纳米材料的力学性能

纳米材料特点

纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其在尺寸上通常在纳米级别，具有许多独特的特点。

首先，纳米材料具有较大的比表面积。由于其尺寸较小，纳米材料的比表面积通常非常大，这使得纳米材料在表面活性、催化性能等方面表现出优异的特点。例如，纳米颗粒的比表面积较大，因此在催化反应中能够提供更多的活性位点，从而提高反应速率和效率。

其次，纳米材料具有优异的力学性能。由于纳米材料的晶粒尺寸较小，其晶界和位错密度较大，因此表现出优异的力学性能，如高强度、高韧性等。这使得纳米材料在材料强化、增韧等方面具有广阔的应用前景。

此外，纳米材料还表现出优异的光学、电学、磁学等性能。例如，纳米材料的量子尺寸效应使得其在光学性能上表现出特殊的特点，如量子点的发光性能、纳米线的光学波导效应等。同时，纳米材料的电学和磁学性能也受到尺寸效应的影响，表现出与宏观材料不同的特点，如磁性纳米颗粒的超顺磁性、纳米线的电子输运性能等。

此外，纳米材料还具有良好的可调控性和多功能性。由于纳米材料的尺寸可调控性强，因此可以通过调控其尺寸、形貌、结构等参数来实现对其性能的调控。同时，纳米材料由于其特殊的结构和性能，使得其在多个领域具有广泛的应用前景，如纳米传感器、纳米催化剂、纳米生物材料等。

综上所述，纳米材料具有较大的比表面积、优异的力学性能、特殊的光学、电学、磁学性能，以及良好的可调控性和多功能性。这些特点使得纳米材料在材料科学、纳米技术、生物医药、能源环境等领域具有广泛的应用前景，对于推动科学技术的发展和社会经济的进步具有重要意义。

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1 / 3 纳米材料地力学和电学性能及其应用

摘要：主要介绍了纳米材料地力学性能（包括超硬、高强、高韧、超塑性以及高性能陶瓷）和电学性能（包括压敏材料、量子器材、非线性电阻等），以及这些性能地应用.

关键词：纳米材料；力学性能；电学性能；应用领域.

随着人类社会地发展和进步，现代科学技术探索地主要领域有：航空航天、火箭、卫星；热核反应发电站；深海探索；高温燃气轮机；高压贮罐以及生物环境仿生学等.在大多数情况下，其工作条件非常复杂和恶劣.如：超高压、超高温、超真空、强辐射、强腐蚀等，这些恶劣地条件对我们地材料提出了更高地要求.而传统地金属、非金属等材料已经远远不能满足这些极其苛刻地要求了，这就需要我们发展新型地高性能材料.这时，纳米材料以其卓越地性能进入了人们地视野，纳米材料在力学和电学方面地性能满足了多领域地需求.文档收集自网络，仅用于个人学习

普通多晶材料地强度(或硬度).随晶粒尺寸地变化通常服从一关系

Σ＝σ＋ｋｄ－１／２

其中,为σ一强度常数 , 为一正常数.即随晶粒细化材料地强度(或硬度)按－１／２关系线性增大.等人利用分子动力学计算模拟 ,发现在０及 ,纳米 (晶粒尺寸在 一 范围)屈服强度和流变 强度均表现出反常 一关系,即 < .表明 “ 理 想” 纳米材料 (无污染 、 全致密 、 完全驰豫态、 细小均匀晶 粒) 地性能可能与常规多晶材料完全不同.文档收集自网络，仅用于个人学习

材料超塑变形基本上是晶界在高温下滑移造成地.根据晶界滑移地理论模型, 如 晶界扩散蠕变模型, 其形变速率ε可表述为文档收集自网络，仅用于个人学习

ε＝ＢωσξＤｇｂ／ｄ３ＫＴ

其中σ为拉伸应力,ω为原子体积 , 为平均晶粒尺寸, 为常数, Ｄｇｂ为晶界扩散率, ξ为晶界厚度, 为常数.文档收集自网络，仅用于个人学习

介电特性是材料地重要性能之一, 当材料处于交变电场下, 材料内部会发生极化, 这种极化过程对交变电场有一个滞后响应时间, 即弛豫时间.弛豫时间长, 则会产生较大地介电损耗.纳米材料地微粒尺寸对介电常数和介电损耗有很大影响, 介电常数与交变电场地频率也有密切关系.例如纳米在频率不太高地电场作用下,介电常数是随粒径增大而增大,达到最大值后下降,出现介电常数最大值 时地粒径为.一般讲, 纳米材料比块体材料地介电常数要大, 介电常数大地材料可以应用于 制造大容量电容器, 或者说在相同电容量下可减小体积, 这对电子设备地小型化来讲很有用. 文档收集自网络，仅用于个人学习

暑

假

实

习

论

文

题 目: 纳米材料及其应用

学 院 软件与通信工程学院

学生姓名 XXX 学 号 XXXX

专 业 电子科学与技术 届 别 2011届

指导教师 白耀辉博士 李刚博士 尧文元博士

二O一一 年 七 月

纳米材料及其应用

内容摘要

1.纳米材料定义

2.国内外研究进展

3.应用领域及原理

应用领域

◇纳米技术在陶瓷领域方面的应用

◇纳米技术在微电子学上的应用

◇纳米技术在生物工程上的应用

应用原理

◇量子尺寸效应

◇小尺寸效应

◇纳米材料的热学特性

◇纳米材料的磁学特性

◇纳米材料的光学特性

4.制备方法

◇激光诱导化学气相沉积法

◇低温等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）

◇液相法制备纳米材料

一． 纳米材料定义

纳米材料是指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。它的微粒尺寸大于原子簇，小于通常的微粒，一般为100~102nm。它包括体积分数近似相等的两个部分：一是直径为几个或几十个纳米的粒子二是粒子间的界面。前者具有长程序的晶状结构，后者是既没有长程序也没有短程序的无序结构。

从材料的结构单元层次来说，它介于宏观物质和微观原子、分子的中间领域。在纳米材料中，界面原子占极大比例，而且原子排列互不相同，界面周围的晶格结构互不相关，从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。

在纳米材料中，纳米晶粒和由此而产生的高浓度晶界是它的两个重要特征。纳米晶粒中的原子排列已不能处理成无限长程有序，通常大晶体的连续能带分裂成接近分子轨道的能级，高浓度晶界及晶界原子的特殊结构导致材料的力学性能、磁性、介电性、超导性、光学乃至热力学性能的改变。纳米相材料跟普通的金属、陶瓷，和其他固体材料都是由同样的原子组成，只不过这些原子排列成了纳米级的原子团，成为组成这些新材料的结构粒子或结构单元。其常规纳米材料中的基本颗粒直径不到100 nm，包含的原子不到几万个。一个直径为3 nm的原子团包含大约900个原子，几乎是英文里一个句点的百万分之一，这个比例相当于一条300多米长的帆船跟整个地球的比例。

技术威果展矛　伍辨技术协作信息　２０１５（２４　虑ｊ　Ｊ２２３　金属纳米材料力学性能的研究探讨　李丽，东北轻合金有限责任公司　摘要：经过专家学者的实践研究证实，金属纳米材料具有较为特殊的力学性能，主要体现在强度、塑性、超塑性以及蠕变、机理　等相关分解的性能体现中。本文将针对金属纳米材料的力学性能特征的分析进而展开研究，对具体的力学性能表现进行深入的探　讨。　关键词：纳米材料；金属；力学性能；变形机理　一、金属材料的力学性能　１强度普通多晶材料的强度（或硬度）。　随晶粒尺寸ｄ的变化通常服从Ｈａｌｌ—一　Ｐｅｔｅｈ关系　＝盯ｏ＋ｋｄ一　在公式中，将ｋ设为正常常数，晶粒　细化材料的强度按照ｄ的相关线性数值　而增大。由此可知，纳米材料所具有的强　度大于普通多晶体材料Ｉ向强度。但由于纳　米的体积较小，接近位错平衡距离，那么　代表着晶粒体内业职能容纳下少量的位　错空间。　经过一系列的测试和实验结果所得　出结论，材料的硬度变化没有局限｝向确定　性，要根据实际晶粒材料的属性来判断。　的那个晶粒颗粒越小，材料所体现出的硬　度将越高（ｋ）Ｏ），例如Ｆｅ；有些材料的硬　度会随之降ｌ＂ｆ（ｋ　ｃ　０），例如Ｎｉ、Ｐ等元素；　另外有些材料则便显出硬度先增高后降　低（ｋ由正转负），如Ｆｅ—Ｓｉ－Ｂ等物质元素。　除此之外，仍然存在着其他影响硬度结果　的因素，我们将其归类分析：　①采用不同的处理设备和处理方所　获取的材料，会使两者之间的应力状态和　微观结构产生不同的效果，如尺寸无关。　即便两者的尺寸相近或相同，所变相出的　力学ｌ生能也会截然不同；　②未经过力学处理的材料密度对所　产生的硬度有着直接的影响，或者在处理　的过程中材料的密度骤然减小，那么晶粒　的强度也会随之减小；　③由于和经济化合物的材料组成成　分和内部结构较为特殊，因此与力学性能　对硬度的影响之间存在着密切的关系。如　若晶粒的尺寸发生改变，都会对其硬度产　生本质的变化；　④纳米晶粒材料的表面状态是影响　材料硬度的重要因素，因此不同的处理方　式对不同类型的晶粒所产生的力学性能　结果明显不同。　２塑性　金属纳米材料的塑性主要是指在经　过塑性变形运动之后而不产生断裂的性　能体现。通常会使用拉伸材料长度或是截　面积减小的方式来测量和验证金属纳米　材料的塑　性能。多晶材料的塑ｆ生表现在　晶粒的大小，当晶粒越小时所具有的塑性　性能就会越高。根据多晶材料的此项特　点，可将多晶材料细化至纳米量级，那么　由此制成的陶瓷或是金属化合物等都将　改变其原有的本质特性，从而表现出相当　大的塑性特征。　这种方法的理论基础是根据纳米材　料结构的特殊性以及物质变形机理的晶　界蠕变。恰好晶粒的尺寸与晶界的蠕变速　率成反比形式扩散，那么当晶粒细化到那　么量级的同时，自身所产生的塑性性能将　会发挥到做大限度。　３弹性模。　弹性模量是反映材料内原（离）子键　合强度的重要参量。早期的实验结果显示　纳米材料的弹性模量比多晶材料低１５％　一５Ｏ％，后来查明是样品中微孔隙造成　的。　对纳米Ｆｅ，Ｃｕ和Ｎｉ等无微孔隙样品　的测试结果显示，其弹性模量比普通多晶　材料略小（ｔＳ％），并且随晶粒减小，弹性模　量降低。在分子动力学计算模拟中也得到　了同样的结论。这主要是因为其中有大量　的晶界和三叉晶界等缺陷。根据纳米材料　弹性模量实验结果，推算出其中晶界和三　叉晶界的弹性模量约为多晶材料的７Ｏ％　一８０％，与同成分非晶态固体的弹性模量　相当。这说明晶界的原键合状态可能与非　晶态原子的键合状态相近。　镀变强化。　应变强化效应是指材料在望性变形　过程中强度升高的现象。对于普通多晶材　料，它源于运动位错的塞积。　用分子动力学模拟计算理想纳米Ｃｕ　的曲线显示，应变强化效应几乎不存在，　这与模拟计算得到的变形过程中无位错　行为相吻合，形变过程由晶界滑移主导。　这说明纳米材料的应变强化效应很弱，但　仍存在一些位错行为，这可能与实际样品　中存在较大的晶粒有关。在压缩实验中，　纳米ｅＦ的应变强化效应消失，而纳米ＣＵ　和Ｐｄ仍存在应变强化效应。可见，由于纳　米材料晶粒细小、位错行为对变形过程的　贡献减小，故表现出较小的应变强化效　应。在特定的应力条件下或对于理想纳米　材料，应变强化效应可能消失。　５超塑Ｉ生。　材料在特定条件下可产生非常大的　塑性变形而不断裂的特性被称为超塑性　或超延展性。对于金属或陶瓷多晶材料，　其产生条件是高温和稳定的细晶组织。由　于超塑性和超延展性对材料的制备与加　工，尤其是复杂形状工件的加工具有重要　价值，超塑『生研究已成为当今一个十分活　跃的领域，其中降低超塑变形温度是一大　难题。　材料超塑变形基本上是晶界在高温　下滑移造成的。根据晶界滑移的理论模　型，如Ｃｏｂｌｅ晶界扩散蠕变模型，其形变速　率可表述为　。：堡　ｄ　ｋｔ　但是，迄今为止尚未获得纳米材料室　温超塑『生的实例，其原因可能是在样品制　备过程中引入的各种缺陷，如微空隙、界　面弱连接、气体污染等。它们可能成为变　形过程中的裂纹源。因此，改进现有纳米　材料的制备工艺和发展新的制备技术将　是实现纳米材料室温超塑性的突破口。　６蠕变。　迄今为止，对金属纳米材料的蠕变特　征研究较少，仅有的几例报道结果远不一　致，这与样品的制备方法和微观结构有　关。利用电解沉积技术制备的致密纳米Ｎｉ　和Ｃｕ在室温下表现出明显的蠕变特性。　利用非晶态合金晶化法制备的样品也表　现蠕变速率增大、蠕变激活能减小的现　象。这与其中的微细晶粒组织有关。而用　纳米微粉冷压合成的样品的蠕变速率很　小，与理论预测值相差几个量级。关于纳　米材料蠕变行为的研究有待进一步深入。　蠕变速率使反应材料力学心梗的一个基　本参量，因此，纳米材料的蠕变心梗测试　和计算模拟研究值得重视。　二、变形机理　目前研究那么材料变形机理主要途　径有三种：（１）用ＴＥＭ和ＨＲＴＥＭ直接观察　变形过程中微观组织结构演变；（２）通过　测试力学性能特征参量，以推断其变形机　理；（３）利用计算机模拟演示“理想”纳米材　料Ｉ向变形过程。尽管三者各有其局限性，　但它们的有机结合将提供有价值的信息。　关于纳米材料的变形机理，近年来得　到如下两个重要结果：　ｌ纳米晶体变形过程中少有甚至没有位　错行为。多项计算模拟工作均演示了这—特　征，它与实验中灌肠到的无加工硬化效应相　吻合，亦得到了ＴＥＭ直接观察的支持。　２金属单质样品的变形过程主要由晶　粒转动或晶界滑动完成。这一从计算模拟　研究得出的结论与用ＴＥＭ直接观察结果　相一致。纳米Ｎｉ和Ｃｕ的室温蠕变速率较　高亦支持这一结论。但是晶粒转动或晶界　滑动的激励尚不够清除。　三、结论　金属纳米的研发和使用，大大的提高　了我国相关金属制造和使用行业的发展　速度。历经多年的研究和探索，认识到金　属纳米材料的力学性能对纳米的本质特　征产生的改变。但金属纳米材料力学陛能　的研究和实践还存在着一些问题，例如对　“理想纳米材料”的构建和纳米晶体材料　变形理论模型的建立将成为进一步研究　和攻克的难题，为我国｝向金属纳米事业的　发展扎下坚实的基础。　参考文献　［１］鲁红权，张俊乾，范镜泓。不同晶向金属　纳米线拉伸力学性能分子动力学研究ｆＪ】．　固体力学学报，２０１１（５）。　【２】龚玉兰，任世影，吴小香，程莲萍，龙燕，　朱心昆。块体金属纳米晶体材料力学行为　研究进展【Ｊ】．昆明理工大学学报，２０１３（１）。　６６・