納米建筑材料的力學性能

王毋庸

【摘要】隨著建筑材料種類的增多和應用的廣泛，人們越來越重視材料在建筑結構中的力學作用性能了，其中對納米建筑材料的研究與應用成為了國內外材料科學研究領域的新課題。納米材料具有與普通材料不同的力學、光學、電磁學等特性，使建筑材料發展步入了新的革命時代。納米技術在新型建筑涂料、復合水泥、自潔玻璃、陶瓷、防護材料等方面得到了充分的應用，凸顯出了其特有的性能。本文從簡介納米建筑材料入手，包括其定義和應用領域，進而分析納米建筑材料的力學性能，主要以金屬納米建筑材料為例，從強度、延展性、應變強化和超塑性等方面進行闡述。希望本文能夠為納米建筑材料的推廣應用做出貢獻，為未來的特殊建筑提供更好的發展空間。

【關鍵詞】納米 建筑材料 力學性能

一、納米建筑材料的簡介

納米是一個長度單位1nm=1O-9m。納米微粒顆粒尺寸為納米量級的超細微粒，它的粒度大于原子簇，小于通常的微粒，一般在1～l00nm范圍內，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區域，是一種典型的介觀系統。進而引申出納米材料，其是指由尺寸小于100nm的超細晶粒構成的具有小尺寸效應的零維、一維、二維、三維材料的總稱，是指材料的幾何尺寸達到納米級尺度并具有特殊性能的材料。納米材料可根據不同的結構分為 以下幾類：1、納米結構晶體或三維納米結構；2、二維納米結構或纖維狀納米結構；3、一維納米結構或層狀納米結構；4、零維原子簇或簇組裝。納米材料的特殊結構決定了其具有許多與傳統材料不同的物理和化學性質，如小尺寸效應、量子效應、宏觀量子隧道效應、表面和界面效應等。所以說使用納米建筑材料既保證了建筑的實用性、美觀度和延長了使用壽命，又節約了成本，提高了經濟效益。

在二十世紀 80年代末，納米技術作為一門新的技術開始出現并迅速崛起，其主要是指在納米尺度范圍內，通過操縱原子、分子 、原子團、分子團使其重新排列組合成新物質的技術，主要研究物質組成體系中電子 、原子和分子的運動規律及其相互作用，希望通過研究達到按人的意志直接操縱電子、原子或分子，制作出人們所希望的、具有特定功能特性的材料和制品的目的。

由于納米技術主要包括納米體系物理學 、納米化學 、納米材料學、納米生物學、納米電子學 、納米加工學 、納米力學、納米機械學等方面的內容，納米材料具有特異的光、電、磁、熱、力學、機械等性能，所以其以獨特的優勢進入到各個領域，并被充分的應用。比如說：1、納米材料的自潔功能和隨角異色現象適合新型涂料的開發，如抗菌防霉涂料、PPR供水管等；2、納米材料的導電功能適合開發導電涂料；3、納米材料的抗紫外線功能，有利于提高PVC塑鋼門窗的抗老化黃變性能等等，換句話說納米材料已經被廣泛的應用于建筑材料、光學、醫藥、半導體 、信息通訊、軍事、機械、紡織、航空等各個領域，發揮著前所未有的經濟效益和社會效益。本文接下來將討論納米建筑材料的力學性能，主要以金屬納米建筑材料為例，從強度、延展性、應變強化和超塑性等方面進行闡述。

二、納米建筑材料的力學性能分析

影響納米材料力學性質的因素有：1、納米材料中晶粒的形狀、尺寸及分布，晶粒團是否形成及其大小，這是最重要的影響因素；2、納米材料的制備工藝、溫度和試驗過程中的應變速率等。所以在制備納米材料的過程中控制晶粒的尺寸、控制晶粒團的形成及其大小是非常重要的。比如說納米高力學性能涂料，顏料顆粒達到納米級大小并分散在涂膜中很大的結合力，提高了涂層的硬度、抗沖擊性和耐磨性，還降低了涂層在干燥過程中的殘余應力，增強了涂層的附著力，這是納米建筑材料得到很好應用的實例。下面我們從強度、延展性、應變強化和超塑性來分析納米建筑材料的力學性能。

1、強度和延展性

強度是表示材料承受載荷能力的重要指標，延展性是指材料在斷裂之前改變自身形狀的一種能力。納米材料的延展性通常隨著晶粒的減小而減弱，研究人員對納米鋅制成的試件進行室溫下拉伸試驗，來研究晶粒尺寸和應變率對材料強度和延展性的影響，試驗研究表明，對于球磨時間為3小時平均晶粒尺寸240 nm的試件，當應變率為1×10-3S-1時，材料的延伸率達到105%，從而印證了以上結論，納米晶材料的延展性與材料晶粒尺寸成正相關的關系。

2、應變硬化

應變硬化效應是指材料在塑性變形過程中強度升高的現象，在一定程度上反映材料的本質變形過程。通過研究了納米孿晶銅高強度的實驗，我們觀察到了這種材料的應變硬化和延伸率，得出了以下結論：1、常溫下納米孿晶銅在達到lO%伸長之前，表現出均勻的變形，其比超細晶粒銅由更高的屈服強度，具有非常明顯的應變硬化特性；2、當應變率為4x10-3S-1時，材料有明顯的硬化現象，應變率越小，材料硬化現象越不明顯。

3、理想彈塑性

試驗中用粉末冶金技術制備了納米晶體銅，并將其加工成直徑35mm，標矩35mm的拉伸試樣，透射電鏡觀察到銅晶粒尺寸從50nm--80nm，內部形成200 -300nm的晶粒團。在塑性變形的開始階段，納米晶體銅在屈服后表現出近乎完美的彈塑性，且具有比微晶銅更高的屈服應力，它的變形是各向同性的，沒有明顯的頸縮。

4、超塑性

超塑性是指在特定條件下產生非常大的塑性變形而不斷裂的特性，通常指在拉伸情況下或延展性軋制條件下。研究人員對納米鎳和納米鋁合金1420鋁低溫超塑性進行了研究，實驗表明350oC是材料性能的分界點，當試驗溫度低于這一溫度時，材料有較好的彈性，當溫度達350oC時材料出現了明顯的應變硬化，當溫度達到420oC時，材料的延伸率大于200%。在制備納米建筑材料時要注意高純度與高密度，從而消除雜質和空穴，使得其具有常溫超塑性。

三、結束語

納米技術是一門新興的技術，是二十一世紀最具有發展前景的技術，對未來經濟和社會的發展具有很大的影響。但我國對于納米建筑材料的研究尚處于起步階段，亟待解決的問題很多，需要我國加大研究力度，重視這一新技術的發展，開闊納米技術發展的光明前景，為納米技術步入科學快速發展的軌道奠定堅實的基礎，使我國早日跨入一個全新的納米材料時代。

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