Механические свойства наноматериалов

 

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………….....................3

1.Механические свойства наноматериалов……………………………………………………………4

1.1. Механические  свойства фуллерита и других углеродных материалов…………………………4

1.2. Механические  свойства  углеродных нанотрубок………………………………………………..5

1.3. Механические  свойства  углеродных нанокомпозитов…………………………………………..6

2. Механические  характеристики………………………………………………………………………8

2.1. Модуль Юнга………………………………………………………………………………………..8

2.2. Твердость……………………………………………………………………………………………9

2.3. Прочность  и пластичность…………………………………………………………………………9

3. Исследования механических свойств………………………………………………………………12

Вывод…………………………………………………………………………………………………...14

Список  литературы……………………………………………………………………………………15 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

      Возможность практического использования наноматериалов обусловили интенсивное изучение их твердости, прочности, упругости, пластичности и других механических свойств. Независимо от области применения любые материалы должны отвечать определенным механическим характеристикам. Последнее определяет интерес к исследованию проблем деформации и разрушения, не говоря уже о специфике разработок в области конструкционных материалов, эксплуатация которых определяется прежде всего уровнем механических свойств. Прочность и особенно пластичность являются высоко структурно-чувствительными параметрами и для них проблема аттестации применительно к наноматериалам приобретает первостепенное значение.

    Если  твердость как наименее структурно-чувствительная характеристика закономерно увеличивается  с уменьшением размера зерна, то прочность и особенно пластичность существенно снижаются. Электронно-микроскопическое исследование образцов обнаружило в  наличие в структуре несплошностей  и пор с надрезами, которые  провоцировали зарождение трещин, что  способствовало снижению показателей  прочности и особенно пластичности, нивелируя положительное влияние  наноструктуры.

    Наличие пор и других дефектов, остаточные напряжения, примеси в объеме зерен  и на поверхности раздела, текстура -  все это должно учитываться  при анализе механических свойств  наноматериалов.

    Сами  по себе границы зерен являются препятствиями  на пути распространения дислокаций и трещин, что и предопределяет повышение прочности и твердости  наноматериалов, если нет искажающих факторов. 
 
 
 
 
 
 

    1.Механические  свойства наноматериалов

    1.1.Механические свойства фуллерита и других углеродных материалов

           Фуллерит – кристалл из больших молекул углерода Сn-фуллеренов.

      Фуллерены – сферические молекулы углерода Сn с различной молекулярной массой от n=20 до 96. Самым распространенным фуллереном является бакминстерфуллерен С₆₀, который состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников, образующих усеченный икосаэдр.

      Ученые  обратили внимание на необычайно высокую  механическую и химическую устойчивость молекулы С₆₀. Характеристикой устойчивости к внешним механическим деформациям служит модуль объемного сжатия:

      В=Vd²E/dV².

Формальная  оценка дает величину В от 720до 900 ГПа, т.е. молекула С₆₀ «менее сжимаема», чем кристалл алмаза (В=450 ГПа). Кристалл из молекул С₆₀ – фуллерит имеет сжимаемость, которая примерно в 50 раз ниже, чем сжимаемость отдельной молекулы.

Наиболее твёрдым из существующих на сегодняшний день материалов является ультратвёрдый фуллерит (примерно в 1,17—1,52 твёрже алмаза). Однако этот материал доступен только в микроскопических количествах. Кроме того, существует информация, что группе американских и китайских ученых удалось доказать, что специально обработанный лонсдейлит на 58% тверже алмаза.

      Микротвердость  является мерой сопротивления образца  упруго-пластическому внедрению  в него более жесткого тела. Установлено, что пластичность фуллеритов определяется дислокационными механизмами. Микротвердость монокристаллического С₆₀≈150-200 МПа и изменяется по мере старения образцов на воздухе в результате фотостимулированного окисления поверхности. По механическим характеристикам аморфные фазы углерода лишь немного уступают соответствующим показателям алмаза.

      С точки зрения поиска сверхтвердых материалов наибольший интерес вызывают упругие  и механические свойства. Все модификации  фуллерита, полученные в результате действия давления, имеют высокие  значения твердости.

      Плотные модификации, полученные из фуллеритов при высоком давлении, представляют собой новый класс как кристаллически упорядоченных, так и разупорядоченных фаз углерода. Уникальная комбинация достаточно высокой твердости, пластичности и трещиностойкости делают данные углеродные материалы достаточно перспективными.

      В монокристаллах С₆₀ при комнатной температуре был обнаружен магнитопластический эффект, который заключается в том, что после экспозиции кристаллов в импульсном магнитном поде наблюдается долговременное изменение микротвердости Hv кристаллов. Остаточные изменения Hv достигают 10% в магнитном поле с амплитудой В=25 Т и длительностью ~ 100 μс и могут быть обнаружены как сразу после экспозиции кристалла в магнитном поле, так и в течение суток после неё.

      1.2.Механические свойства углеродных нанотрубок

     Углеродные  нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей. 

    Нанотрубки  являются на редкость прочным материалом, как на растяжение, так и на изгиб. Более того, под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки не "рвутся", а перестраиваются.

    Прочность нанотрубок исследовали при испытании  на сжатие. Было найдено, что перед  тем, как разрушиться они могут  оказаться согнутыми. Толстостенные  трубки сгибались, тогда как тонкостенные имели тенденцию к разрушению или перелому. Были оценены напряжения, необходимые для того, чтобы получить изгиб или разрушение, и найдены  величины, находящиеся в диапазоне 100-150 ГПа. Эти оценки показывают, что  нанотрубки имеют прочность на сжатие по крайней мере в 100 выше, чем любое  другое известное волокно.

      Были  проведены исследования углеродных нанотрубок, подвергнутых большим изгибным напряжениям, с помощью атомносиловой  микроскопии. Было обнаружено, что такие  трубки можно согнуть повторно на большие углы без их нарушения. Были идентифицированы два типа поведения: регулярные сгибы и более сильные  сгибы, содержащие большие деформации. Появлявшиеся очень резкие перегибы были отнесены к постоянным дефектам, хотя в некоторых случаях наблюдались  сильнодеформированные трубки не имеющие  явного повреждения. Эти эксперименты дают дополнительное доказательство экстраординарной эластичности нанотрубок.

      Углеродные  нанотрубки намного жестче всех известных  материалов. Исследования показали возможность  работы нанотрубок при больших напряжениях  во время зондирования. Гибкость графитовых цилиндров дает возможность трубкам  выдерживать экстремальные деформации без разламывания и во многих случаях  после таких деформаций возвращаться в исходное состояние неповрежденными. Это отличает их от обычных углеродных волокон, которые намного более  чувствительны к разрыву при  изгибе или скручивании.

      Такие уникальные возможности нанотрубок, несомненно, приведут к активному  их использованию. Уже сейчас нанотрубки с большим успехом используются как острия в сканирующих зондовых микроскопах не только для топологического  изображения, но и для химического  изображения, и исследования взаимодействий между органическими макромолекулами. Жесткость нанотрубок может открыть  возможность их использования для  зондирования наномира. Кроме того, основываясь на таком свойстве нанотрубок как высокая прочность, можно утверждать, что они являются наилучшим материалом для троса космического лифта на данный момент. Как показывают результаты экспериментов и численного моделирования, модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали.

1.3.Механические свойства углеродного нанокомпозита

    Нанокомпозиты можно определить как многофазные твердые материалы, где хотя бы одна из фаз имеет средний размер кристаллитов (зерен) в нанодиапазоне (до 100 нм), или структуры, имеющие повторяющиеся наноразмерные промежутки между различными фазами. Эти структуры составляют композит. 

    По  прочностным показателям углеродный нанокомпозит в 3 и более раз превосходит  лучшие марки углеродных материалов традиционной технологии. Он хорошо обрабатывается механически. Высокая механическая прочность в сочетании с наноразмерными дискретными элементами структуры  позволяет изготавливать из него детали сложной геометрической формы  с острыми кромками, полированными  до высокого класса чистоты поверхности. 
 
 

Таблица 1. Механические характеристики углеродного нанокомпозита

Показатель Значение Плотность 1,8 г/см3 Предел  прочности при растяжении, изгибе,сжатии 100  Мпа200  Мпа 500  МПа Микротвердость 1000  МПа Модуль  упругости 23  ГПа Коэффициент Пуассона 0,273 Ударная вязкость 13  кДж/м2

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.Механические  характеристики

2.1. Модуль Юнга

    В табл.2 приведены значения модуля Юнга Е для различных материалов. Как  видно из табл.2, при размере зерна d больше 4..5 нм с увеличением пористости материала модуль Юнга уменьшается  и, практически, не зависит от размера  зерна. Однако для беспористоro

золота  с размером зерна 20..60 нм модуль Юнга составляет 94% от модуля Юнга крупнозенистоrо  золота Ео. Было высказано предположение, что уменьшение модуля Юнrа нанокристаллических  материалов обусловлено тем, что  модуль Юнга rpаниц зерен составляет 70..80% от модуля Юнrа крупнозернистоrо  материала.

    При отжиге прессованноrо механически леrированноrо порошка железа, размер зерна увеличивался от 10 нм до 70 нм, а модуль Юнга увеличивался на 50%. Это, по-видимому, объясняется уменьшением доли гpаниц зерен, поскольку исходная плотность компактноrо образца до отжига составляла 95% и увеличение плотности на 5% не может привести к росту модуля Юнга на 50%. Уменьшение размера зерна металлов и сплавов приводит к падению модуля упругости. При уменьшении размера зерна меди до 21 нм объемный модуль упруrости К уменьшается до 115 ГПа (для крупнозернистой меди К = 151 ГПа), а при уменьшении размера зерна железа до 14 нм объемный модуль упругости уменьшается до 143 ГПа (для крупнозернистого железа К=170 ГПа), а для сплава с размером зерна 17 нм объемный модуль упруuости равен 85 ГПа. Для аморфных материалов модули упругости почти на 50%

меньше, чем у кристаллических аналогов, поэтому при размере зерна меньше 4-5 нм можно ожидать значительного снижения модулей упругости.

2.2. Твердость

    Уменьшение  размера зерна d приводит к росту  твердости Н в соответствии с  соотношением Холла - Петча 

Н= Но + k∙,

где Но и k  - константы. Однако это соотношение зависит от метода, используемоrо для формирования размера зерна материала. Если рост зерна происходит вследствие отжига образца, то по мере роста размера зерна сначала наблюдается увеличение, а затем падение прочности образца. Для образцов, полученных консолидацией порошков (при комнатной температypе) и электроосажденем, эта зависимость объясняется снижением пористости, переходом к равновесным гpаницам зерен и локальной структурной релаксацией. Для материалов, полученных кристаллизацией из аморфноro состояния, обнаружены нелинейные зависимости твердости от : существует критический размер зерна (около 50 нм), ниже которого твердость уменьшается. Такая зависимость объясняется увеличением вклада зерногpаничного проскальзывания.