纳米建筑材料的力学性能

【摘要】随着建筑材料种类的增多和应用的广泛，人们越来越重视材料在建筑结构中的力学作用性能了，其中对纳米建筑材料的研究与应用成为了国内外材料科学研究领域的新课题。纳米材料具有与普通材料不同的力学、光学、电磁学等特性，使建筑材料发展步入了新的革命时代。纳米技术在新型建筑涂料、复合水泥、自洁玻璃、陶瓷、防护材料等方面得到了充分的应用，凸显出了其特有的性能。本文从简介纳米建筑材料入手，包括其定义和应用领域，进而分析纳米建筑材料的力学性能，主要以金属纳米建筑材料为例，从强度、延展性、应变强化和超塑性等方面进行阐述。希望本文能够为纳米建筑材料的推广应用做出贡献，为未来的特殊建筑提供更好的发展空间。

【关键词】纳米 建筑材料 力学性能

一、纳米建筑材料的简介

纳米是一个长度单位1nm=1O-9m。纳米微粒颗粒尺寸为纳米量级的超细微粒，它的粒度大于原子簇，小于通常的微粒，一般在1～l00nm范围内，是处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域，是一种典型的介观系统。进而引申出纳米材料，其是指由尺寸小于100nm的超细晶粒构成的具有小尺寸效应的零维、一维、二维、三维材料的总称，是指材料的几何尺寸达到纳米级尺度并具有特殊性能的材料。纳米材料可根据不同的结构分为 以下几类：1、纳米结构晶体或三维纳米结构；2、二维纳米结构或纤维状纳米结构；3、一维纳米结构或层状纳米结构；4、零维原子簇或簇组装。纳米材料的特殊结构决定了其具有许多与传统材料不同的物理和化学性质，如小尺寸效应、量子效应、宏观量子隧道效应、表面和界面效应等。所以说使用纳米建筑材料既保证了建筑的实用性、美观度和延长了使用寿命，又节约了成本，提高了经济效益。

在二十世纪 80年代末，纳米技术作为一门新的技术开始出现并迅速崛起，其主要是指在纳米尺度范围内，通过操纵原子、分子 、原子团、分子团使其重新排列组合成新物质的技术，主要研究物质组成体系中电子 、原子和分子的运动规律及其相互作用，希望通过研究达到按人的意志直接操纵电子、原子或分子，制作出人们所希望的、具有特定功能特性的材料和制品的目的。

由于纳米技术主要包括纳米体系物理学 、纳米化学 、纳米材料学、纳米生物学、纳米电子学 、纳米加工学 、纳米力学、纳米机械学等方面的内容，纳米材料具有特异的光、电、磁、热、力学、机械等性能，所以其以独特的优势进入到各个领域，并被充分的应用。比如说：1、纳米材料的自洁功能和随角异色现象适合新型涂料的开发，如抗菌防霉涂料、PPR供水管等；2、纳米材料的导电功能适合开发导电涂料；3、纳米材料的抗紫外线功能，有利于提高PVC塑钢门窗的抗老化黄变性能等等，换句话说纳米材料已经被广泛的应用于建筑材料、光学、医药、半导体 、信息通讯、军事、机械、纺织、航空等各个领域，发挥着前所未有的经济效益和社会效益。本文接下来将讨论纳米建筑材料的力学性能，主要以金属纳米建筑材料为例，从强度、延展性、应变强化和超塑性等方面进行阐述。

二、纳米建筑材料的力学性能分析

影响纳米材料力学性质的因素有：1、纳米材料中晶粒的形状、尺寸及分布，晶粒团是否形成及其大小，这是最重要的影响因素；2、纳米材料的制备工艺、温度和试验过程中的应变速率等。所以在制备纳米材料的过程中控制晶粒的尺寸、控制晶粒团的形成及其大小是非常重要的。比如说纳米高力学性能涂料，颜料颗粒达到纳米级大小并分散在涂膜中很大的结合力，提高了涂层的硬度、抗冲击性和耐磨性，还降低了涂层在干燥过程中的残余应力，增强了涂层的附着力，这是纳米建筑材料得到很好应用的实例。下面我们从强度、延展性、应变强化和超塑性来分析纳米建筑材料的力学性能。

1、强度和延展性

强度是表示材料承受载荷能力的重要指标，延展性是指材料在断裂之前改变自身形状的一种能力。纳米材料的延展性通常随着晶粒的减小而减弱，研究人员对纳米锌制成的试件进行室温下拉伸试验，来研究晶粒尺寸和应变率对材料强度和延展性的影响，试验研究表明，对于球磨时间为3小时平均晶粒尺寸240 nm的试件，当应变率为1×10-3S-1时，材料的延伸率达到105%，从而印证了以上结论，纳米晶材料的延展性与材料晶粒尺寸成正相关的关系。

2、应变硬化

应变硬化效应是指材料在塑性变形过程中强度升高的现象，在一定程度上反映材料的本质变形过程。通过研究了纳米孪晶铜高强度的实验，我们观察到了这种材料的应变硬化和延伸率，得出了以下结论：1、常温下纳米孪晶铜在达到lO%伸长之前，表现出均匀的变形，其比超细晶粒铜由更高的屈服强度，具有非常明显的应变硬化特性；2、当应变率为4x10-3S-1时，材料有明显的硬化现象，应变率越小，材料硬化现象越不明显。

3、理想弹塑性

试验中用粉末冶金技术制备了纳米晶体铜，并将其加工成直径35mm，标矩35mm的拉伸试样，透射电镜观察到铜晶粒尺寸从50nm--80nm，内部形成200 -300nm的晶粒团。在塑性变形的开始阶段，纳米晶体铜在屈服后表现出近乎完美的弹塑性，且具有比微晶铜更高的屈服应力，它的变形是各向同性的，没有明显的颈缩。

4、超塑性

超塑性是指在特定条件下产生非常大的塑性变形而不断裂的特性，通常指在拉伸情况下或延展性轧制条件下。研究人员对纳米镍和纳米铝合金1420铝低温超塑性进行了研究，实验表明350oC是材料性能的分界点，当试验温度低于这一温度时，材料有较好的弹性，当温度达350oC时材料出现了明显的应变硬化，当温度达到420oC时，材料的延伸率大于200%。在制备纳米建筑材料时要注意高纯度与高密度，从而消除杂质和空穴，使得其具有常温超塑性。

三、结束语

纳米技术是一门新兴的技术，是二十一世纪最具有发展前景的技术，对未来经济和社会的发展具有很大的影响。但我国对于纳米建筑材料的研究尚处于起步阶段，亟待解决的问题很多，需要我国加大研究力度，重视这一新技术的发展，开阔纳米技术发展的光明前景，为纳米技术步入科学快速发展的轨道奠定坚实的基础，使我国早日跨入一个全新的纳米材料时代。

参考文献：

[1]慷盛君.国外建筑节能的实践[J].山西建筑，2009，（27）.

[1]张光磊.新型建筑材料[M].北京：中国电力出版社.2008.

[3]宋小杰.纳米材料和纳米技术在新型建筑材料中的应用[J].安徽化工.2008，（8）：14—17.

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