Механические свойства наносистем

Лекция 5.

Аналогично оптическим или магнитным свойствам, механические свойства материалов претерпевают значительные изменения при уменьшении размеров зерен. В первую очередь, это обусловлено особым распределением дефектов, отличным от такового в объемном материале. Именно оно играет решающую роль в проявлении тех или иных механических свойств.

Механические свойства, в первую очередь прочность, пластичность, усталостные параметры материалов, определяются наличием различных дефектов, их концентрацией и распределением. Так, теоретическая прочность бездефектного кристалла на разрыв, определяемая суммой энергий связи атомов или молекул, располагающихся на единичной площади сечения, значительно (на два порядка) превосходит экспериментальные значения. Кроме того, рассмотрение бездефектного кристалла не дает представлений о таких важных свойствах материала, как пластический сдвиг и предел упругости. Наличие неупругого участка на кривой «напряжение-деформация» обусловлено движением дислокаций, вызывающих пластическую деформацию, а общее снижение прочности - наличием микротрещин и межзеренных границ, т.е. появлением различных дефектов в материале. Механические свойства зависят не только от типа дефектов, но и от их концентрации и распределения. Однако при уменьшении элементов системы возможно создание такой ситуации, при которой образование дефекта в отдельно взятой частице станет крайне мало­вероятным. Кроме того, при малых размерах нанокристаллов дефекты могут активно взаимодействовать с поверхностью, например вытесняться из объема частицы на ее поверхность.

Помимо прочности, дефекты кристаллической структуры влияют на пласти­ческие свойства материалов. Так, наличие дислокаций обуславливает неупругие деформации, при которых материал необратимо изменяется в результате нагрузки, большей, чем предел упругости. Материалы, практически не содер­жащие дефектов (индивидуальные углеродные нанотрубки), характеризуются большими значениями предела упругости и модуля Юнга.

Однако при изучении механических свойств наноматериалов обычно возникают проблемы с реализацией измерений: подготовкой образцов необходимых размеров и формы, отнесением данных к определенным процессам и воспроизводимостью результатов. В некоторых случаях (например, модуль Юнга углеродных нанотрубок) постановка прямых изме­рений не представляется возможной. В таких случаях применяют либо моде­лирование, либо косвенные измерения. Кроме того, ввиду метастабильности вещества в нанокристаллическом состоянии, необходимо учитывать возможные изменения системы в процессе измерений. Поэтому для описания механических свойств наноструктурированных мате­риалов, помимо этих данных, широко применяются теоретические расчеты и моделирование.

Дата добавления: 2014-01-07