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[发布] 纳米材料为何有那么出色的力学性能?

楼主
发表于 2018/3/26 9:54:58 | 只看该作者
像碳纳米管石墨烯的,它们微观结构有何特殊?凭什么断裂强度比铁强这么多?微观结构到底对材料产生怎样影响?
1 楼
发表于 2018/4/27 | 只看该作者

首先,纠正一下基础的物理问题。碳纳米管、石墨烯内部不是范德华力,是共价键。断裂准则也并非叫“断裂强度”,正确应该叫“断裂韧性”。键的强弱也不能决定断裂韧性,只能很大程度上决定弹性模量(刚度系数)。而且断裂韧性有两个,一个是临界应力强度因子,一个是临界能量释放率(两者之间存在简单的关系可以换算,简单关系中的系数包含了弹性模量和泊松比)。

然后,回到断裂上。一个材料断裂根本原因是:材料内部有缺陷(微观结构),这些缺陷即预裂纹。直接原因是有外力施加到材料上。断裂力学告诉我们,外应力强度因子(∝外应力×裂纹长度开根号)大于临界值(即,断裂韧性。与材料的表面能、塑形本构有关)之后,材料就会断裂。对于宏观材料,最大的预裂纹尺度比纳米材料大得多,而材料断裂是看材料最薄弱、裂纹最长的那个位置。所以虽然材料本身断裂韧性与尺度无关,但纳米材料的强度会比宏观材料大得多。


2 楼
发表于 2018/5/28 | 只看该作者

1、像碳纳米管石墨烯的,它们微观结构有何特殊?

答:他们的微观结构就如网上所说的一样,碳原子sp2杂化六角型密排的单原子层薄膜。

2、凭什么断裂强度比铁强这么多?
答:宏观的铁材料会有一些缺陷,这些缺陷导致材料实际测量的数值会比理论值要低很多,如果有完美的铁纳米材料,那么它的“强度”会和石墨烯材料不会有数量级的差别。不过这里要注意一个问题,常规材料的强度测试是有国家标准或者行业标准的,而纳米材料没有,他们两者得到数值不能直接比较。

3、微观结构到底对材料产生怎样影响?
答:这个问题太大。我回答不清楚。简单讲,原子结合力越强,那么材料的力学强度越高,熔点越高,反之也成立。下面放一张图,来大概说明一下这个问题。


材料尺度从小到大我们划分成原子尺度(nm数量),图就是这张,回头慢慢讲


3 楼
发表于 2019/4/8 | 只看该作者

范德华力又叫分子间作用力,题主认为原子间有范德华力是不对的。

媒体所宣传的所谓纳米材料的强度一般是指用比强度换算的。那什么是比强度呢?一般情况下,我们用实验来测定金属等材料的强度,这些实验(拉伸,压缩,扭转,弯曲)所用的试样都是规定尺寸的标准件。而纳米材料显然不能这样测定强度的(做成标准件就不是纳米材料了=_=),所以做完微拉伸之类的实验后按照尺寸关系把强度乘上好多好多倍就得到了媒体所报道的“超高强度”。

但是!超高强度绝对不是石墨稀所特有的!正如题主在标题中所言(我不知道是有意为之还是无意为之),很多纳米材料的强度都很高!把铁做成纳米级的话,(比)强度也比45#钢强很多啊!题主能有(纳米材料强度高)而不是(只有纳米的石墨烯强度高)这样的认识,我感到很欣慰啊=_=

正题来了( •̀∀•́ )为什么纳米材料强度高?好吧,其实我并不造...以下内容是解释金属纳米材料的高强度的,大家挑着看:

学材料的都学过位错,学过位错的都知道位错是一个“发明”而不是“发现”。为什么是“发明”呢?这有故事...很多很多年以前,万能的材料学家们将物理带入了材料学,使得材料学从无名屌丝变成了一门高大上的学科。材料学家开始通过计算验算、预测材料的性能,发现金属发生塑型变形(和弹性变形相对,是撤去力后不能恢复的变形,自行想象弹簧拉的太长拉不回去)所需要的力只有理论值的千分之一...sad!为什么呢?有三位小伙同时提出了一个名叫“位错”的概念,这是种神奇的金属内部的缺陷,会运动、会生长、会湮灭,就是它导致了金属的强度的降低。

“位错”是一种一维的缺陷(对,金属中还有各种零维,二维缺陷和三维缺陷),这就是说它的尺度有几个或几十个原子那么大,显然,在纳米材料中,是不会有这种缺陷的,因为纳米材料本身就那么几百个原子啊!所以金属纳米材料的强度是几乎符合理论的,很高很高!

至于石墨稀这种非金属纳米材料的强度高...那就是另一个故事了...先挖个坑


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