納米固體材料的物理力學(xué)問題分析

達(dá)玉樂

摘 要：納米固體材料是由一個直徑大約在5～15納米之間的粒子在干凈、清潔的表面經(jīng)過高壓而成的固體材料。這種材料具備著非常優(yōu)異的結(jié)構(gòu)，同時它還有著新型的固體結(jié)構(gòu)。本文介紹了納米固體材料和有關(guān)它的物理力學(xué)問題。

關(guān)鍵詞：納米固體材料；物理力學(xué)；納米粒子

人們在1984年成功的研制出了一種新型的固體材料即納米固體材料，納米固體材料是由一個直徑大約在5～15nm之間的粒子在干凈、清潔的表面經(jīng)過高壓而成的固體材料。納米固體材料的微觀結(jié)構(gòu)就是碳原子sp2雜化六角型密排的單原子層薄膜。納米固體在晶界所占的比例較大，且晶界上的原子排布與常見的多晶界上的原子排布不同，所以在固體結(jié)構(gòu)與性能上納米固體材料與普通多晶材料有所不同。國內(nèi)外對于納米固體材料的研究是非常重視的。下面就來對納米固體材料的物理力學(xué)問題進行分析。

1 納米固體材料的結(jié)構(gòu)及特點

由于納米固體材料的尺寸已經(jīng)接近電子的相干長度，它的性質(zhì)因為強相干所帶來的自組織使得性質(zhì)發(fā)生很大變化.并且，其尺度已接近光的波長，加上其具有大表面的特殊效應(yīng)，因此其所表現(xiàn)的特性，例如：熔點、磁性、光學(xué)、導(dǎo)熱、導(dǎo)電特性等等，往往不同于該物質(zhì)在整體狀態(tài)時所表現(xiàn)的性質(zhì)。對納米體材料，我們可以用“更輕、更高、更強”這6個字來概括。在近30年來的大量研究中科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，納米材料的強度與其尺度之間存在一個明顯的反比關(guān)系：基于經(jīng)典的Hall–Petch理論，材料尺寸越小，強度越大（說明下，霍爾—佩奇公式的使用范圍是有條件的，當(dāng)晶粒尺寸下降到一定程度，是不適用的，而且這個公式是在多晶的位錯塞積模型基礎(chǔ)上導(dǎo)出來的）。然而，隨近年來原位電鏡技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的實驗證據(jù)卻指向一個相反的事實：在10納米以下尺寸，越小越強的趨勢往往不復(fù)存在，反而材料隨尺寸減小而快速變?nèi)酢?/p>

2 納米材料物理力學(xué)特性分析

納米固體材料對然和晶態(tài)、玻璃態(tài)的固體材料成分相同但是其性能卻不盡相同。根據(jù)初步研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納米固體材料的特點有：高比熱、高斷裂強度、自擴散系數(shù)高、擴散激活能較低、磁化率高、飽和磁化率低、熱膨脹系數(shù)高和密度低。本篇文章只對材料的制備和一些物理力學(xué)提出疑問和分析。

2.1 納米固體材料中的粒子粒度和分布情況

納米固體材料的制備關(guān)鍵是控制它的粒度，因為制備時粒子的粒度必須在5～15個納米范圍內(nèi)。和用稀有氣體凝聚法所制出的材料中的粒子粒度有關(guān)的條件有：稀有氣體的種類和制備時的壓力強度，稀有氣體的蒸發(fā)速度還有粒子做運動時的平均自由程，目前仍有一些未知的影響因素?zé)o法確定。上文所提到的粒子的粒度均為平均粒度，但是實際上粒度不是固定的，其是呈一定密度分布的。在制造的過程中盡量在小范圍的晶粒度內(nèi)，這樣其粒度的分布曲線會較窄，對于制備納米固體材料來說是有極大的好處的。

2.2 彈性常數(shù)和原子間相互作用勢

固體物理力學(xué)理論在計算方面的基礎(chǔ)是建立在原子間相互作用勢上的。一般情況下，需要根據(jù)經(jīng)過實驗得出的彈性常數(shù)的值來算出原子間的相互作用勢。在測量微米量級和比其大的多晶材料的彈性常數(shù)時，材料中界面的占比一般非常少，測定得出的數(shù)值是為了體現(xiàn)多晶體點陣間的作用勢對彈性常數(shù)的積極作用。針對納米材料來說，原子在界面上分布比例非常大，當(dāng)晶粒度在6個納米的時候，原子在界面上分布了近40%。所以納米粒子內(nèi)點陣和界面在納米材料的彈性常數(shù)中起了很大的作用。因為不斷變大的界面的自由體積，導(dǎo)致晶內(nèi)的原子間距比平均原子間距小，也使界面上的正電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移和減少，總體來說就是傳導(dǎo)電子的重新分布，引起了晶內(nèi)和界面上原子間勢的不同。

上文所體現(xiàn)的結(jié)論告訴我們，大家在研究物理力學(xué)領(lǐng)域的問題時，一旦與界面有關(guān)系，便不能用一般多晶材料的彈性常數(shù)作為計算原子間勢的數(shù)據(jù)，而必須構(gòu)造另一個界面原子間勢。所以產(chǎn)生了一個有待進一步研究討論的question，如何去架構(gòu)界面上的原子間勢。

2.3 塑形變形與強度

對于應(yīng)力-應(yīng)變曲線來說，納米金屬Ni的曲線形狀與粗晶多晶Ni的有很大差別，納米金屬Ni的加工硬化性能和其贗彈性能要好于粗晶多晶Ni。我們從正電子湮滅實驗可以看出，對于塑形性變形的影響最大的因素是是高濃度的空位，但是卻沒有看到點陣位錯的現(xiàn)象，我們可以用塑性變形致使晶界位錯攀移來對實驗的結(jié)果進行解釋。點陣位錯發(fā)生概率小的原因是納米固體材料的晶粒度比變形應(yīng)力小從而引起的位錯環(huán)的臨界直徑的現(xiàn)象。在納米材料的晶界上假設(shè)發(fā)生了雜質(zhì)偏聚的現(xiàn)象，那么晶界位錯運動就不會發(fā)生。我們已經(jīng)在Fe-C納米合金中觀察到這一現(xiàn)象。我們還在納米金屬Cu和Ag中看到，納米金屬Cu與Ag的維氏顯微硬度與常見的多晶金屬Cu與Ag相比差距是非常大的，相差8倍，這說明了納米金屬的強度性能非常的高。

從初步的實驗結(jié)果可以看出，納米固體材料的強度特別高，它的塑性變形的原理與常見的多晶材料的塑性變形機理不一樣。研究這些問題，將會使固體力學(xué)性質(zhì)微觀理論的發(fā)展得到一定程度的促進，這在納米固體材料的物理力學(xué)上是一個非常終于的問題。

3 結(jié)語

近年來國內(nèi)外的研究人員對納米固體材料的力學(xué)性能極其原理進行了大量的分析，并取得了非常多的研究成果。 然而我們的研究仍是處于起步的階段，還是需要我們對一些問題進行深入的探討?？萍嫉陌l(fā)展越來越迅速，納米材料的各種性能以及性能的原理會被研究的越來越透徹，對納米固體材料的物理力學(xué)分析會更清楚、明白，并且將會取得非常大的突破，這對于納米固體材料的其他性能的研究是有十分重大的意義的，本文對納米固體材料的物理力學(xué)問題進行了分析，希望能給相關(guān)的研究人員幫助。

參考文獻

[1]徐波.納米固體材料在潤滑劑中的應(yīng)用[J].金山油化纖，2006，25（1）：44-47.

[2]黃敏純.高速鋼析出的納米碳化物對刀具使用壽命的影響[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2004，27（4）：442-445.

[3]楊平.電子信息設(shè)備抗振動沖擊防護理論與技術(shù)研究現(xiàn)狀和展望[J].中國機械工程，2002，13（13）：1163-1170.

（作者單位：河海大學(xué)）