Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

ЗАКОН ХОЛЛА-ПЕТЧ А. НАНОМЕХАНИКА

(Nanomechanics)


 

 


Где тонко, там и рвется.

Поговорка


 

 


АЗБУКА ДЛЯ ВСЕХ

Легко ли сломать или разорвать стальной стер­жень? Если взять каль­кулятор и посчитать те­оретическую прочность материала на разрыв, приняв в расчет энергию его химических связей, вы получите значения, намного превосходя] цие действительную проч­ность изделий. Так что же на самом деле про­исходит при приложе­нии нагрузки, и почему так сильно различаются экспериментальные и теоретически рассчитан­ные значения прочнос­ти? Оказывается, при механическом напряже­нии материалы ведут себя согласно поговор­ке «где тонко, там и рвется», и в данном слу­чае «тонким звеном» оказываются места локализации дефектов, т.е. те области, где нарушается непрерывная струк­тура материала. Сравните, например, усилия, которые нужно приложить для гого, чтобы сло­мать плитку обычного или пористого ihokoj га­да, свежесрубленную или сухую палку, обо­жженный или сырой кирпич. Именно благодаря дефектам мы можем разломить стекло по ли­нии, проведенной стеклорезом, или открыть па­кетик с соком или молоком по предварительно нанесенной перфорации.

Но что же происходит с материалом при переходе от объемного сос гояния к нанос грук- турированному? Что будет, если постепенно уменьшать толщину стержня, станет ли он еше более хрупким? Именно такой вопрос задал себе в 1920 г. сотрудник Авиационного исследова­тельского цен гра в Фарнборо А. А. Гриффите и нашел на него ответ, проведя эксперименты со стеклянными стержнями и обнаружив неоче­видную с первого взгляда закономерность: при уменьшении диаметра стержня его механиче­ская прочность возрастала, причем значитель­но Такое изменение прочности в зависимости от диаметра стержня связано с тем, что при уменьшении толщины дефекты структуры все легче и легче выхолят на поверхность, приводя к образованию практически идеальной решет­ки. Все более и более прочность материала при­ближается к теоретической. Рекордсменами среди макроскопических объектов являются нитевидные кристаллы, их прочность в десят­ки раз превышает прочное гь и гибкость объем­ною материала. Пробовали ли Вы сплющить бабушкин боиллиант? И не пробуйте, в луч­шем случае получите алмазный порошок! А вот алмазные «усы», выращенные в особых усло­виях, можно практически завязать в узел. При этом и в том, и в другом случае речь идет об одном и том же структурном состоянии угле­рода — алмазе. Получается, что «усы», а не крупные бриллианты, — самые совершенные из кристалов!

Большинство наноструктур также практиче­ски не содержит дефектов, а для отдельных уг­леродных нанотрубок предел прочности на раз­рыв превышает 60 ГПа. Аналогичным образом было обнаружено, что прочность слоистых
структур зависит от толщины отдельных слоев, а прочность некоторых объемных материалов от размера образующих их зерен. Математи­чески эта закономерность выражается в виде формулы, получившей название закона Холла— Петча, согласно которой твердость материала Н возрастает при уменьшении размеров час­тиц по формуле

в которой D — размер зерна, Н0 — твердость тела зерна, к — коэффициент пропорциональ­ности.

Однако не стоит думать, что безграничное уменьшение толщины стержня или размера зерен материала приведет к закономерному улучшению его механических свойств и дости­жению значений теоретической прочности. На самом же деле практически любой материал состоит из зерен, границы которых сами явля­ются дефектами, по которым может происхо­дить разрыв Чем меньше размер зерен, тем меньше силы трения между ними и тем проше деформировать материал В частности, при определенных размеоах зерен (< 50 нм) кера­мика может переходить из прочниго состояния в сверхпластичное, ко!да даже при небольшом нагреве и малых нагрузках можно деформиро­вать (прессовать или вытягивать) материал без разрушения. Этот переход объясняется сменой механизма деформации — уже не происходит деформации зерен при нагрузке, а они начи­нают скользить вдоль межзеренных границ (зер- нограничное проскальзывание). Разумеется, это расширяет технологические возможности. Так можно получить керамику с наноразмерными зернами, прессованием или формованием за­дать форму детали (обычная керамика может быть прочной, но хрупкой и разпушатся даже при малых деформациях), а потом отжигом увеличить размео зерен, придав материалу хо­рошие прочностные характеристики.

Уникальных прочностных характеристик можно достичь переходом от однородного объемного материала к анизотропным наност­руктурам, размер которых по одному или двум направлениям лежит в нанодиапазоне, что дает возможность выхода дефектов на поверхность, сохраняя структуру и прочность монокристал­ла по другим направлениям. Примером таких нанообъектов являются вискеры, нанонити и уг­леродные нанотрубки. В связи с практически идеальной структурой и отсутствием дефектов, прочность нано грубок близка к теоретической Нанотрубку сложно разорвать как растягива­нием, так и изгибом — при своей прочности они не являются хрупким материалом и могут быть согнуты более чем на 90° без излома

Практическое использование уникальных механических свойств наноматериалов зачас­тую ограничивается их высокой стоимостью Однако вовсе не обязательно изготавлива гь всю деталь из наночастиц — достаточно армировать удобный в применении материал прочными нановолокнами и нанотрубками, подобно тому, как, применяя стальные прутья — арматуру, увеличивают прочностные характеристики бе­тона (см. Наникимпозиты). Сегодня в продаже уже появились первые продукты нанотехноло- гической эры — компании Easton Sports и Babolat выпустили бейсбольные биты и теннис­ные ракетки, армированные углеродными на­нотрубками.


 

 


Литература

1.Ponle СИ.P., Chvens F.J. Introduction in nanotechnology. John Wiley & Sons, Lnc 2003.

НАНОТЕХНОАОГИИ




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.