納米材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響

1、中 國(guó) 地 質(zhì) 大 學(xué)材料力學(xué)課程論文 課程名稱(chēng) 材料力學(xué) 教師姓名 段 平 學(xué) 生 姓 名 學(xué) 生 學(xué) 號(hào)所 屬 專(zhuān) 業(yè) 材料科學(xué)與工程 所在院系 材化學(xué)院 日期: 2016-07-06 納米材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響Effects on Mechanical Property of Microstructure of Nano Materials（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)材化學(xué)院，武漢 430074）摘要：綜述了近年來(lái)在納米材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能影響的研究，對(duì)一些經(jīng)典的研究做了一些探索并了解了一些重要的成果。Abstract：In this paper, the influence of mic

2、rostructure on the mechanical properties of nano materials in recent years is reviewed, and some important achievements have been explored and some important achievements have been made.關(guān)鍵詞：納米材料 微觀(guān)結(jié)構(gòu) 力學(xué)性能 Key words：Nanometer Material Microstructure Mechanical Property前言納米材料的優(yōu)異性能取決于其獨(dú)特的微觀(guān)結(jié)構(gòu)。納米材料大的比表面

3、積、高濃度晶界對(duì)納米材料的物理及力學(xué)等性能有著重要影響。各種先進(jìn)檢測(cè)手段的出現(xiàn), 從深層次上為探索納米材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)及其力學(xué)性能提供了有利條件。這些年來(lái)，大量的科學(xué)研究工作者對(duì)各種納米材料作出了多方面的研究并且也獲得了一定的成果。本文結(jié)合一些典型的研究對(duì)納米材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)力學(xué)性能的影響做一個(gè)綜述。材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)是決定材料內(nèi)在性質(zhì)的最本質(zhì)因素。它組成材料各元素原子結(jié)構(gòu)，原子間相互作用，相互結(jié)合以及原子在空間中的排列及運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及原子集合體的形貌特征。而材料的力學(xué)性能與材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)之間有著很大的聯(lián)系。納米材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)具有宏觀(guān)物體所沒(méi)有的小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、表面效應(yīng)和界

4、面效應(yīng)，從而使其在結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)等方面具有許多傳統(tǒng)材料不具備的特殊特征。Bing Q. Han、Enrique J. Lavernia、Farghalli A. Mohamed1等人便研究了納米材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)對(duì)材料力學(xué)性能的影響。國(guó)內(nèi)外的一些研究現(xiàn)狀一些納米材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能肖關(guān)春、許崇海2采用真空熱壓燒結(jié)方法，通過(guò)添加納米ZrO2 和微米WC 制備了用于制造模具的Ti(C,N基納米復(fù)合金屬陶瓷材料，研究了添加劑含量對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響，并分析了該材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理。其研究結(jié)果表明當(dāng)納米ZrO2 和微米WC 添加量分別為5%和9.6%時(shí)，Ti(C,N基納米復(fù)合金屬陶

5、瓷材料具有良好的綜合力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性、硬度和相對(duì)密度分別為1014 MPa、7.25 MPa·m1/2、15.57 GPa 和99.42%。王均濤、劉平楊、麗紅3等通過(guò)磁控濺射制取一系列不同AlON 厚度的TiAlN/AlON 納米多層涂層，并用X 射線(xiàn)衍射、掃描電鏡、高分辨透射電鏡和納米壓痕儀分別對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能進(jìn)行表征和測(cè)量。研究表明：非晶態(tài)的AlON 在厚度約小于1 nm 時(shí)，在TiAlN模板作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榫w結(jié)構(gòu)，并與TiAlN 呈共格外延生長(zhǎng)，出現(xiàn)超硬效應(yīng)，當(dāng)AlON 厚度為0.7 nm 時(shí)，硬度和彈性模量分別最高可達(dá)38.1 GPa 和385.6 GPa。

6、當(dāng)AlON 厚度超過(guò)1 nm 時(shí)，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)并且破壞了多層涂層的共格外延生長(zhǎng)，硬度隨之降低。因此利用這種機(jī)制可以制備出力學(xué)性能好、耐高溫氧化性的刀具涂層，這一發(fā)現(xiàn)可極大的滿(mǎn)足現(xiàn)代切削的需要。薛鵬4等人通過(guò)強(qiáng)制冷卻的攪拌摩擦加工(FSP技術(shù)在Cu-Al 合金中得到了超細(xì)晶和納米結(jié)構(gòu)的微觀(guān)組織, 利用電子背散射衍射、透射電子顯微鏡等技術(shù)研究了層錯(cuò)能對(duì)FSP Cu-Al 合金微觀(guān)組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明, FSP Cu-Al 合金為均勻、等軸的再結(jié)晶組織, 隨著層錯(cuò)能的減小, 晶粒尺寸不斷降低, 而且在低層錯(cuò)能的FSP Cu-Al 合金中, 超細(xì)晶粒內(nèi)部生成了豐富的納米孿晶片層組織,

7、進(jìn)一步細(xì)化了微觀(guān)組織。由于微觀(guān)組織的逐步細(xì)化, FSP Cu-Al 合金的強(qiáng)度隨層錯(cuò)能的降低逐步提高, 而均勻延伸率呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。Se Jun Park, Kwang-Ryeol Leea, Dae-Hong Kob, Kwang Yong Eun5等研究了WC-C納米復(fù)合薄膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。他們采用混合沉積系統(tǒng)射頻PACVD和直流磁控濺射法制備WCC納米復(fù)合薄膜。其工作表明碳化物間的物理接觸及結(jié)構(gòu)聯(lián)系是確定納米復(fù)合材料力學(xué)性能的重要因素。對(duì)于WC-C納米復(fù)合材料只有鎢的濃度高于13 at.%時(shí)，復(fù)合薄膜的應(yīng)力才會(huì)相應(yīng)的增大。其接觸應(yīng)力發(fā)生在無(wú)定形碳基質(zhì)中的相互作用過(guò)程之中。

8、不同的工藝下的影響何霄、袁光明、鄧鑫、肖羅喜、譚林6為研究經(jīng)表面處理的納米SiO2在復(fù)合材料內(nèi)的分散狀態(tài)及其對(duì)復(fù)合材料性能的影響，選擇硅烷偶聯(lián)劑KH570對(duì)納米SiO2進(jìn)行表面改性，分別通過(guò)激光粒度儀、傅里葉紅外光譜分析儀、接觸角測(cè)定儀表征納米SiO2的改性效果，采用、對(duì)經(jīng)表面處理后的納米SiO2在木纖維/pp內(nèi)的分散狀態(tài)進(jìn)行表征，測(cè)試并分析其力學(xué)性能、吸水膨脹率和吸水率。結(jié)果表明：當(dāng)KH570的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為時(shí)，納米SiO2的平均粒徑為，KH570可以成功接枝在納米SiO2表面。其對(duì)木纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能提高最優(yōu)，吸水膨脹率與吸水率最低，彎曲強(qiáng)度達(dá)到，拉伸強(qiáng)度為，沖擊強(qiáng)度可以達(dá)到；相比添加未經(jīng)

9、過(guò)表面改性的納米SiO2，分別提高了，和。燕蘭、邢永明7研究了摻納米的鋼纖維混凝土（）、鋼纖維混凝土（）和普通混凝土（）三種材料在不同加熱溫度后的抗壓、劈裂和抗折強(qiáng)度等力學(xué)性能，對(duì)不同溫度熱處理后的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了 分析，對(duì)鋼纖維與過(guò)渡區(qū)界面的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，的抗壓、劈裂和抗折強(qiáng)度均高于和的強(qiáng)度，且在時(shí)達(dá)到最大值。在常溫下，的抗壓、劈裂和抗折強(qiáng)度較分別提高、和，高溫?zé)崽幚砗蟊确謩e高、和； 分析表明，在鋼纖維與過(guò)渡區(qū)的界面處，致密度提高，顯微硬度提高。由于固相反應(yīng)，使界面區(qū)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在鋼纖維表層形成擴(kuò)散滲透層（白亮層），即化合物層，呈鋸齒狀，分析證明，白亮層主要由

10、和復(fù)雜的水化硅酸鈣組成，從而增強(qiáng)了鋼纖維與基體的粘結(jié)力，提高了混凝土的高溫力學(xué)性能。薛增輝8等人采用射頻磁控濺射工藝在基底上制備納米復(fù)合膜，固定靶材中的含量，通過(guò)改變和的含量比沉積得到一系列薄膜，采用射線(xiàn)衍射儀（）、高分辨透射電子顯微鏡（）、射線(xiàn)光電子能譜（）和納米壓痕儀研究了不同含量比對(duì)納米復(fù)合膜的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。其結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同含量比的納米復(fù)合膜中相的結(jié)晶程度先降低后增加然后又降低。當(dāng)制備薄膜中不含時(shí)，薄膜具有 納米復(fù)合膜結(jié)構(gòu)，含量比為時(shí)納米復(fù)合膜的結(jié)晶度下降，薄膜硬度由降低到29.1a圖1不同含量比對(duì)納米復(fù)合膜硬度的影響當(dāng)含量比為時(shí)，納米復(fù)合膜由于界面相（）晶化，與 納米晶形成共

11、格外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，沿薄膜生長(zhǎng)方向形成了明顯的柱狀晶，其薄膜結(jié)晶度得到提升，在共格界面的強(qiáng)化作用下，薄膜硬度重新升高至。當(dāng)含量進(jìn)一步增加時(shí)，納米復(fù)合膜中相的結(jié)晶程度再一次降低，由于共格外延生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)被破壞，薄膜的硬度下降至約。王玉林9等對(duì)單摻和混摻納米碳黑( Nanometer Carbon Black，NCB 、碳纖維(Carbon Fiber，CF 的水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)納米碳黑摻入量在一定范圍內(nèi)( 小于0.75wt% ，水泥基材料力學(xué)性能隨納米碳黑摻量的增加而增加，適量摻入納米碳黑能夠明顯改善水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能。但是過(guò)量摻入納米碳黑則會(huì)使水泥被包裹，水化反應(yīng)受到阻隔，

12、導(dǎo)致水泥基復(fù)合材料強(qiáng)度的降低。結(jié)語(yǔ)目前, 利用SEM、TEM、XRD等來(lái)分析、研究納米復(fù)合材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)是應(yīng)用比較多的方法, 但這些方法只能對(duì)微觀(guān)結(jié)構(gòu)與宏觀(guān)性能之間的關(guān)系進(jìn)行定性分析定量分析的方法較少, 不利于復(fù)合材料中納米粒子增強(qiáng)機(jī)理的深入研究及了解與力學(xué)性能的關(guān)系。隨著新的分析方法（如運(yùn)用數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)納米材料的微觀(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析10）的出現(xiàn)及分析方法之間的相互結(jié)合, 納米材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)的研究將會(huì)有突破性的進(jìn)展。人們將根據(jù)實(shí)際要求設(shè)計(jì)出力學(xué)性能更為優(yōu)異的納米復(fù)合材料, 納米材料將在更廣的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。參考文獻(xiàn)1 Han, Bing, E. J. Lavernia, and Far

13、ghalli A. Mohamed, "MECHANICAL PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED MATERIALS." (2005.2 肖光春 許崇海Ti(C,N基納米復(fù)合金屬陶瓷材料的力學(xué)性能與微觀(guān)結(jié)構(gòu) 稀有金屬材料與工程 2013年S1期3 王均濤 劉平 楊麗紅TiAlN/AlON納米多層涂層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能研究 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 2012年04期4 薛鵬 攪拌摩擦加工超細(xì)晶及納米結(jié)構(gòu)Cu-Al合金的微觀(guān)組織和力學(xué)性能研究 金屬學(xué)報(bào)2014年 第2期5 Park, S. J., Lee, K., Ko, D., & Eun, K. Y.

14、(2002. Microstructure and mechanical properties of WCC nanocomposite films. Diamond and Related Materials, 11(10, 1747-17526 何霄， 袁光明， 鄧鑫， 肖羅喜， 譚林朋.表面改性對(duì)納米SiO2增強(qiáng)木纖維/PP復(fù)合材料微觀(guān)結(jié)構(gòu)及性能的影響J.中國(guó)表面工程,2016,29(2:10177 燕蘭, 邢永明. 納米SiO2對(duì)鋼纖維/混凝土高溫后力學(xué)性能及微觀(guān)結(jié)構(gòu)的影響J. Acta Metallurgica Sinica(English letters, 2013, 30(3: 1