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纳米材料的力学性能

雷秀娟

  近年来,纳米晶体材料和纳米复合材料作为一种新型材料已引起世界范围的广泛关注,纳米技术将成为二十一世纪的主流技术。对于这一具有挑战性的课题,在力学及其它很多领域已对其奇特性、有用性和广泛前景作了大量研究。目前纳米材料极受重视,因为它们有很多不寻常的性能,如高的强度、硬度、超塑性及特殊的显微结构。材料中的超细晶粒引起大量晶界及晶界原子的剧烈摩擦。与粗晶材料的区别在于,当材料到达纳米级,传统的塑性好的金属材料将变强变硬,而陶瓷材料则表现出超塑性。一些纳米材料兼有力学和功能方面的优良性能。这将对传统力学产生很大影响。此论文的目的主要是研究纳米材料的制备工艺及力学性能。这两方面分五个部分来论述。第一部分:综述国内外在这方面的研究概况,并指出此论文的研究目的、内容、方法及意义。第二部分:讨论了纳米复合材料的制备工艺。采用两种制备方法:粉末冶金法和机械合金化法。在实验的基础上,还研究了纳米复合材料的力学性能。第三部分:为研究纳米复合材料的强化机理,提出了内晶颗粒残余应力强化模型。并对Al_2O_3-Cu纳米复合材料的残余应力进行了估算。该模型很好地解释了纳米复合材料的强度随强化粒子含量的变化规律。第四部分:采用有限元分析方法,对纳米颗粒填充复合材料应力分布作了分析。考虑粒子间的相互作用后,给出了相应的应力场分布形式。第五部分:建立纳米材料力学性能与晶粒尺寸之间的关系,也即Hall-Petch关系。众所周知,纳米晶体材料的硬度比H-P关系所预测的要低,甚至出现负斜率。为了阐明此问题,把纳米晶体材料等效成由晶粒和晶间界面夹杂组成的复合材料,对其屈服应力特征作了详细讨论。此模型很好地解释了纳米晶体材料的尺寸效应。……