纳米材料的微观结构对力学性能的影响.doc

(完整word版)纳米材料的微观结构对力学性能的影响
中 国 地 质 大 学
材料力学课程论文

课程名称 材料力学
教师姓名 段 平
学 生 姓 名１２３４
学 生 学 号１２３４５６７８９１０
所 属 专 业 材料科学与工程
所在院系 材化学院
日期: 2016-07-06

纳米材料的微观结构对力学性能的影响
Effects on Mechanical Property of Microstructure of Nano Materials
１２３４
（中国地质大学材化学院，武汉 430074）
摘要：综述了近年来在纳米材料的微观结构对力学性能影响的研究，对一些经典的研究做了一些探索并了解了一些重要的成果。
Abstract：In this paper, the influence of microstructure on the mechanical properties of nano materials in recent years is reviewed, and some important achievements have been explored and some important achievements have been made.
关键词：纳米材料 微观结构 力学性能
Key words：Nanometer Material Microstructure Mechanical Property
前言
纳米材料的优异性能取决于其独特的微观结构。纳米材料大的比表面积、高浓度晶界对纳米材料的物理及力学等性能有着重要影响。各种先进检测手段的出现, 从深层次上为探索纳米材料的微观结构及其力学性能提供了有利条件。这些年来，大量的科学研究工作者对各种纳米材料作出了多方面的研究并且也获得了一定的成果。本文结合一些典型的研究对纳米材料的微观结构对力学性能的影响做一个综述。
材料的微观结构与力学性能
材料的微观结构是决定材料内在性质的最本质因素。它组成材料各元素原子结构，原子间相互作用，相互结合以及原子在空间中的排列及运动规律以及原子集合体的形貌特征。而材料的力学性能与材料的微观结构之间有着很大的联系。纳米材料微观结构具有宏观物体所没有的小尺寸效应、量子效应、表面效应和界面效应，从而使其在结构、物理性质和化学性质等方面具有许多传统材料不具备的特殊特征。Bing Q. Han、Enrique J. Lavernia、Farghalli A. Mohamed[1]等人便研究了纳米材料微观结构对材料力学性能的影响。
国内外的一些研究现状
一些纳米材料的微观结构与力学性能
肖关春、许崇海[2]采用真空热压烧结方法，通过添加纳米ZrO2 和微米WC 制备了用于制造模具的Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料，研究了添加剂含量对复合材料力学性能和微观结构的影响，并分析了该材料的增韧补强机理。其研究结果表明当纳米ZrO2 和微米WC 添加量分别为5%和9.6%时，Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料具有良好的综合力学性能，其抗弯强度、断裂韧性、硬度和相对密度分别为1014 MPa、7.25 MPa·m1/2、15.57 GPa 和99.42%。。
王均涛、刘平杨、丽红[3]等通过磁控溅射制取一系列不同AlON 厚度的TiAlN/AlON 纳米多层涂层，并用X 射线衍射、扫描电镜、高分辨透射电镜和纳米压痕仪分别对微观结构和力学性能进行表征和测量。研究表明：非晶态的AlON 在厚度约小于1 nm 时，在TiAlN模板作用下转变为晶体结构，并与TiAlN 呈共格外延生长，出现超硬效应，当AlON 厚度为0.7 nm 时，硬度和弹性模量分别最高可达38.1 GPa 和385.6 GPa。当AlON 厚度超过1 nm 时，逐渐转变为非晶结构并且破坏了多层涂层的共格外延生长，硬度随之降低。因此利用这种机制可以制备出力学性能好、耐高温氧化性的刀具涂层，这一发现可极大的满足现代切削的需要。
薛鹏[4]等人通过强制冷却的搅拌摩擦加工(FSP)技术在Cu-Al 合金中得到了超细晶和纳米结构的微观组织, 利用电子背散射衍射、透射电子显微镜等技术研究了层错能对FSP Cu-Al 合金微观组织和力学性能的影响。结果表明, FSP Cu-Al 合金为均匀、等轴的再结晶组织, 随着层错能的减小, 晶粒尺寸不断降低, 而且在低层错能的FSP Cu-Al 合金中, 超细晶粒内部生成了丰富的纳米孪晶片层组织, 进一步细化了微观组织。由于微观组织的逐步细化, FSP Cu-Al 合金的强度随层错能的降低逐步提高, 而均匀延伸率呈现出先增加后减小的趋势。
Se Jun Park, Kwang-Ryeol Leea, Dae-Hong Kob, Kwang Yong Eun[5]等研究了WC-C纳米复合薄膜的微观结构和力学性能。他们采用混合沉积系统射频PACVD和直流磁控溅射法制备WC–C纳米复合薄膜。其工作表明碳化物间的物理接触及结构联系是确定纳米复合材料力学性能的重要因素。对于WC-C纳米复合材料只有钨的浓度高于13 at.%时，复合薄膜的应力才会相应的增大。其接触应力发生在无定形碳基质中的相互作用过程之中。
不同的工艺下的影响
何霄、袁光明、邓鑫、肖罗喜、谭林[6]为研究经表面处理的纳米SiO2在复合材料内的分散状态及其对复合材料性能的影响，选择硅烷偶联剂KH570对纳米SiO2进行表面改性，分别通过激光粒度仪、傅里叶红外光谱分析仪、接触角测定仪表征纳米SiO2的改性效果，采用ＳＲＤ、ＳＥＭ对经表面处理后的纳米SiO2在木纤维/pp内的分散状态进行表征，测试并分析其力学性能、吸水膨胀率和吸水率。结果表明：当KH570的质量分数为５％时，纳米SiO2的平均粒径为６２ｎｍ，KH570可以成功接枝在纳米SiO2表面。其对木纤维／ＰＰ复合材料的力学性能提高最优，吸水膨胀率与吸水率最低，弯曲强度达到５２．６ＭＰａ，拉伸强度为３０ＭＰａ，冲击强度可以达到１１．８ｋＪ／ｍ２；相比添加未经过表面改性的纳米SiO2，分别提高了７５％，２０％和４７．５％。
燕兰、邢永明[7]研究了掺纳米ＳｉＯ２的钢纤维混凝土（ＮＳＦＣ）、钢纤维混凝土（ＳＦＲＣ）和普通混凝土（ＮＣ）三种材料在不同加热温度后的抗压、劈裂和抗折强度等力学性能，对不同温度热处理后的微观结构进行了ＳＥＭ 分析，对钢纤维与过渡区界面的相结构进行了ＸＲＤ分析。结果表明：在测试温度范围内，ＮＳＦＣ的抗压、劈裂和抗折强度均高于ＳＦＲＣ和ＮＣ的强度，且在４００℃时达到最大值。在常温下，ＮＳＦＣ的抗压、劈裂和抗折强度较ＮＣ分别提高２７．０１％、６３．２８％和５４．１２％，４００℃高温热处理后比ＮＣ分别高３５．０９％、８４．６２％和８７．２３％；ＳＥＭ 分析表明，在钢纤维与过渡区的界面处，致密度提高，显微硬度提高。由于固相反应，使界面区结构发生变化，在钢纤维表层形成扩散渗透层（白亮层），即化合物层，呈锯齿状，ＸＲＤ分析证明，白亮层主要由ＦｅＳｉ２和复杂的水化硅酸钙组成，从而增强了钢纤维与基体的粘结力，提高了混凝土的高温力学性能。
薛增辉[8]等人采用射频磁控溅射工艺在Ｓｉ基底上制备ＴｉＳｉＣＮ纳米复合膜，固定靶材中的Ｔｉ含量，通过改变Ｓｉ和Ｃ的含量比沉积得到一系列薄膜，采用Ｘ射线衍射仪（ＸＲＤ）、高分辨透射电子显微镜（ＨＲＴＥＭ）、Ｘ射线光电子能谱（ＸＰＳ）和纳米压痕仪研究了不同Ｓｉ／Ｃ含量比对ＴｉＳｉＣＮ纳米复合膜的微观结构和力学性能的影响。其结果发现不同Ｓｉ／Ｃ含量比的ＴｉＳｉＣＮ纳米复合膜中ＴｉＮ相的结晶程度先降低后增加然后又降低。当制备薄膜中不含Ｃ时，薄膜具有ＴｉＳｉＮ 纳米复合膜结构，Ｓｉ／Ｃ含量比为Ｓｉ３Ｃ１时ＴｉＳｉＣＮ纳米复合膜的结晶度下降，薄膜硬度由４３．３ＧＰａ降低到29.1ＧＰa

图1不同Ｓｉ／Ｃ含量比对ＴｉＳｉＣＮ纳米复合膜硬度的影响
当Ｓｉ／Ｃ含量比为Ｓｉ２Ｃ２时，ＴｉＳｉＣＮ纳米复合膜由于界面相（ＳｉＮｘ＋Ｃ）晶化，与ＴｉＮ 纳米晶形成共格外延生长结构，沿薄膜生长方向形成了明显的柱状晶，其薄膜结晶度得到提升，在共格界面的强化作用下，薄膜硬度重新升高至４６ＧＰａ。当Ｃ含量进一步增加时，ＴｉＳｉＣＮ纳米复合膜中ＴｉＮ相的结晶程度再一次降低，由于共格外延生长结构被破坏，薄膜的硬度下降至约３５ＧＰａ。
王玉林[9]等对单掺和混掺纳米碳黑( Nanometer Carbon Black，NCB) 、碳纤维(Carbon Fiber，CF) 的水泥基复合材料的力学性能进行了研究。发现纳米碳黑掺入量在一定范围内( 小于0.75wt%) ，水泥基材料力学性能随纳米碳黑掺量的增加而增加，适量掺入纳米碳黑能够明显改善水泥基复合材料的力学性能。但是过量掺入纳米碳黑则会使水泥被包裹，水化反应受到阻隔，导致水泥基复合材料强度的降低。
结语
目前, 利用SEM、TEM、XRD等来分析、研究纳米复合材料的微观结构是应用比较多的方法, 但这些方法只能对微观结构与宏观性能之间的关系进行定性分析定量分析的方法较少, 不利于复合材料中纳米粒子增强机理的深入研究及了解与力学性能的关系。随着新的分析方法（如运用数字图像处理技术对纳米材料的微观结构进行分析[10]）的出现及分析方法之间的相互结合, 纳米材料微观结构的研究将会有突破性的进展。人们将根据实际要求设计出力学性能更为优异的纳米复合材料, 纳米材料将在更广的应用领域发挥更大的作用。
参考文献
[1] Han, Bing, E. J. Lavernia, and Farghalli A. Mohamed, "MECHANICAL PROPERTIES OF NANOSTRUCTURED MATERIALS." (2005).
[2] 肖光春 许崇海Ti(C,N)基纳米复合金属陶瓷材料的力学性能与微观结构 《稀有金属材料与工程》 2013年S1期
[3] 王均涛 刘平 杨丽红TiAlN/AlON纳米多层涂层的微观结构和力学性能研究 《机械工程学报》 2012年04期
[4] 薛鹏 搅拌摩擦加工超细晶及纳米结构Cu-Al合金的微观组织和力学性能研究 《金属学报》2014年 第2期
[5] Park, S. J., Lee, K., Ko, D., & Eun, K. Y. (2002). Microstructure and mechanical properties of WC–C nanocomposite films. Diamond and Related Materials, 11(10), 1747-1752
[6] 何霄， 袁光明， 邓鑫， 肖罗喜， 谭林朋.表面改性对纳米SiO2增强木纤维/PP复合材料微观结构及性能的影响[J].中国表面工程,2016,29(2):10~17
[7] 燕兰, 邢永明. 纳米SiO2对钢纤维/混凝土高温后力学性能及微观结构的影响[J]. Acta Metallurgica Sinica(English letters), 2013, 30(3): 133-141
[8] 薛增辉;李伟. 射频磁控溅射法制备TiSiCN纳米复合膜的微观结构和力学性能研究[J]. 功能材料 , 2015, 46(07)
[9] 王玉林 赵晓华 杜建华 王金华 碳纤维/纳米碳黑水泥基材料力学性能与微观结构对比研究 《建筑结构》2013年 第S2期 584-588
[10]张永昂，王引真，冯涛，郁振其，李春鹏.基于数字图像处理的等离子喷涂NiCr-Cr3C2涂层纳米压痕有限元模拟[J].中国表面工程,2013,26(2):40~44
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