1、摘要 综述了纳米晶体材料和纳米碳管材料的力学性能研究的最新进展 实验数据表明纳米晶体材料的强度与其晶粒尺寸大小的关系并不遵循Hall Petch方程 相对于常规晶体材料 纳米材料的超塑性发生在更低的温度和更高的应变速率下 理论计算和实验数据表明 纳米碳管是一种有着高刚性 高强度 高韧性和低密度的材料 纳米晶体材料和纳米碳管的异常的力学性能已经有了一些应用实例 纳米晶体材料的力学性能特点 纳米晶体材料的弹性模量与普通晶粒尺寸的材料相同 直到晶粒尺寸非常小 例如 5nm 这时材料几乎没有弹性 纳米晶体材料的硬度和屈服强度随晶粒尺寸的降低而升高直到晶粒尺寸达到最小的晶粒尺寸范围 例如 20nm 这时
2、铜和钯 遵循相反的 斜率相反 Hall Petch曲线方程 因而 对于铜和钯有一个强度最大时的晶粒尺寸 在温度明显低于0 5Tm 熔点 时 纳米晶体脆性材料或金属间化合物的高韧性还没得到进一步证实 对于塑性金属 普通晶粒 当晶粒尺寸降低到小于25nm范围内时 韧性明显降低 在一些纳米晶体材料中已经发现 在相对于普通晶粒材料更低温度和更高应变速率的情况下产生超塑性 强度最大时的晶粒尺寸 经验公式Hall Petch可以很好的表达强度或硬度与晶粒尺寸间的关系 至于屈服强度和硬度公式分别为 R R0 Kd 1 2 H H0 Kcd 1 2 R和H分别表示材料的屈服强度和硬度 下标0表示材料的晶粒尺寸
3、无限大 K和Kc分别表示阻碍变形扩展的晶界 d表示晶粒尺寸 当晶粒尺寸降到纳米长度范围时 同强度一样 塑性也被认为会升高 这种设想是基于普通晶粒材料的经验而得出 对于普通晶体材料 晶粒尺寸影响屈服和断裂强度 随晶粒尺寸减小 断裂强度增加得比屈服强度快 材料塑性增加 然而 试验数据没有证实这种预想的趋势 相反 当材料晶粒尺寸降低时 屈服强度比断裂强度增加的快 因而 塑性降低 在承载情况下 脆性断裂是金属间化合物和陶瓷材料应用中的最主要障碍 塑性降低 超塑性改善 Mcfadden等人 12 给出了纳米晶体镍 纳米晶体铝合金 1420Al 和纳米晶体镍铝合金 Ni3Al 低温超塑性的结果 纳米晶体镍
4、在743K产生超塑性 这个温度低于先前所得温度 相当于0 36Tm 任何一种晶体材料的最低的超塑性温度 纳米晶体Ni3Al在723K时可以产生超塑性 这个温度低于在微晶区域的超塑性温度 纳米碳管 两种纳米碳管 只有一个单原子层圆筒的单壁纳米管 SWNTs 和外原子层内还有原子层的多壁纳米碳管 MWNTs SWNTs沿纳米碳管轴线具有周期性结构 纳米碳管的力学性能 所有的工作表明纳米碳管在沿轴线方向上确实具有异常的强度 另外 从对纳米碳管韧性的直接观测中可以得出 纳米碳管可以承受巨大拉伸力而不破坏或断裂 31 32 不同研究小组所得出的数据的巨大差异似乎让人们认为其弹性模量取决于纳米碳管的直径和形状 研究者使用的纳米碳管不一致 导致不同的结果 但是 Forro等人 31 的成果表明这个结论可能不正确 他们主张SWMTs与MWNTs的性质不同 MWNTs的Y值在很大程度上取决于其直径 更确切的说 Y值与纳米碳管壁中的紊乱程度有关 相反 SWNTs的Y值确实取决于直径 单独一个纳米碳管的杨氏模量为1TPa 而直径为15 70nm的束 或绳 的杨氏模量值约为100GPa 这就是说Y值的不同是因为研究者所用纳米碳管壁厚度的不同而产生的 32 例如 如果纳米碳管被认为是实心的圆柱而不是中空的圆筒 那么 纳米管的Y值将更低 纳米碳管壁越薄 其杨氏模量越高
