纳米材料的物理性能.
纳米材料物理热学性质
纳米材料的热学性质纳米材料是一种既不同于晶态，又不同于非晶态的第三类固体材料，通常指三维空间尺寸至少有一维处于纳米量级 ( 1 n m～1 0 0 n m)的固体材料。
由于纳米材料粒径小，比表面积大，处于粒子表面无序排列的原子百分比高达 l 5 ～5 0 ％。
纳米粒子的这种特殊结构导致其具有不同于传统材料的物理化学特性。
纳米材料的高浓度界面及原子能级的特殊结构使其具有不同于常规块体材料和单个分子的性质，纳米材料具有表面效应，体积效应，量子尺寸效应宏观量子隧道效应等，从而使得纳米材料热力学性质具有特殊性，纳米材料的各种热力学性质如晶格参数，结合能，熔点，熔解焓，熔解熵，热容等均显示出尺寸效应和形状效应。
可见，纳米材料热力学性质在各方面均显现出与块体材料的差异性，研究纳米材料的热力学性质具有极其重要的科学意义和应用价值。
一热容1996年，在低温下测定了纳米铁随粒度变化的比热，发现与正常的多晶铁相比，纳米铁出现了反常的比热行为，低温下的电子比热系数减50 %。
1998年，通过研究了粒度和温度对纳米粒子热容的影响，建立了一个预测热容的理论模型，结果表明:过剩的热容并不正比于纳米粒子的比表面，当比表面远小于其物质的特征表面积时，过剩的热容可以认为与粒度无关。
2002年，又把多相纳米体系的热容定义为体相和表面相的热容之和，因为表面热容为负值，所以随着粒径的减小和界面面积的扩大，将导致多相纳米体系总的热容的减小，二.晶格参数，结合能，内聚能纳米微粒的晶格畸变具有尺寸效应，利用惰性气体蒸发的方法在高分子基体上制备了1. 45nm 的pd纳米微粒，通过电子微衍射方法测试了其晶格参数，发现 Pd 纳米微粒的晶格参数随着微粒尺寸的减小而降低。
结合能的确比相应块体材料的结合能要低。
通过分子动力学方法，模拟 Pd 纳米微粒在热力学平衡时的稳定结构，并计算微粒尺寸和形状对晶格参数和结合能的影响，定量给出形状对晶格参数和结合能变化量的贡献研究表明:在一定的形状下，纳米微粒的晶格参数和结合能随着微粒尺寸的减小而降低，在一定尺寸时，球形纳米微粒的晶格参数和结合能要高于立方体形纳米微粒的相应量。
纳米材料物理实验报告
一、实验目的1. 了解纳米材料的物理特性；2. 掌握纳米材料物理实验的基本方法；3. 分析纳米材料的物理性能与结构之间的关系。
二、实验原理纳米材料是指尺寸在纳米尺度（1-100nm）的材料，具有独特的物理特性。
纳米材料的物理特性与其结构密切相关，主要包括表面效应、量子限域效应、小尺寸效应等。
本实验主要研究纳米材料的以下物理特性：1. 热导率；2. 热扩散率；3. 纳米材料的力学性能。
三、实验材料与仪器1. 实验材料：纳米材料粉末（如碳纳米管、石墨烯等）；2. 实验仪器：扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射仪（XRD）、热导率测试仪、力学性能测试仪等。
四、实验步骤1. 纳米材料粉末的制备：将纳米材料粉末进行干燥、研磨等处理，使其达到实验要求；2. 纳米材料的表征：利用SEM和XRD等手段对纳米材料的形貌、晶体结构等进行表征；3. 纳米材料的热导率测试：将纳米材料粉末进行压制，制成样品，利用热导率测试仪测试其热导率；4. 纳米材料的热扩散率测试：将纳米材料粉末进行压制，制成样品，利用热扩散率测试仪测试其热扩散率；5. 纳米材料的力学性能测试：将纳米材料粉末进行压制，制成样品，利用力学性能测试仪测试其抗拉强度、断裂伸长率等性能；6. 数据分析：对实验数据进行整理、分析，探讨纳米材料的物理性能与结构之间的关系。
五、实验结果与分析1. 纳米材料粉末的表征结果显示，纳米材料粉末具有较好的分散性，形貌均匀；2. 纳米材料的热导率测试结果显示，纳米材料的热导率随纳米材料粉末的尺寸减小而增大；3. 纳米材料的热扩散率测试结果显示，纳米材料的热扩散率随纳米材料粉末的尺寸减小而增大；4. 纳米材料的力学性能测试结果显示，纳米材料的抗拉强度、断裂伸长率等性能随纳米材料粉末的尺寸减小而增大。
六、实验结论1. 纳米材料的物理特性与其结构密切相关，纳米材料的尺寸减小，其物理性能相应增强；2. 纳米材料的热导率、热扩散率等物理性能与其结构、尺寸等因素有关；3. 纳米材料的力学性能与其结构、尺寸等因素有关。
纳米材料的物理性质和应用
纳米材料的物理性质和应用纳米材料指的是具有纳米级尺寸（一纳米等于十亿分之一米）的材料，它们具有独特的物理性质和广泛的应用前景。
本文将探讨纳米材料的物理性质及其在各个领域中的应用。
一、纳米材料的物理性质1. 表面效应纳米材料的比表面积远大于其体积，这使得纳米材料具有显著的表面效应。
例如，纳米颗粒在化学反应中的活性比宏观颗粒高出数倍，这是因为更多的原子或分子位于表面，使其更易于与其他物质接触和反应。
2. 尺寸效应纳米材料的尺寸与宏观材料相比更小，因此纳米材料的电子、光学和磁学性质发生了显著变化。
例如，金属纳米颗粒的表面等离子体共振现象使其具有优异的光学性能，可以应用于传感器、光学器件等领域。
3. 量子尺寸效应当纳米材料的尺寸接近或小于其波长或布洛赫波长时，量子效应开始显现。
例如，纳米晶体在光谱吸收和发射方面表现出离散的能级，这对于光电器件的设计和制造具有重要意义。
4. 界面效应纳米材料中存在着大量的界面和晶界，这些界面对材料的性能有重要影响。
例如，纳米材料的晶界可以增强材料的强度和硬度，提高材料的韧性和塑性。
二、纳米材料的应用1. 催化剂纳米材料由于其高比表面积和特殊物理化学性质，被广泛应用于催化剂领域。
纳米催化剂具有高活性、高选择性和高稳定性等特点，在化学反应和能源转换中发挥着重要作用。
例如，纳米金属颗粒作为催化剂可以提高化学反应的反应速率和产物收率。
2. 电子器件纳米材料在电子器件中具有广泛的应用，如纳米晶体管、纳米传感器和纳米电池等。
纳米晶体管具有高电子迁移率和低功耗特性，对于半导体行业的发展具有重要意义。
纳米传感器可以实现对微小生物分子和环境变化的高灵敏检测。
纳米电池具有高能量密度和长循环寿命等优势，在可穿戴设备和电动汽车等领域具有广阔的应用前景。
3. 医疗领域纳米材料在医疗领域的应用涉及到药物传递、诊断和治疗等方面。
纳米药物传递系统可以将药物精确释放到病变组织或细胞，提高疗效和减少副作用。
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。
第三章 纳米材料的特性
（一）纳米材料的结构与形貌ZnO nanotube （一）纳米材料的结构与形貌1D ZnO nanostructures 热学性能电学性能磁学性能光学性能开热学性能开始烧结温度下降开始烧结温度下降TiO2微粒的烧结与尺寸关系纳米颗粒的晶化温度降低电阻特性介电特性压电效应电阻特性纳米金属与合金的电阻Gleiter等对纳米金属Cu，Pd，Fe块体的电阻与温度关系，电阻温度系数与颗粒尺寸的关系进行与常规材料相比，Pd纳米相固体z 随颗粒尺寸减小，电阻温度系Pd纳米固相的电阻温度系数与尺寸的关系例如，纳米银细粒径20nm18nm11nm纳米金属与合金的电阻电阻特性电阻特性介电特性是材料的基本物性•介电常数：•最新的纳米材料微波损耗机制是如今吸波材料分析的一大热点常规材料的极化都与结构的有序相联系，而纳米材料在结构上与常规粗晶材料存在很大的差别．它的介电行为（介电常数、介电损耗）有自己的特点。
介电特性减小明显增大。
在低频范围内远高于体材料。
介电特性目前，对于不同粒径的纳米非晶氮化硅、纳米钛矿、金红石和纳米（个损耗峰．损耗峰的峰位随粒径增大移向高频。
7nm27nm 84nm 258nm介电特性压电效应压电效应纳米压电电子学(Nanopiezotronics)全新研究领域和学科,有机地把压电效应和半导体效应在纳米尺度结合起来高磁化率超顺磁性：当铁磁质的磁化达到饱和之后，如果将外磁场去掉，由于介质中的掺杂内应力阻碍磁畴恢复到原来的纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸时通常呈现高的矫顽力右图为用惰性气体蒸发冷凝方法制备的Fe纳米微粒居里温度降低居里温度降低居里温度降低随粒径下降而减小，根据铁磁学，原子间距减小会随着粒径减小而对9nm Ni微粒：高磁化率巨磁电阻效应z 巨磁电阻效应巨磁电阻效应纳米材料磁学特性小结纳米材料光学特性宽频带强吸收粒子的反射率为1％，Au 纳米粒子的反射率小于10％。
纳米氮化硅对红外有一个宽频强吸收谱纳米氮化硅红外光谱Si3N4热压片的红外吸收谱Si-N 键伸缩震动宽频带强吸收吸收光谱的兰移现象吸收光谱的兰移现象激子吸收带吸收光谱的红移现象吸收光谱的红移现象：激子吸收带纳米颗粒发光现象上图曲线1和2分别为掺了粒径大于10 纳米和5纳米的CdSexS1-x的玻璃的光吸收谱，尺寸变小后出现明显的激子峰。
纳米材料物理化学性质
第四章纳米材料的物理化学性能纳米微粒的物理性能第一节热学性能※1.1. 纳米颗粒的熔点下降由于颗粒小，纳米颗粒的表面能高、比表面原子多，这些表面原子近邻配位不全，活性大以及体积远小于大块材料的纳米粒子熔化时所需要增加的内能小得多，这就使纳米微粒熔点急剧下降。
金的熔点：1064o C；2nm的金粒子的熔点为327o C。
银的熔点：960.5o C；银纳米粒子在低于100o C开始熔化。
铅的熔点：327.4o C；20nm球形铅粒子的熔点降低至39o C。
铜的熔点：1053o C；平均粒径为40nm的铜粒子，750o C。
※1.2. 开始烧结温度下降所谓烧结温度是指把粉末先用高压压制成形，然后在低于熔点的温度下使这些粉末结合成块，密度接近常规材料的最低加热温度。
纳米颗粒尺寸小，表面能高，压制成块材后的界面具有高能量，在烧结中高的界面能成为原子运动的驱动力，有利于界面中的孔洞收缩，空位团的湮灭，因此，在较低的温度下烧结就能达到致密化的目的，即烧结温度降低。
※1.3. NPs 晶化温度降低非晶纳米颗粒的晶化温度低于常规粉末，且纳米颗粒开始长大温度随粒径的减小而降低。
※熔点降低、烧结温度降低、晶化温度降低等热学性质的显著变化来源于纳米材料的表（界）面效应。
第二节电学性能2.1 纳米金属与合金的电阻特性1. 与常规材料相比，Pd纳米相固体的比电阻增大；2. 比电阻随粒径的减小而逐渐增加；3. 比电阻随温度的升高而上升4. 随粒子尺寸的减小，电阻温度系数逐渐下降。
电阻的温度变化规律与常规粗晶基本相似，差别在于温度系数强烈依赖于晶粒尺寸。
随着尺寸的不断减小，温度依赖关系发生根本性变化。
当粒径为11nm时，电阻随温度的升高而下降。
5. 当颗粒小于某一临界尺寸时（电子平均自由程），电阻的温度系数可能会由正变负，即随着温度的升高，电阻反而下降（与半导体性质类似）.电子在晶体中传播由于散射使其运动受阻，而产生电阻。
※纳米材料的电阻来源可以分为两部分：颗粒组元（晶内）：当晶粒大于电子平均自由程时主要来自晶内散射界面组元（晶界）：晶粒尺寸与电子平均自由程相当时，主要来自界面电子散射•纳米材料中大量的晶界存在，几乎使大量电子运动局限在小颗粒范围。
纳米材料的物理性能.
《材料科学前沿》学号：S1*******流水号：S2*******姓名：张东杰指导老师：郝耀武纳米晶材料的物理性能摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。
纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。
本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。
关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能1、引言纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。
因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。
实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。
对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。
纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。
纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。
纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。
当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。
又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。
我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。
纳米材料是什么
纳米材料是什么
纳米材料是一种具有纳米尺度特征的材料，其在纳米尺度下具有特殊的物理、化学和生物学性质。
纳米材料的尺寸通常在1到100纳米之间，这使得它们具有与常规材料不同的特性和应用潜力。
纳米材料可以是纳米颗粒、纳米线、纳米片、纳米管等形态，其结构和性质对于材料科学、纳米技术和生物医学等领域具有重要意义。
首先，纳米材料具有独特的物理性质。
由于其尺寸接近原子和分子尺度，纳米材料表现出与宏观材料不同的量子效应，如量子大小效应、表面效应等。
这些特殊的物理性质赋予纳米材料优异的光学、电子、磁性和热学性能，使其在纳米电子器件、纳米传感器、纳米光学器件等领域展现出巨大的应用潜力。
其次，纳米材料具有独特的化学性质。
纳米材料的表面积相对于体积非常大，这使得其在化学反应和催化过程中具有更高的活性和选择性。
纳米材料在催化剂、吸附剂、储能材料等方面的应用备受关注，其高效的化学反应活性和表面催化性能为解决环境污染和能源危机等问题提供了新的途径。
此外，纳米材料还具有独特的生物学性质。
纳米材料在生物医学领域的应用日益广泛，如纳米药物载体、纳米诊断试剂、纳米生物传感器等。
纳米材料的小尺寸使其能够穿透细胞膜，实现对细胞和组织的精准治疗和诊断，为医学诊疗带来革命性的变革。
总之，纳米材料是一种具有独特物理、化学和生物学性质的材料，其在各个领域都展现出巨大的应用潜力。
随着纳米技术的不断发展和进步，相信纳米材料将会在材料科学、纳米技术、生物医学等领域发挥越来越重要的作用，为人类社会的发展和进步做出更大的贡献。
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《材料科学前沿》学号：S1*******流水号：S2*******姓名：张东杰指导老师：郝耀武纳米晶材料的物理性能摘要：纳米材料由于其独特的微观结构和奇异的物理化学性质，目前已成为材料领域研究的热点之一。
纳米晶材料具有优异的物理特性，这是由所组成的微粒的尺寸、相组成和界面这三个方面的相互作用来决定的。
本文简要介绍了纳米晶材料的定义，综述了纳米晶材料的各种物理特性。
关键词：纳米材料，纳米晶材料，物理性能1、引言纳米材料是指三维空间尺度至少有一维处于纳米量级（1~100nm）的材料，它是由尺寸介于原子、分子和宏观体系之间的纳米粒子所组成的新一代材料。
由于其组成单元的尺度小，界面占用相当大的成分。
因此，纳米材料具有多种特点，这就导致由纳米微粒构成的体系出现了不同于通常的大块宏观材料体系的许多特殊性质。
纳米体系使人们认识自然又进入一个新的层次，它是联系原子、分子和宏观体系的中间环节，是人们过去从未探索过的新领域。
实际上由纳米粒子组成的材料向宏观体系演变过程中存在结构上有序度的变化和在状态上的非平衡性质，使体系的性质产生很大的差别。
对纳米材料的研究将使人们从微观到宏观的过渡有更深入的认识。
纳米材料按其结构可分为四类：晶粒尺寸至少在一个方向上在几个纳米范围内的称为三维纳米材料；具有层状结构的称为二维纳米材料；具有纤维结构的称为一维纳米材料；具有原子簇和原子束结构的称为零维纳米材料。
纳米晶材料（纳米结构材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。
纳米晶材料是一种非平衡态的结构，其中存在大量的晶体缺陷。
当然，纳米材料也可由非晶物质组成，例如：半晶态高分子聚合物是由厚度为纳米级的晶态层和非晶态层相间地构成的故是二维层状纳米结构材料。
又如纳米玻璃的组成相均为非晶态，它是由纳米尺度的玻璃珠和界面层所组成。
我们这里主要讨论纳米晶材料的物理性能。
2、纳米晶材料的物理性能纳米结构材料因其超细的晶体尺寸（与电子波长、平均自由程等为同一数量级）和高体积分数的晶界（高密度缺陷）而呈现特殊的物理、化学和力学性能。
下表所列的一些纳米晶材料与通常多晶体或非晶态时的性能比较，明显地反映了其变化特点。
纳米晶金属与通常多晶或非晶的性能 性能单位 金属 多晶 单晶 纳米晶 热膨胀系数10-6K -1 Cu 16 18 31 比热容(295K)J/(g ⋅K) Pd 0.24 - 0.37 密度g/cm 3 Fe 7.9 7.5 6 弹性模量GPa Pd 123 - 88 剪切模量GPa Pd 43 - 32 断裂强度MPa Fe-1.8%C 700 - 8000 屈服强度MPa Cu 83 - 185 饱和磁化强度(4K)4π⋅10-7Tm 3/kg Fe 222 215 130 磁化率4π⋅10-9Tm 3/kg Sb -1 -0.03 20 超导临界温度K Al 1.2 - 3.2 扩散激活能eV Ag 于Cu 中 2.0 - 0.39Cu 自扩散 2.04 - 0.64 德拜温度 K Fe 467 - 3纳米晶材料的力学性能远高于其通常多晶状态，上表中所举的高碳铁（质量分数)(C ω=1.8%）就是一个突出的例子，其断裂强度由通常的700MPa 提高到8000MPa ，增加达1140％。
但一些实验结果表明霍尔- 佩奇公式的强度与晶粒尺寸关系并不延续到纳米晶材料，这是因为霍尔- 佩奇公式是根据位错塞积的强化作用而导出的，当晶粒尺寸为纳米级时，晶粒中可存在的位错极少，甚至只有一个，故霍尔-佩奇公式就不适用了；此外，纳米晶材料的晶界区域在应力作用下会发生弛豫过程而使材料强度下降；再者，强度的提高不能超过晶体的理论强度，晶粒变细使强度提高应受此限制。
纳米晶微粒之间能产生量子输运的隧道效应、电荷转移和界面原子耦合等作用，故纳米材料的物理性能也异常于通常材料。
纳米晶导电金属的电阻高于多晶材料，因为晶界对电子有散射作用，当晶粒尺寸小于电子平均自由程时，晶界散射作用加强，电阻及电阻温度系数增加。
但纳米半导体材料却具有高的电导率，如纳米硅薄膜的室温电导率高于多晶硅3个数量级，高于非晶硅达5个数量级。
纳米晶材料的磁性也不同于通常多晶材料，纳米铁磁材料具有低的饱和磁化强度、高的磁化率和低的矫顽力，纳米晶材料的其他性能，如超导临界温度和临界电流的提高、特殊的光学性质、触媒催化作用等也是引人注目的。
以下详细的介绍纳米金材料的各种力学性能。
2.1 纳米晶材料的力学性能力学性能是材料能否作为结构应用的最重要依据。
常用的金属、非金属以及有关的复合材料，人们对其力学性能进行过许许多多的研究，有了相当充分的了解，而且建立了诸如位错理论、形变和断裂理论等一系列的理论，能够比较好地描述实验现象。
今天甚至能够在一定程度上进行材料设计，按照所需要的性能来指导材料的生产。
比较早期关于纳米材料力学性能的研究，明确地发现了下述几点：①弹性模量比通常晶粒材料的要低30％- 50％；②晶粒度约10nm的纯金属的强度和硬度比粒度大于lmm的金属要高2- 7倍；③具有负的Hall-Petch斜率，即在纳米晶粒度内，硬度随粒度的减小而减小；④韧性好，或许还具有超塑性。
虽然这些早期的观察得到了随后研究的证实，但是早期所使用的体纳米材料样品守包含了太多的孔洞或其他一些在制备过程中人为引入的掺杂，就是说真实的性能还需要进一步研究。
下面对纳米晶材料的主要力学性能进行讨论。
2.1.1 强度由于纳米材料晶界原子间隙的增加和气孔的存在, 使其杨氏模量减小了百分之三十以上。
此外, 由于晶粒减小到纳米量级, 使纳米材料的强度和硬度比粗晶材料高4~5倍。
14nm晶粒的金属钯样晶, 其0.2%屈服强度为250MNm-2, 而5-微米晶粒的仅为52MNm-2。
Hall-Petch关系式给出了0.2%屈服强度随晶粒尺寸变化的规律：式中d 为晶粒尺寸,为0.2%屈服强度或硬度, 为移动单个位错的晶格摩擦应力或d趋近于无穷大时单晶样品的硬度,n为晶格尺寸指数（一般为一0.5）, K H为常数。
由上式可以看出, 材料的屈服强度或者硬度随晶粒的减小而增大, 但当晶粒减小到一定程度时, 由于晶界效应, 使强度降低, 即出现逆Hall-Petch效应。
这显然不能解释纳米材料高强度的原因, 这是由于Hall-Petch关系是从单原子堆积位错的概念中推导出来的, 但由于纳米材料结构非常精细, 不能形成堆积位错, 从而使Hall-Petch关系不适用于纳米材料。
关于纳米材料高强度产生的原因, 国内外已有很多报道，但是目前尚无统一看法。
2.1.2 塑性在普通金属材料中, 当晶粒尺寸减小时, 不仅材料的强度会提高, 而且塑性也提高。
但是已有的试验结果表明, 纳米晶材料的塑性都比较低, 与人们的期望相差甚远。
不同纳米金属和合金的伸长率和晶粒大小的关系曲线表明, 随着晶粒减小, 伸长率明显下降。
当晶粒尺寸小于30 nm 时, 大多数材料的伸长率均小于3%。
压制制备的纳米铜（晶粒尺寸小于25 nm），其伸长率低于10%, 比粗晶铜小得多, 并且伸长率随晶粒的减小而减小。
但界面洁净、高致密纳米铜（晶粒尺寸为30 nm）的伸长率大于30%, 与粗晶铜差不多, 而强度是粗晶铜的2 倍。
以晶粒尺寸为函数来阐述不同的塑性变形机制分子动力学模拟结果表明：（a）晶粒尺寸d >1 μm，材料中的位错和加工硬化现象控制了塑性变形；（b）在最小的晶粒尺寸d <10 nm，其中晶内位错数量和活性有限，晶粒边界剪切被认为是主要的变形机制。
（c）中间的晶粒尺寸范围（10 nm~1 μm）内，人们的理解仍然很少，正是这些不为人们所熟知的机理强烈地影响了材料的延展性。
2.1.3 弹性模量纳米晶材料的弹性模量与其孔隙率密切相关, 随孔隙率减小, 弹性模量增加。
纳米晶银的弹性模量随密度的变化规律呈现三个明显的阶段, 即当密度小于约92%时, 弹性模量随密度增加而增加; 当相对密度为92%~ 94%时, 弹性模量对密度变化不敏感;而当相对密度大于94%时, 弹性模量又随密度增加而迅速增加。
可见纳米晶材料中的孔隙、缺陷或裂纹使其弹性模量降低。
如纳米晶铁的弹性模量随着孔隙率的降低快速增大。
试样中如存在空隙和裂纹, 杨氏模量可降低很多[ 12]。
高致密度纳米晶材料的弹性模量与普通材料相近, 或稍微低一些。
无空隙纳米晶铁、铜及镍的测试结果显示其弹性模量比粗晶材料略小。
有学者认为纳米晶材料的弹性模量与其晶界及三叉晶界所占的体积分数有关, 随着晶粒尺寸的减小, 晶界及三叉晶界本征固有结构的影响使纳米晶材料的弹性模量比普通粗晶材料稍有下降。
Yulin Lu 等的工作也显示纳米晶（晶粒尺寸直到小于5 nm）材料的弹性模量与普通晶粒尺寸材料几乎相同。
有试验结果表明, 纳米晶铜和微米晶铜具有相同的弹性模量。
2.1.4 蠕变对纳米晶材料, 高温变形可导致晶粒长大, 因此很难得到微观结构变化对本质蠕变行为的影响。
根据Coble 蠕变关系, 纳米材料的蠕变速率应该很高, 但试验结果却非如此。
在惰性气体冷凝加原位压制法制备的纳米晶铜、铅及铝-锌合金中发现其蠕变速率比Coble 蠕变关系的计算值低2~ 4 个数量级, 但与对数蠕变公式的计算值相符。
大量的低能晶界( 孪晶界、小角度晶界以及其他低能晶界) 以及小晶粒对位错运动的阻碍可能是导致低蠕变速率的原因。
晶粒尺寸越小, 蠕变、超塑性开始温度越低, 以致在室温下就可观察到蠕变, 纳米铜和钯在室温下观察到对数蠕变。
电沉积纳米晶镍静态、动态蠕变试验结果显示其存在明显的室温蠕变行为。
纳米钯在室温及低于屈服强度的应力水平下就可观测到拉伸蠕变。
在室温下纳米晶镍在高应力下也发生蠕变。
2.1.5 疲劳纳米晶材料疲劳试验研究少有报道。
对纳米晶铜的疲劳研究显示, 与粗晶材料相比, 纳米晶铜具有更高的疲劳极限。
对电沉积制备的纳米镍( 晶粒尺寸为51~ 100nm) 的大块试样的高周疲劳研究表明, 其高周疲劳行为与相应的普通材料相似。
对纳米晶材料目前没有足够的关于疲劳周期和疲劳裂纹生长速率关系的试验数据。
Weertman 等研究了惰性气体冷凝和原位热压方法制备的纳米铜小型试样的旋转拉伸疲劳行为, 发现试样可承受几万转的室温旋转拉伸疲劳试验。
停止试验后发现试样发生了一定的永久性变形, 应变量与其室温蠕变试验的应变量相近, 同时试样的晶粒尺寸在试验后增大了30% 。
2.2 纳米晶材料的热学性能纳米晶材料的热物理性能包括运输性质和热力学性质两大类。
其中，物质的运输性质是指能量和动量传递过程有关的导热系数、热扩散率、黏度、热膨胀系数以及热辐射性质（发射率、吸收率、反射率）等，热力学性质是指比热容和热焓等。