納米材料為何有那麼出色的力學性能？

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像碳納米管石墨烯的，它們微觀結構有何特殊？憑什麼斷裂強度比鐵強這麼多？微觀結構到底對材料產生怎樣影響？

首先，糾正一下基礎的物理問題。碳納米管、石墨烯內部不是范德華力，是共價鍵。斷裂準則也並非叫「斷裂強度」，正確應該叫「斷裂韌性」。鍵的強弱也不能決定斷裂韌性，只能很大程度上決定彈性模量（剛度係數）。而且斷裂韌性有兩個，一個是臨界應力強度因子，一個是臨界能量釋放率（兩者之間存在簡單的關係可以換算，簡單關係中的係數包含了彈性模量和泊松比）。

然後，回到斷裂上。一個材料斷裂根本原因是：材料內部有缺陷（微觀結構），這些缺陷即預裂紋。直接原因是有外力施加到材料上。斷裂力學告訴我們，外應力強度因子（∝外應力×裂紋長度開根號）大於臨界值（即，斷裂韌性。與材料的表面能、塑形本構有關）之後，材料就會斷裂。對於宏觀材料，最大的預裂紋尺度比納米材料大得多，而材料斷裂是看材料最薄弱、裂紋最長的那個位置。所以雖然材料本身斷裂韌性與尺度無關，但納米材料的強度會比宏觀材料大得多。

謝謝您的邀請。

1、像碳納米管石墨烯的，它們微觀結構有何特殊？

答：他們的微觀結構就如網上所說的一樣，碳原子sp2雜化六角型密排的單原子層薄膜。

2、憑什麼斷裂強度比鐵強這麼多？

答：宏觀的鐵材料會有一些缺陷，這些缺陷導致材料實際測量的數值會比理論值要低很多，如果有完美的鐵納米材料，那麼它的「強度」會和石墨烯材料不會有數量級的差別。不過這裡要注意一個問題，常規材料的強度測試是有國家標準或者行業標準的，而納米材料沒有，他們兩者得到數值不能直接比較。

3、微觀結構到底對材料產生怎樣影響？

答：這個問題太大。我回答不清楚。簡單講，原子結合力越強，那麼材料的力學強度越高，熔點越高，反之也成立。下面放一張圖，來大概說明一下這個問題。

材料尺度從小到大我們劃分成原子尺度（nm數量）,圖就是這張，回頭慢慢講

謝邀。

然而，本人才疏學淺，不敢妄言。關於題主的問題，本身可能就是存在爭議的。納米材料的的優異力學性能也只是存在一定條件下。

不過，趕巧看到有一老師做了這方面的內容，題主可以參考下：

在近三十年來的大量研究中科學家們發現，納米材料的強度與其尺度之間存在一個明顯的反比關係：基於經典的Hall–Petch理論，材料尺寸越小，強度越大（說明下，霍爾—佩奇公式的使用範圍是有條件的，當晶粒尺寸下降到一定程度，是不適用的，而且這個公式是在多晶的位錯塞積模型基礎上導出來的）。然而，隨近年來原位電鏡技術的快速發展，越來越多的實驗證據卻指向一個相反的事實：在10納米以下尺寸，越小越強的趨勢往往不復存在，反而材料隨尺寸減小而快速變弱。

王昭老師課題組近日發表在納米材料領域權威期刊《納米快報》（Nano Letters）上的一篇論文嘗試給出答案：當材料尺寸下降到10納米以下，會因為表面能的變化而發生原子擴散的快速加劇，而正是這種微擴散使得材料的力學性能發生巨變，甚至打破了多年來確信不疑的Hall–Petch關係。這些結果使得解釋納米材料的「越小越弱」現象成為可能。文中利用Zener-Hollomon分析，深入探討了微觀接觸的強度S、尺度L、溫度T和應變速率R四者之間的關係並給出新模型，為隨後的實驗研究奠定一定的物理基礎。

范德華力又叫分子間作用力，題主認為原子間有范德華力是不對的。

媒體所宣傳的所謂納米材料的強度一般是指用比強度換算的。那什麼是比強度呢？一般情況下，我們用實驗來測定金屬等材料的強度，這些實驗(拉伸，壓縮，扭轉，彎曲)所用的試樣都是規定尺寸的標準件。而納米材料顯然不能這樣測定強度的(做成標準件就不是納米材料了=_=)，所以做完微拉伸之類的實驗後按照尺寸關係把強度乘上好多好多倍就得到了媒體所報道的「超高強度」。

但是！超高強度絕對不是石墨稀所特有的！正如題主在標題中所言(我不知道是有意為之還是無意為之)，很多納米材料的強度都很高！把鐵做成納米級的話，(比)強度也比45＃鋼強很多啊！題主能有(納米材料強度高)而不是(只有納米的石墨烯強度高)這樣的認識，我感到很欣慰啊=_=

正題來了( ????? )為什麼納米材料強度高?好吧，其實我並不造...以下內容是解釋金屬納米材料的高強度的，大家挑著看:

學材料的都學過位錯，學過位錯的都知道位錯是一個「發明」而不是「發現」。為什麼是「發明」呢?這有故事...很多很多年以前，萬能的材料學家們將物理帶入了材料學，使得材料學從無名屌絲變成了一門高大上的學科。材料學家開始通過計算驗算、預測材料的性能，發現金屬發生塑型變形(和彈性變形相對，是撤去力後不能恢復的變形，自行想像彈簧拉的太長拉不回去)所需要的力只有理論值的千分之一...sad！為什麼呢?有三位小夥同時提出了一個名叫「位錯」的概念，這是種神奇的金屬內部的缺陷，會運動、會生長、會湮滅，就是它導致了金屬的強度的降低。

「位錯」是一種一維的缺陷(對，金屬中還有各種零維，二維缺陷和三維缺陷)，這就是說它的尺度有幾個或幾十個原子那麼大，顯然，在納米材料中，是不會有這種缺陷的，因為納米材料本身就那麼幾百個原子啊！所以金屬納米材料的強度是幾乎符合理論的，很高很高！

至於石墨稀這種非金屬納米材料的強度高...那就是另一個故事了...先挖個坑

缺陷少

謝邀

納米材料的「優異力學性能」實質上是指其在納米尺度上表現的力學性能，並不代表它們在宏觀尺度還保持著同樣優異的力學性能。以單壁碳納米管為例，單根的單壁碳納米管完全是由碳原子以SP2雜化的共價鍵構成，本身的拉伸強度肯定超級高，但是單根單壁碳納米管長度在幾十個納米左右，目前應該是無法直接測試其拉伸強度。將多根單壁碳納米管堆積在一起達到宏觀尺度，使用力學儀器測試它們整體的拉伸強度肯定不高，因為這種測試得到的宏觀拉伸強度是由單壁碳納米管之間的分子間作用力決定的，分子間作用力的強度是遠小於共價鍵的作用力，所以相對單個納米材料本身的力學強度這種宏觀測試得到的整體的力學強度會下降超級多。所以納米材料實質上是在其納米尺度上具有優異的力學性質，而在宏觀尺度上測試到的力學性質實質上是單個納米材料之間的弱相互作用力，就像要將一根筷子拉斷（不是折斷）需要很大力氣，而從一把堆積在一起的筷子里抽出一隻就毫不費勁一樣。

2015-10-04

你把層間 (雙／多原子)與單原子搞混了。的確，層 (原子)間凡得瓦力是物理鍵，不過是共價鍵的 1/100。石墨烯是單原子厚的平面碳材料，具有 sp2 混成軌域及蜂巢狀晶格結構，而這些 s鍵才是賦予石墨烯極其優異的力學性質和結構剛性的主要因素。另外，石墨烯高分子復材又是另一種機理，層間透過石墨烯氧化物官能化與高分子形成共價鍵，所以這裡有三種不同的角度去思考機械性質。

2012年美國學者發現石墨烯中的晶界缺陷 (grain boundary defect) 如何影響其機械性質，石墨烯材料最脆弱之處位於六角環與七角環間的鍵結。實驗結果顯示，晶界強度可隨傾斜角增強或減弱。當石墨烯內的五角-七角環均勻分布時，晶界強度隨著傾斜角的平方值而增加。

謝邀。

我們先從變數的角度看下題主的問題,CNT是碳的單質,Fe是鐵的單質,當然鐵也有很多種存在形式,也有納米級的鐵,比如Spion Fe3O4機械強度不輸CNT。題主的問題應該是在側重納米級固體材料的強度比傳統材料要強上。

材料會斷裂大部分是某一點跟人一樣有個短板,能承受的應力比一般地方要低,固體物理中叫晶格缺陷,分點線面三維。納米級材料幾乎沒有這個缺陷。說點更玄乎的,這個我也不懂(??ω??) ,量子力學中納米級的材料表面邊界條件不一樣,由此有納米粒子的四大性能,這個邊界條件怎麼定義的至今我也沒整明白。

謝謝邀請。

我做過一段納米複合材料，所以只了解這部分。納米材料因為體積小，以共價鍵結合，所以強度非常高。但實際上這些力學性能都是微觀的，得用AFM之類的儀器什麼的，才能測到。怎樣將納米材料的力學性能傳遞到宏觀，目前都是研究的熱點，我個人感覺還沒有特別大的突破，不然不就直接納米管造個太空梯了。

用作增強顆粒製作納米複合材料，可以顯著提高基體力學性能，這個是目前應用比較多的。但是跟納米材料自己的力學性能比，就差遠了，畢竟加入的比例很小。不然也很難分散均勻。。

下面的人都回答的挺好。石墨烯納米薄膜是可以做到宏觀量級的，有個院士貌似在一次seminar提過實驗室合成了1米*1米的一張碳膜。

在宏觀上看，它比其他同量級的材料要不容易斷的一個原因是它的內部結構對稱性，沒有缺陷。

納米材料通俗點講就是極其細小的東西，卻具備了超強的爆發力，性能優越於其他產品。

像納米防水塗層，就是在ＰＣＢ板表面形成一層薄薄的塗層，以最薄的狀態，達到最強的防水性能。被稱為有網眼的雨衣，疏水防水防潮防腐蝕。

樓上有人提到納米材料是比強度，似乎不太準確，準確的說是二維強度被除以了厚度。以石墨烯為例，石墨烯和鋼鐵力學性質測量方法完全不同。鋼鐵大概就是把准試樣拉斷。石墨烯是想辦法懸空起來，然後用針尖戳破，這樣可以從戳的力曲線中提取強度。這個強度是二維的，單位是N/m，需要除以厚度才是我們所熟悉的GPa。石墨烯厚度0.34nm，除以厚度以後強度變得非常可觀，100多GPa完爆鋼鐵的幾百MPa。但是這樣比較是否具有很大的科學性我至今也想不明白。

謝謝邀請，鄙人專業方向為鋼鐵材料，很少有將石墨烯加入鋼中提高性能的，再者，鋼鐵現今由於受世界鐵礦石價格的影響，全球企業效益均不容樂觀，而石墨烯材料一般價格較高，相對鋼鐵不是一個數量級，因此還請做高端金屬材料的大牛來回答。

部分是有的。可以從幾種相互作用力來理解：化學鍵，靜電力，范德華力等。

不是細晶強化咩

納米尺度的材料晶界的增加阻礙位錯的運動然後材料抗變形能力增強，當然斷裂強度大

納米材料的力學性能是一個很大的方向，不過就題主的問題簡單說說，一般情況下納米尺度的材料內部缺陷相對較少，力學性能因而得以提高。鐵斷裂一般都是從缺陷處開始。石墨烯的強度不是來源於van der waals 力，而是單層石墨烯內碳原子的結合力，比金剛石碳原子之間還要強呢。

謝邀。因為是手機的緣故，就簡單說一下。這麼說吧，首先，納米材料的好處是能夠在原子或分子層面控制晶格的排布。當然這個是比較玄的，說簡單點，同樣是碳，普通的石墨並不控制單層石墨之間的結構，而納米材料會控制這些。因此，當石墨烯桶被擰成繩子（據說可以，我個人持懷疑態度）以後強度肯定強於僅僅是石墨壓成的繩子了。而由於化學鍵的不同（參見前面答案），所以比起鐵塊內部a). 不規則的晶格，和b). 離子鍵結構，被共價鍵連接起來的材料強度自然更強。

這就是尺寸效應，smaller is stronger，拿納晶來說，1000nm以下時就會出現明顯的尺寸效應，由於其內部位錯源數量下降以及位錯源開動變難導致的

我是做納米氧化鋅的，對石墨烯納米管不太了解

納米材料分子比表面積增大，分子間相互作用力增大。