纳米材料的力学性能
纳米材料的奇妙特性
纳米材料的奇妙特性纳米材料是指具有几十到几百纳米尺寸的材料，其尺寸小于光的波长，因此具备了许多令人惊叹的奇妙特性。
这些特性包括独特的力学、光学、电子和化学性质，使得纳米材料在许多领域具有广泛的应用潜力。
首先，纳米材料具有出色的力学特性。
由于其粒径远小于常规材料，纳米材料具备高比表面积和较高的表面能。
这导致纳米材料具有强度和硬度的显著增加，从而改善了其力学性能。
例如，纳米金属具有出色的塑性，不仅可以在高温和高压下保持稳定的形态，还能够通过表面的形变来实现出色的耐磨性。
这些优异的力学特性使得纳米材料成为制备轻量、高强度结构材料的理想选择。
其次，纳米材料展现了独特的光学性质。
由于纳米颗粒的尺寸接近光的波长，它们能够与光强烈的相互作用。
纳米颗粒可以通过表面等离子体共振来增强吸收和散射光线，因此呈现出令人叹为观止的颜色效应。
这种颜色效应可以应用于纳米材料在传感器、显示器和太阳能电池等领域的应用中。
此外，纳米材料还具备可调控的光学性质，例如纳米线和纳米带的量子尺寸效应，使得它们能够发出特定波长的光，有望在光电子学和激光技术中发挥重要作用。
除了力学和光学特性，纳米材料的电子性质也具备了惊人的变化。
一方面，纳米结构可以改变电子结构和能隙大小，使得纳米材料呈现出独特的电子传输特性。
例如，纳米线和纳米颗粒能够显示出量子限制效应，电子在其中受限于三维空间，导致电荷输运出现新的物理现象。
另一方面，纳米颗粒的大比表面积使得其在催化、传感和电子器件等领域具有广阔的应用前景。
纳米材料的电子性质可通过控制形状、尺寸和结构来调节，因此具备了很大的设计潜力。
纳米材料的化学性质也受到尺寸效应的显著影响。
相比于宏观和微米级材料，纳米材料的化学反应速率更快，其表面原子数目远大于内部原子数目，因此表面活性极高。
这使得纳米材料成为催化剂、传感器和吸附剂等应用领域的理想选择。
纳米结构不仅能够增加反应速率，还可以调节反应的选择性和有效性。
例如，通过调控纳米颗粒的形状和组成，可以实现对催化反应选择性的精确控制，提高反应的效率。
纳米材料的力学性能与应变率效应
纳米材料的力学性能与应变率效应纳米材料是由纳米级的原子和分子组成的材料，具有与宏观材料不同的特殊力学性能。
近年来，随着纳米科学的迅速发展，关于纳米材料的力学性能和力学行为的研究逐渐引起了人们的广泛关注。
其中，纳米材料的力学性能与应变率效应是一个重要的研究领域。
纳米材料的力学性能通常是指材料的硬度、强度和韧性等机械性能。
纳米材料具有较高的硬度和强度，这是由于其纳米尺度下的晶粒尺寸效应所致。
在纳米尺度下，晶粒的尺寸与晶界的数量会显著增加，这导致了晶界和界面的密度增加，从而提高了材料的硬度和强度。
此外，纳米材料由于表面积大，在外力作用下，晶粒之间的位错难以移动和滑动，因此纳米材料的强度也较高。
但是，纳米材料的高硬度和强度也带来了一些问题。
纳米材料的高硬度和强度常常意味着其韧性较差，容易发生断裂和破坏。
同时，纳米材料在应变作用下的行为也与宏观材料有很大的不同。
在纳米材料的应变率效应中，当应变率较小时，纳米材料的强度和硬度随应变率的减小而增加；而当应变率较大时，纳米材料的强度和硬度随应变率的增加而减小。
这种应变率效应是由于纳米材料内部晶粒的应变率敏感性导致的。
在纳米材料中，晶界对位错的移动具有一定的限制作用，因此晶界承载了大部分的应力。
当外力作用下，应变率较小时，晶界能够更好地承载应力，从而增加了材料的硬度和强度；而当应变率较大时，晶界难以有效地承载应力，造成局部应力集中，导致材料的强度和硬度下降。
此外，纳米材料的应变率效应还与材料的动态行为和变形机制密切相关。
在纳米材料的动态行为中，其应变率通常与变形速率相关。
当变形速率较高时，纳米材料的应变率也较高，因此应变率效应更为显著。
在变形机制方面，纳米材料的变形主要是通过晶粒的位错滑动和塑性变形实现的。
在应变率较低时，晶粒之间的位错滑动较为容易发生，从而增强了材料的硬度和强度；而在应变率较高时，晶粒之间的位错滑动受到阻碍，导致材料的硬度和强度下降。
综上所述，纳米材料的力学性能与应变率效应是一个复杂而重要的研究领域。
纳米材料的力学性能测试与分析
纳米材料的力学性能测试与分析随着纳米科技的迅速发展，纳米材料在各个领域中的应用越来越广泛。
然而，由于其特殊的尺度效应和表面效应，纳米材料的力学性能测试与分析变得更加困难和复杂。
本文将介绍纳米材料力学性能的测试方法和分析技术，并探讨其在实际应用中的意义和挑战。
一、力学性能测试的方法1. 压痕测试法压痕测试法是一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
通过在纳米材料表面施加一定压力，通过观察压痕的产生和扩展来推断纳米材料的硬度和弹性模量等力学参数。
压痕测试法具有简单、快速的优势，并且适用于各种纳米材料。
2. 拉伸测试法拉伸测试法是另一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
通过将纳米材料拉伸至破裂点，测定其应力-应变曲线，并计算出纳米材料的屈服强度、断裂韧性等力学参数。
拉伸测试法可以提供更全面和详细的力学性能信息，但对仪器设备和材料标本制备等要求较高。
二、力学性能分析的技术1. 分子动力学模拟分子动力学模拟是一种基于物理原理的力学性能分析技术，可以模拟纳米材料在原子尺度上的行为。
通过建立原子级别的力场模型和运动方程，可以模拟纳米材料的结构演化、应力分布等力学性能表现。
分子动力学模拟可以提供丰富的细节信息，但计算复杂度较高。
2. 有限元分析有限元分析是一种基于数值计算的力学性能分析技术，可以模拟纳米材料在宏观尺度上的行为。
通过将纳米材料离散化为有限数量的单元，并考虑边界条件和加载情况，可以计算出纳米材料的应力分布、形变情况等力学性能参数。
有限元分析具有较高的计算效率和适用性。
三、实际应用与挑战纳米材料的力学性能测试与分析在材料科学、机械工程等领域中具有重要的应用价值。
能够准确了解和评估纳米材料的力学性能，对于设计和制造具有优异性能的纳米材料产品具有重要意义。
然而，纳米材料的力学性能测试与分析也面临一些挑战。
首先，纳米材料的尺度效应和表面效应使得传统力学理论无法直接适用于纳米材料的力学性能预测和分析。
其次，针对纳米材料的测试方法和分析技术需要更高的精度和灵敏度，以满足纳米材料特殊性能的需求。
纳米材料在力学系统中的应用
纳米材料在力学系统中的应用随着科学技术的不断发展，纳米材料作为一种具有特殊物理和化学性质的材料，越来越受到科学家和工程师的关注。
纳米材料具有独特的尺寸效应、表面效应和量子效应，因此在力学系统中的应用潜力巨大。
本文将探讨纳米材料在力学系统中的应用，并分析其带来的影响。
一. 纳米材料的力学性能纳米材料由于其尺寸效应，常常具有出色的力学性能。
纳米材料的晶粒尺寸较小，晶界和缺陷比例较高，这使得纳米材料在力学强度和硬度方面表现出优势。
例如，纳米材料的弹性模量通常比宏观材料高出很多倍，同时具有更高的附着力和耐磨性。
二. 1. 纳米材料在材料加工中的应用纳米材料的高强度和硬度使其成为理想的材料选择，用于制造高强度的工具和零部件。
纳米材料可以用于制造高效的切削工具、高速轴承和耐磨件等。
此外，纳米材料还可以用于改善材料的塑性变形性能，提高材料在变形加工中的可塑性和韧性。
2. 纳米润滑剂在机械系统中的应用纳米润滑剂是一种将纳米颗粒添加到润滑剂中的新型润滑材料。
纳米颗粒具有较大的比表面积和表面活性，能够在摩擦表面形成均匀、连续的润滑膜，减少摩擦和磨损，并提高机械系统的效率和寿命。
纳米润滑剂在汽车发动机、轴承、齿轮传动等机械系统中具有广泛的应用前景。
3. 纳米传感器在力学测试中的应用纳米材料具有优异的物理和化学性能，特别是其高灵敏度和低噪声特性，使其成为制造高灵敏度传感器的理想选择。
纳米传感器可以用于测量力、压力、应变和振动等力学信号，广泛应用于航空航天、汽车、生物医药等领域。
4. 纳米生物材料在生物力学中的应用纳米材料在生物力学中的应用受到越来越多的关注。
纳米材料可以用于制造生物医学传感器、人工骨骼和人工关节等生物医学器械。
另外，纳米材料还可以被用来改善组织工程和再生医学的治疗效果，例如用于修复骨折、创伤和器官移植等。
三. 纳米材料应用的挑战和前景纳米材料在力学系统中的应用不仅带来了诸多机遇，也面临着一些挑战。
例如，纳米材料的制备和加工过程存在一定的困难，需要开发出适用于纳米尺度的高效加工工艺。
纳米材料的力学特性研究
纳米材料的力学特性研究纳米材料，作为一种新兴的材料，具有独特的物理、化学和力学特性。
力学特性是纳米材料中最为重要的研究方向之一，它关乎到纳米材料的可持续发展以及在各个领域的应用潜力。
本文将以纳米材料的力学特性研究为主题，介绍相关领域的新进展和挑战。
一、纳米材料的力学特性简介纳米材料的力学特性指的是在力学和材料科学中研究材料在施加力的作用下产生的变形行为和力学性能。
纳米材料的力学特性具有独特性，主要体现在以下几个方面：1. 尺度效应：由于纳米材料的尺寸通常在纳米级别，所以其力学特性会受到尺度效应的影响。
纳米材料的强度、硬度和韧性等力学性能与其尺寸有关，呈现出与宏观材料截然不同的特点。
2. 表面效应：纳米材料的表面积较大，表面效应在其力学特性中起到重要作用。
表面效应在纳米材料中导致应力场和位移场分布的非均匀性，从而影响了力学性能。
3. 晶界效应：纳米材料由于其颗粒尺寸较小，晶界的比例相对较高，晶界效应对力学特性的影响较大。
晶界是由不同晶格结构的晶体颗粒之间的相界面组成，晶界的存在会对纳米材料的强度、塑性和断裂韧性等力学性能产生显著的影响。
4. 可控变形：纳米材料具有较好的可塑性和可控变形能力，可以通过改变结构和形貌来调控其力学特性。
这为纳米材料的制备和应用提供了新的技术途径和研究方向。
二、纳米材料力学特性研究方法为了深入研究纳米材料的力学特性，科学家提出了许多研究方法和技术。
以下列举了几种常见的方法：1. 原位实时观察：通过采用透射电子显微镜（TEM）等技术，可以实时观察和记录纳米材料在变形过程中的微观结构和力学行为，进而得到纳米材料的力学性能参数。
2. 纳米压痕：纳米压痕技术可以通过在纳米尺度下施加小负载并测量样品的力学响应，来评估纳米材料的力学特性，如硬度、弹性模量等。
3. 分子动力学模拟：分子动力学模拟是一种基于粒子系统的计算模拟方法，可以模拟纳米材料的力学行为。
通过这种方法，可以研究纳米材料的原子层面的力学响应和变形机制。
纳米材料的力学性能研究方法与技巧
纳米材料的力学性能研究方法与技巧引言：纳米材料的力学性能研究是纳米领域中的一个重要课题。
纳米材料由于其特殊的尺寸效应和界面效应，表现出与传统材料截然不同的力学性能。
准确研究纳米材料的力学性能对于设计和制备具有特定性能的纳米材料具有重要意义。
本文将介绍纳米材料力学性能研究的方法和技巧。
一、纳米材料力学性能的测试方法1. 纳米压痕测试：纳米压痕测试是一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过利用压头对材料表面进行压痕，通过测量压头在样本表面产生的形变来计算材料在纳米尺度下的力学性能参数。
纳米压痕测试可以获得材料的硬度、弹性模量等力学性能参数。
2. 纳米拉伸测试：纳米拉伸测试是另一种常用的纳米材料力学性能测试方法。
该方法通过拉伸样品，测量其应变和应力，通过得到的应力-应变曲线来计算纳米材料的力学性能参数。
纳米拉伸测试可以获得材料的抗拉强度、屈服强度等性能参数。
3. 纳米压缩测试：纳米压缩测试是对纳米材料进行压缩加载，测量力与位移之间的关系，得出纳米材料的力学性能参数。
纳米压缩测试可以用于研究纳米材料的变形行为和力学性能。
二、纳米材料力学性能研究的技巧1. 选取合适的纳米材料：不同类型的纳米材料具有不同的力学性能。
在进行纳米材料力学性能研究前，需要根据具体研究目的选择合适的纳米材料。
考虑纳米材料的结构、成分以及合成方法等因素，选择具有一定代表性的样品进行力学性能测试。
2. 样品制备的标准化：样品制备对于纳米材料力学性能研究的结果具有重要影响。
因此，要确保样品制备的标准化和重复性。
在制备样品时应注意控制纳米颗粒的尺寸、形貌和分散性，避免影响力学性能测试的因素。
3. 合理选择性能测试参数：在进行纳米材料力学性能测试时，需要根据具体样品的特点和测试目的，选择合适的测试参数。
例如，在纳米压痕测试中，应根据样品的硬度范围选择合适的压头，以保证测试结果的准确性。
4. 结合理论计算与实验：纳米材料力学性能的研究需要结合理论计算与实验相结合。
纳米级材料的力学性能及其对结构材料的增强效应
纳米级材料的力学性能及其对结构材料的增强效应纳米级材料作为新一代材料科学的重要组成部分，因其在力学性能和结构特征方面的独特性质而受到广泛关注。
本文将探讨纳米级材料在力学性能方面的特点以及其在结构材料中的增强效应。
纳米级材料的力学性能表现出与传统材料迥然不同的特点。
一方面，纳米级材料的晶粒大小在纳米级别范围内，晶粒的尺寸效应和表面效应凸显出来。
晶体尺寸减小至纳米级别后，晶界和格错会对材料性能产生显著影响。
晶界对材料的韧性和延展性有所增强，从而更有效地抵抗塑性变形和断裂。
纳米级材料由于其特殊的尺寸效应，其材料的力学性能也会受到量子效应的影响，如电子束缚效应等。
另一方面，纳米级材料的高比表面积使其在力学性能方面呈现出明显的优势。
纳米级材料由于其高表面积与体积之比的巨大增加，使得材料表皮原子数目增多，更多的原子相互作用面，从而增加了材料的强度和硬度。
纳米级材料中存在更多的表面原子，可以有效地吸附和承载外部载荷，提高材料的抗弯曲和抗拉伸性能。
纳米级材料在结构材料中的应用具有显著的增强效应。
通过在结构材料中添加纳米级材料，可以显著改善材料的力学性能和功能性能。
纳米级材料可以增加结构材料的强度和硬度。
由于纳米级材料的高比表面积和尺寸效应，结构材料中添加纳米级材料可以增加材料的晶粒尺寸和表面积，从而提高材料的强度和硬度。
纳米级材料还可以增加材料的塑性变形能力，改善材料的韧性。
纳米级材料的添加还可以改善结构材料的疲劳性能和耐蚀性能。
纳米级材料具有高比表面积和尺寸效应的特点，可以提高结构材料的抗疲劳性能。
纳米级材料的添加能够增加材料的表面硬度和表面凸起，从而减少应力集中和裂纹扩展，提高材料的抗疲劳性能。
纳米级材料还能够提高结构材料的耐蚀性能，有效地阻止材料的腐蚀和氧化。
纳米级材料的应用还可以改善结构材料的导热性能和电子性能。
纳米级材料具有高比表面积和尺寸效应的特点，可以有效提高材料的导热性能。
纳米级材料的添加可以增加材料的界面数目，增强热传导路径，提高材料的导热性能。
纳米材料性能
纳米材料性能
纳米材料是一种具有特殊结构和性能的材料，其尺寸在纳米级别，通常是10^-
9米。
由于其微观结构的特殊性，纳米材料表现出许多独特的性能，包括力学性能、光学性能、电学性能、热学性能等方面。
本文将对纳米材料的性能进行详细介绍。
首先，纳米材料的力学性能表现出明显的尺寸效应。
当材料的尺寸缩小至纳米
级别时，其力学性能会发生显著变化。
例如，纳米材料的强度和硬度通常会显著提高，同时具有更好的韧性和延展性。
这使得纳米材料在材料加工和结构设计中具有广阔的应用前景。
其次，纳米材料的光学性能也备受关注。
由于纳米材料的尺寸接近光波长的量级，因此其与光的相互作用表现出独特的效应。
例如，纳米材料可以表现出显著的光学增强效应，使得其在光传感、光催化和光电器件等领域具有重要的应用价值。
此外，纳米材料还表现出优异的电学性能。
由于其特殊的电子结构和表面效应，纳米材料可以表现出优异的导电性、磁性和介电性等特点。
这使得纳米材料在电子器件、储能材料和传感器等领域具有广泛的应用前景。
最后，纳米材料的热学性能也备受关注。
纳米材料由于其尺寸效应和表面效应，通常表现出优异的热导率和热稳定性。
这使得纳米材料在热管理材料和纳米热电材料等领域具有重要的应用潜力。
总之，纳米材料具有独特的力学性能、光学性能、电学性能和热学性能，这些
性能使得纳米材料在材料科学、纳米技术和纳米工程等领域具有广泛的应用前景。
随着纳米材料研究的不断深入，相信纳米材料的性能将会得到进一步的提升，为人类社会的发展带来更多的惊喜和可能。
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• 位错位错属于一种线缺 陷，可视为晶体中已滑 移部分与未滑移部分的 分界线，其存在对材料 的物理性能，尤其是力 学性能，具有极大的影 响。 若一个晶面在晶体内部突然终止于某一条线处，则称这种不 规则排列为一个刃位错。刃位错附近的原子面会发生朝位错线方 向的扭曲。
11
9.1纳米材料的晶界与缺陷
f 3
: 晶界的厚度，通常包括2～3个原子间距；
d ：晶粒的直径； f ：晶界体积分数；
假设晶粒的平均尺寸为5nm，晶界的厚度为1nm，则由上式 可计算出晶界所占的体积分数为50％。
( d )
9.1纳米材料的晶界与缺陷
晶粒直径与晶界体积分数关系
晶粒/nm 晶界厚度/nm 晶粒个数/2×2×2m3 晶界体积分数/％ 2000 0.6 1 0.09 20 0.6 106 9.0 10 4 0.6 0.6 0.8×107 1.3×108 18.0 42.6 2 0.6 109 80.5
纳米材料的缺陷 在常规晶体材料中，不可避免地存在缺陷。分别为：点缺陷 （空位、间隙原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、亚晶 界）；
而纳米固体材料中，存在：
界面原子排列混乱； 界面原子配位不全； 纳米粉体压制成块体的过程中，晶格常数发生变化。 纳米材料的缺陷密度比常规晶体材料大得多
8
9.1纳米材料的晶界与缺陷
15
9.2纳米材料的力学性能概述
弹性模量
孔隙率越大， 弹性模量下降 越大
纳米材料孔隙率和弹性模量的关系
16
9.2纳米材料的力学性能概述
弹性模量
Fe、Ni等纳米粉体压制的固体材料 晶粒尺寸和弹性模量的关系，虚线/ 实线分别为晶界厚度0.5nm/1nm时的 测量曲线。 从图中可知，当晶粒小于20nm时， 弹性模量下降到粗晶的95%，晶粒尺 寸小于5nm时，弹性模量才明显下降。
材料力学性能
第9章 纳米材料的力学性能
材料与机电学院 艾建平 E-mail: ai861027@
内容提纲
9.1 纳米材料的晶界与缺陷
9.2 纳米材料的力学性能概述
霍尔-配奇关系
弹性模量
强度与韧性
超塑性
1
9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米固体材料是由颗粒或晶粒尺寸为1-100nm的粒 子凝聚而成的三维块体。纳米固体材料的基本构 成是纳米微粒加上它们之间的界面。
强度和韧性
突破现在工程材料的强度和韧性此消彼长的矛盾!
19
9.2纳米材料的力学性能概述
超塑性
颈缩在拉伸应力作用下，材料可能发生的局部截面缩减的现象，颈 缩和断裂意味着材料失去力学效能。 一般说来，如果材料的延伸率超过100％，就可称为超塑性。凡具有 能超过100％延伸率的材料，则称之为超塑性材料。 20
计算表明 : 当晶粒直径从 100 nm减小到2 nm时，三叉晶界 体积分数增加3个数量级，而 晶界体积分数仅增加 1个数量 级。
三叉晶界体积分数对晶粒尺寸的敏感度远远大于晶界体积分数
。这就意味着三叉晶界对纳米晶体材料的性能影响是非常大的 三叉晶界处的原子扩散更快，运动性更好
7
9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米晶粒尺寸和弹性模量的关系
17
9.2纳米材料的力学性能概述
强度和韧性
控制杂质的含量; 减少孔隙度和缺陷、提 高密度; 可以大幅度提高拉伸应 力下纳米金属的塑性和韧 性。实验表明全致密、 无污染的纳米 Cu 拉伸率可 达30%以上。
杂质对纳米晶金属的塑性的影响
18
9.2纳米材料的力学性能概述
在较低的温度下，如室温附近脆性的陶瓷或金属间 化合物在具有纳米晶时，具有塑性或是超塑性。
14
9.2纳米材料的力学性能概述
霍尔-配奇关系 硬度表示，即为 H= H0 +kd-1/2 对各种粗晶材料都是适用的。
• 多数测量表明，纳米材料的强度在晶粒很小时远低于 Hall-Petch公式 的计算值。
晶界在常规粗晶材料中仅仅是一种面缺陷； 晶界不仅仅是一种缺陷，更重要的是构成纳米材料的一个组元，即 晶界组元（Grain Boundary Component）。已经成为纳米固体材料的基 本构成之一，并且影响到纳米固体材料所表现出的特殊性能！
5
9.1纳米材料的晶界与缺陷
界面可变结构模型 界面缺陷态模型
Q D D0 exp( ) RT
式中，A为常数； G为切变模量； E 为弹性模量； D 为描述蠕变的扩 散系数；b为柏氏矢量；d为晶粒尺寸；σ为应力；R为气体常数；Q 为扩散激活能；s为晶粒指数，晶格扩散时为 2，晶界扩散时为 3。
22
Thank you!
图3 纳米Pd薄膜的高分辨透射电镜照片
其中心思想是界面包含大量 缺陷，其中三叉晶界对界面性 质的影响起关键作用。
图4 纳米材料晶界平面示意图
6
9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米固体材料中的三叉晶界
所谓三叉晶界，指三个或三个以上相邻晶粒之间的交叉区域，也称旋错。
晶界 Δ
图5 三叉晶界示意图
三叉 晶界
图1 纳米材料晶界
图2 石榴果内部形貌照片
2
9.1纳米材料的晶界与缺陷 纳米固体材料的基本结构组成
纳米晶体材料＝晶粒组元＋晶界组元
纳米非晶材料＝非晶组元＋界面组元
纳米准晶材料＝准晶组元＋界面组元
纳米固体材料＝颗粒组元＋界面组元
3
9.1纳米材料的晶界与缺陷
纳米材料晶界结构及特点 纳米材料中晶界占有很大的体积分数，这是评定 纳米材料的一个重要参数。
不同金属纳米晶粒位错稳定存在的特征长度不同，如 Cu\Al\Ni等 当金属晶粒的形态不同时， 特征长度也有所不同
12
9.1纳米材料的晶界与缺陷 纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系
Coch总结了在纳米材料中位错与晶粒大小之间的关系，认 为： 1.当晶粒尺寸在50～100nm之间，温度<0.5 （熔点）时， 位错的行为决定了材料的力学性能。随着晶粒尺寸的减小 ，位错的作用开始减小。 2.当晶粒尺寸小于50nm时可认为基本上没有位错行为。 3.当晶粒尺寸小于10nm时产生新的位错很困难。 4.当晶粒小于约2nm时，开动位错源的应力达到无位错晶 粒的理论切应力。 对于位错在纳米材料中的行为需要从理论上和实验上进 行更深入的研究。
9.2纳米材料的力学性能概述
超塑性
ZnAl22的拉伸变形（ 250℃时延伸率 1083%）
高温合金INCONEL718的超塑性成形航天器件 21
9.2纳米材料的力学性能概述
超塑性
微米晶的超塑性变形是扩散控制的过程。应变速率：
DGb b s 2 A ( ) ( ) KT d E
孔洞
孔洞一般处于晶界上，其主要源于 原硬团聚中原先存在孔洞，高温烧结无法消除硬团聚体， 因此，孔洞就会被保留下来； 纳米微粒表面易吸附气体，压制过程中形成气孔，一经 烧结，气体逃逸，留下孔洞。
孔洞随退火温度的升高和退火时间的延长，会收缩，甚
至会完全消失，可达到纳米材料的致密化。
10
9.1纳米材料的晶界与缺陷
位错稳定存在的特征长度
Cu
G （GPa）
Al 28 0.286 6.56 18 11
Ni 95 0.249 8.7 16 10
α -Fe 85 0.245 45.5 3 2
33 0.256 1.67 38 24
b （nm）
p（10 GPa）
l c （nm）球形
－2
粒子
l c （nm）圆柱
粒子
13
9.2纳米材料的力学性能概述
1996-1998年，Coch等人总结出四条纳米材料与常规晶粒材 料不同的结果： 纳米材料的弹性模量较常规晶体材料降低了30%-50%。 纳米纯金属的硬度或强度是大晶粒（1um）金属的2-7倍。 纳米材料可具有负的Hall-Petch关系。即随着晶粒尺寸减小， 材料的强度降低。
点缺陷
纳米材料中，界面体积分数比常规多晶材料大得多， 这使得空位、空位团和孔洞等点缺陷增多
空位 空位主要存在于晶界上，是在纳米固体由颗粒压制成块体 的过程中形成的。
空位团 空位团主要存在于三叉晶界上，其形成一部分归结为单 个空位的扩散、聚集，另一部分是在压制块体时形成的。
9
9.1纳米材料的晶界与缺陷