Механические свойства наноструктур

   Следующие важные  характеристики наноматериалов  это модуль упругости E и модуль сдвига G, которые определяются в виде коэффициентов в уравнениях , где - напряжение при растяжении образца, а - относительное удлинение образца при малых деформациях, и , где - напряжение в поперечном сечении, - деформация сдвига. Модули упругости и сдвига определяют с помощью изменения скоростей продольных и поперечных ультразвуковых колебаний.

   Для нанокристаллической  меди величины E и G определены при разных температурах отжига, и тем самым для наноматериала с различными размерами с различными размерами кристаллитов. Исходные размеры нанокристаллитов были довольно крупные (200-400 нм) и соответствовали значениям E и G на 10-15% меньше по сравнению с крупнозернистой медью. При температуре отжига 423-456 К наблюдался резкий скачок в увеличении E и G (рис. 4).

   Для крупных  нанокристаллитов меди такое  изменение модулей E и G связывается с изменением состояния границ нанокластеров. Отжиг приводит к релаксации напряжений на неравновесных межфазных границах. Такие переходы позволяют оценить эти модули для границ зерен, которые составляют около одной десятой величины для модулей наноматериала при толщине границы около нескольких нанометров[2].

Рис. 4. Влияние температуры отжига на модуль упругости Е и модуль сдвига G для нанокристаллической меди, измеренные при комнатной температуре.

 

5. Сверхпластичность наноструктур

   Замечательное  свойство наноструктур представляет  их сверхпластичность. Длина образцов наноматериалов при растяжении может увеличиваться в десятки раз при достаточно низких температурах. Впервые это явление было обнаружено при растяжении сплава Sn-B, когда образец удлинялся более, чем в 20 раз[2]. Условиями появления сверхпластичности являются:

• малый размер зерен, играющий главную роль в зернограничной диффузии при нагружении материала;
• изотропность (равноосность) зерен, необходимая для проскальзывания;
• Высокоэнергетичные границы зерен (течение идет быстрее вдоль границ с большей энергией);
• наличие второй фазы, ограничивающей рост зерна.

   Большинство моделей  диффузионного течения описываются  соотношением

 

         (3)

 

где - константа, - модуль сдвига, - вектор Бюргерса, - размер зерна, и - показатели степени для напряжения и размера зерна. Для большинства моделей, описывающих материалы с размером зерна меньше 10   мкм,

 

   Зернограничное проскальзывание является одним из важнейших механизмов высокотемпературной ползучести. На рис. 5 представлена одна из моделей ползучести нанокристаллических материалов. Зерна проскальзывают относительно друг друга, изменяя форму в процессе нагрузке.

   Непосредственным применением сверхпластичности наноматериалов при достаточно низких температурах может стать формирование керамических материалов. В обычных условиях керамические материалы при незначительных деформациях разрушаются вследствие высокой хрупкости. Однако если синтезировать материал с малым размером зерен, его можно сильно деформировать[1]. 

 

Рис. 5. Модель зернограничного проскальзывания

 

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

   По данной курсовой  работе можно сделать определенные  выводы:

1.    Структуру межзеренных границ наноструктурированных материалов представляют в “газоподобном” виде, что отражает разупорядочение в расположении атомов.
2.   Высокую прочность и сверхпластичность наноструктур можно объяснить концентрацией дефектов в материале. Действительно, у наносистем, построенных из малых кластеров с размером d < 10 нм, дефекты и дислокации немногочисленны, и такие системы демонстрируют рекордную прочность. В то же время у наносистем, построенных из кластеров промежуточных размеров  10 < d <100 нм, число дефектов максимально, что обеспечивает их рекордную пластичность. Таким образом, для получения сверхтвердых материалов надо использовать наносистемы, сформированные из нанокластеров d < 10 нм, а для сверхпластичных - наносистемы из нанокластеров с 10 < d <100 нм.
3.    Следует отметить, что теории, предсказывающей значение критического размера зерна и поведения механических свойств материалов при ультрамалых размерах зерен, пока не существует.
4.    Механические свойства нанокристаллических материалов сильно зависят от способа их получения и обладают достаточно низкой воспроизводимостью результатов механических измерений.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.А. Елисеев, А.В. Лукашин. Функциональные наноматериалы. /Под ред. Третьякова Ю.Д. – М.: Физматлит, 2010. - 456 с.
2. И.П. Суздалев. Нанотехнология: Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – 592 с.