ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский государственный индустриальный университет (гоу мгиу)
Кафедра: «Материаловедение»
РЕФЕРАТ
ПО ДИСЦИПЛИНЕ: «Новые материалы и методы обработки»
НА ТЕМУ: «Механические свойства нанаматериалов и методы их исследования»
Группа 10321
Студент ______________ И.В. Ефимова
Руководитель проекта,
должность, звание ______________ В.В. Столяров
МОСКВА 2008
Содержание
Введение………………………………………………………………....………..3
Механические свойства…………………………………………………....…….7
Механические свойства фуллерита и других
углеродных материалов…………………………………………..………8
Механические свойства углеродных нанотрубок…………………..…..9
Механические свойства квазикристаллов……………………….….….11
Механические свойства нанокристаллических материалов………….…..….13
Упругие свойства……………………………………………………...…13
Твердость, предел текучести и прочность…………………………..…13
Вывод………………………………………………………………………...….15
Литература…………………………………………………………………..….16
Введение
Под наноструктурными материалами или наноматериалами понимаются материалы, состоящие из нанообластей (структурных составляющих или структурных элементов) с размерами нанометрового диапазона, разделенных границами (двумерными областями с иной структурой). Основной признак многочисленных видов наноматериалов – нанометровый диапазон размеров базовых элементов структуры – нанозерен (нановключений, нанопор), кристаллографических структурных элементов (модулей), кластеров, фуллеренов, гигантских молекул, нановключений, нанонитей, нанопленок и др. Часто в качестве условного верхнего предела нанометрового диапазона принимают 100 нм, нижнего – размер отдельных атомов. Наука о наноразмерных объектах – совокупность знаний о структуре и свойствах структур и систем наноскопического масштаба. Таким образом, объектами её изучения являются массивные наноматериалы и малоразмерные изолированные объекты – наночастицы, нановолокна, нанопленки, кластеры и их ансамбли. Кластерами называют наночастицы с размером меньше некоторого критического, когда при уменьшении числа атомов начинают изменяться элементы симметрии и свойства, присущие данному типу кристалла.
Наноматериалы – это однофазные или гетерофазные материалы, которые по структурному признаку могут быть отнесены к следующим группам материалов: наноструктурные, нанокристаллические, нанокластерные, нанокристаллографические или субмолекулярные и наноструктурно-кластерные композитные.
Структура и соответственно свойства наноматериалов формируются на стадии их изготовления. Вполне очевидно значение технологии как основы для обеспечения стабильных и оптимальных эксплуатационных характеристик наноматериалов; это важно также с точки зрения их экономичности. В настоящее время технологией наноматериалов занимаются как производственные, так и исследовательские организации. Для технологии наноматериалов в соответствии с многообразием последних характерно сочетание, с одной стороны, металлургических, физических, химических и биологических методов, а с другой стороны, традиционных и принципиально новых приемов. Так, если подавляющее большинство методов получения консолидированных наноматериалов достаточно традиционны, то такие операции, как изготовление, например, «квантовых загонов» с помощью сканирующего туннельного микроскопа, формирование квантовых точек самосборкой атомов, получение ДНК-нанокомпозитов или использование ионно-трековой технологии для создания пористых структур в полимерных материалах основаны на принципиально иных технологических приемах.
При достаточно большой нагрузке все материалы ломаются и в месте излома соседние слои атомов навсегда отходят друг от друга. Однако прочность многих материалов зависит не от того, какую силу надо приложить, чтобы отделить два соседних слоя атомов. На самом деле, разорвать любой материал гораздо легче, если в нём есть трещины. Поэтому прочность твёрдых материалов зависит от того, сколько в нём микротрещин и каких, и как трещины распространяются по этому материалу. В тех местах, где есть трещина, сила, испытывающая на прочность материал, приложена не ко всему слою, а к цепочке атомов, находящейся в вершине трещины, и поэтому раздвинуть слои очень легко (см. рис. 1а).
Рисунок 1а. Схематическое изображение трещины между двумя слоями атомов, расширяющейся при действии сил.
Распространению трещин часто мешает микроструктура твёрдого тела. Если тело состоит из микрокристаллов, как, например, металлы, то трещина, расколов надвое один из них, может наткнуться на внешнюю поверхность соседнего микрокристалла и остановиться. Таким образом, чем меньше размер частиц, из которых слеплен материал, тем труднее по нему распространяются трещины.
Рисунок 1б. Изготовление нанофазной меди.
Материалы, составленные из наночастиц, называют нанофазными. Примером нанофазного материала может быть нанофазная медь, изготовление которой показано на рис. 1б. Чтобы изготовить нанофазную медь, лист обычной меди нагревают до высокой температуры, при которой с его поверхности начинают испаряться атомы меди. С конвективным потоком эти атомы движутся к поверхности холодной трубки, на которой они осаждаются, образую конгломераты наночастиц. Плотный слой наночастиц меди на поверхности холодной трубки и является нанофазной медью.
Материалы, «слепленные» из наночастиц, оказываются гораздо более прочными, чем обычные. Например, прочность образца нанофазной меди может в 10 раз превышать прочность обычной меди, состоящей, как правило, из кристаллов размером около 50 мкм (рис. 1в).
Рисунок 1в. Зависимость прочности меди от размера гранул (частиц). Взято из Scientific American, 1996, Dec, p. 74.
При малых деформациях сдвига частицы нанофазных материалов способны чуть-чуть сдвигаться друг относительно друга. Поэтому мелкоячеистая структура нанофазных материалов является более прочной не только при растягивающих деформациях, но и при изломе, когда соседние слои образца слои образца по разному изменяют свою длину.