納米建筑材料的力學(xué)性能

王毋庸

【摘要】隨著建筑材料種類的增多和應(yīng)用的廣泛，人們越來越重視材料在建筑結(jié)構(gòu)中的力學(xué)作用性能了，其中對納米建筑材料的研究與應(yīng)用成為了國內(nèi)外材料科學(xué)研究領(lǐng)域的新課題。納米材料具有與普通材料不同的力學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等特性，使建筑材料發(fā)展步入了新的革命時(shí)代。納米技術(shù)在新型建筑涂料、復(fù)合水泥、自潔玻璃、陶瓷、防護(hù)材料等方面得到了充分的應(yīng)用，凸顯出了其特有的性能。本文從簡介納米建筑材料入手，包括其定義和應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而分析納米建筑材料的力學(xué)性能，主要以金屬納米建筑材料為例，從強(qiáng)度、延展性、應(yīng)變強(qiáng)化和超塑性等方面進(jìn)行闡述。希望本文能夠?yàn)榧{米建筑材料的推廣應(yīng)用做出貢獻(xiàn)，為未來的特殊建筑提供更好的發(fā)展空間。

【關(guān)鍵詞】納米 建筑材料 力學(xué)性能

一、納米建筑材料的簡介

納米是一個(gè)長度單位1nm=1O-9m。納米微粒顆粒尺寸為納米量級的超細(xì)微粒，它的粒度大于原子簇，小于通常的微粒，一般在1～l00nm范圍內(nèi)，是處在原子簇和宏觀物體交界的過渡區(qū)域，是一種典型的介觀系統(tǒng)。進(jìn)而引申出納米材料，其是指由尺寸小于100nm的超細(xì)晶粒構(gòu)成的具有小尺寸效應(yīng)的零維、一維、二維、三維材料的總稱，是指材料的幾何尺寸達(dá)到納米級尺度并具有特殊性能的材料。納米材料可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)分為 以下幾類：1、納米結(jié)構(gòu)晶體或三維納米結(jié)構(gòu)；2、二維納米結(jié)構(gòu)或纖維狀納米結(jié)構(gòu)；3、一維納米結(jié)構(gòu)或?qū)訝罴{米結(jié)構(gòu)；4、零維原子簇或簇組裝。納米材料的特殊結(jié)構(gòu)決定了其具有許多與傳統(tǒng)材料不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，如小尺寸效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)、表面和界面效應(yīng)等。所以說使用納米建筑材料既保證了建筑的實(shí)用性、美觀度和延長了使用壽命，又節(jié)約了成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。

在二十世紀(jì) 80年代末，納米技術(shù)作為一門新的技術(shù)開始出現(xiàn)并迅速崛起，其主要是指在納米尺度范圍內(nèi)，通過操縱原子、分子 、原子團(tuán)、分子團(tuán)使其重新排列組合成新物質(zhì)的技術(shù)，主要研究物質(zhì)組成體系中電子 、原子和分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其相互作用，希望通過研究達(dá)到按人的意志直接操縱電子、原子或分子，制作出人們所希望的、具有特定功能特性的材料和制品的目的。

由于納米技術(shù)主要包括納米體系物理學(xué) 、納米化學(xué) 、納米材料學(xué)、納米生物學(xué)、納米電子學(xué) 、納米加工學(xué) 、納米力學(xué)、納米機(jī)械學(xué)等方面的內(nèi)容，納米材料具有特異的光、電、磁、熱、力學(xué)、機(jī)械等性能，所以其以獨(dú)特的優(yōu)勢進(jìn)入到各個(gè)領(lǐng)域，并被充分的應(yīng)用。比如說：1、納米材料的自潔功能和隨角異色現(xiàn)象適合新型涂料的開發(fā)，如抗菌防霉涂料、PPR供水管等；2、納米材料的導(dǎo)電功能適合開發(fā)導(dǎo)電涂料；3、納米材料的抗紫外線功能，有利于提高PVC塑鋼門窗的抗老化黃變性能等等，換句話說納米材料已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于建筑材料、光學(xué)、醫(yī)藥、半導(dǎo)體 、信息通訊、軍事、機(jī)械、紡織、航空等各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著前所未有的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。本文接下來將討論納米建筑材料的力學(xué)性能，主要以金屬納米建筑材料為例，從強(qiáng)度、延展性、應(yīng)變強(qiáng)化和超塑性等方面進(jìn)行闡述。

二、納米建筑材料的力學(xué)性能分析

影響納米材料力學(xué)性質(zhì)的因素有：1、納米材料中晶粒的形狀、尺寸及分布，晶粒團(tuán)是否形成及其大小，這是最重要的影響因素；2、納米材料的制備工藝、溫度和試驗(yàn)過程中的應(yīng)變速率等。所以在制備納米材料的過程中控制晶粒的尺寸、控制晶粒團(tuán)的形成及其大小是非常重要的。比如說納米高力學(xué)性能涂料，顏料顆粒達(dá)到納米級大小并分散在涂膜中很大的結(jié)合力，提高了涂層的硬度、抗沖擊性和耐磨性，還降低了涂層在干燥過程中的殘余應(yīng)力，增強(qiáng)了涂層的附著力，這是納米建筑材料得到很好應(yīng)用的實(shí)例。下面我們從強(qiáng)度、延展性、應(yīng)變強(qiáng)化和超塑性來分析納米建筑材料的力學(xué)性能。

1、強(qiáng)度和延展性

強(qiáng)度是表示材料承受載荷能力的重要指標(biāo)，延展性是指材料在斷裂之前改變自身形狀的一種能力。納米材料的延展性通常隨著晶粒的減小而減弱，研究人員對納米鋅制成的試件進(jìn)行室溫下拉伸試驗(yàn)，來研究晶粒尺寸和應(yīng)變率對材料強(qiáng)度和延展性的影響，試驗(yàn)研究表明，對于球磨時(shí)間為3小時(shí)平均晶粒尺寸240 nm的試件，當(dāng)應(yīng)變率為1×10-3S-1時(shí)，材料的延伸率達(dá)到105%，從而印證了以上結(jié)論，納米晶材料的延展性與材料晶粒尺寸成正相關(guān)的關(guān)系。

2、應(yīng)變硬化

應(yīng)變硬化效應(yīng)是指材料在塑性變形過程中強(qiáng)度升高的現(xiàn)象，在一定程度上反映材料的本質(zhì)變形過程。通過研究了納米孿晶銅高強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)，我們觀察到了這種材料的應(yīng)變硬化和延伸率，得出了以下結(jié)論：1、常溫下納米孿晶銅在達(dá)到lO%伸長之前，表現(xiàn)出均勻的變形，其比超細(xì)晶粒銅由更高的屈服強(qiáng)度，具有非常明顯的應(yīng)變硬化特性；2、當(dāng)應(yīng)變率為4x10-3S-1時(shí)，材料有明顯的硬化現(xiàn)象，應(yīng)變率越小，材料硬化現(xiàn)象越不明顯。

3、理想彈塑性

試驗(yàn)中用粉末冶金技術(shù)制備了納米晶體銅，并將其加工成直徑35mm，標(biāo)矩35mm的拉伸試樣，透射電鏡觀察到銅晶粒尺寸從50nm--80nm，內(nèi)部形成200 -300nm的晶粒團(tuán)。在塑性變形的開始階段，納米晶體銅在屈服后表現(xiàn)出近乎完美的彈塑性，且具有比微晶銅更高的屈服應(yīng)力，它的變形是各向同性的，沒有明顯的頸縮。

4、超塑性

超塑性是指在特定條件下產(chǎn)生非常大的塑性變形而不斷裂的特性，通常指在拉伸情況下或延展性軋制條件下。研究人員對納米鎳和納米鋁合金1420鋁低溫超塑性進(jìn)行了研究，實(shí)驗(yàn)表明350oC是材料性能的分界點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)溫度低于這一溫度時(shí)，材料有較好的彈性，當(dāng)溫度達(dá)350oC時(shí)材料出現(xiàn)了明顯的應(yīng)變硬化，當(dāng)溫度達(dá)到420oC時(shí)，材料的延伸率大于200%。在制備納米建筑材料時(shí)要注意高純度與高密度，從而消除雜質(zhì)和空穴，使得其具有常溫超塑性。

三、結(jié)束語

納米技術(shù)是一門新興的技術(shù)，是二十一世紀(jì)最具有發(fā)展前景的技術(shù)，對未來經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展具有很大的影響。但我國對于納米建筑材料的研究尚處于起步階段，亟待解決的問題很多，需要我國加大研究力度，重視這一新技術(shù)的發(fā)展，開闊納米技術(shù)發(fā)展的光明前景，為納米技術(shù)步入科學(xué)快速發(fā)展的軌道奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使我國早日跨入一個(gè)全新的納米材料時(shí)代。

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