金屬納米材料的力學(xué)性能研究進(jìn)展

王孟浩

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001）

我國(guó)的強(qiáng)大和發(fā)展，離不開(kāi)各個(gè)領(lǐng)域的推動(dòng)和建設(shè)，如國(guó)防、電子、化工、冶金、輕工、航空、陶瓷、核技術(shù)、催化劑、醫(yī)藥等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的建設(shè)與發(fā)展的離不開(kāi)金屬納米材料的貢獻(xiàn)[1]。金屬納米材料是一種由基本顆粒組成的粉狀、團(tuán)塊狀的天然或人工材料，具有四大特征，即表面與界面效應(yīng)、小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，這些特性使得金屬納米材料的應(yīng)用范圍越開(kāi)越廣泛[2]。在此背景下，從金屬納米材料發(fā)明至今，很多專(zhuān)家和學(xué)者都對(duì)其進(jìn)行了很多方面進(jìn)行了深度研究，如金屬納米材料的制備、金屬納米材料的生物毒性效應(yīng)、金屬納米材料在厭氧條件下對(duì)脫氮副球菌反硝化作用的影響、金屬納米材料催化性能以及金屬納米材料的力學(xué)性能等。同時(shí)發(fā)現(xiàn)了一些新的現(xiàn)象和規(guī)律，這些結(jié)果不但深化了對(duì)金屬多晶材料變形機(jī)理和力學(xué)性能的認(rèn)識(shí)，而且對(duì)發(fā)展新材料和改善傳統(tǒng)材料的性能具有強(qiáng)力的推動(dòng)作用，其中，力學(xué)性能是研究最多的一個(gè)方面，因?yàn)榱W(xué)性能會(huì)直接關(guān)系到金屬納米材料的應(yīng)用，而為了更好的應(yīng)用金屬納米材料，就必須了解金屬納米材料的力學(xué)性能。本文基于前人研究的成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)行金屬納米材料的力學(xué)性能研究進(jìn)展分析，以期金屬納米材料的應(yīng)用提供參考和建議。

1 金屬納米材料的力學(xué)性能研究

金屬納米材料是未來(lái)高新技術(shù)發(fā)展中重要依托之一，具有很好的發(fā)展前景，尤其在在軍事和航空航天領(lǐng)域，金屬納米材料更是起到了重中之重作用，直接關(guān)系到我國(guó)的國(guó)際地位和綜合國(guó)力的發(fā)展[3]。為此，為了更好的發(fā)展金屬納米材料，拓寬金屬納米材料的應(yīng)用范圍，進(jìn)行了金屬納米材料的力學(xué)性能研究進(jìn)展分析，具體包括強(qiáng)度、可塑性、彈性、變形機(jī)理等。

1.1 強(qiáng)度

強(qiáng)度是指金屬納米材料在外力作用下抵抗作用力破壞的能力[4]。而這一指標(biāo)與金屬納米材料的晶粒尺寸之間有著Hall-Petch 關(guān)系，公式如下所示：

其中，k 1 為強(qiáng)度常數(shù)；e 為正常數(shù)；即隨晶粒細(xì)化材料的強(qiáng)度（或硬度）按關(guān)系線性增大。

對(duì)于金屬納米材料的晶粒尺寸之間關(guān)系根據(jù)材料種類(lèi)的不同，大致可以分為三類(lèi)，即隨著金屬納米材料晶粒的逐漸縮小，存在強(qiáng)度降低、升高以及先升高再降低，這在朱愛(ài)武, 張喜燕, 唐鋒林研究的《納米金屬材料的強(qiáng)度與晶粒尺寸的關(guān)系》中得到了具體分析。此外，在其它文獻(xiàn)中也闡述了其它的因素對(duì)金屬納米材料強(qiáng)度的影響，具體如下表1 所示。

1.2 可塑性

可塑性是指金屬納米材料在作用力下出現(xiàn)塑性變形，但不斷裂的能力。這一性能可以通過(guò)拉伸試驗(yàn)得到的兩個(gè)指標(biāo)來(lái)體現(xiàn)，即金屬納米材料的的斷裂伸長(zhǎng)率、斷裂處原橫截面積的縮減率、拉伸強(qiáng)度[5]。計(jì)算公式分別如下：

（1）斷裂伸長(zhǎng)率：

試樣拉斷后標(biāo)距長(zhǎng)度的增量 lΔ 與原標(biāo)距長(zhǎng)度l 的百分比，稱(chēng)伸長(zhǎng)率，計(jì)算公式如下：

公式中，p 為伸長(zhǎng)率。

（2）斷裂處原橫截面積的縮減率：

在拉伸試驗(yàn)中，試樣拉斷后其縮徑處橫截面積的最大縮減量與原始橫截面積的百分比，稱(chēng)為斷面收縮率。以Z 表示，單位為%。計(jì)算公式如下：

式中，Z 為金屬納米材料原始橫截面積，單位為mm2； 2s為金屬納米材料拉斷后縮徑處的最少橫截面積，單位為mm2。

表1 金屬納米材料強(qiáng)度影響因素分析及文獻(xiàn)說(shuō)明

（3）拉伸強(qiáng)度：

式中，Y 為拉伸強(qiáng)度，單位為MPa ；u 為最大負(fù)荷，單位為N ；b 為試樣寬度，單位為mm ；d 為試樣厚度，單位為mm。

影響金屬納米材料可塑性因素有很多，大致可以分為兩類(lèi)，如下：

內(nèi)因：金屬納米材料的大分子結(jié)構(gòu)、超分子結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)。

外因：空氣的溫濕度影響金屬納米材料溫濕度和回潮率，進(jìn)而影響可塑性；測(cè)試條件，如試樣長(zhǎng)度、試樣根數(shù)、拉伸速度等。

1.3 彈性

彈性是指金屬納米材料在受到作用力后，材料不會(huì)發(fā)生永久性變形，并且能夠回到初始狀態(tài)的性能[6]。金屬納米材料的彈性與致密度有著直接關(guān)系，當(dāng)金屬納米材料出現(xiàn)損壞后，即組織出現(xiàn)空洞或裂紋，都會(huì)降低其彈性。在早期的一個(gè)金屬納米材料彈性測(cè)試實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：金屬納米材料的彈性模量要比其對(duì)比項(xiàng)，多晶材料低15% 到50%，經(jīng)過(guò)多次調(diào)查和分析，是其組織中存在為微孔隙導(dǎo)致的，這一結(jié)論在Salje, Ekhard K H 的其發(fā)表的《A pre-martensitic elastic anomaly in nanomaterials:elasticity of surface and interface layers》也得到了證實(shí)。

1.4 變形機(jī)理

變形機(jī)理是指金屬納米材料晶體發(fā)生位移導(dǎo)致的變形。對(duì)于變形機(jī)理的研究，目前主要有三種途徑。

（1）通過(guò)普通透射電子顯微鏡（TEM）、高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）和掃描透射電子顯微鏡(STEM) 等三種工具直接觀察得到。

（2）通過(guò)測(cè)試金屬納米材料的力學(xué)性能特征參量，進(jìn)而計(jì)算和推理得出。

（3）通過(guò)有限元分析軟件對(duì)金屬納米材料變形過(guò)程進(jìn)行模擬演示，以得到變形機(jī)理[7]。這三種方法各有利弊，在多數(shù)情況下，可以結(jié)合使用。

金屬納米材料的變形機(jī)理主要有兩個(gè)較為成功的結(jié)論：

（1）通過(guò)王立華，韋如建，方云義等人的《面心立方金屬納米材料變形機(jī)制研究進(jìn)展》得出一個(gè)結(jié)論，即尺寸效應(yīng)與變形機(jī)制有著直接關(guān)系。

（2）在韓衛(wèi)忠的《ECAP 過(guò)程中單晶體、雙晶體和多晶體的結(jié)構(gòu)演化與變形機(jī)制》中得出：晶粒轉(zhuǎn)動(dòng)或晶界滑動(dòng)是導(dǎo)致單質(zhì)金屬納米材料的變形過(guò)程主要原因。

2 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，金屬納米材料的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣泛。金屬納米材料具有其他材料的具備的特性，在強(qiáng)度、可塑性、彈性和變形機(jī)理四個(gè)方面的表現(xiàn)尤為突出。為此，本文針對(duì)這四個(gè)方面進(jìn)行進(jìn)展分析，以期金屬納米材料提供參考。然而，在本文研究受到時(shí)間和精力的限制，性能研究并不全面，在蠕變、應(yīng)變強(qiáng)化、應(yīng)變速率敏感性等方面的表現(xiàn)也很優(yōu)秀，因此有待進(jìn)一步分析和探討。因此，對(duì)納米材料力學(xué)性能的深入研究需要多學(xué)科交叉集成，涉及到材料的制備科學(xué)，微觀結(jié)構(gòu)表征，性能測(cè)試、理論及計(jì)算模擬等諸多方面。