纳米金属材料—小论文
纳米金属材料在催化反应中的应用
纳米金属材料在催化反应中的应用（正文开始）纳米金属材料是指具有纳米级尺寸的金属微粒或薄膜，其具有独特的物理和化学性质。
近年来，纳米金属材料在催化反应中的应用引起了广泛关注。
本文将从纳米金属材料的特性、应用领域以及催化反应机制等方面进行阐述，旨在探讨纳米金属材料在催化领域的潜力与前景。
一、纳米金属材料的特性纳米金属材料相比于传统的微米级金属材料具有独特的特性，主要包括以下几个方面。
1. 可调控性：纳米金属材料的尺寸和形状可以通过合成方法进行调控，从而得到不同性质和功能的材料。
例如，纳米金属颗粒的尺寸和形状决定了其比表面积和表面活性，这对催化性能有着重要影响。
2. 高比表面积：纳米金属材料由于其小尺寸的特点，具有较大的比表面积。
相同质量的纳米金属材料相比于微米级金属材料，具有更多的表面活性位点，从而提高了催化反应的活性和选择性。
3. 量子尺度效应：当金属颗粒尺寸减小到纳米级别时，其电子和晶格结构将发生变化，产生量子尺度效应。
量子尺度效应可以显著影响金属材料的光电、电子输运和催化性能等特性，提高催化反应的效率。
二、纳米金属材料的应用领域纳米金属材料在各个领域都有着广泛的应用，尤其在催化反应中的应用表现出了巨大的潜力。
以下列举了几个常见的应用领域。
1. 催化剂：纳米金属材料作为催化剂可以在催化反应中发挥重要作用。
由于其高比表面积和丰富的表面活性位点，纳米金属催化剂能够提供更好的催化活性和选择性。
例如，纳米金属颗粒可以用作催化剂催化有机反应、氧化还原反应和氢转移反应等。
2. 电催化剂：纳米金属材料在电化学催化中也有着广泛的应用。
通过调控纳米金属材料的形状和尺寸，可以调节其表面和界面的电子转移能力，提高催化反应的效率。
纳米金属材料在氧还原反应、氢氧化反应和电解水等领域的应用已经取得了显著的进展。
3. 光催化剂：纳米金属材料还可以作为光催化剂在光催化反应中发挥作用。
由于纳米金属材料在可见光区域具有较强的吸收能力，可以有效转换光能并促进催化反应的进行。
制备纳米金属材料的技术研究与应用
制备纳米金属材料的技术研究与应用纳米科技的发展，让我们在各个领域都看到了新的可能性，而其中最激动人心的莫过于纳米金属材料。
纳米金属材料是一种极小的金属粒子，其尺寸在1-100纳米之间。
相对于传统金属材料，纳米金属材料具备了更加优异的性能，例如更高的强度、更好的稳定性以及更大的表面积。
具体来说，纳米金属材料在化学催化、光学传感、材料强度、电学器件、生物医学等领域发挥着重要的作用。
然而，如何制备出优质的纳米金属材料，仍然是一个备受关注的问题。
本文将简要介绍目前常用的纳米金属材料制备技术、其特点和应用前景。
纳米金属材料制备技术目前，主流的纳米金属材料制备方法有两种：物理法和化学法。
物理法主要包括气相沉积法、溅射法、热蒸发法等。
气相沉积法是通过将金属颗粒在氢气环境下加热蒸发，利用氢气或惰性气体将金属气体输送到沉积基底上，并在其表面形成薄膜或纳米晶体。
溅射法则是将金属靶材置于真空腔内，通过高能粒子轰击使其产生金属原子的飞溅，再在基底上沉积。
热蒸发法则是先将金属材料加热至高温，让其析出并沉积在基底上。
这类制备技术制备出的纳米金属材料粒径较小，表面平整性好，适用于纳米电子器件制备。
化学法主要包括溶胶-凝胶法、共沉淀法、还原法等。
其中，溶胶-凝胶法是将金属离子与有机物混合，制备出含有微小颗粒的半固态胶体，再经过干燥和焙烧等步骤得到固态纳米金属材料。
共沉淀法是将金属离子水溶液中与络合剂反应生成沉淀，经过洗涤和干燥等后制备出固态纳米金属材料。
还原法则是将金属离子溶液中的还原剂还原生成金属原子，形成颗粒沉淀。
这类制备方法制备出的纳米金属材料表面活性较高，方法简单，适用于制备化学催化剂和生物医药材料。
特点和应用前景无论是通过物理法还是化学法制备的纳米金属材料，都具备了优异的特点。
首先，纳米金属材料较传统金属具备着更大的比表面积，这使得其在催化反应中具有更好的活性。
其次，由于材料尺寸较小，纳米金属材料的强度和韧性都得到迅速提高。
金属纳米材料的性质与应用研究
金属纳米材料的性质与应用研究随着纳米科技的发展，金属纳米材料越来越受到科学家和工程师们的关注。
相比于传统材料，金属纳米材料具有独特的物理、化学和机械性能，因此具有很多独特的应用。
在本文中，我们将探讨金属纳米材料的性质和应用。
一、金属纳米材料的定义和性质纳米颗粒一般指直径小于100纳米的颗粒。
当材料的尺寸减小到纳米级别时，其性质会发生显著变化。
金属纳米材料指具有金属组分的颗粒，由于其尺寸小，表面积大，表面原子的比例增加，表面能量增加，因此，它们具有许多独特的性质。
首先，金属纳米材料具有独特的光学性质。
由于量子尺寸效应和表面等离子体共振的存在，金属纳米材料具有在可见光、紫外线和红外线范围内的局部表面等离子体共振吸收峰。
此外，不同尺寸和形状的金属纳米颗粒在可见光区的色散和反射光谱也不同，可以用于制备具有多个颜色的材料。
其次，金属纳米材料具有独特的磁学性质。
许多金属纳米材料，例如铁、镍和钴的纳米颗粒，具有超顺磁性和铁磁性，这些性质可以应用于医学、数据存储和传感器等领域。
金属纳米材料还具有独特的电学性质。
纳米金属颗粒表面与周围环境形成的双电层储存了电子，能够产生电介质常数的改变和电子传导性的改变，这些性质可以应用于电池等领域。
此外，金属纳米材料还具有独特的热学、力学和化学特性，例如高表面能、高比表面积、热稳定性差等特点。
二、金属纳米材料的应用1.光学应用金属纳米材料在光学技术中具有广泛的应用。
例如，纳米金颗粒能够吸收光线并将光转化为热能，因此，可用于太阳能电池、生物材料局部治疗等领域。
金属纳米材料还可用于表面增强拉曼光谱（SERS）技术，该技术可用于分析和检测无机和有机化合物。
2.医学应用金属纳米材料在医学领域也具有很大的潜力。
例如，纳米金颗粒可用于X光造影剂和纳米粒子药物载体。
纳米银颗粒还可用于治疗感染疾病。
此外，金属纳米材料在实现药物传递和光治疗方面也具有潜力。
3.材料科学应用金属纳米材料在材料科学领域也具有广泛的应用。
金属纳米材料
金属纳米材料金属纳米材料是一种具有纳米级尺寸特征的金属材料，其在尺寸小于100纳米的范围内具有独特的物理和化学性质。
由于其独特的尺寸效应、量子效应和表面效应，金属纳米材料在材料科学和纳米技术领域具有广泛的应用前景。
本文将对金属纳米材料的特性、制备方法、应用领域等方面进行介绍。
首先，金属纳米材料具有独特的物理和化学性质。
由于其尺寸小于100纳米，金属纳米材料表面积大大增加，使得其表面原子和分子数目大大增加，因而具有更高的表面能和表面活性。
此外，金属纳米材料的电子结构和光学性质也发生了显著改变，表现出与宏观尺寸金属材料迥然不同的特性。
这些独特的性质使得金属纳米材料在催化、传感、生物医学、材料强化等领域具有广泛的应用前景。
其次，金属纳米材料的制备方法多种多样。
目前，常见的制备金属纳米材料的方法包括物理方法（如溅射、气相沉积、球磨法等）和化学方法（如溶胶-凝胶法、化学还原法、微乳液法等）。
这些方法各具特点，可以根据具体需求选择合适的制备方法。
此外，近年来，生物合成法、纳米压印法等新型制备方法也不断涌现，为金属纳米材料的大规模制备提供了新的途径。
最后，金属纳米材料在各个领域都有着重要的应用价值。
在催化领域，金属纳米材料因其高比表面积和丰富的表面活性位点，被广泛应用于催化剂的制备，可用于催化剂的高效制备、废水处理等。
在传感领域，金属纳米材料因其特殊的电子结构和表面增强拉曼散射效应，被应用于生物传感器、化学传感器等领域。
在生物医学领域，金属纳米材料被用于药物传输、肿瘤治疗等。
在材料强化领域，金属纳米材料被应用于提高材料的强度、硬度和耐腐蚀性能。
综上所述，金属纳米材料具有独特的物理和化学性质，其制备方法多样，应用领域广泛。
随着纳米技术的不断发展，金属纳米材料将在材料科学和纳米技术领域发挥越来越重要的作用。
希望本文的介绍能够为相关领域的研究和应用提供一定的参考价值。
金属纳米颗粒论文：金属纳米颗粒的性质研究及其应用
金属纳米颗粒论文：金属纳米颗粒的性质研究及其应用
【中文摘要】纳米材料的合成和应用证明了其在物理、化学、材料科学等领域的巨大发展潜力,尤其是纳米材料所具有表面效应、体积效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应,使其产生了独特的光学、电学、化学性质以及催化性质。
金属纳米颗粒的性质在近十几年受到了广泛关注。
纳米尺度的金属纳米材料具备许多块体材料没有的优越性质,其中,金属纳米颗粒所具备的独特光学性质——表面等离子体
共振性质已经成为研究热点之一。
金属纳米颗粒中的表面等离子体共振是描述其导带电子在电磁场作用下集体振荡的一个物理概念,共振性质受尺寸、形状以及周围介质影响非常显著。
对纳米颗粒尺寸及其形貌的有效控制一直都是大家关注的。
近几年来,随金、银金属纳米颗粒表面增强拉曼散射效应、荧光效应的广泛应用,金属纳米颗粒已经广泛应用于催化、光催化、信息存储、表面增强拉曼、太阳能电池、生物传感器、化学传感器、非线性光学、光电子学等领域。
本论文的工作主要致力于金、银纳米颗粒的合成、性质及应用：通过油相中无机金属盐的热分解,合成不同粒径的银纳米颗粒；在水相中利用柠檬酸盐
【英文摘要】The synthesis and applications of metal nanomaterials suggests their great potential foreground in the physical science, chemical science and materials science, especially for unique properties, such as surface effect,。
纳米金属材料在催化剂中的应用研究
纳米金属材料在催化剂中的应用研究近年来，纳米技术的快速发展为科学界带来了无限的想象力和创造力，而纳米金属材料的应用研究在催化剂领域尤为引人注目。
在传统催化剂的基础上，纳米金属材料的引入不仅能够提高催化活性和选择性，还能够节约资源、减少能源消耗。
本文将介绍纳米金属材料在催化剂中的应用研究，并探讨其潜在的应用前景。
首先，纳米金属材料在催化剂中的应用可以显著提高催化活性。
由于纳米材料具有更大的比表面积和更丰富的表面活性位点，相较于传统催化剂，纳米金属催化剂能够提供更多的活性位点用于反应。
这使得纳米金属材料催化剂在化学反应中表现出更高效率和更高选择性。
例如，在有机物的合成过程中，纳米铂催化剂可以提供更多的活性位点，促进氢气和有机物之间的反应，进而加速反应速率。
此外，通过控制纳米金属的形状和尺寸，还可以调节催化剂表面的缺陷密度和晶面结构，进一步改善催化剂的催化性能。
除了提高催化活性外，纳米金属材料在催化剂中的运用还能够实现资源的高效利用。
催化剂通常会参与反应并在反应结束后失活。
然而，由于纳米金属材料具有较高的稳定性和催化活性，其在催化剂中的应用使得催化剂的使用寿命得到延长。
这不仅减少了催化剂的用量，还减少了对稀有金属等资源的消耗，从而实现资源的更加可持续利用。
事实上，许多研究表明，纳米金属材料催化剂相较于传统催化剂，能够在较低的温度、压力下实现更高的转化率和更高的选择性，从而降低了能源消耗和废物产生。
此外，纳米金属材料还能够通过调控表面电子结构和晶格畸变等方式来实现催化性能的调控。
例如，纳米金属材料催化剂可以通过调节纳米粒子之间的相互作用，使电子从金属粒子向载体转移，从而改变催化剂的电子结构。
这种调控方式可以在很大程度上影响催化剂的催化活性和选择性，拓宽了催化剂的应用范围。
此外，纳米金属材料催化剂还可以通过纳米尺度效应或表面修饰等方式来调节催化反应的活性位点和催化机理，从而实现催化剂性能的优化和提升。
然而，纳米金属材料在催化剂中的应用还面临一些挑战。
纳米材料论文优秀9篇
纳米材料论文优秀9篇摘要：本文主要研究了污染物的光催化降解原理，进一步分析了光催化纳米材料在环境保护工作中的应用，同时对于光催化纳米材料的应用趋势和方向也进行了必要的研究，希望对这一工作的开展提供一定的指导作用。
关键词：光催化；纳米材料；环境保护；工业废水和废气中都含有较多的毒害物质，比如有机磷农药或是二氯乙烯等，这些物质对于人体的影响都是十分明显的。
传统的水处理方式，比如吸附法、混凝法等方法在现阶段实际应用环节中仍然存在较大的困难，效果并不理想，所以在今后的实际发展过程中就需要不断探索和获取一种经济、合理的方式，实现对传统方法处理后水中的残留物质进行更有效的降解。
1976年，科学家在对紫外线光照射下对纳米TiO2进行了研究，发现这种方式可以将难以降解的有机化合物多氯联苯脱氯进行有效降解。
当前，已经发现超过3000余种难降解的有机化合物都可以借助此种方式进行降解，尤其是水中有机污染物浓度较低或是其他降解方式不佳的时候，这项技术更是能发挥出前所未有的技术优势。
一、光催化纳米材料光催化的纳米材料采用的绝大多数都是金属氧化物或是硫化物等半导体材料，是一种特殊的电子结构。
和金属相比，这种半导体存在明显的不连续性，在对电子的低能价带进行填满的过程中会和空的高能导带存在明轩的禁带，所以当二者产生的能量大于光照射的时候，在价带上的电子就会被转移到导带上，最终在半导体表面形成具备高活性的电子[1]。
二、光催化降解原理在光催化反应中，获取光激发所出现的空穴，和对给体或是受体产生的作用也是有效的。
所以在实际工作中为了确保光催化反应能更有效的进行，就应该适当降低电子和空穴之间的简单复合。
三、光催化纳米材料在环保中的应用(一)光催化纳米技术在污水处理中的应用传统的水处理方式中可以对污水中出现的悬浮物质或是泥沙等大颗粒的污染物进行去除，但是对于浓度较低的可溶性物质却很难进行有效的处理，并且由于这项工作的工作效率比较低，花费的经济成本比较高，所以很多时候并不能进行有效的处理。
纳米金属材料在催化反应中的应用
纳米金属材料在催化反应中的应用随着科学技术的进步和人们对更高效绿色化学工艺的需求增加，纳米技术作为一种新兴的科技手段，正逐渐在催化领域展现出巨大的应用前景。
纳米金属材料作为催化剂的一种重要类型，由于其特殊的纳米尺度效应和丰富多样的表面活性位点，被广泛应用于各种催化反应中。
本文将重点探讨纳米金属材料在催化反应中的应用。
首先，纳米金属颗粒具有巨大的比表面积，这使得吸附能力大大增强。
比如，纳米铂催化剂在氢气吸附和解离方面表现出了卓越的性能，因此在贵金属催化反应中得到了广泛应用。
在催化氢化反应中，纳米铂催化剂能够吸附氢气，促进氢气与底物之间的快速反应，提高催化效率。
此外，纳米铂的较大比表面积还使得其与底物之间的接触提高，从而加速反应速率和催化剂的再生能力。
其次，纳米金属催化剂的特殊表面结构和电子状态对催化反应的选择性有着重要影响。
例如，纳米铁催化剂在污染物降解中具有广泛的应用前景。
纳米铁材料表面的活性位点能够与有机污染物发生氧化还原反应，从而有效地降解有机污染物。
此外，纳米铁催化剂还可以通过表面修饰来调节电子状态，进而改变反应中的选择性。
这使得纳米金属催化剂在环境治理和有机合成等领域中具有广泛应用。
此外，纳米金属材料还可以与其他催化剂组成复合催化剂，从而进一步提高催化效率。
例如，纳米金属与有机小分子、多相催化剂甚至酶类等的复合可以产生协同催化效应，从而提高反应速率和选择性。
这种复合催化剂不仅可以在常规有机合成中应用，也可在能源转化、环境治理和生物医学等领域发挥重要作用。
此外，纳米金属材料还具有良好的稳定性和可再生性，可以使催化剂在多次使用中保持高效性能。
相比传统的大规模金属催化剂，纳米金属催化剂由于其小尺寸和特殊结构，其表面活性位点更容易受到环境的影响，因此催化剂的选择性和活性更高。
此外，纳米金属催化剂还可以通过表面修饰和控制合成方法，来调节催化剂的稳定性和再生性，延长其使用寿命，减少催化剂的消耗和环境污染。
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纳米孪晶金属材料摘要：金属材料的高强度和良好的塑韧性是很多金属材料研究者追求的目标，本文总结了卢柯课题组金属材料中纳米孪晶对强度和塑韧性的影响，并阐明了孪晶界面的作用以及机械孪生对镁合金的影响。
关键词：强度塑韧性孪晶界面机械孪生1.引言近一个多世纪以来,金属材料强度水平的不断提高推动着相关工业技术的进步,也不断改善了我们的生活。
轻质高强度铝合金的出现推动了飞机的诞生和发展,钢缆强度的不断提升使斜拉桥的跨度成倍增加,汽车的减重和降耗很大程度上依赖于高比强金属的发展和应用，强化金属材料是材料研究者不懈努力追求的目标,强度是材料科学与技术发展的一个重要标志，然而,在大多数情况下,伴随着强度升高,金属的塑性和韧性会下降,强度一塑性(或韧性)呈倒置关系。
材料的强度愈高这种倒置就愈显突出。
随着现代工业技术的发展,越来越多的构件要求材料既有高的强度又具有良好的塑性和韧性,高强度金属的低塑性和低韧性在一定程度上削弱了其工业应用的潜力,成为金属材料科学发展的瓶颈问题之一。
过去,人们对材料强度一塑(韧)性关系及强韧化规律的研究大多围绕相对简单的结构体系展开,材料的组织、相、成分等在空间上分布均匀,特征结构单元尺度单一且在微米以上。
随着人们对自然界中很多天然生物材料认识的不断深入,发现具有优异综合力学性能和强韧性配合的天然生物材料往往具有比较复杂的结构要素特征,如不均匀几何形态及空间分布、多尺度、多相、非均匀成分分布、多层次藕合结构等。
这些多层次多尺度的组织(或相)构筑为我们发展高强、高韧、耐损伤金属材料提供了有借鉴价值的线索。
近年来对纳米结构材料研究的长足进步和各类纳米技术的迅猛发展,使人们在纳米一微米一宏观等不同尺度上对金属材料的结构设计与制备调控逐步成为可能,为金属材料强韧化研究提供了一个全新的契机。
2.孪晶促进强度和塑性的同时提高如果两个相邻晶体(或同一晶体的两个部分)之间沿一个公共晶面形成镜面对称的位向关系,那么这两个晶体就互称为孪晶,公共晶面即为孪晶界面。
一般说来,孪晶界面可以通过阻碍位错运动使材料得到一定程度的强化。
但是,微米或亚微米尺度的孪晶,其强化效果并不显著,只有当孪晶片层细化至纳米量级时才开始表现出显著的强化效果和其他的特性。
纳米孪晶结构能够显著提高材料的强度而不损失其塑性与韧性，在脉冲电解沉积制备的纳米孪晶铜中,随孪晶片层厚度减小,材料屈服强度的增加趋势与纳米晶体铜中强度随晶粒尺寸的变化趋势一致,均遵从Hall一Petch关系，当孪晶片层厚度减至15nm时,材料强度达到极大值,随后强度逐渐下降,并出现软化现象。
然而,随孪晶厚度减小,纳米孪晶铜的拉伸塑性，断裂韧性和加工硬化能力均单调增加,且表现出超高加工硬化能力"这提供了一种使强度与塑性/韧性同步提高的新途径,而传统的强化机理通常表现为强度一塑性/韧性的倒置关系。
纳米孪晶材料的高强度、高塑性和高加工硬化能力均源于位错与高密度孪晶界面的有效交互作用，塑性变形时,随孪晶片层减小,孪晶内部可塞积位错数量减少,位错穿过孪晶界所需外力提高(强化材料)，同时,位错与孪晶界反应在孪晶界上形成大量位错(可动或不可动)并在孪晶界上滑移、塞积、增殖,从而实现加工硬化,协调塑性变形(韧化材料),有效提高其综合力学性能。
纳米孪晶铜中极值强度的出现是由于随孪晶片层减小,塑性变形机制从位错/孪晶界相互作用主导转变为由孪晶界处位错的形核和运动主导所致，这种纳米孪晶结构独特变形机理导致的综合力学性能提高，在本质上有异于晶界强化。
另外,常用的强化方式往往在提高材料强度的同时会造成其导电性能明显下降。
然而,在纯铜中引人纳米尺度孪晶界后,其强度可提高一个数量级,但对导电性的影响却很小，这种高强度高导电性的结合源于孪晶界的电阻比普通晶界的电阻低近一个数量级,大量孪晶界的存在对电子的散射极小。
同时,纳米孪晶结构还能降低电致原子迁移速率,导致的原子沿晶界输运降低了一个数量级。
孪晶是金属材料中的常见结构,但如何制备出高密度纳米尺度的孪晶结构却并非易事。
目前纳米尺度孪晶结构可通过电解沉积、磁控溅射沉积、塑性变形或退火再结晶等制备技术在多种纯金属和合金中获得。
如何发展纳米孪晶金属的制备方法和工艺,以及如何将纳米孪晶强化技术应用于更广泛的工程材料等方面依然面临挑战。
3.纳米孪晶促进强度和塑性的同时提高梯度材料是指材料的组成结构和性能在厚度或长度方向连续或准连续变化,即材料的组成和结构从材料的某一方位以1维、2维或者3维向另一方位连续地变化,使材料的性能和功能也呈现出梯度变化的一种新型材料。
结构梯度材料常常在自然界生物结构中看到,例如竹子、植物茎杆和动物骨骼,这些材料中最强的结构往往位于承受应力最大的地方。
材料科学家从自然界这些材料的结构特点获得启发,开始有目的地设计梯度结构金属材料。
与均匀结构相比,梯度结构材料能够更有效地抵御材料的失效。
利用纳米材料强度高,在金属材料表层形成纳米尺度晶粒,并随距表面距离的增加,晶粒尺寸梯度增加,形成所谓的梯度纳米结构(Gradientnano一grained,GNG)金属材料,将明显提高整体材料的摩擦磨损、疲劳和腐蚀等性能,从而延长材料的使用寿命或满足特殊环境的使用要求。
该重大项目通过自主发展的表面机械碾压处理(SMGT)技术,在多种纯金属及工程材料中成功制备出梯度纳米结构,自表及里晶粒尺寸由十几纳米梯度增大至微米尺度,材料芯部的晶粒尺寸为几十微米的粗晶结构,这种梯度纳米结构的厚度可达数百微米。
SMGT技术制备的梯度材料纳米晶与粗晶基体结构梯度的过渡,有效避免了纳米材料与基体剥离的问题,从而为研究纳米材料拉伸实验本征力学性能提供了理想材料。
研究结果表明梯度纳米结构铜及不锈钢拉伸屈服强度都有大幅度提高,而拉伸延伸率并无明显下降。
纳米梯度铜室温拉伸实验显示,具有梯度纳米结构的表层在拉伸真应变高达100%时仍保持完整,未出现裂纹,表明其拉伸塑性变形能力优于粗晶铜。
这种优异的塑性变形能力源于梯度纳米结构独特的变形机制。
微观结构研究表明,梯度纳米结构铜在拉伸过程中,其主导变形机制为机械驱动的晶界迁移,从而导致伴随的晶粒长大。
梯度纳米结构铜及不锈钢表层硬度明显增加,使材料摩擦磨损性能显著提高,并可抑制裂纹的萌生。
梯度纳米材料不但推动了纳米金属材料本征力学性能的研究和认识,也为纳米金属材料的工业应用开辟了一条新途径。
4.孪生界面具有优良的疲劳抗力据统计,机械设备的各种断裂事故中,大约80%是属于疲劳破坏,而这些疲劳破坏主要起源于材料在交变载荷下,内部萌生裂纹和随后的扩展过程。
大量研究表明,晶界是强化金属多晶体材料的重要界面,而它又是容易萌生疲劳裂纹的有利位置。
因而,如何通过设计和控制金属材料的界面,进而提高材料的强度乃至疲劳强度是材料科学家一直以来的研究重点。
近年来,一种特殊的晶界—“孪晶界面”以其对材料强度和塑性的双重贡献进人了人们的视野。
鉴于这种孪晶界面的特殊性,金属研究所卢柯院士曾提出了共格孪晶界面对金属材料的强韧化机制。
然而,对孪晶界面在疲劳载荷下裂纹萌生机制的认识尚不清楚。
选择具有不同层错能的纯铜与铜合金作为研究对象,揭示了金属材料层错能大小和孪晶界面两侧晶体取向关系对孪晶界面疲劳裂纹萌生的影响。
研究结果发现:孪晶界面相对于普通晶界更难于萌生疲劳裂纹,而其萌生裂纹的难易程度主要受晶体取向(施密特因子差)、层错能和滑移方式的影响。
由于孪晶界面对位错既具有阻碍作用,也可允许部分位错穿过,因此,随施密特因子差减小、层错能升高以及滑移方式的转变,孪晶界面会允许更多的位错穿过,从而明显提高疲劳裂纹萌生的阻力。
通过进一步比较几种不同晶界的疲劳开裂机制,进而确定了萌生裂纹的难易顺序为:小角晶界>孪晶界面>大角晶界,这表明孪晶界面不但可以提高金属材料的强度和塑性,同时也具有较高的抗疲劳裂纹萌生阻力,这为金属材料的抗疲劳设计提供了新的可能,即通过对金属材料合金化与孪晶界面设计,可以获得最佳的强韧性与使役性能的匹配。
5.机械孪生促进高性能镁合金的开发镁合金具有密度小、比强度和比刚度高、阻尼减振降噪性好、导热和导电性好、抗动态冲击载荷能力强、资源丰富等优点,是目前工程应用中最轻的金属结构材料,被誉为“用之不竭的轻质材料”“绿色的工程材料”,与钢、铝及工程塑料等结构材料互补,为交通工具、电子通信、航空航天和国防军工等领域的材料应用提供了重要选择。
然而与钢、铝等立方结构金属相比,密排六方结构镁合金室温变形能力较差,这是限制其大规模使用的瓶颈问题。
为了协调材料的宏观塑性变形,从微观上讲金属通常需要启动一定数量的位错滑移系,然而镁合金在室温下能启动的滑移系主要只有基面滑移,其他滑移系(如柱面、c十a滑移)由于临界分切应力较大常温下不易启动。
除了位错滑移外,机械孪生是镁合金的另外一种重要的变形机制。
镁合金中拉伸孪生由于其临界启动的剪切应力低,是镁合金常温下主要塑性变形模式之一。
拉伸孪生可以倾转晶体取向,进一步影响位错滑移，可以分割晶粒,对组织进行细化,从而起到阻碍位错滑移,提高材料加工硬化的效果。
镁合金在塑性加工过程中易形成轴平行于受力方向的基面织构,导致材料呈现强烈的各向异性,会显著降低板材沿厚度方向的变形能力，大量研究表明,弱化基面织构可以显著提高镁合金塑性变形能力,常用的方法有添加稀土合金元素、等通道角挤压加工和异步轧制等。
稀土镁合金成本较高,难以大规模应用,等通道角挤压加工弱化织构效果较好,但其加工效率低,加工成本高,异步轧制对基面织构弱化效果有限,不能显著改善板材的加工变形能力。
由于拉伸孪生对镁合金变形行为有显著影响,因此可以利用预变形诱导拉伸孪生来调控镁合金的织构和组织,进而改变其力学行为和性能。
镁合金在不同变形条件下(初始取向、温度、应变速及变形模式)的机械孪生行为与形成机理,重点探索了拉伸孪生对镁合金力学性能的影响规律。
研究发现通过引人拉伸孪晶细化晶粒可以同时提高镁合金的强度和塑性,降低了镁合金的拉压不对称性,并且首次提出通过侧轧诱导拉伸孪生调控板材织构,从而大幅度提高镁合金板材的单道次轧制能力。
采用商业AZ31镁合金板材进行中试,发现采用侧轧新工艺的板材单道次轧制量可以提高一倍以上,大大提高了加工效率和成材率,有望在镁合金工业得到广泛应用。
6.原子尺度下机械孪生的模拟强度和韧性是材料重要的力学特性,而传统的强化方法都以损失材料的韧性为代价。
因此,如何在不损失材料韧性的前提下,尽可能地提高材料的强度,成为了人们关心的问题。
纳米孪晶界是一种共格的晶体面缺陷"一方面,它们与一般的大角度晶界一样,可以有效地阻挡位错运动,在纳米孪晶界密度较高的情况下,可以大幅度提高材料的强度。
另一方面,由于纳米孪晶界的对称性,使得位错可以沿着它运动,产生台阶。