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材料断裂的纳米团簇新理论机制

已有 2307 次阅读 2021-8-23 22:00 |个人分类:评论|系统分类:论文交流

我们在前几年发了一篇论文探讨了纳米材料的稳定性问题。提出了纳米特征尺度dc概念。指出所有纳米材料定义按照尺度100nm是有不妥之处。按照量子驻波是否形成来定义,属于热力学能量来区分是否纳米材料,这样不同材料是否是纳米材料是按照其特征尺度来确定的,这样不同材料会有不同的特征尺度。

我们的研究表明由于纳米材料在形成单分散过程实际涉及量子驻波的形成,所以具有储能作用。我们将其延伸到材料断裂力学领域。我们知道材料断裂力学基于经典的断裂力学理论中,为了解释材料断裂力学性能远小于理论值的问题,Griffith 1920 年首次指出固体内存在微小裂纹,材料断裂破坏是从微小裂纹处开始发生的。在外力作用下,这些裂纹和缺陷附近产生应力集中现象。当应力达到一定程度时,裂纹开始扩展而导致断裂。但是这对于很多情况并不适用。而且其物理本质更是得不到合理解释。Griffith 论的曲线在于其物理本质一直存在争议。我们的新的理论试图从纳米尺度团簇对这一问题做一个全新的认识,就是断裂过程裂纹是次要原因,材料断裂面主要是材料本身微观结构是由纳米团簇构成,而不是单个原子均匀构成,而纳米团簇或者晶胞的表面化学键与传统的理论认识完全不同,这导致断裂力学强度性能远小于计算理论值的原因。

我们首先假设实际材料断裂面,并不是由单个原子或者分子堆积而成,而是由于纳米尺度晶体、非晶结构和团簇组成。而不是传统的理论认为是由于原子和分子组成。而纳米团簇存在特征尺度dc,在小于这一尺度下,纳米团簇会吸收或者释放能量,而这一过程收到断裂速度等外部环境影响。在不同断裂条件下,会出现不同的多样断裂现象,实际断裂过程是一个纳米团簇形成吸收能量或者分裂释放能量的竞争性结果。

这一新的理论可以完美解释玻璃和高分子在不同断裂速度下的断裂现象的不同。玻璃属于高熵材料,低速冲击会导致其纳米尺度量子驻波能量释放,理论上起到促进大面积断裂效果;而受到子弹等高速冲击断裂下,纳米团簇的能量还未来得及释放,所以会形成整齐切面。高分子也是一样的,其纳米团簇特征尺度大,断裂过程,能量吸收分布范围更宽,低速冲击切割,其形成优异韧性;高速切割可以形成整齐贴面。实际这是特征尺度dc不同的纳米团簇量子驻波储能和释放动态竞争的结果,所以会导致材料断裂的多样形态。当然涉及到混合物或者杂质的情况会形成更复杂的断裂类型和随机的结果。






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