纳米材料导论 第三章纳米材料的力学性能

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1、第三章纳米材料的力学性能第一节纳米材料力学性能概述自从1984年Gleiter在实验室人工合成出Pd、Cu等纳米晶块体材料以来，人们对纳米材料的力学性能产生了极大的兴趣。在以后的十多年内，报导了大量的研究结果，对纳米材料的力学性能的研究处于百花齐放、百家争鸣的时期。1996～1998年，美国一个八人小组考察了全世界纳米材料的研究现状和发展趋势后，Coch对前期关于纳米材料的力学性能的研究总结出以下四条与常规晶粒材料不同的结果：1）纳米材料的弹性模量较常规晶粒材料的弹性模量降低了30～50％。2）纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒（＞1mm）金属硬度或强度的2～7倍。3）纳米材料可具有负的

2、Hall-Petch关系，即随着晶粒尺寸的减小材料的强度降低。4）在较低的温度下，如室温附近脆性的陶瓷或金属间化合物在具有纳米晶时，由于扩散相变机制而具有塑性，或者是超塑性。前期关于纳米材料的弹性模量大幅度降低的实验依据主要是纳米Pd、CaF2块体的模量大幅度降低。20世纪90年代后期的研究工作表明，纳米材料的弹性模量降低了30～50％的结论是不能成立的。不能成立的理由是前期制备的样品具有高的孔隙度和低的密度及制样过程中所产生的缺陷，从而造成的弹性模量的不正常的降低。图3-1表明纳米晶Pd、Cu的孔隙度对弹性模量的影响，图中虚线和实线为回归直线，圆点和三角形为实验值。由图可知孔隙度很

3、低时，Pd、Cu的接近理论值，随着孔隙度的增加，大幅降低。图3-1纳米晶Pd、Cu的空隙度对的影响弹性模量是原子之间的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的晶界，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，所受的影响越大，的下降越大。图3-2纳米晶相对模量与晶粒大小的关系图3-2为用高能球磨纳米Fe、Ni、Cu-Ni等粉末固化后的块体材料的规一化的弹性模量和切变模量与晶粒大小之间的关系，图中虚线和实线分别代表晶界尺寸为0.5nm和1.0nm时的计算值，圆点表示实测值。

4、由图可知，当晶粒小于20nm时，规一化模量才开始下降，在10nm时，模量相当于粗晶模量的0.95，只有当晶粒小于5nm时，弹性模量才大幅度下降。对接近理论密度纳米金（26～60nm）的研究表明，其相对弹性模量大于0.95，晶界和晶粒的弹性模量之比≈0.7～0.8。表3-1为用不同方法测量的Au、Ag、Cu、Pd纳米晶样品在不同温度下的弹性模量和粗晶样品的比较。由图可知，1997年以前关于Ag、Cu、Pd纳米晶样品的弹性模量值明显偏低，其主要原因是材料的密度偏低引起的。表3-1纳米晶金属的弹性模量与粗晶的比较材料纳米晶试样粗晶试样参考文献晶粒尺寸(nm)（GPa）（GPa）（GPa）（

5、GPa）Au6078.5±2(80K)--82.9(80K)--Sakai,199926～4076.5±2(80K)------Sakai,19996079.0±4(20K)--84(20K)--Sakai,1999Ag60～0.8--(=82.7)--Kobelev,1993Cu10～22106±2(RT)*--124(RT)--Sander,1997a10～22112±4(RT)*41.2±1.5(RT)131(RT)48.5(RT)Sander,1997a26107------Shen,199515～6145±9(RT)--130(RT)--Nieman,1989Pd36，47

6、129,119(RT)*--132(RT)--Sander,1997a16～54123±6(RT)*44.7±2(RT)132(RT)47.5(RT)Sander,1997a1282±4(RT)------Sander,19955～1544±22(RT)--121(RT)--Nieman,1992--88(RT）32（RT）123(RT)43(RT)Korn,19886--35（RT）--43(RT)Weller,1991*采用外推法得出无孔隙纳米Cu的＝121±2GPa，纳米Pd的＝130±1GPa。前期制备试样中的高孔隙度和低密度材料的试验结果还使人们产生了许多美好的预想或幻想。

7、例如Karch等人1987年观察到纳米CaF2在80℃和TiO2在180℃下压缩时具有明显的塑性，并用Coble关于晶界扩散蠕变模型进行了解释后，使那些为陶瓷增韧奋斗了将近一世纪的材料科学界看到了希望，认为纳米陶瓷是解决陶瓷脆性的战略途径。然而，Coch指出CaF2、TiO2的这些试验结果是不能重复的，试样的多孔隙性造成了这些材料具有明显的塑性，在远低于0.5（熔点）的温度下脆性陶瓷和金属间化合物因扩散蠕变而产生的塑性是不能实现的。卢柯也指出，迄今为止（2