材料降低30-50%。后来研究表明，这一结果不严格，理由是前期制备的样品具有高的空隙度和低的密度及制样过程产生的缺陷，从而导致E不正常的降低。,9.5纳米材料的强度,一般，普通多晶材料的屈服强度随晶粒尺寸d的变化服从Hall-Petch 关系：,d为粒径， （位错运动的摩擦阻力）， 为常数，按理，d减小，强度增大，材料晶粒由微米到纳米时，强度应大大提高。实际上，随d增加，强度的增加是有限的，多数测量表明纳米材料的强度在晶粒很小时远低于Hall-Petch公式的计算值。,