纳米固体材料的物理力学问题分析

达玉乐

摘 要：纳米固体材料是由一个直径大约在5～15纳米之间的粒子在干净、清洁的表面经过高压而成的固体材料。这种材料具备着非常优异的结构，同时它还有着新型的固体结构。本文介绍了纳米固体材料和有关它的物理力学问题。

关键词：纳米固体材料；物理力学；纳米粒子

人们在1984年成功的研制出了一种新型的固体材料即纳米固体材料，纳米固体材料是由一个直径大约在5～15nm之间的粒子在干净、清洁的表面经过高压而成的固体材料。纳米固体材料的微观结构就是碳原子sp2杂化六角型密排的单原子层薄膜。纳米固体在晶界所占的比例较大，且晶界上的原子排布与常见的多晶界上的原子排布不同，所以在固体结构与性能上纳米固体材料与普通多晶材料有所不同。国内外对于纳米固体材料的研究是非常重视的。下面就来对纳米固体材料的物理力学问题进行分析。

1 纳米固体材料的结构及特点

由于纳米固体材料的尺寸已经接近电子的相干长度，它的性质因为强相干所带来的自组织使得性质发生很大变化.并且，其尺度已接近光的波长，加上其具有大表面的特殊效应，因此其所表现的特性，例如：熔点、磁性、光学、导热、导电特性等等，往往不同于该物质在整体状态时所表现的性质。对纳米体材料，我们可以用“更轻、更高、更强”这6个字来概括。在近30年来的大量研究中科学家们发现，纳米材料的强度与其尺度之间存在一个明显的反比关系：基于经典的Hall–Petch理论，材料尺寸越小，强度越大（说明下，霍尔—佩奇公式的使用范围是有条件的，当晶粒尺寸下降到一定程度，是不适用的，而且这个公式是在多晶的位错塞积模型基础上导出来的）。然而，随近年来原位电镜技术的快速发展，越来越多的实验证据却指向一个相反的事实：在10纳米以下尺寸，越小越强的趋势往往不复存在，反而材料随尺寸减小而快速变弱。

2 纳米材料物理力学特性分析

纳米固体材料对然和晶态、玻璃态的固体材料成分相同但是其性能却不尽相同。根据初步研究结果发现，纳米固体材料的特点有：高比热、高断裂强度、自扩散系数高、扩散激活能较低、磁化率高、饱和磁化率低、热膨胀系数高和密度低。本篇文章只对材料的制备和一些物理力学提出疑问和分析。

2.1 纳米固体材料中的粒子粒度和分布情况

纳米固体材料的制备关键是控制它的粒度，因为制备时粒子的粒度必须在5～15个纳米范围内。和用稀有气体凝聚法所制出的材料中的粒子粒度有关的条件有：稀有气体的种类和制备时的压力强度，稀有气体的蒸发速度还有粒子做运动时的平均自由程，目前仍有一些未知的影响因素无法确定。上文所提到的粒子的粒度均为平均粒度，但是实际上粒度不是固定的，其是呈一定密度分布的。在制造的过程中尽量在小范围的晶粒度内，这样其粒度的分布曲线会较窄，对于制备纳米固体材料来说是有极大的好处的。

2.2 弹性常数和原子间相互作用势

固体物理力学理论在计算方面的基础是建立在原子间相互作用势上的。一般情况下，需要根据经过实验得出的弹性常数的值来算出原子间的相互作用势。在测量微米量级和比其大的多晶材料的弹性常数时，材料中界面的占比一般非常少，测定得出的数值是为了体现多晶体点阵间的作用势对弹性常数的积极作用。针对纳米材料来说，原子在界面上分布比例非常大，当晶粒度在6个纳米的时候，原子在界面上分布了近40%。所以纳米粒子内点阵和界面在纳米材料的弹性常数中起了很大的作用。因为不断变大的界面的自由体积，导致晶内的原子间距比平均原子间距小，也使界面上的正電荷发生转移和减少，总体来说就是传导电子的重新分布，引起了晶内和界面上原子间势的不同。

上文所体现的结论告诉我们，大家在研究物理力学领域的问题时，一旦与界面有关系，便不能用一般多晶材料的弹性常数作为计算原子间势的数据，而必须构造另一个界面原子间势。所以产生了一个有待进一步研究讨论的question，如何去架构界面上的原子间势。

2.3 塑形变形与强度

对于应力-应变曲线来说，纳米金属Ni的曲线形状与粗晶多晶Ni的有很大差别，纳米金属Ni的加工硬化性能和其赝弹性能要好于粗晶多晶Ni。我们从正电子湮灭实验可以看出，对于塑形性变形的影响最大的因素是是高浓度的空位，但是却没有看到点阵位错的现象，我们可以用塑性变形致使晶界位错攀移来对实验的结果进行解释。点阵位错发生概率小的原因是纳米固体材料的晶粒度比变形应力小从而引起的位错环的临界直径的现象。在纳米材料的晶界上假设发生了杂质偏聚的现象，那么晶界位错运动就不会发生。我们已经在Fe-C纳米合金中观察到这一现象。我们还在纳米金属Cu和Ag中看到，纳米金属Cu与Ag的维氏显微硬度与常见的多晶金属Cu与Ag相比差距是非常大的，相差8倍，这说明了纳米金属的强度性能非常的高。

从初步的实验结果可以看出，纳米固体材料的强度特别高，它的塑性变形的原理与常见的多晶材料的塑性变形机理不一样。研究这些问题，将会使固体力学性质微观理论的发展得到一定程度的促进，这在纳米固体材料的物理力学上是一个非常终于的问题。

3 结语

近年来国内外的研究人员对纳米固体材料的力学性能极其原理进行了大量的分析，并取得了非常多的研究成果。 然而我们的研究仍是处于起步的阶段，还是需要我们对一些问题进行深入的探讨。科技的发展越来越迅速，纳米材料的各种性能以及性能的原理会被研究的越来越透彻，对纳米固体材料的物理力学分析会更清楚、明白，并且将会取得非常大的突破，这对于纳米固体材料的其他性能的研究是有十分重大的意义的，本文对纳米固体材料的物理力学问题进行了分析，希望能给相关的研究人员帮助。

参考文献

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（作者单位：河海大学）