Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 
D – размер зерна, Hv – твердость материала, σт – предел текучести, H0 – твердость тела зерна, σ0 – внутреннее напряжение, препятствующее распространению пластического сдвига в теле зерна, k – коэффициент пропорциональности.

Закон Холла-Петча (nanomechanics)

Ключевые слова:  наноазбука, периодика

Автор(ы): Наноазбука (первая версия)

Опубликовал(а):  Гудилин Евгений Алексеевич

18 декабря 2008

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 превосходящие 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 того, чтобы сломать плитку обычного или пористого шоколада, 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.

Что же происходит с материалом при переходе от объемного состояния к наноструктурированному? Что будет, если постепенно уменьшать толщину стержня, станет ли он еще более хрупким? Именно такой вопрос задал себе в 1920 г. сотрудник Авиационного исследовательского центра в Фарнборо А.А. Гриффитс и нашел на него ответ, проведя эксперименты со стеклянными стержнями. Он обнаружив неочевидную, с первого взгляда, закономерность: при уменьшении диаметра стержня его удельная 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 выходят на поверхность, приводя к образованию практически идеальной решетки. Все больше и больше прочность материала приближается к теоретической. Рекордсменами среди макроскопических объектов являются нитевидные кристаллы, их прочность в десятки раз превышает прочность и гибкость объемного материала. Пробовали ли Вы согнуть или сплющить бабушкин бриллиант? 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 идеть 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 50 ГПа. Нанотрубки сложно разорвать как растягиванием, так и изгибом – при своей рекордной прочности они не являются хрупким материалом, и могут быть согнуты более чем на 90˚ без излома. Аналогичным образом было обнаружено, что прочность слоистых структур зависит от толщины отдельных слоев, а прочность некоторых объемных материалов – от размера образующих их зерен. Эти закономерности выражает закон Холла-Петча, согласно которому прочность материала возрастает при уменьшении размеров частиц по формуле, приведенной слева.

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. В ряде случаев (но не всегда) действует достаточно простая закономерность, что чем меньше размер зерен, тем меньше силы трения между ними, и тем проще деформировать материал. В частности, при определенных размерах зерен (< 50 нм) керамика может переходить из прочного состояния в сверхпластичное, когда 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 (зернограничное 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 разрушатся даже при малых деформациях), а потом отжигом увеличить размер зерен, придав материалу хорошие прочностные характеристики.

Практическое использование уникальных механических свойств наноматериалов, зачастую ограничивается их высокой стоимостью. Однако вовсе не обязательно изготавливать 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. Сегодня в продаже уже появились первые продукты нанотехнологической эры: компании Easton Sports и Babolat выпустили бейсбольные биты и теннисные ракетки, армированные углеродными нанотрубками.

Литература:

Ch.P. Poole, F.J. Owens, Introduction in nanotechnology, John Wiley & Sons, 2003


В статье использованы материалы: Нанометр


Средний балл: 10.0 (голосов 6)

 


Комментарии
Владимир Владимирович, 18 декабря 2008 15:15 
Не работают хитрые научные символы на подписи к рисунку
Сравните, например, усилия, которые нужно приложить для того, чтобы сломать плитку обычного или пористого шоколада, свежесрубленную или сухую палку, обожженный или сырой кирпич.

Пожалуйста, скорее скажите правильные ответы!!! А то придется бежать за шоколадом!..
Владимир Владимирович, 19 декабря 2008 03:14 
Кирпич - прочнее, а шоколад - вкуснее
Но здесь как раз тот случай, когда просто необходимо проверить экспериментально
Давайте разделимся: я буду проверять шоколад на прочность, а Вы - кирпичи на вкус.

Исходя из структуры изложения, я подумала, что прочность сухой ветки относительно мокрой и всякие прочие примеры являются наглядно-очевидными вещами. Тем не менее, для меня осталось загадкой, что же они должны проиллюстрировать.
Владимир Владимирович, 19 декабря 2008 03:40 
Для меня тоже остался некоторой загадкой этот расплывчатый пример.

Думаю, кирпичи не вкусны , а шоколад - ненадежный конструкционый материал. Все шоколадные домики, которые я когда либо строил, оказывались съеденными.

И, конечно, проникся доброй справедливостью предложенного плана: кому - гранит науки, а кто-то весь будет в шоколаде
Как говорят, РОСНАНО в шоколаде, с головы до ног ...
Владимир Владимирович, 19 декабря 2008 16:12 
Гранита твердью РосНано вдарьте!
Гранита твердью РосНано можно будет вдарить только тогда, когда они подойдут к заключительной фразе нейро-лингвистического программирования, изложенной в Законе РФ утвержденном экс-президентом.
Л В А, 21 декабря 2008 00:53 
Нужны констр. мат-лы на 4,5ГПа и более (кроме алмазов и сопоставимых им по цене, пленки на керамике сойдут) . Есть ли что готовое, что можно было бы купить?
Жень, это СОВСЕМ НЕ ТА статья НА, которую стоило бы как либо рекламировать, кроме как с заданием найти неточности...

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Коллоидные кристаллы изогнутые и закрученные
Коллоидные кристаллы изогнутые и закрученные

Открыта загрузка решений по викторине для школьников
Конкурс "Викторина" проходит в рамках XIII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям и позволит участникам среди школьников получить дополнительные баллы к набранным по комплексу предметов "химия, физика, математика, биология": 25% набранных в викторине баллов будет добавлено к сумме баллов по комплексу.

Академическая неделя МГУ
С 21 по 23 ноября 2018 года на базе Химического факультета Московского государственного университета имени М.В.Ломоносова в рамках XIII Всероссийской Интернет-олимпиады по нанотехнологиям пройдут открытые мероприятия для всех желающих. Академическая неделя направлена на организацию открытого общения представителей академической и университетской науки с молодыми учеными, студентами, аспирантами, учителями, наставниками, школьниками по современным проблемам естествознания и развитию идей в науке и образовании, предложенных академиком Ю.Д.Третьяковым.

Глобальные вызовы в современной науке и образовании в год 150-летнего юбилея Периодической таблицы Д.И.Менделеева
В среду, 21 ноября, в Большой химической аудитории химического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова состоится лекция "Глобальные вызовы в современной науке и образовании в год 150-летнего юбилея Периодической таблицы Д.И.Менделеева", которую прочтет профессор, член-корреспондент РАН Юлия Германовна Горбунова (Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН).

Нано 2.0
Е.А.Гудилин
Всех приглашаем на Академическую неделю МГУ, а также на участие в наноолимпиаде, пока – в конкурсе Викторина (первом конкурсе 13 наноолимпиады).

Социальные сети - реалии виртуального мира или виртуалии реальности?

Социальные сети опутали сознание, они вызывают психозы и бунты. Поколение Z живет в этом мире с рождения, но что это - реалии виртуального мира или виртуальность реальности? Немного об официальных страницах наноолимпиады в соцсетях... :)

Материалы реферативного курса "Образование в области нанотехнологий"
Коллектив авторов
Курс посвящен рассмотрению вопросов образования в области нанотехнологий, а также подготовки школьников к олимпиадам вообще и наноолимпиаде, в частности. В рамках курса рекомендуется ознакомиться с представленными материалами и пройти недавние тесты, которые помогут лучше подготовиться к XIII Всероссийской олимпиаде "Нанотехнологии - прорыв в будущее".

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.