金屬和共價鍵材料是兩類很重要的結(jié)構(gòu)材料,由于其具有優(yōu)良的力學(xué)性能而被廣泛的應(yīng)用于航空航天、交通運輸以及工程建筑等領(lǐng)域。工程設(shè)計要求結(jié)構(gòu)材料必須具有高的強度以及高的斷裂韌性。因此提高金屬以及共價鍵材料的強度已成為推動國民經(jīng)濟(jì)和人民生活進(jìn)步的重要動力。傳統(tǒng)強化材料的方法為細(xì)晶強化、固溶強化、第二相強化和加工硬化。這四種傳統(tǒng)強化方法雖然能提高材料的強度,但是降低了材料的塑性。最近,實驗合成的納米孿晶金剛石和納米孿晶銅的力學(xué)性質(zhì)表明在結(jié)構(gòu)中引入納米孿晶界能夠同時提高材料的強度以及斷裂韌性,解決了材料領(lǐng)域中強度與韌性相互排斥的問題。但是納米孿晶金剛石的硬化機(jī)理、納米孿晶銅軟化機(jī)理還存在疑問,解決這些問題對于理解納米孿晶金剛石和納米孿晶銅的力學(xué)行為以及設(shè)計新材料具有重要的指導(dǎo)意義。為此,本文以納米孿晶金剛石以及納米孿晶銅為研究對象,通過分子動力學(xué)和理論推導(dǎo)的方法,分別研究了納米孿晶金剛石硬化機(jī)理,納米孿晶銅強化-軟化機(jī)理以及納米孿晶材料中最佳孿晶厚度的起源。以納米孿晶金剛石為對象研究了納米孿晶共價鍵材料的硬化機(jī)理。通過分析納米孿晶金剛石中位錯線和扭折與孿晶面的取向關(guān)系,將納米孿晶金剛石中位錯的滑移分為三種模式:塞積穿透模式、受限滑移模式和平行于孿晶面滑移模式。通過分子動力學(xué)模擬了這三種模式中位錯與孿晶界的相互作用,得到了位錯反應(yīng)的反應(yīng)熱、激活能和障礙強度,并建立了不同滑移模式的臨界分切應(yīng)力表達(dá)式。根據(jù)位錯滑移模式的臨界分切應(yīng)力和Sachs模型,計算得到了不同孿晶厚度下納米孿晶金剛石的硬度,且與實驗數(shù)據(jù)吻合。研究結(jié)果表明,造成納米金剛石高硬度的因數(shù)有兩個:一個是金剛石中的高晶格摩擦應(yīng)力;另一個是霍爾-佩奇效應(yīng)引起的高非熱激活應(yīng)力。這兩個因素都源于位錯在孿晶平面內(nèi)形核和運動的激活體積低以及激活能高。該研究為納米金剛石的硬化機(jī)理提供了新的見解,對今后開發(fā)新型超硬材料具有重要的指導(dǎo)意義。以納米孿晶銅為對象研究了納米孿晶金屬屈服強度的軟化機(jī)理。通過分析納米孿晶銅中位錯滑移面和伯格斯矢量與孿晶界的取向關(guān)系,將納米孿晶銅中位錯的滑移分為四種模式:塞積穿透模式、受限滑移模式、部分位錯平行孿晶界滑移模式和非共格孿晶界遷移模式。通過分子動力學(xué)研究了這四種滑移模式與孿晶界的相互作用,建立了納米孿晶銅的位錯滑移模式臨界分切應(yīng)力的表達(dá)式。根據(jù)位錯滑移模式的臨界分切應(yīng)力和Sachs模型,得到了納米孿晶銅的屈服強度與孿晶厚度的關(guān)系,與實驗數(shù)據(jù)吻合。研究結(jié)果表明,納米孿晶銅的屈服強度先隨著孿晶厚度的降低而增加,在孿晶厚度為15納米時達(dá)到最大值940 MPa。當(dāng)進(jìn)一步減小孿晶厚度時,納米孿晶銅的屈服強度會發(fā)生軟化。納米孿晶銅中的這種軟化行為是由于軟化模式從部分位錯沿著孿晶界滑移轉(zhuǎn)變?yōu)榉枪哺駥\晶界沿著孿晶界遷移。這種轉(zhuǎn)變的臨界孿晶厚度是由孿晶界的能量以及剪切模量決定的。低孿晶界能量和高剪切模量的納米孿晶材料具有低的臨界孿晶厚度。這項工作揭示了納米孿晶金屬的強化/軟化機(jī)制,為設(shè)計更好性能的材料提供提供了重要線索。以納米孿晶面心立方金屬和納米孿晶共價鍵材料位錯行為為基礎(chǔ),研究了納米孿晶材料的最佳孿晶厚度的物理起源。根據(jù)納米孿晶材料的軟化機(jī)理,并在位錯理論的基礎(chǔ)上,建立了納米孿晶金屬和共價材料的最佳孿晶厚度理論模型,并研究了材料本征參數(shù)對最佳孿晶厚度的影響。研究結(jié)果表明,納米孿晶金屬和納米孿晶共價鍵材料臨界孿晶厚度的物理起源是相同的,是由于孿晶界能量驅(qū)動的去孿晶和晶格摩擦力的阻礙的競爭決定的。材料的孿晶界的能量是本征層錯能的一半,晶格摩擦力正比于剪切模量。因此低層錯能和高剪切模量的納米孿晶材料具有低的最佳孿晶厚度。對于納米孿晶共價鍵材料,它比金屬具有更高的扭折遷移能壘,因此它們的晶格摩擦力大于金屬位錯滑移的晶格摩擦力,這導(dǎo)致納米孿晶共價鍵材料的最佳孿晶厚度小于納米孿晶金屬的最佳孿晶厚度。這一工作為納米孿晶材料的力學(xué)性質(zhì)提供了新的認(rèn)識,對今后設(shè)計性能更好的新型納米孿晶材料具有一定的指導(dǎo)意義。以交織納米孿晶金剛石為對象研究了提出了超強納米孿晶共價鍵材料的設(shè)計思路。通過在晶粒中引入不同取向的孿晶界建立了交織納米孿晶晶體結(jié)構(gòu),并使用分子動力學(xué)方法計算了交織納米孿晶金剛石、孿晶金剛石和多晶金剛石的屈服強度。結(jié)果表明,交織納米孿晶金剛石、孿晶金剛石和多晶金剛石的的屈服強度分別為161,150和140 GPa。因此,納米孿晶共價鍵材料的硬度可以通過引入不同取向的孿晶界來進(jìn)一步提高。這一工作對今后設(shè)計高硬度的材料具有一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：燕山大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TB383.1;TG146.11
【部分圖文】：

因此，研究納米孿晶材料的力學(xué)性質(zhì)是理解納米孿晶材料的塑性變計新的納米孿晶材料不可或缺的部分。 納米孿晶金剛石研究進(jìn)展.1 納米孿晶金剛石的制備金剛石是自然界中最硬、最不易壓縮、熱導(dǎo)率極高的材料。金剛石工具被于石材、玻璃、陶瓷等硬質(zhì)物質(zhì)的切割和成型[54-60]。目前已經(jīng)開展了大量理論研究來理解其超硬的成因以及進(jìn)一步提高其硬度[54,55,61]。通過合成納米石來提高金剛石以及其他陶瓷材料的硬度，已經(jīng)研究了很多年。納米多晶都是通過高溫高壓的方法合成的，這種極端的合成條件限制了納米多晶材度。對于燒結(jié)好的納米多晶金剛石，晶粒尺寸通常在 10 到 30 納米之間，的熱穩(wěn)定性比單晶金剛石差[62,63]。最近，以納米洋蔥碳為前驅(qū)體，在高溫件下合成了納米孿晶金剛石[54,55]，如圖 1-1[54]所示。

TEM 圖像測量的納米孿晶金剛石孿晶厚度分布，平均孿晶厚度為ckness distribution of the nanotwins measured from HRTEM imagestwin thickness is 5nm[54]晶金剛石的力學(xué)性質(zhì)料的力學(xué)性質(zhì)一般由硬度來表征。硬度通常被定義為一或凹陷的能力[23-25]，納米孿晶金剛石的硬度是通過維氏指用一個相對面間夾角為 136 度的金剛石正棱錐體壓頭測試樣表面，保持定時間后卸除載荷，測量壓痕對角線積，最后求出壓痕表面積上的平均壓力，即為材料的維其表達(dá)式為[64-66]：22 sin20.102VFHd 表面積，F(xiàn) 表示加載的應(yīng)力，α 為壓頭相對面夾角，d 為

[54]所示。當(dāng)外加載荷達(dá)到4.9 N時，得到了納米孿晶金剛石的維氏硬度如圖1-3(a)[54]所示。在孿晶厚度為 5 納米時，納米孿晶金剛石的硬度為 200 GPa，比納米多晶金剛石、

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