1、 1纳米材料力学性能测试实验指导资料 引言 null 纳米材料的概念 “纳米”是英文nanometer的译名，是一种度量单位，1纳米为十亿分之一米，约相当于45个原子串起来那么长。纳米结构通常是指尺寸在100纳米以下的微小结构。纳米材料就是指100纳米以内的物质。纳米材料非常重要，是因为当金属或非金属被制成相当于100纳米的物质时，其物理性能和化学性质会发生出乎意料的变化，主要表现在强度、韧性、比热、导电率、扩散率、磁化率以及对电磁吸收性发生巨大变化等。因此，利用纳米技术选定原子构成分子，制造出各种各样具有“特异功能”的新材料，将这些功能特异的新材料添加到产品中，从而使产品表现出意想不到的新性
2、能。 null 纳米碳管及其力学性能 1991年人类发现了碳纳米管，这是由石墨碳原子层卷曲而成的碳管，管直径一般为几个纳米到几十个纳米，管壁厚度仅为几个纳米，（其结构示意图如图所示）像铁丝网卷成的一个空心圆柱状“笼形管”。它非常微小，5万个并排起来才有人的一根头发丝宽，实际上是长度和直径之比很高的纤维。碳纳米管是在用电弧法制备C60时发现的。随后，确认了碳纳米管的结构，发现了碳纳米管的许多奇特的性质，使得碳纳米管成为新的一维纳米材料的研究热点。碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其 纳米碳管（TEM）电镜形貌图（六万倍） 导电性而言，碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至在同一根碳纳米
3、管上的不同部位，由于结构的变化，也可以呈现出不同的导电性。此外，电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为碳纳米管是一维量子导线。除了奇特的导电性质之外，碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明，碳纳米管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径2小，使得结构中的缺陷不易存在，因此单层碳纳米管的弹性模量据估计可高达5太帕，其强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。因此，碳纳米管被认为是强化相的终级形式，人们估计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔。理论计算表明，碳纳米管可望具有极优异的力
4、学性能。然而，碳纳米管的尺寸太小,使人们无法对其进行直接拉伸测试，对其力学性能的研究只能用非常规的方法。有人在透射电镜中用电子束加热碳纳米管，观察碳纳米管的热振动幅度，或者用外加一个谐变电场激发碳纳米管的振动，由碳纳米管受迫振动的振幅和频率推算出其杨氏模量可高达1.8太帕。也有人对一端固定的碳纳米管，利用原子力显微镜针尖迫使碳纳米管的自由端运动，造成碳纳米管弯曲，测得的平均杨氏模量为(1.280.59) 太帕。 null 研究内容及研究方法 纳米碳管的制备方法主要有电弧放电法、催化裂解法（CVD法）、激光蒸发法、热解聚合物法、石墨在液氮中放电法及电解法等等。比较成熟的方法有电弧放电法和催化裂解
5、法。我们采用CVD法制备纳米碳管。这个方法的特点是纳米碳管纯度高、产量大、工艺简单。已经制备出的纳米碳管的电镜照片如左图所示。 纳米材料的力学性能测试研究，选择的对象主要是纳米金属（如纳米银、铜、等）、纳米复合材料（如纳米碳管/有机树脂、纳米陶瓷材料/有机树脂、纳米碳管/金属等）。为保证测试材料的稳定性，制备复合材料时从增强体纳米碳管的制备及其性能研究开始，利用制备出的纳米碳管进行化学修饰，使其化学结构发生变化，即在其表面接枝官能团，以利于和基体材料发生化学反应，达到大幅提高复合材料的力学性能的目的。以化学修饰后的纳米碳管和各种基体材料制备出纳米碳管复合材料，然后，对其力学性能进行分析测试，研
6、究纳米碳管复合材料的力学性能及测试方法。为这种新的材料提供力学性能指标。 但是，纳米材料是新型的材料，其力学性能和测试方法有其独特性，同传统的测试方法有所不同，因此，对于新的材料的出现，研究其力学性能的测试方法，是非常必要的，也是我们材料力学专业的任务。我们已经对纳米银、纳米碳管/环氧树脂复合材料、纳米碳管/高分子复合材料、纳米碳管复合镀层材料等进行力学性能测试。测试方法是参照国家的有关标准，同时根据纳米材料的特性，在加载速度等方面将有所不同。试样采用小型非标准，试验机采用小型试验机。初步测试结果表明：纳米碳管/高分子复合材料的力学性能有较大幅度提高，其中抗拉强度提高幅度在20%280%（因制
7、备工艺、碳管含量不同而不同）。 纳米铜拉伸试样 纳米铜压缩试样 3纳米铜试样拉断后的情形 纳米铁拉伸试样（压缩实验：P-Ag多晶银，n-Ag为纳米银； 试样直径6mm，高度7.5mm） 纳米Cu和普通铜的拉伸图 纳米材料具有优异的力学性能。仅以纳米铜、银为例，说明其力学性能。从拉伸应力应变曲线图上可以看出。 纳米银具有良好的抗压变形性能，比多晶银提高一倍左右。同样，从纳米Cu拉伸图可以看出：纳米铜比一般的铜具有更高的抗拉强度。 已有的研究成果也表明，纳米级的金属铅，其屈服极限为非纳米级铅的五倍左右。同时，纳米金属试样的加工精度后缺陷对于实验结果影响很大，例如，表面抛光的纳米金属试样的屈服极限可
8、达到330Mpa,而未进行抛光的则只有70Mpa。因此，纳米金属材料的力学性能测试具有特殊性。纳米碳管复合镀层材料的耐磨性可以比轴承钢高数倍以上，其拉伸性能等有待于进一步研究和测试。这也是我们的下一步的研究工作内容。 纳米铜拉伸试样纳米铜压缩试样4纳米铜试样拉断后的情形纳米铁拉伸试样一、 实验目的 通过拉伸或压缩实验测定纳米金属、纳米复合材料等的力学性能，探讨纳米材料在其中的作用及其增强、增韧机理。 二、 设备及试样 1、 Zwick 10KN,2500N 试验机、simazu250KN高温炉电子万能实验机。 2、 游标卡尺 3、 试样有数种可供选择，纳米Al2O3/混凝土复合材料、纳米铜、纳
9、米铁、纳米碳管、环氧树脂等。 三、实验方法 纳米复合材料种类较多，因此，制备方法也不尽不同,因内容繁多故不详细说明，仅简略说明。a) 用某种方法制备纳米材料，如有必要可对其进行处理；b) 采用共混的方法，即将纳米材料和基体材料用某种方式混合（如球磨法、炼塑法、高速混合机混合等）； c）按实验需要加工成型，制成试样；e）用电子万能实验机对纳米复合材料的力学性能进行测试；f) 根据测试结果研究纳米材料对力学性能的影响。g) 用电子显微镜观察分析纳米复合材料的微观结构，探讨其对力学性能的影响。 力学性能测试实验方法参照低碳钢力学性能测试，但加载速度要小于50.5m/min。 四、实验原理 基本按照有关的材料力学性能测试方法进行，但在加载速度方面将尝试比金属更低的实验方法。 五、实验要求： 每个实验测试三个试样，记录每个试样的实验数据，提供实验报告。报告中要有测试的结果，并对实验结果进行分析和讨论。可以参照有关资料，探讨纳米复合材料力学性能的特点。 纳米金属：拉伸实验要求测试强度指标和塑性指标，弹性模量可选择做；压缩实验测抗压强度。 纳米陶瓷材料/混凝土复合材料做压缩实验，测抗压强度，并和对照试样比较；压缩弹模选择做。 纳米碳管/环氧树脂复合材料：测抗拉强度及塑性指标。 纳米碳管增强金属基复合材料：测强度指标和塑性指标。 实验报告自拟。 6
