纳米材料的力学性能.ppt

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1、3.1纳米材料的力学性能3.1.1纳米材料的晶界与缺陷3.1.2纳米材料力学性能概述3.1.3纳米金属的强度与塑性纳米金属的强度纳米金属的塑性3.1.4纳米复合材料的力学性能3.1.5纳米材料的蠕变与超塑性纳米材料的蠕变纳米材料的超塑性3.1.1纳米材料的晶界及缺陷纳米材料的晶界及缺陷纳米固体材料是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm的粒子凝聚而成的三维块体。纳米固体材料的基本构成是纳米微粒加上它们之间的界面。物理上的界面不只是指一个几何分界面，而是指一个薄层，这种分界的表面（界面）具有和它两边基体不同的特殊性质。因为物体界面原子和内部原

2、子受到的作用力不同，它们的能量状态也就不一样，这是一切界面现象存在的原因。4纳米固体材料的基本结构组成纳米晶体材料＝晶粒组元＋晶界组元纳米非晶材料＝非晶组元＋界面组元纳米准晶材料＝准晶组元＋界面组元纳米固体材料＝颗粒组元＋界面组元5纳米固体材料的界面组元界面组元体积分数假设纳米微粒的粒径d为5nm，界面平均厚度δ为1nm，且微粒为球体，则界面组元的体积分数Ct为：若取一微体积ΔV，假设单位体积内的界面组元面积为St，则ΔV内界面组元比表面积为：纳米材料晶界结构及特点纳米材料中晶界占有很大的体积分数，这是评定纳米材料的一个重要参数。:晶

3、界的厚度，通常包括2～3个原子间距。：晶粒的直径：晶界体积分数假设晶粒的平均尺寸为5nm，晶界的厚度为1nm，则由上式可计算出晶界所占的体积分数为50％。晶粒/nm晶界厚度/nm晶粒个数/2×2×2m3晶界体积分数/％20000.610.09200.61069.0100.60.8×10718.040.61.3×10842.620.610980.5晶粒直径与晶界体积分数的关系晶界在常规粗晶材料中仅仅是一种面缺陷。对纳米材料来说：晶界不仅仅是一种缺陷，更重要的是构成纳米材料的一个组元，即晶界组元（GrainBoundaryCompone

4、nt）。已经成为纳米固体材料的基本构成之一，并且影响到纳米固体材料所表现出的特殊性能！晶界厚度与晶界体积分数的关系相同晶粒尺寸时，晶体结构不同导致晶界厚度不同。bcc结构晶界厚度：1nm左右fcc结构晶界厚度：0.5nm左右Bcc结构晶界体积分数蒙特卡洛模拟曲线fcc结构晶界体积分数蒙特卡洛模拟曲线1、对金属和合金纳米材料来说，其结构不同，使得晶界厚度不同。2、对纳米复合陶瓷来说，合成方法不同，晶界厚度变化很大。9类气态模型Gleiter于1987年提出认为纳米微晶界面内原子排列既非长程有序，又非短程有序，而是一种类气态的，无序程度很

5、高的结构。晶界的原子结构-一直存在争论：该模型与大量事实有出入，至1990年以来文献上不再引用该模型。10短程有序模型认为纳米材料的界面排列是有序的,与粗晶结构无区别。但进一步研究表明，界面组元的原子排列的有序化是局域性的，而且，这种有序排列是有条件的，主要取决于界面的原子间距ra和颗粒大小d，当时，界面组元的原子排列是局域有序的；反之，界面组元则为无序结构。11界面可变结构模型也称结构特征分布模型。强调界面结构的多样性，即纳米材料的界面不是单一的、同样的结构，界面结构是多种多样的，因此，不能用一种简单的模型概括所有的界面组元的特征。

6、界面缺陷态模型其中心思想是界面包含大量缺陷，其中三叉晶界对界面性质的影响起关键作用。纳米Pd薄膜的高分辨透射电镜图像有人在同一个Pd试样中用高分辨率透射电镜既观察到有序的界面，如图中A、B晶粒之间的晶界；也观察到原子排列十分混乱的界面，如图中D、E晶粒之间的晶界。因此，要用一种模型统一纳米材料晶界的原子结构是十分困难的。要用一种模型统一纳米材料晶界的原子结构是十分困难的。尽管如此，还是可以认为纳米材料的晶界与普通粗晶的晶界结构无本质上的区别。纳米材料晶界的原子结构平面示意图可用左图来表示，图中实心图表示晶粒内的原子，空心图表明晶界处的

7、原子。纳米材料晶界平面示意图纳米晶界结构特点尽管纳米晶的晶界原子结构与粗晶的无本质区别，然而它们还具有以下不同于粗晶晶界结构的特点：晶界具有大量未被原子占据的空间或过剩体积（ExcessVolume）；低的配位数和密度；大的原子均方间距；存在三叉晶界；晶界相对配位数与原子间距的关系在纳米晶材料的晶界上有大量的未被原子占据的位置或空间纳米晶晶界上的原子具有大的原子均方间距和低的配位数。晶界原子配位数/单晶原子配位数=相对配位数晶间原子间距越大，配位数越低。纳米晶材料晶间原子的热振动要大于粗晶的晶间原子的热振动，例如由8.3nm晶粒组成的

8、Pd块体在室温时晶间原子热振动偏离点阵位置平均为3.1±0.1％，而粗晶材料为2.3～2.7％。因此，纳米晶晶界处的密度较普通粗晶晶界的密度有较明显的降低。16纳米固体材料中的三叉晶界所谓三叉晶界，指三个或三个以上相邻晶