纳米材料之。
力学性能与电学性能。
近年来，纳米晶体材料和纳米复合材料作为一种新型材料已引起世界范围的广泛关注，纳米技术将成为二十一世纪的主流技术。对于这一具有挑战性的课题， 在力学及其它很多领域已对其奇特性、有用性和广泛前景作了大量研究。目前纳米材料极受重视，因为它们有很多不寻常的性能，如高的强度、硬度、超塑性及特殊的显微结构。
材料中的超细晶粒引起大量晶界及晶界原子的剧烈摩擦。与粗晶材料的区别在于：当材料到达纳米级时，传统的塑性好的金属材料将变强变硬， 而陶瓷材料则表现出超塑性；一些纳米材料兼有力学和功能方面的优良性能。
这将对传统力学产生很大影响。
第一章纳米材料的力学性能。
那米固体材料的结构与常规材料相比发生了很大变化，颗粒组元细小到纳米数量级，界面组元大幅度增加，可是材料的强度、韧性和超塑性等力学性能大为提高，并对材料的热学、光学、磁学、电学等性能产生重要的影响。因此引起人们极大的兴趣。
第一节纳米材料的超硬性和高强度。
美国学者报道，caf2纳米材料在室温下可大幅度弯曲而不发生断裂；人的牙齿之所以具有很高的强度，是因为它是由磷酸钙等纳米材料构成的。纳米金属固体的硬度要比传统的粗晶材料硬3~5倍，至于金属——陶瓷复合材料则可在更大的范围内改变材料的力学性能，应用前景十分广阔。
当超微颗粒尺寸不断减小，在一定条件下，会引起材料宏观物理、化学性质上的变化，称为小尺寸效应。
纳米材料的尺寸被限制在100nm以下，这是一个由各种限域效应引起的各种特性开始有相当大的改观的尺寸范围。当材料或那些特性产生的机制被限制在小于某些临界长度尺寸的空间之内的时候，特性就会改变。
由于纳米相金属晶粒的减小而引起的显著的力学性能的变化，大大增加了纳米金属的强度。下图表明了几个纳米铜样品的微观硬度与粗晶粒铜的微观硬度的比较：
人们观察到最小晶粒尺寸（6nm）的样品比粗晶粒样品（50μm）的硬度增加了500%。
人们也观察到具有5~10nm晶粒尺寸的纳米钯样品比粗晶粒（100μm）的样品的硬度增加了四倍，屈服应力也有相应的增加。在纳米相铜和钯中共同发现的增强行为表明，这种变化是普遍存在的，至少对于棉芯结构的材料是这样。
这样的力学行为对于纳米相金属是更普遍存在的。对于机械球磨法制备的纳米相金属和合金的观察也表明了强度增加很多。例如，当纳米相fe和nb3sn的晶粒尺寸由100nm减少到6nm时，纳米fe的硬度增加了四到五倍，纳米nb3sn的硬度增加了1.
2倍。在超细晶粒纳米相金属中观察到的强度的增加，虽然好像类似于在粗晶粒中观察到的，随着晶粒尺寸的减少而观察到的hall-petch增强，但必定是有根本不同的机制所引起。可以设想当纳米相晶粒尺寸减少到足以启动已知机制的临界尺寸之下（在这里所讨论的纳米相金属的晶粒尺寸比开动frank—read位错源所需的临界尺寸小，比在堆积中的位错间的正常间隔要小）时，有关特性将显著改变。因此对于所观察到的强度增加的产生机制的合理描述，必须适合于在这些材料中的超细晶粒尺寸。
当晶粒尺寸被减少到纳米的范畴时，传统位错的发生和移动变得相当困难。因此，以前的机制对于足够小的晶粒尺寸将是不成立的。需要更有价值的、更有说服力的机制来说明纳米晶粒的形变。
研究表明晶粒大小的限制可能是纳米相金属强度增加的主要原因，另外可能是由原子簇的烧结引起的弹性应变产生的。
hall-petch关系表示的是常规多晶材料的屈服强度或硬度与晶粒尺寸之间的关系，他是建立在位错塞积理论基础上的，经过大量实验的证实，总结出来经验公式。
y=σ0+kd-1/2
h=h0+kd-1/2
这一普通的经验公式，对各种粗晶材料都是使用的，k值为正数。这就是说，随晶粒直径的减小，屈服强度或硬度都增加，它们都与d-1/2呈线性关系。
对各种纳米固体材料的硬度与晶粒尺寸的关系进行了大量研究，归纳起来有五种情况：
1） 正hall-petch关系（k>0）
用机械合金法制备的纳米晶材料fe和nb3sn，用水解法制备的γ-al2o3和α-al2o3纳米相材料等，其硬度均服从正hall-petch关系，与常规多晶材料的规律相同，见图4.19。
2） 反hall-petch关系（k<0）
用蒸发凝聚原位加压法制备的pd纳米晶材料，其硬度服从反hall-petch关系，这种关系在常规多晶材料中从未出现过，见图4.19。
3） 正-反混合hall-petch关系。
由蒸发凝聚原位加压法制备的cu纳米晶材料，以非晶晶化法制备的ni-p纳米晶材料，使其硬度随晶粒直径的平方根的变化并不是单调上升或单调下降，而是存在一个拐点（dc）：
当d> dc时，呈正hall-petch关系（k>0）；
当d< dc时，呈反hall-petch关系（k<0）。
这种现象是在常规材料多晶材料中从未见过的新现象，见图4.19。
4） 斜率k变化。
在纳米材料中，还观察到随晶粒直径的减少，斜率k变化：
对正hall-petch关系，k减小；
对反hall-petch关系，k增大。
例如，随晶粒直径的减少，用蒸发凝聚原位加压法制备的tio2纳米晶材料，k减小；以非晶晶化法制备的ni-p纳米晶材料，k增大。见图4.19。
5） 偏离hall-petch关系。
对电沉积的ni纳米晶材料，观察到偏离hall-petch关系见图4.19。从中可见，当d<44nm时，出现了非线性关系。
对纳米固体材料反常hall-petch关系，已不能用位错塞积理论来解释，因为对于只有几纳米的小晶粒，其尺度与常规粗晶位错塞积时位错间距相差不多。而且这样小的尺寸，即使有f-r源也很难开动，不会有大量位错增殖，位错塞积不可能在纳米小颗粒中存在。所以用位错塞积理论来解释纳米固体材料的反常hall-petch关系是不合适的，必须寻找新的理论。
在力学行为的范畴，对于不同类的材料，人们已经观察到纳米相陶瓷是相当容易形变的。例如，对于纳米相tio2、zno的压痕实验表明：随着晶粒尺寸的减少，应变率敏感度显著增加。
受到这些纳米材料的力学行为的启发，人们能够推测到晶粒边界的滑移机制。这些力学行为伴随有短程有序，这将有利于恢复过程。这一点将在纳米材料的形变中起主要作用。
在各种类型的纳米材料中，涉及到金属间化合物、陶瓷和半导体，增强的形变及超塑性形变都可能发生。在很宽的领域，甚至于相当脆的材料和难于形变的材料都可能引起大的形变或实现一次加工成型。
第二节高韧和超塑性材料。
科技**2002/3/13报道：日本研制出能够随意拉伸得、可自由折叠的弹性陶瓷——该陶瓷材料由40%氧化锆、30%铝酸镁尖晶石和30%的α-氧化铝在1650℃加热25秒制成。可从1厘米拉到11厘米，被称为“摔不碎的纳米陶瓷”。
陶瓷材料在通常情况下呈现脆性，而由纳米超微颗粒制成的纳米陶瓷材料却具有良好的韧性，这是由于纳米超微颗粒制成的固体材料具有大的界面，界面原子排列相当混乱。原子在外力变形条件下自己容易迁移，因此表现出甚佳的韧性与一定的延展性，使陶瓷材料具有新奇的力学性能。这就是目前的一些展销会上推出的所谓“摔不碎的陶瓷碗”。
超塑性从现象学上定义为，一种材料在一定应力伸时，产生极大的伸长量。一般而言，当界面中的原子的扩散速率大于形变速率时，界面变现为塑性，反之界面变现为脆性。纳米材料中截面院子的高扩散性是有利于其超塑性的。
纳米固体材料是一类有广阔应用前景的新型材料，它是由纳米量级的超细微粒压制烧结而成的人工凝聚态固体。这种材料具有新型的固态结构，其性质与处于晶态或非晶态的同种材料大不一样，因此将它称为纳米固体材料。2024年，日本名古屋大学教授田良二首先用蒸发冷凝法获得了表面清洁的纳米粒子。
2024年，由德国h.格莱特教授领导的小组首先研制成第一批人工金属固体（cu、pa、ag和fe）。同年美国阿贡实验室研制成tio2纳米固体。
20世纪80年代末，合金、半导体和陶瓷离子晶体等人工纳米固体相继问世。
纳米固体材料具有全新的“类气态”结构，性能十分奇特。如纳米晶体铜的强度比普通铜高5倍，在室温轧制过程中表现超塑性、超延展性，延伸率超过5000﹪，且不出现普通铜冷轧过程的加工硬化现象。还有，晶粒尺寸为150nm亚微米四方晶zro2(y-tzp)陶瓷在1250℃下呈现超塑性，起始应变速率达到3×10^（﹣2）/s，压缩应变量达到380%，预计当晶粒尺寸小于100nm时，形变还会增大；在相同应力水平下，纳米y-tzp的超塑性应变速率比0.
3μm的亚微米y-tzp高出34倍，纳米si3n4在1300℃即可产生200%以上的形变。此外，纳米sic陶瓷的断裂韧性kic比常规材料提高100倍。更为奇怪的是，普通状态下呈脆性的陶瓷，在纳米固体材料中却能被弯曲，其塑性形变竟然高达100%……来自太空的陨石和海底的锰结核中，都有超细微粒成分。
纳米材料的特殊结构及庞大体积分数的界面，使它的塑性、冲击韧性和断裂韧性与粗晶材料相比有很大改善。一般材料在低温下常常表现为脆性，但是纳米材料在低温下却显示良好的塑性和韧性。
等人研究了caf2和tio2纳米晶体的低温塑性变形。样品的平均晶粒尺寸约为8nm。纳米晶体caf2的塑性变形导致样品形状发生正弦弯曲，并通过向右侧的塑性流动而成为细丝状。
在353k下对纳米晶体tio2样品进行类似实验也产生了正弦塑性弯曲。当tio2纳米晶体样品发生塑性弯曲时，发现形变致使裂纹张开，但裂纹并没有扩展。而对tio2单晶样品进行同样条件的实验，样品则当即发生脆性断裂。
对tio2纳米晶体及常规多晶样品在239k进行压痕硬度实验，常规多晶样品产生许多断裂。如果应变速率大于扩散速率，则tio2纳米晶体将发生韧性向脆性的转变。
从理论上分析，纳米材料比常规材料断裂韧性高。因为纳米材料中的各向同性以及在界面附近很难有位错塞积，从而大大减少了应力集中，使微裂纹的产生和扩展的几率大大降低。这一点被tio2纳米晶体的断裂韧性实验所证实。
当热处理温度为1073~1273k时，tio2晶粒<100nm,断裂韧性为2.8mpa·m1/2,比常规多晶和单晶tio2断裂韧性高。
纳米固体材料的主要特征是具有巨大的颗粒间界面，如5nm颗粒所构成的固体，每立方厘米将含1019个晶界，原子的扩散系数要比大块材料高1014~1016倍，从而使得纳米材料具有高韧性。由于纳米粒子特有的结构，纳米粒子或纳米固体表现出一系列奇异而独特的性质，例如：颗粒为6nm的铁晶体，其断裂强度比普通多晶铁提高约12倍。
普通陶瓷在常温下很脆，而纳米陶瓷不仅强度高，而且具有良好的韧性。
第三节高性能陶瓷和高韧高硬涂层。
一高性能陶瓷。
利用纳米技术开发的纳米陶瓷材料是指在陶瓷材料的显微结构中，晶粒、晶界以及它们之间的结合都处在纳米水平（1～100nm），使得材料的强度、韧性和超塑性大幅度提高，克服了工程陶瓷的许多不足，并对材料的力学、电学、热学、磁学、光学等性能产生重要影响，为替代工程陶瓷的应用开拓了新领域。
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