納米固體材料的物理力學問題分析

達玉樂

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、清潔的表面經過高壓而成的固體材料。這種材料具備著非常優異的結構，同時它還有著新型的固體結構。本文介紹了納米固體材料和有關它的物理力學問題。

關鍵詞：納米固體材料；物理力學；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、清潔的表面經過高壓而成的固體材料。納米固體材料的微觀結構就是碳原子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，所以在固體結構與性能上納米固體材料與普通多晶材料有所不同。國內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問題進行分析。

1 納米固體材料的結構及特點

由于納米固體材料的尺寸已經接近電子的相干長度，它的性質因為強相干所帶來的自組織使得性質發生很大變化.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，因此其所表現的特性，例如：熔點、磁性、光學、導熱、導電特性等等，往往不同于該物質在整體狀態時所表現的性質。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家們發現，納米材料的強度與其尺度之間存在一個明顯的反比關系：基于經典的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上導出來的）。然而，隨近年來原位電鏡技術的快速發展，越來越多的實驗證據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存在，反而材料隨尺寸減小而快速變弱。

2 納米材料物理力學特性分析

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

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。和用稀有氣體凝聚法所制出的材料中的粒子粒度有關的條件有：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無法確定。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，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 彈性常數和原子間相互作用勢

固體物理力學理論在計算方面的基礎是建立在原子間相互作用勢上的。一般情況下，需要根據經過實驗得出的彈性常數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時，材料中界面的占比一般非常少，測定得出的數值是為了體現多晶體點陣間的作用勢對彈性常數的積極作用。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%。所以納米粒子內點陣和界面在納米材料的彈性常數中起了很大的作用。因為不斷變大的界面的自由體積，導致晶內的原子間距比平均原子間距小，也使界面上的正電荷發生轉移和減少，總體來說就是傳導電子的重新分布，引起了晶內和界面上原子間勢的不同。

上文所體現的結論告訴我們，大家在研究物理力學領域的問題時，一旦與界面有關系，便不能用一般多晶材料的彈性常數作為計算原子間勢的數據，而必須構造另一個界面原子間勢。所以產生了一個有待進一步研究討論的question，如何去架構界面上的原子間勢。

2.3 塑形變形與強度

對于應力-應變曲線來說，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象，我們可以用塑性變形致使晶界位錯攀移來對實驗的結果進行解釋。點陣位錯發生概率小的原因是納米固體材料的晶粒度比變形應力小從而引起的位錯環的臨界直徑的現象。在納米材料的晶界上假設發生了雜質偏聚的現象，那么晶界位錯運動就不會發生。我們已經在Fe-C納米合金中觀察到這一現象。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，將會使固體力學性質微觀理論的發展得到一定程度的促進，這在納米固體材料的物理力學上是一個非常終于的問題。

3 結語

近年來國內外的研究人員對納米固體材料的力學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問題進行了分析，希望能給相關的研究人員幫助。

參考文獻

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（作者單位：河海大學）