金属纳米材料的力学性能研究进展

王孟浩

（哈尔滨工业大学，黑龙江 哈尔滨 150001）

我国的强大和发展，离不开各个领域的推动和建设，如国防、电子、化工、冶金、轻工、航空、陶瓷、核技术、催化剂、医药等领域，而这些领域的建设与发展的离不开金属纳米材料的贡献[1]。金属纳米材料是一种由基本颗粒组成的粉状、团块状的天然或人工材料，具有四大特征，即表面与界面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应，这些特性使得金属纳米材料的应用范围越开越广泛[2]。在此背景下，从金属纳米材料发明至今，很多专家和学者都对其进行了很多方面进行了深度研究，如金属纳米材料的制备、金属纳米材料的生物毒性效应、金属纳米材料在厌氧条件下对脱氮副球菌反硝化作用的影响、金属纳米材料催化性能以及金属纳米材料的力学性能等。同时发现了一些新的现象和规律，这些结果不但深化了对金属多晶材料变形机理和力学性能的认识，而且对发展新材料和改善传统材料的性能具有强力的推动作用，其中，力学性能是研究最多的一个方面，因为力学性能会直接关系到金属纳米材料的应用，而为了更好的应用金属纳米材料，就必须了解金属纳米材料的力学性能。本文基于前人研究的成果的基础上，进行金属纳米材料的力学性能研究进展分析，以期金属纳米材料的应用提供参考和建议。

1 金属纳米材料的力学性能研究

金属纳米材料是未来高新技术发展中重要依托之一，具有很好的发展前景，尤其在在军事和航空航天领域，金属纳米材料更是起到了重中之重作用，直接关系到我国的国际地位和综合国力的发展[3]。为此，为了更好的发展金属纳米材料，拓宽金属纳米材料的应用范围，进行了金属纳米材料的力学性能研究进展分析，具体包括强度、可塑性、弹性、变形机理等。

1.1 强度

强度是指金属纳米材料在外力作用下抵抗作用力破坏的能力[4]。而这一指标与金属纳米材料的晶粒尺寸之间有着Hall-Petch 关系，公式如下所示：

其中，k 1 为强度常数；e 为正常数；即随晶粒细化材料的强度（或硬度）按关系线性增大。

对于金属纳米材料的晶粒尺寸之间关系根据材料种类的不同，大致可以分为三类，即随着金属纳米材料晶粒的逐渐缩小，存在强度降低、升高以及先升高再降低，这在朱爱武, 张喜燕, 唐锋林研究的《纳米金属材料的强度与晶粒尺寸的关系》中得到了具体分析。此外，在其它文献中也阐述了其它的因素对金属纳米材料强度的影响，具体如下表1 所示。

1.2 可塑性

可塑性是指金属纳米材料在作用力下出现塑性变形，但不断裂的能力。这一性能可以通过拉伸试验得到的两个指标来体现，即金属纳米材料的的断裂伸长率、断裂处原横截面积的缩减率、拉伸强度[5]。计算公式分别如下：

（1）断裂伸长率：

试样拉断后标距长度的增量 lΔ 与原标距长度l 的百分比，称伸长率，计算公式如下：

公式中，p 为伸长率。

（2）断裂处原横截面积的缩减率：

在拉伸试验中，试样拉断后其缩径处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比，称为断面收缩率。以Z 表示，单位为%。计算公式如下：

式中，Z 为金属纳米材料原始横截面积，单位为mm2； 2s为金属纳米材料拉断后缩径处的最少横截面积，单位为mm2。

表1 金属纳米材料强度影响因素分析及文献说明

（3）拉伸强度：

式中，Y 为拉伸强度，单位为MPa ；u 为最大负荷，单位为N ；b 为试样宽度，单位为mm ；d 为试样厚度，单位为mm。

影响金属纳米材料可塑性因素有很多，大致可以分为两类，如下：

内因：金属纳米材料的大分子结构、超分子结构、形态结构。

外因：空气的温湿度影响金属纳米材料温湿度和回潮率，进而影响可塑性；测试条件，如试样长度、试样根数、拉伸速度等。

1.3 弹性

弹性是指金属纳米材料在受到作用力后，材料不会发生永久性变形，并且能够回到初始状态的性能[6]。金属纳米材料的弹性与致密度有着直接关系，当金属纳米材料出现损坏后，即组织出现空洞或裂纹，都会降低其弹性。在早期的一个金属纳米材料弹性测试实验中发现：金属纳米材料的弹性模量要比其对比项，多晶材料低15% 到50%，经过多次调查和分析，是其组织中存在为微孔隙导致的，这一结论在Salje, Ekhard K H 的其发表的《A pre-martensitic elastic anomaly in nanomaterials:elasticity of surface and interface layers》也得到了证实。

1.4 变形机理

变形机理是指金属纳米材料晶体发生位移导致的变形。对于变形机理的研究，目前主要有三种途径。

（1）通过普通透射电子显微镜（TEM）、高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描透射电子显微镜(STEM) 等三种工具直接观察得到。

（2）通过测试金属纳米材料的力学性能特征参量，进而计算和推理得出。

（3）通过有限元分析软件对金属纳米材料变形过程进行模拟演示，以得到变形机理[7]。这三种方法各有利弊，在多数情况下，可以结合使用。

金属纳米材料的变形机理主要有两个较为成功的结论：

（1）通过王立华，韦如建，方云义等人的《面心立方金属纳米材料变形机制研究进展》得出一个结论，即尺寸效应与变形机制有着直接关系。

（2）在韩卫忠的《ECAP 过程中单晶体、双晶体和多晶体的结构演化与变形机制》中得出：晶粒转动或晶界滑动是导致单质金属纳米材料的变形过程主要原因。

2 结束语

综上所述，随着科学技术的不断发展，金属纳米材料的应用范围越来越广泛。金属纳米材料具有其他材料的具备的特性，在强度、可塑性、弹性和变形机理四个方面的表现尤为突出。为此，本文针对这四个方面进行进展分析，以期金属纳米材料提供参考。然而，在本文研究受到时间和精力的限制，性能研究并不全面，在蠕变、应变强化、应变速率敏感性等方面的表现也很优秀，因此有待进一步分析和探讨。因此，对纳米材料力学性能的深入研究需要多学科交叉集成，涉及到材料的制备科学，微观结构表征，性能测试、理论及计算模拟等诸多方面。