超塑性纳米材料论文

摘要：纳米科学技术是20世纪80年代末产生的一项正在迅猛发展的新技术。文章综述了制备超细晶材料的方法，介绍了等径角挤压法制备超细晶材料及应用前景。关键词：等径角挤压；超细晶材料；反复压轧法；高压扭曲转法一、概述纳米科学技术是20世纪80年代末产生的一项正在迅猛发展的新技术。下面是小编整理的《超塑性纳米材料论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

超塑性纳米材料论文 篇1：

纳米建筑材料的力学性能

【摘要】随着建筑材料种类的增多和应用的广泛，人们越来越重视材料在建筑结构中的力学作用性能了，其中对纳米建筑材料的研究与应用成为了国内外材料科学研究领域的新课题。纳米材料具有与普通材料不同的力学、光学、电磁学等特性，使建筑材料发展步入了新的革命时代。纳米技术在新型建筑涂料、复合水泥、自洁玻璃、陶瓷、防护材料等方面得到了充分的应用，凸显出了其特有的性能。本文从简介纳米建筑材料入手，包括其定义和应用领域，进而分析纳米建筑材料的力学性能，主要以金属纳米建筑材料为例，从强度、延展性、应变强化和超塑性等方面进行阐述。希望本文能够为纳米建筑材料的推广应用做出贡献，为未来的特殊建筑提供更好的发展空间。

【关键词】纳米 建筑材料 力学性能

一、纳米建筑材料的简介

纳米是一个长度单位1nm=1O-9m。纳米微粒颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的粒度大于原子簇，小于通常的微粒，一般在1～l00nm范围内，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。进而引申出纳米材料，其是指由尺寸小于100nm的超细晶粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称，是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度并具有特殊性能的材料。纳米材料可根据不同的结构分为 以下几类：1、纳米结构晶体或三维纳米结构；2、二维纳米结构或纤维状纳米结构；3、一维纳米结构或层状纳米结构；4、零维原子簇或簇组装。纳米材料的特殊结构决定了其具有许多与传统材料不同的物理和化学性质，如小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面和界面效应等。所以说使用纳米建筑材料既保证了建筑的实用性、美观度和延长了使用寿命，又节约了成本，提高了经济效益。

在二十世纪 80年代末，纳米技术作为一门新的技术开始出现并迅速崛起，其主要是指在纳米尺度范围内，通过操纵原子、分子 、原子团、分子团使其重新排列组合成新物质的技术，主要研究物质组成体系中电子 、原子和分子的运动规律及其相互作用，希望通过研究达到按人的意志直接操纵电子、原子或分子，制作出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品的目的。

由于纳米技术主要包括纳米体系物理学 、纳米化学 、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学 、纳米加工学 、纳米力学、纳米机械学等方面的内容，纳米材料具有特异的光、电、磁、热、力学、机械等性能，所以其以独特的优势进入到各个领域，并被充分的应用。比如说：1、纳米材料的自洁功能和随角异色现象适合新型涂料的开发，如抗菌防霉涂料、PPR供水管等；2、纳米材料的导电功能适合开发导电涂料；3、纳米材料的抗紫外线功能，有利于提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能等等，换句话说纳米材料已经被广泛的应用于建筑材料、光学、医药、半导体 、信息通讯、军事、机械、纺织、航空等各个领域，发挥着前所未有的经济效益和社会效益。本文接下来将讨论纳米建筑材料的力学性能，主要以金属纳米建筑材料为例，从强度、延展性、应变强化和超塑性等方面进行阐述。

二、纳米建筑材料的力学性能分析

影响纳米材料力学性质的因素有：1、纳米材料中晶粒的形状、尺寸及分布，晶粒团是否形成及其大小，这是最重要的影响因素；2、纳米材料的制备工艺、温度和试验过程中的应变速率等。所以在制备纳米材料的过程中控制晶粒的尺寸、控制晶粒团的形成及其大小是非常重要的。比如说纳米高力学性能涂料，颜料颗粒达到纳米级大小并分散在涂膜中很大的结合力，提高了涂层的硬度、抗冲击性和耐磨性，还降低了涂层在干燥过程中的残余应力，增强了涂层的附着力，这是纳米建筑材料得到很好应用的实例。下面我们从强度、延展性、应变强化和超塑性来分析纳米建筑材料的力学性能。

1、強度和延展性

强度是表示材料承受载荷能力的重要指标，延展性是指材料在断裂之前改变自身形状的一种能力。纳米材料的延展性通常随着晶粒的减小而减弱，研究人员对纳米锌制成的试件进行室温下拉伸试验，来研究晶粒尺寸和应变率对材料强度和延展性的影响，试验研究表明，对于球磨时间为3小时平均晶粒尺寸240 nm的试件，当应变率为1×10-3S-1时，材料的延伸率达到105%，从而印证了以上结论，纳米晶材料的延展性与材料晶粒尺寸成正相关的关系。

2、应变硬化

应变硬化效应是指材料在塑性变形过程中强度升高的现象，在一定程度上反映材料的本质变形过程。通过研究了纳米孪晶铜高强度的实验，我们观察到了这种材料的应变硬化和延伸率，得出了以下结论：1、常温下纳米孪晶铜在达到lO%伸长之前，表现出均匀的变形，其比超细晶粒铜由更高的屈服强度，具有非常明显的应变硬化特性；2、当应变率为4x10-3S-1时，材料有明显的硬化现象，应变率越小，材料硬化现象越不明显。

3、理想弹塑性

试验中用粉末冶金技术制备了纳米晶体铜，并将其加工成直径35mm，标矩35mm的拉伸试样，透射电镜观察到铜晶粒尺寸从50nm--80nm，内部形成200 -300nm的晶粒团。在塑性变形的开始阶段，纳米晶体铜在屈服后表现出近乎完美的弹塑性，且具有比微晶铜更高的屈服应力，它的变形是各向同性的，没有明显的颈缩。

4、超塑性

超塑性是指在特定条件下产生非常大的塑性变形而不断裂的特性，通常指在拉伸情况下或延展性轧制条件下。研究人员对纳米镍和纳米铝合金1420铝低温超塑性进行了研究，实验表明350oC是材料性能的分界点，当试验温度低于这一温度时，材料有较好的弹性，当温度达350oC时材料出现了明显的应变硬化，当温度达到420oC时，材料的延伸率大于200%。在制备纳米建筑材料时要注意高纯度与高密度，从而消除杂质和空穴，使得其具有常温超塑性。

三、结束语

纳米技术是一门新兴的技术，是二十一世纪最具有发展前景的技术，对未来经济和社会的发展具有很大的影响。但我国对于纳米建筑材料的研究尚处于起步阶段，亟待解决的问题很多，需要我国加大研究力度，重视这一新技术的发展，开阔纳米技术发展的光明前景，为纳米技术步入科学快速发展的轨道奠定坚实的基础，使我国早日跨入一个全新的纳米材料时代。

参考文献：

[1]慷盛君.国外建筑节能的实践[J].山西建筑，2009，（27）.

[1]张光磊.新型建筑材料[M].北京：中国电力出版社.2008.

[3]宋小杰.纳米材料和纳米技术在新型建筑材料中的应用[J].安徽化工.2008，（8）：14—17.

作者：王毋庸

超塑性纳米材料论文 篇2：

等径角挤压法制备超细晶材料

摘要：纳米科学技术是20 世纪80年代末产生的一项正在迅猛发展的新技术。文章综述了制备超细晶材料的方法，介绍了等径角挤压法制备超细晶材料及应用前景。

关键词：等径角挤压；超细晶材料；反复压轧法；高压扭曲转法

一、概述

纳米科学技术是20 世纪80年代末产生的一项正在迅猛发展的新技术。进入21世纪以来，随着科学技术的发展，人们对纳米技术的创建给予了特别的注意，这一技术被认为是21世纪的关键技术。1991年我国伟大的物理学家钱学森曾说过：“我认为，纳米左右和纳米以下的结构是下一阶段科技发展的重点，会是一次技术革命，从而将在21世纪又是一次产业革命。”

在通常情况下制备超细晶材料和纳米晶材料有两种途径：一是粉碎法，即通过机械作用将粗大颗粒逐步破碎，细化晶粒:另一种是造粉法，即利用原子、分子或离子通过形核和长大两个阶段获得。按物料状态有气相法（惰性气体冷凝法，活性氢—熔融金属反应法，溅射法，混合等离子体法，爆炸丝法）、液相法（化学热解，电沉积法，落管技术，快速凝固）和固相法。固相法主要包括高能机械球磨、非晶晶化法、高压下高温固相淬火法以及强烈塑性变形法等。

气相法和高能机械球磨在制备超微粉时粉末易污染，在随后的固化烧结过程中，固化密度偏低导致存在着大量残余孔隙，从而影响了材料的性能。快速凝固法由于对冷却速度和散热条件的要求极高，导致工艺过程复杂、成本较高。非晶晶化法受到合金非晶形成能力大小的影响，只局限于部分合金。而强烈塑性变形法与其他制备方法相比却具有许多独特的优点。比如它具有适用范围宽，可制造大体积试样，试样无残留缩松、缩孔，不易引入杂质；可方便地利用扫描电镜详细研究其组织结构及晶粒中的非平衡边界层结构，非常有利于研究其组织与性能的关系等；而且可采用多种变形方法制备界面清洁的超细晶材料，是今后制备块状超细晶材料很具有工业应用前景的一种方法。

二、塑性变形法制备超细晶材料的方法

下面简单介绍几种强烈塑性变形法制备的超细晶材料：

（一）反复折皱——压直法

反复折皱—压直法是在不改变工件横截面几何形状的情况下，经过多次弯曲变形将晶粒尺寸细化到亚微米级或纳米量级，因此它是一种以弯曲变形方式制备块体超细晶结构金属材料的大塑性变形工艺方法。

（二）反复压轧法

反复压轧法是将原来几十微米厚的金属箔相互叠加起来，在一定温度的真空中压缩后进行真空退火，然后在室温下逐渐轧制成薄片，并切割成同样大小，以备下一次叠加、压缩和轧制。或者直接将几毫米厚的金属板相互叠加、压缩后，逐渐热轧制成薄片，并切割成同样大小，以备下一次循环使用。经过多次压缩和轧制，可以得到块体纳米

材料。

（三）高压扭转法

高压扭转变形法是在室温条件下，对模具中的试样施以GPa级的高压，同时通过转动冲头来扭转试样，此时试样在几个GPa压力和冲头高速旋转产生的摩擦力和剪切力的共同作用下获得超细晶组织，从而制得块体超细晶材料。如图1所示：

（四）多次锻造法

多次锻造法实际上是自由锻操作的多次重复，即镦粗和拔长的组合，如图2所示。

（五）等径角挤压法

等径角挤压法（Equal Channel Angular Pressing简称ECAP法）：就是将试样压入一个特别设计的模具中以实现大变形量的剪切变形工艺。如图3所示。

等径角挤压模具内有两个截面尺寸相等、形状相同的，并以一定角度交接的通道，两通道的内交角为Φ，外接弧角为ψ。在等径角挤压过程中，试样与模具中的通道尺寸紧密配合并与模壁润滑良好，在冲头压力P的作用下向下挤压，当经过两通道的交截处时，试样产生近似理想的剪切变形。由于不改变材料的横截面形状和面积，故反复挤压可使各次变形的应变量累积迭加而达到相当大的总应变量，导致位错的重排从而细化晶粒。

等径角挤压技术不同于传统的大塑性变形技术，它以纯剪切方式实现块体材料的大塑性变形，形成亚微晶或纳米结构，在不改变材料横截面形状和面积的条件下，只经过数次变形所产生剪切应变量就相当于正应力作用下完成100:1甚至1000:1压下率的累积应变量，这是常规轧制、挤压等加工方法所不能达到的。

等径角挤压技术是近几十年发展起来的一种制备块体纳米材料的新工艺。与其他纳米材料的制备方法（如机械球磨法、非晶晶化法和气相沉积法等） 相比，等径角挤压法具有许多独特优点 ，譬如：它可以克服其它方法制备的试样中有孔洞、致密性差等问题以及球磨所致的不纯、大尺寸坯体难以生产以及给定材料的实际应用较困难等，并且等径角挤压材料的许多性能也是独特的，这对于实际应用和基础研究都是十分重要的。

因此等径角挤压法制备纳米材料的技术越来越受到材料界和工业界的广泛重视，世界各国的科学家也竞相开展对这项新技术的研究工作。目前美国、日本、韩国和俄罗斯等国家的科研工作者正在从事ECAP法制备工艺及其ECAP材料性能的应用研究，等径角挤压技术已成为当代材料科学研究的热点，特别是俄罗斯科学家采用等径角挤压技术加工1420铝合金，随后在高应变速率和350℃温度下采用超塑性成形加工出内燃机的活塞，大大地提高了零件的生产率，具有重要的现实意义。

等径角挤压法制备的超细晶结构金属拓宽了传统塑性加工技术的应用领域，不仅使传统材料的性能获得大幅度的提高，还可以开发新材料，这有利于节省资源，保护环境，实现人类的可持续发展。由于其材料具有优良的力学性能、独特的物理和化学性能、优异的超塑性，因而在实际应用中极具潜力。在工业领域主要有三方面潜在的应用：

1．使用等径角挤压法制备的材料具有高应变速率或低温超塑性。

2．提高塑性差的合金力学性能和成形性能。

3．经过等径角挤压法加工的普通低碳钢的强度是传统形变热处理后所具有强度的两倍多。

三、结语

随着等径角挤压技术细化多晶材料晶粒的机理研究、微观结构和性能关系以及工艺参数优化等研究的深入进行，等径角挤压技术将展现广阔的研究潜力和应用前景，具有非常大的商业潜力。

参考文献

[1]Valiev R Z， Islamgaliev R K， Alexandrov I V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation[J]．Progress in Materials Science. 2000，45（2）．

[2]Gleiter H. Nanocrystalline materials[J]．Prog Mater Sci. 1989， （33）.

[3]苏品书．超微粒子材料技术[M]．武汉：武汉出版社，1989．

[4]张立德，牟季美．纳米材料和纳米结构[M]．北京：科学出版社，2001．

[5]邹炳锁，唐东升，解思深．化学热解—一种优异的制备纳米材料的方法（I）[J]．物理，2001，30（8）．

[6]Tench D， White J. Enhanced tensile strength for electrodeposited nickel-copper multiplayer composites [J]．Metall Mater Trans，1984， 15A（11）．

[7]王翠英，陈祖耀．交流电沉积法制备金属氧化物纳米材料及形貌控制[J]．化学物理学报，2001，14（3）．

[8]徐承坤，杨中东．电沉积法制备纳米晶材料[J]．金属功能材料，1997，（3）．

[9]马学鸣，董远达，吴建国，等．落管技术与急冷方法制备Cu60Zr40非晶合金晶化行为的比较[J]．金属学报，1992，28（11）．

[10]许应凡，孙帼显，陈红，等．无容器过程中Pd-Ni-P系合金的过冷及金属玻璃形成[J]．物理学报，1990，39（5）.

[11]陈振华．快速凝固制备微细金属粉末的理论和装置[J]．物理，1999，28（4）．

[12]Koch C C. Synthesis of Nanostructured materials by mechanical milling-problems and opportunities[J]．Nanostructured Materials.1997，9（1～8）．

[13]周根树，马宝钿，金志浩．晶化法制备的纳米晶材料的研究现状[J]．材料导报，1995，（1）．

[14]Lu K. Nanocrystalline metals crystallized from amorphous solids: nanocrystallization，structure and properties [J]．Mater Sci Eng. 1996，R 16（4）．

[15]李冬剑，丁炳哲，胡壮麒，等．块状Cu-Ti纳米晶合金的直接形成：高压下从高温固相淬火，科学通报，1994，39（19）．

[16]刘建军，王爱民，张海峰，等．高压原位合成块体纳米Mg-Zn合金[J]．材料研究学报，2001，1（3）．

[17]Valiev R Z， IslamgalievRK and Alexandrov IV [J]．Progress in Materials Science，2000，（45）．

作者简介：牟世娟（1979-），女，吉林长春人，沈阳理工大学理学院讲师，硕士，研究方向：纳米材料的制备与应用；牟世霞（1967-），女，吉林长春人，长春市第二十九中学高级教师，研究方向：理论物理。

（责任编辑：周加转）

作者：牟世娟 牟世霞

超塑性纳米材料论文 篇3：

计算机技术在纳米材料研发中的运用研究

摘要：因为这些纳米材料具备独特的性能，所以在许多领域当中都被认为是有着广泛应用。鼠标位置靠近红色文字，可以实时查看与分句相似的情况目前，对其结构和性能的探讨已经是材料学、物理学以及化工等众多领域相互交叉探讨和研究的课题。再加上新时代以下计算机技术的蓬勃兴起与进步，计算机的模拟也已经逐渐地成为了一种有效的研究方法与手段而被广泛地运用到对于各种纳米材料的研究当中。本文是基于利用计算机技术将其在纳米材料开发当中的应用进行了讨论。

关键词：计算机技术;纳米材料;运用研究

前言：

近年来，随着计算机技术的不断兴起和发展，利用计算机技术来进行模拟已经成为了一种有效的研究方法并且已经运用在了纳米材料的研发当中，并且在对纳米材料的结构、力学以及热学等方面取得了一定的研究成果。利用计算机技术进行模拟实际上就是根据以往的一些研究的经验，在计算机上面来进行模拟试验，这种实验不会受到实验条件和实验时间以及空间条件上面的限制，灵活性比较强。目前，使用计算机技术来运用在纳米材料研发当中已经成为了重点关注的課题。

一、目前利用计算机技术对纳米材料研究现状

目前，纳米材料这门领域的学科已经是在当今世界纳米技术当中最富有生命力并且也是一门具有重要研究价值的学科，目前我国对于各种新型纳米材料的设计与制备以及其他新型纳米复合材料的性能等诸多领域的研究都已经在实践中取得了举世瞩目的进展，但是在其理论上还远远不及国外发达国家。国外一些发达国家对于纳米材料的研究，已经由从理论知识的基础上转型到实际应用中去。对于现代纳米材料这个科学和技术领域应该要实现一些创新，应该更加重视对于纳米材料进行模拟实验，并且还应该要做到能够更加科学地利用计算机的技术手段来对于纳米材料的开发和生产过程进行仿真，这样一点话，就能够分析得到纳米材料的结构和性能之间的关系，并且对其复杂性也能够有一个了解。

二、利用计算机技术对纳米材料研究的基本理论和方法

实际上，对于纳米材料的计算机模拟主要是根据纳米原子理论进行模拟和分析来设计和进行的，将一种纳米材料可以看成是多个纳米原子的一个聚集物，并且将每一个原子都当做是相对独立的一个单元，然后再通过利用经典动力学或者说也就是统计学的方法对其进行了研究，利用固体理论的知识对各种纳米材料结构进行了研究和分析。利用电脑技术对纳米材料进行研发能够转变成传统定量化研究方法，从而实现对传统研发方式的转换。上文也曾提到过，计算机模拟实验可能不会因为受到许多影响因素的制约，并且如果我们使用这种计算机模拟实验方式就可以对其进行一些比较复杂的研究，能够深入地了解和认识到一种纳米材料在化工中的结构和性能。另外，计算机模拟实验和其他传统模拟实验进行对比的话，不仅仅可以提供一个正确与否的模型，并且还可以通过计算机技术来对得到的数据进行分析和处理，从而来提高实验的效率，能够有效地节省实验的开支。在许多情况之下使用计算机模拟实验都可以比传统的模拟实验更加节约时间，而且通过计算机技术来对实验结果进行分析和处理能够预言新的结构和性能。

三、计算机技术在纳米材料研究当中的应用

3.1 纳米材料结构研究的应用

纳米材料的结构是由晶体、非晶体以及准晶体三种不同结构组成的。对纳米材料的结构进行分析就是通过来构建一些结构图完成的。目前使用到的最多的方式就是欧几里得几何体学，可以得到纳米材料的结构规律和结构体系，并且能够给予其一些几何描述，另外还可以结合计算机技术当中的图形学显示技术观察到纳米材料当中的微观结构。通常情况下，会利用分布函数理论来对纳米材料的结构进行描述，但是受到目前的计算水平的限制，只有在对双粒子位形的径向分布函数理论的描述才能够得到更加广泛的应用，而且通常会采用四个参数键来对原子结构的局域图进行描述。

利用分布函数理论利用计算机来模拟纳米材料当中的径向分布函数，可以很清楚地发现纳米晶体和单晶在径向分布函数上面具有明显的差别。如果界面原子的间距小于颗粒半径的时候，纳米晶体的结构就会类似多晶，但是它的分布函数的幅度会随着原子的间距单调下降，单晶的变化是起伏不定的。

3.2 纳米材料性能研究的应用

（1）力学性能的研究

目前，对于纳米材料性能的研究已经涵盖到了力学性能的各个方面当中，比如纳米材料的弹性量、拉伸程度以及超塑性等等，这些当面利用计算机技术来进行研究有着更加明显的效果。并且，通过利用计算机技术模拟实验可以发现纳米材料的力学性能存在有不符合基本的力学规律的特点。通过研究可以发现：纳米材料的弹性量会随着晶体颗粒的大小改变;不同的边界约束对于单晶体的内部的原子运动和整体的力学都有着明显的影响;在低温的条件下，纳米材料的超塑性较强，使用较大的拉力会发生变形但是不会断裂。

（2）热学性能的研究

通常情况下，纳米材料的热学性能包括热容、热稳定性等等。目前经常会使用到计算机技术对纳米材料的热学性能进行研究，尤其是针对于纳米材料热学常量的计算。热熔能够将物体内部的晶格的震动情况反映出来，通过使用计算机技术对纳米材料进行模拟实验可以发现纳米材料内部的晶体结构较为混乱，跟其它那些常规纳米材料进行了对比，纳米材料的界面体积较大，纳米材料熵对于热熔的影响也是很大的，热熔范围远远超过一般粗晶体和非晶体纳米材料。纳米材料通常是处于能耗比较高的热力学亚稳态。如果外部的环境和条件是合理适宜的话，那么就会向能耗比较少的状态进行转化，在这个转化过程当中晶体也就会逐渐生成并且长大。但是如果粗晶体纳米材料长大成为了粗晶体纳米材料，就可能会使其失去原来纳米材料的特点，因此，在对纳米材料进行转化过程当中，应该要特别注意如何使其结构平整。

结语：

综上所述，随着我国的经济水平和科学技术的不断发展，我国对于纳米材料的研究也越来越深入，并且已经取得了一定的研究成果。但是在新时代当中，随着计算机技术的兴起和发展，并且如果能够将计算机技术良好地运用在纳米材料的研发过程当中的话，可以有效地提高对纳米材料的认识程度和研发的质量效果。在使用计算机技术对纳米材料进行计算机模拟实验的时候，主要就是研究纳米材料的结构和性能，并且研究其复杂性。但是由于受到目前技术的限制，研究还无法达到一个更高的水平。因此，在以后的研究当中应该进一步地发展纳米材料的物理模型，尤其是在对纳米材料的机构进行研究和评析的过程当中，便于对纳米材料的结构和性能能够通过计算机技术进行模拟实验。

参考文献：

[1]薛增泉.纳米材料探索[M].北京：清华大学出版社，2021.

[2]崔铮.微纳米加工技术及其应用[M].北京：高等教育出版社，2021.

[3]刘吉平，郝向东.纳米科学与技术[J].北京：高等教育出版社，2021.

[4]高濂，孙静，刘阳桥.纳米粉体的分散及表面改性[M].北京：化学工业出版社，2021.

基金项目：安徽省教育厅省级科研项目（KJ2020A1004）

作者：蔡继永