材料科學與工程11-20專業(yè)英語翻譯.doc

學習資料收集于網(wǎng)絡，僅供參考材料科學與工程專業(yè)英語參考翻譯（11-20）專業(yè)：材料物理 姓名：43110103劉 偉 吉林大學材料科學科學與工程材料物理 154223585711微結構、加工過程和應用之間的聯(lián)系 微結構、加工過程和應用之間的聯(lián)系材料科學與工程領域經(jīng)常是根據(jù)四大方面合成與加工，結構與組成，性質和性能之間的相互聯(lián)系來定義的。為了理解任意材料的行為（性能表現(xiàn)）與性質，有必要去了解它的結構。結構可以從幾個水平層次來考慮，這些都會影響材料的最終行為（性能表現(xiàn)）。能夠對材料的顏色、電導性和磁性產生影響的電子構型是材料的最精細的水平。原子中的電子排布方式影響它是如何與其他原子結合的。這（結合方式）反過來又對晶體結構有著重大影響；結晶陶瓷具有非常規(guī)則的原子排列，然而，這種長程有序的排列在非晶體和無定型陶瓷中卻不存在，盡管在局部我們可以看到相似的多面體結構。這種材料相對于它們的晶體經(jīng)常表現(xiàn)出不同的行為。我們不僅要考慮具有完美晶格和理想結構的情況，也要顧及到材料中不可避免的結構缺陷的存在，甚至是無定型的，這類缺陷例如雜質原子和位錯。多晶陶瓷的結構由許多晶粒組成。晶粒的尺寸，形狀和位向在這些材料的許多微觀性質中扮演者重要的角色，例如力學強度。在大多數(shù)陶瓷中，多相共存，每一相都有自己獨特的結構、組成和性質。對材料中的這些相的類型、尺寸、分布和總量的控制為控制性質提供了一種方式。陶瓷的微觀結構通常情況下是它所經(jīng)歷的加工過程的結果。例如，熱壓處理的陶瓷一般情況下只有極少數(shù)孔隙，燒結材料很少有這種現(xiàn)象。通過這篇課文，結構、加工過程和性質之間的相互聯(lián)系將會很明顯地顯示出來。但這里用5個例子來說明。1. 根據(jù)霍爾派奇方程，多晶陶瓷的強度取決于晶粒尺寸。一般來說，晶粒尺寸降低時，強度升高。晶粒尺寸是由初始粉體顆粒的大小和它們的凝結方式所決定的。多晶陶瓷中的境界也很重要。強度自然取決于材料是否純凈、是否包含第二相或孔隙，抑或晶界處的玻璃態(tài)。對于納米陶瓷來說，這些關系卻并非總是非常明顯的。2. 透明或者半透明陶瓷需要限制由氣孔和第二相粒子引起的光的散射。通過熱壓處理可使孔徑減小從而得到高密度產品。這種方法應用在光電領域制出了透明的PLZT陶瓷，例如短暫失明護目鏡。3. 因為雜質的存在，主要是能夠散播聲子的氧氣的存在，導致商業(yè)上應用的多晶體AlN的熱導性通常比預計的理論值要低。添加稀土或堿金屬氧化物（分別加Y2O3）作為吸氣劑可以減少氧含量。這些氧化物要在AlN成型前與AlN混合。在氧化物添加劑和涂在AlN晶粒表面的氧化物之間形成的第二相，隔離了三相點（？）。4. 軟鐵氧體如在一系列不同的設備中得到應用。舉個例子，在電視顯像管中用作移動電子束的轱轆。軟鐵氧體的磁導率是晶粒尺寸的一項功能。大的無缺陷晶粒是首選，因為我們正是需要這種移動磁疇壁。缺陷和境界釘扎在疇壁處會很難使磁化強度達到飽和。5. 因為氧化鋁陶瓷具有很高的電阻率和低介電常數(shù)，所以它可以作為絕緣體。很多情況下純凈的氧化鋁是不會被用到的。取而代之的是我們將氧化鋁和硅酸鹽混合，降低燒結溫度。這樣的材料稱為低強氧化鋁，在氧化鋁晶粒間含有玻璃態(tài)硅酸鹽相。低強氧化鋁通常情況下比純氧化鋁有高的導電率（低的電阻率），在火花塞上用到。安全涉及材料的工作，安全考慮應該放在第一位。與陶瓷工作相關時，幾項重要的預防措施要被采取。有毒粉末包括例如Pb或Cd，氟化物應該有所了解。在運輸時，廠方要提供關于產品危害方面的信息。閱讀這些信息并保持它們容易獲取是很重要的。一些標準資源提供與有毒粉末和可接受的風險水平的信息，在“參考書”都有給出。小顆粒應該是不能被吸入人體內的。自從19世界60年代這些影響眾所周知，文獻中也都有，但起經(jīng)常被忽視。適當通風，改善衛(wèi)生和防護服已經(jīng)顯著地降低了許多工業(yè)風險的發(fā)生頻率。處理任何粉末（有毒或者無毒材料）都應當格外小心。最具危險的被認為是顆粒尺寸1微米；大顆粒不會在空氣中停留住夠長的時間而被吸入體內，即使被吸入，也不能與上呼吸道曲折的輪廓發(fā)生信息交流。目前納米粉體的毒性與環(huán)境影響還沒有被明顯提出，但它卻是許多研究的主題，2004年英國皇家科學院的研究報告就是其中一例。高溫處理在很多陶瓷加工過程中被用到。高溫對人體的影響是很明顯的，不那么明顯的是熱的東西到底怎么影響的。表格3.3給出了溫度的顏色標度。從制表中可以看出，400度的鋁管顏色沒有變化但會灼傷皮膚。有機物在加工過程中被用作溶劑和粘合劑。傳統(tǒng)上，有機材料在陶瓷加工過程中充當很小的角色?，F(xiàn)在他們被廣泛地應用在成型處理上。再次強調，生產廠家要在他們運輸?shù)漠a品中提供安全數(shù)據(jù)表單，這些信息十分重要，要仔細閱讀。約定俗成的是，使用材料時，材料安全數(shù)據(jù)表單應該容易閱讀；很多時候他們要被保存在實驗室中。12生物陶瓷生物材料是應用到醫(yī)療器械中并與生物系統(tǒng)發(fā)生相互作用的一種非活性材料。生物陶瓷領域相對來說較新，直到20世紀70年代才出現(xiàn)。不過，許多生物陶瓷卻不是新材料。其中一種最重要的是Al203-許多傳統(tǒng)陶瓷產品的一項組成成分。 如果一種接近惰性的材料被植入體內將會引起一種保護反應，這種反應可引起非粘著性纖維層的包裹，厚度大約1微米。隨著時間流逝，將會以移植失敗告終。當金屬和聚合物植入人體時也會發(fā)生類似反應。但被植入人體內時，具有生物活性的陶瓷將會以以下方式結合組織界面模仿人體自然修復過程。例如HA的生物活性陶瓷可以以（體相形式）或者復合物的組成成分抑或涂層來使用?？杀晃盏纳锾沾?，例如TCP，的確可以在身體內溶解并被周圍組織所取代。這是一項很重要的要求，當然，可溶性產品必須是無毒的。以HA為例，TCP經(jīng)常用作涂層而非體相形式，亦可以以粉體形式來使用，例如填充在骨內空間中。生物陶瓷在臨床上已得到大量應用。使用的范圍遍及全身，包括修復骨頭、關節(jié)和牙齒。當現(xiàn)有的機體部分發(fā)生病變、損壞或只是簡單的磨損時，這些修復就會變得很有必要。還有很多其他的生物陶瓷的應用包括心臟瓣膜上的熱解碳涂層和治療某些腫瘤具有特殊放射性的玻璃成分。陶瓷的優(yōu)勢和劣勢選取作為特殊應用的材料時我們必須作出選擇。材料選取在任何復合材料設計加工過程中都是至關重要的，尤其對于用來移植和其他醫(yī)療器具來說。我們能進行承載應用的三種主要材料是金屬，聚合物和陶瓷。陶瓷優(yōu)于其他移植材料的地方在于陶瓷的生物兼容性。一些在生理環(huán)境中是惰性的，其他的在身體內卻能發(fā)生可控反應。大多數(shù)陶瓷的不利之處在于低硬度（影響其可靠性），高的彈性模量（導致應力屏蔽）。增加陶瓷硬度的一種主要方式為形成復合材料。陶瓷可以是增強相，或為基體抑或兼具兩者。舉個聚合物的例子利用生物陶瓷進行基體復合增強的摻有HA顆粒增強項的PE。復合材料的硬度比HA的高，彈性模量也更接近骨頭。生物陶瓷也會用做金屬基片的涂層。不銹鋼生物活性玻璃涂層就是一個例子，它主要是利用鋼的強度和韌性以及玻璃的表面活性特征。陶瓷移植對陶瓷移植的要求取決于它將在身體中扮演的角色。例如、全髖關節(jié)置換術的要求和中耳移植的要求迥異。不過有兩個基本標準：(1)、陶瓷應與生理環(huán)境相兼容；（2）力學性質應與被取代的組織相匹配。大多數(shù)陶瓷移植跟骨頭有關。骨頭是由細胞和血液供給系統(tǒng)組成的活性材料，由強度較好的復合結構包裹。這種復合材料是由非常有彈性以及韌性的骨膠原和與該羥基磷灰石極為相似的鈣磷灰石晶體組成的;與HA很相似，我們將會繼續(xù)生產（？）。正是HA組分使得骨頭有了硬度。在骨膠原組織中這種針狀的磷灰石晶體20-40nm長，1.5-3nm寬。與生物陶瓷應用有很大聯(lián)系的多種類型的骨頭中的兩種是骨松質（海綿骨）和骨皮質（密質骨）。骨松質比骨皮質密度低。骨骼的每一塊骨頭都是外層致密的骨皮質（密質骨）覆蓋在海綿骨上組成的，以小到針孔的蜂窩狀或以被稱為骨小梁的平坦片狀形式存在。因為骨松質的密度較低，所以它的彈性模量比骨皮質低，斷裂應變率比骨皮質高。兩種骨頭都比軟骨組織的彈性模量高，例如肌腱和韌帶。不同類型的連接組織的彈性模量不同，這種不同能夠保證在骨、骨與骨之間以及肌肉與骨之間存在一個機械應力光滑梯度。植入體的力學性質很明顯十分重要。如果植入體比它將要取代的骨的彈性模量高，稱為應力屏蔽的問題接著就會發(fā)生。應力屏蔽會削弱負載最低或者負載壓縮區(qū)域的骨頭（骨頭必須負載拉伸應力以保持健康）。骨頭在被卸載或者加載壓力的時候會經(jīng)歷生物轉變引起骨吸收。利用降低彈性模量的方法來排除應力屏蔽是生物陶瓷復合材料發(fā)展的一個主要目的。氧化鋁和氧化鋯氧化鋁和氧化鋯是兩個惰性相近的生物陶瓷。長期處于體液包圍中，他們經(jīng)歷很少的或者幾乎沒有化學轉變。高密度高純度的氧化鋁被大量的用于植入物，特別是在需要承載壓力的髖關節(jié)修復和移植中。到2006年，超過106髖關節(jié)假體用氧化鋁球作為股骨頭替代品。盡管一些氧化鋁牙齒植入體是用單晶制成的，但大部分氧化鋁植入體是由細晶組成的多晶氧化鋁。通常情況下是在16001800度下通過壓縮燒結而成。少量氧化鎂（0.5%）也被加入，抑制晶粒長大，從而在無需高壓條件下便可以燒結得到高密度產品。任何移植材料打的一項重要要求就是它要比病人“活”的久。由于陶瓷失效的概率本質問題，對每個植入體來說，不可能提供具體的絕對的預測使用期限。研究表明，可能像你期待的那樣，負荷的增加以及時間的延長會增加失效的概率。老化和疲勞的研究結果表明，氧化鋁植入物要具有可能最高標準的質量保障，尤其是它們用于年輕患者的矯正假肢上。盡管氧化鋁陶瓷結合了優(yōu)秀的生物兼容性和杰出的抗磨損能力，但它僅有一般的抗彎強度和較低的硬度。這將移植（用來替換的）髖關節(jié)的直徑限制在32mm以下，氧化鋯有較高的斷裂強度和抗彎強度，且比氧化鋁陶瓷的彈性模量低。不過這與ZrO2有關: 浸沒在體液中時，氧化鋯的抗彎強度和硬度稍稍降低，原因與從正方晶系到單斜晶系相發(fā)生的馬氏體轉變有關。人們已經(jīng)觀察到在非水溶劑中的相似的轉變；氧化鋯的抗磨損能比氧化鋁查，在陶瓷或陶瓷復合材料中，氧化鋯的磨損率遠遠高于氧化鋁的磨損率，與超高分子量聚乙烯結合的聚合物的過度磨損也會發(fā)生; 氧化鋯也許會少量富集半衰期較長的例如Th和U的放射性元素，分離這些元素的技術難以實現(xiàn)，代價高昂。主要關心的在于它們會釋放粒子，可以對身體軟硬組織造成毀滅性打擊。這里有許多關于氧化鋯陶瓷輻射排放的長期效應問題，盡管這種作用很小。 13 聚合物的介紹 聚合物是由重復的結構單元通過化學鍵連接在一起組成的大分子。這個單詞由希臘字母“”衍生出來。Poly的意思是很多，meros表示部分的。聚合物眾所周知的包括塑料、DNA和蛋白質。舉個例子，聚丙烯的重復結構單元如下所示： 零零圈圈窟窿窟窿洞聚合物的俗名叫做塑料，這個詞指的是一大類具有許多性質和用途的天然材料和合成材料。天然聚合物材料例如蟲漆和琥珀，已經(jīng)使用幾個世紀了、生物高分子例如蛋白質和核酸在生命活動中起著至關重要的作用。聚合物的研究領域涉及聚合物化學、聚合物物理和聚合物科學。歷史進展始于1811年，Henri Braconnot在纖維素衍生出的化合物做的開創(chuàng)性工作可能是高分子科學最早的重要貢獻。術語“polymer”由Joris，Jakob，Berzelius在1833年首次提出。19世紀后期橡膠硫化上取得的進展提高了天然聚合物橡膠的耐磨性，也標志著半合成聚合物的首次通用。1907年，Leo Baekeland 通過精確控制溫度和壓力使苯酚和甲醛發(fā)生反應，首次得到了全合成聚合物酚醛樹脂（電木），并與1909年公諸于眾。盡管對聚合物的合成與表征取得了巨大的進展，但是直到20世紀20年代，對聚合物分子的結構的正確理解初見端倪。而在此之前，科學家一直相信聚合物只是小分子團聚在一起（稱為膠質），并沒有固定的分子量，被一種未知的力結合在一起，也就是所謂的關聯(lián)理論。1922年，Hermann Staudinger 提出聚合物是由共價鍵結合在一起組成的長鏈結構所構成，在十數(shù)年間這個想法并沒有被廣泛接受，但也因為他的想法Staudinger最終被授予諾貝爾獎。Wallace Carothers在20世紀20年代的工作中也闡述了聚合物通過定向方式從他們的構成單體合成而來。對于聚合物科學的一項重要貢獻是由在Ziegler-Natta催化劑取得重大進展而獲得1963年諾貝爾化學獎的意大利化學家GIulio Natta和德國化學家Karl-Ziegler做出的。在本世紀末期，諸如尼龍、聚乙烯、特氟?。ň鬯姆蚁┖凸铇渲群铣删酆衔锊牧鲜蔷酆衔锕I(yè)萌芽的基礎。這些年在定向合成聚合物的工作上業(yè)已取得了重大的進步?，F(xiàn)在商業(yè)上重要的聚合物基本都是利用有機合成技術進行全合成并大量生產。聚合物的合成聚合物的合成是一個把叫做單體的小分子通過共價鍵的結合形成鏈的過程。在聚合過程中，一些化學基團會會從每個單體上脫去。參與形成聚合物不同片段的各單體叫做重復單元或者單體殘基。實驗室合成： 實驗室合成方法一般分為兩類：縮聚和加聚。當然，一些新方法例如等離子聚合不分屬其中任何一類。合成聚合物的反應可能也有催化劑的參與。利用實驗室合成方法進行生物大分子的定向合成，尤其是人工合成蛋白質，是一個很熱門的研究方向。生物合成：生物大分子主要有3個分類：聚糖、聚縮氨酸、聚核苷酸。在活細胞中可以通過酶促反應過程將他們合成出來。例如，DNA的行程就是由DNA聚合酶催化得到的。蛋白質的合成涉及轉錄來自DNA和持續(xù)翻譯將氨基酸合成特定蛋白質的信息的多種酶促反應過程。蛋白質在翻譯之后會進一步得到修飾以使其具有適當?shù)慕Y構和功能。天然聚合物的改性很多商業(yè)上重要的聚合物都是通過天然存在的聚合物進行修飾合成而來。代表例子包括硝酸和纖維素形成硝酸纖維的反應和用存在的硫對天然橡膠加熱而得到的硫化橡膠。聚合物結構聚合物的結構性質與沿著主鏈上單體殘基的排布息息相關。結構對聚合物的其它性質有很大程度上的影響。舉個例子，線性鏈狀聚合物是否溶于水取決于它的單體是極性的（例如環(huán)氧乙烷）還是非極性的（例如苯乙烯）。另一方面，盡管天然橡膠的兩個樣品可以是由相同的單體組成，但是它們也可以展示出不同的性質。聚合物科學家已經(jīng)提出相應的術語來精確描述單體的特征（nature？）和它們的相關排布。單體特性（identity）：一般來說，組成聚合物單體的特性是聚合物第一位也是最重要的屬性。重復單元也就是聚合物重復排列的單元，也是聚合物最明顯的特征。聚合物的命名一般是基于組成聚合物單體的類型來說的。只包含一種單體的聚合物即為所熟知的均聚物，由多種單體組成的稱為共聚物。舉個例子，聚苯乙烯，僅有苯乙烯單體組成，所以歸類為是聚物；乙烯基醋酸纖維包含多種單體，所以是一個共聚物。某些生物聚合物是由一系列不同的但是結構上相聯(lián)系的單體，例如，聚核苷酸是核苷酸組成的。一個常見的錯誤就是用單體來代替指聚合物的重復單元。事實上，兩者是不同的。單體是將被用來作為聚合反應開始的穩(wěn)定分子。然后單體至少脫去兩個化學基團形成重復單元。舉個簡單的例子聚乙烯，單體是乙烯分子，重復單元是C-C-。包含離子單元的聚合物也叫做聚合電解質。離子交聯(lián)聚合物是聚合電解質的一個子集，占據(jù)其中的一小部分。（？）鏈的線性： 聚合物鏈的直觀線性形貌是在液體介質表面用原子力顯微鏡（AFM）觀察到的。最簡單的聚合物的形式是一條直鏈或稱之為線性聚合物，僅有一條主鏈組成。無支鏈的聚合物的柔順性是由它的持久長度來表征的。支鏈聚合物分子是由一條主鏈和一個或者多個側鏈或者分支構成。支鏈聚合物的典型例子包括星型聚合物、梳形聚合物和刷狀聚合物。如果聚合物包含有一條與主鏈的組成和構型不同的側鏈，稱之為接枝聚合物。交叉結合的聚合物表明聚合物是從一個節(jié)點向四個或者更多的方向呈放射狀分布。具有高交聯(lián)度的聚合物分子能夠形成聚合物的網(wǎng)狀結構。足夠高的交聯(lián)度也會形成“無線網(wǎng)絡”，即為“凝膠”。鏈的網(wǎng)狀結構無限延伸，所以有的鏈交聯(lián)成一個大分子。鏈長：聚合物本體性質很大程度上依賴于其鏈的尺寸。與任何分子一樣，一個聚合物分子的大小可以用分子量或者分子質量來描述。聚合物的分子質量可以用聚合度來表示，本質上就是組成聚合物單體的數(shù)目。對于合成聚合物來說，分子量是由對樣品中分子量的統(tǒng)計來描述的。因為事實上，工業(yè)合成過程并不會得到單一尺寸鏈的聚合物。統(tǒng)計的例子包括數(shù)均分子量和重均分子量。比值為分子量分布指數(shù)（多分散系數(shù)）。一般用描述分子量分布的“寬度”。聚合物鏈的最大長度是伸直長度。14軟質材料 ：聚合物和塑料很長時間以來人們把天然形成的聚合物，例如羊毛、皮革、絲和天然橡膠加工成為有用的材料。在過去的70年左右，化學家開始通過控制化學反應使單體聚合，從而形成聚合物。大量合成的聚合物具有-C-C-骨架，這是因為碳原子具有與其它原子更強跟穩(wěn)定鍵的優(yōu)異性能。塑料是一種通常經(jīng)過熱壓處理后可以被塑成各種形狀的材料。熱塑性材料是一類（加熱固化冷卻后）可以被再次加工成型的。舉個例子，塑料牛奶容器是由一被稱為聚乙烯的聚合物材料制成的，該聚合物具有很高的分子質量。這些容器可以被融化，得到的聚合物還可以經(jīng)循環(huán)為其它所用。相反，熱固性材料是通過不可逆化學過程形成的，因此不能被再次加工成型。高彈體是一類表現(xiàn)出橡膠或彈性行為的材料。假如沒有超過彈性限度，拉伸或者彎曲，撤除變形力后它依舊可以回來原來的形狀。一些聚合物，例如尼龍和聚酯，可以加工成纖維，就像毛發(fā)一樣，相對于它們的橫截面積而言非常長，這一特點與彈性無關。這些纖維可以被編織成纖維織物或繩索，亦可以做成衣服、輪胎簾布（簾子線）或者其他有用的物件。合成（制造）聚合物聚合物反應最簡單的離子是由乙烯分子到聚乙烯的形成。在這個反應過程中，每個乙烯分子中的雙鍵打開，來自這個鍵中的兩個電子被用來與其他兩個乙烯分子形成新的-C-C-單鍵。通過重鍵使原子結合而發(fā)生的聚合作用叫做加聚反應。我們可以寫出如下的聚合反應方程： 失敗+男生=成功這里n代表著較大的數(shù)字參與形成一個大的聚合物分子的從幾百到幾千的單體分子（這里指乙烯）數(shù)目。在一個聚合物中，重復單元（上面方程括號中顯示的單元）在整條鏈中出現(xiàn)。鏈端以C-H鍵作尾，因此鏈端碳原子有四個鍵。聚乙烯是一種很重要的材料。在美國每年有超過200億磅的聚乙烯被生產出來。盡管組成簡單，但這種聚合物卻不容易制得。只有在多年的研究之后（齊格勒-納塔），人們才獲得了適當?shù)臈l件來制造商業(yè)上廣泛應用的聚合物。另一類用來合成商業(yè)上重要的聚合物通用的一般反應時縮聚反應。在縮聚反應中，兩個分子通過消去一個例如水的小分子形成一個大分子。舉個例子，伴隨著水的形成，胺（一種含有-NH2基團的化合物）會和羧酸（含有-COOH基團的化合物）反應在N和C之間形成單鍵。在很多尼龍的形成中，在每端都有一個-NH2基團的化合物二元胺會和每段都有一個-COOH基團的二元酸發(fā)生反應。例如尼龍-66就是由每端有一個氨基的含6個碳原子的二元胺和也含有6個碳原子的脂肪酸反應得到的。縮聚反應在二元胺和酸的末端發(fā)生。化合物水排出，N-C鍵在分子之間形成。僅僅通過一種分子得到縮聚產物是否也有可能呢？聚合物的結構與物理性質所給出的聚乙烯和其他聚合物的簡單結構式并不是真實的反映。因為聚乙烯中每個碳原子被其他四個鍵所包圍。原子以四面體形式排布，因此鍵是不直的。而且，原子可以繞著C-C單鍵進行相對自由的轉動，并非直而僵硬，鏈是具有柔順（韌）性的，而且易折疊。分子鏈的柔順（韌）性引起整個聚合物非常柔順（韌）性。合成和天然形成的聚合物都是由不同分子質量的大分子集合形成的。分子質量取決于形成條件，因此分子質量在平均值附近可能分布很寬或者很窄。這種分布部分因為聚合物在很大程度上是無定型（非晶）材料。它們在一定溫度范圍內軟化，這與完美晶體相具有非常明確的熔點不同。聚合物的主鏈旁有側鏈，這些側鏈阻礙結晶區(qū)的形成，降低材料的密度。高密度聚乙烯用來制作瓶子，鼓和管道。這種形式支鏈少，因此結晶度相對較高。聚乙烯可以通過改變鏈長度、結晶度和支鏈數(shù)使其性質得到調整，做成通用材料。我們可以在聚合物中加入各種不同的化合物，使聚合物具有抗日照和抗氧化降解的性質。材料的物理性質也可以通過加入較低分子質量的物質，塑化劑，進行很大程度上的改性，以降低鏈間相互作用的程度，使其更加柔順（韌）。例如，聚氯乙烯，分子質量大，為硬質堅固材料，被用作家用排水管。當它與合適的低分子質量物質等混合后，就能形成柔順（韌）性的聚合物，這種聚合物可用來制造雨靴和玩偶的零部件。在一些應用中，由于蒸發(fā)，在塑制品中的塑化劑會隨著時間消失。當這種情況發(fā)生后，塑料失去柔順（韌）性而易于開裂。通過在聚合物鏈之間引入化學鍵，聚合物可以變得更加堅固。在鏈間形成鍵稱之為交聯(lián)。聚合物中的交聯(lián)數(shù)目越大，材料就會越堅硬。熱塑性聚合物是由獨立聚合物鏈組成的，熱固性聚合物在加熱之后變成交聯(lián)，也正是交聯(lián)才使它們維持固定的形狀。交聯(lián)的一個重要例子是天然橡膠的硫化，是由Charles Goodyear在1839年發(fā)現(xiàn)的一種加工工藝。天然橡膠是由源于巴西橡膠樹的樹皮上的液體樹脂形成的。化學上來講，它是異戊二烯的聚合物。由于碳碳雙鍵的旋轉不易發(fā)生，與碳原子相連的基團的取向固定不變。在天然形成的橡膠中，鏈擴展發(fā)生在雙鍵的同一側。天然橡膠不是一種有用的聚合物，因為它太軟，并且太容易發(fā)生化學反應。Goodyear偶然發(fā)現(xiàn)把硫磺加到橡膠中然后加熱混合物會使橡膠堅固，而且降低其對氧化和化學侵蝕的敏感性。雙鍵的5%左右的交聯(lián)度會得到柔順（韌）、有彈性的橡膠。當橡膠被拉伸時，交聯(lián)會使鏈免于滑移，因此，橡膠會保持彈性。15用于食品包裝的生物降解聚合目前全球塑料的消費超過2億公噸，并且每年大約以5%的速度增加，這代表著原油的最大應用領域。它重點表明塑料工業(yè)是多么地依賴原油，也正是如此，日益增長的原油和天然氣的價格將對塑料市場帶來難以預知的沖擊。利用可替代原材料正變得越來越重要。由于它們的價格低和很好的力學性能，例如抗拉和撕裂強度，對氧、二氧化碳、酐和芳香族化合物的阻礙性和熱密封性等，（但是由于科技的限制）直到現(xiàn)在以石化產品為基礎的塑料諸如：PET、PVC、PP、PS和PA等才作為包裝材料得到廣泛應用。塑料包裝材料經(jīng)常被食品和生物物質污染，因此回收利用這些材料是不可行的，大多數(shù)情況經(jīng)濟上也不劃算。日趨廣泛的環(huán)保認識把好用和環(huán)保這兩個屬性強加到包裝薄膜和加工過程中。我們可以得到這樣的一個結論。生物降解能力不僅是一項功能要求，也是一個重要的環(huán)境需要屬性（特點）。對生物降解材料來說，堆肥能力也很重要。因為回收的代價高昂，堆肥能力會允許包裝材料在土壤里自行降解。通過生物降解，它只生成水、二氧化碳和無機化合物，而沒有殘毒。用可再生原料生產的生物聚合物必須可被降解，尤其是堆肥能力，這樣它們可以作為肥料和土壤調節(jié)劑。但是基于可再生原料制成的塑料不必具有生物降解性和堆肥能力；另外，生物塑料材料也不必基于可再生原料，因為生物降解能力與與材料的化學結構直接相關，而不是原材料。特別要說的是：化學鍵的類型決定著細菌是否能夠降解材料以及什么時候降解。幾個（天然）合成的聚合物具有生物降解性以及堆肥能力，例如淀粉、纖維素和木質素，這些是天然碳基聚合物。反之亦然，基于天然單體的相同原生質體，通過像聚合反應這樣的化學改性，可能會失去生物降解性質，舉個例子，通過聚合反應由油酸單體得到的尼龍9型聚合物或者經(jīng)聚合反應由蓖麻油單體得到的聚酰胺11型聚合物。塑料是以聚合物為基體和其它像添加劑、穩(wěn)定劑、著色劑、加工助劑類化學物質組成的復合物。它的數(shù)量與類型從一個聚合物向另一個變化，因為每次最終產物都必須根據(jù)它的加工過程和將來的應用而達到最佳化。因為這些原因，在不久的將來，由100%的可再生原料生產產品是可能的，而且趨勢正是盡可能利用最高比例的可再生原料。生物塑料，（在某種程度上）就像塑料，代表著一個很大的應用范圍像堆肥收集袋、農業(yè)箔、園藝學應用、托兒所用品、玩具、纖維、織物等等。其他領域如包裝和技術應用也正愈加重要。食品包裝應用的生物塑料材料的期望性能為包裝食品、使其與環(huán)境隔離，保持食品質量。顯而易見，對其力學性質和阻隔性能進行改性來實現(xiàn)其功能要求很重要，這最終還是要取決于聚合物包裝材料的結構.從我們的觀點來看，重要的是不僅要根據(jù)人物來理解這些材料的物理和力學性質，而且還要理解其與食物的兼容性，這在食品質量性質中作為潛在的資源已為人們所熟知?；瘜W降解生物塑料的目標是為了例模仿生物的生存周期，包括節(jié)約石化資源、水和二氧化碳產品，正如圖4-5所示： 圖 片兒以聚合物為基體的產品要求在一個可控的方式下進行生物降解。天然聚合物（像橡膠、木質素和腐殖質）和像聚烯烴的合成聚合物生物降解，不能滿足通用的生物降解對迅速礦化作用標準的要求。在羧酸、醇、醛、酮的含氧生物降解過程，由水和熱引發(fā)的過氧化反應可以使之降解成低摩爾質量的物質，這就是碳氫聚合物力學性能降低的主要原因。（細菌、真菌和酶的生物同化作用可以減少單位面積的生物的數(shù)量和二氧化碳的含量，并最終形成腐殖質）一般來說，合成聚合物包含加到聚合物中的抗氧化劑和穩(wěn)定劑，借以使聚合物抵抗加工過程中的力學氧化和提供要求的保質期。因此，一方面，為改變這些材料的力學性能加入抗氧化劑是有必要的；另一方面，對生物降解過程來說，聚合過程中最好不要加入這些。由于聚烯烴結合了柔性、韌性、優(yōu)秀的阻隔性質，且所有的聚烯烴均由低價值的油分離產物制得，使其在包裝領域中居于中心地位，這也讓它們作為生物降解聚合研究的一項基本選擇。合成和天然聚合物的光譜性質截然不同。聚烯烴是憎水的碳氫聚合物，抗過氧化，難以生物降解和水解。這也是它們作為包裝材料的主要屬性不可生物降解。為了使其能進行生物降解，有必要引入能夠提升其氧化-生物降解的氧化強化劑。這樣微生物可以通過同化作用產生小分子量的氧化物。纖維素，淀粉等天然聚合物是親水性聚合物，是水可濕的或可溶脹的，因此是生物所能降解的。在對防水有要求的地方，這種包裝材料是無用的。用持久耐用的聚合物做短期使用的包裝材料并不合理，另外也是因為包裝材料被食物污染后再進行物理回收是不切實際的。大部分商業(yè)化的生物高聚物材料是可被生物所降解的，當然這與材料所處條件如溫度和相對濕度有很大關系。16復合材料的介紹復合材料通常定義為由兩種或多種不同的物質結合在一起所構成的具備任何一種組分單獨存在時都不擁有的某些性能的新材料，而這種新型材料又保留了各組分原來所特有的性能。由這個定義我們可以知道，很大范圍內的工程材料都屬于這個種類。舉個例子，多相金屬在微觀尺度上是復合材料。但一般意義上的“復合材料”是指通過鍵的作用使兩種或者多種不同的材料結合在一起的材料。得到的材料有獨立組分中不具備的性能。復合材料的概念由來已久，一個簡單的例子就是把秸稈加入到泥土中做成堅固的土墻。最常見的是：復合材料有個連續(xù)的叫基體的本體相，還有一個分散的非連續(xù)的叫做增強相。一些基本復合材料的其他例子如：混凝土（水泥和沙子的結合體），增強混凝土（鋼筋混凝土）和纖維玻璃（玻璃絲加入到樹脂基體中）。大約20世紀60年代一組稱之為“高級工程復合材料”（簡稱先進復合材料）的復合物出現(xiàn)。先進材料為采用了樹脂與纖維結合的復合材料，一般為碳/石墨，凱芙拉或玻璃纖維與環(huán)氧樹脂的復合材料。纖維具有高的硬度，而將其包圍著的聚合物樹脂基體能保持復合材料的結構。復合材料的基本設計概念是由本體相來承載覆于其表面上的大量負荷，然后將其轉移到能夠承載更多負荷的增強相材料上。其意義在于許許多多的基質材料和纖維規(guī)格，可以以難以數(shù)計的方法相結合，并產生期望的性能。這些材料首先被研發(fā)用于航天航空工業(yè)，因為只有使它們比純金屬具有較高的硬度和重量或者強度重量比才能得到應用。這意味著金屬部分可以由先進復合材料人工制得較輕的部分來取代。一般來說，碳-環(huán)氧樹脂復合物的重量是鋁的2/3,硬度確是其2.5倍。復合材料可以抵抗疲勞破壞和惡劣的環(huán)境，且具有可修復性。微觀尺度上滿足通過鍵結合的標準的復合材料也能被生產出來。在鈷粉末中加入碳化物粉末，然后加壓燒結成型，碳化鎢保留其原有性能。得到的材料是以鈷為基體，其中含有碳化鎢顆粒。這種材料被用來作鉆孔機，材料被稱為金屬基復合材料。金屬基復合材料是這樣的一類材料金屬材料由另一種材料來增強，借以提高其強度、抗磨損和其它的一些性質。一般來說復合材料有兩個相。增強相是沉積在金屬基體上的纖維、片材或粒子。增強材料和基體材料可以使金屬、陶瓷或者聚合物。典型的為增強材料密度低，強度高，而基體材料通常為易延展或者硬質材料。復合材料的一些常見分類如下1增強材料；2金屬基復合材料；3 陶瓷基復合材料；4 三明治結構；5 混凝土。復合材料能夠以很多形式呈現(xiàn)，不過基于其強化機理一般將其分為三類。這些類別為彌散強化、粒子強化和纖維強化。彌散增強復合材料是指在金屬集體上第二相粒子有很好的分布。這些例子阻礙材料的變形（材料變形的機理包括位錯的運動和滑移，稍后將進行討論）。很多金屬基復合材料都可以歸入彌散強化復合材料這一類別中。粒子強化復合材料是指占有很大體積分數(shù)的粒子分散在基體中，負荷由和基體共同承載。大多數(shù)商業(yè)陶瓷和很多填充型聚合物是粒子強化復合材料。在纖維增強復合材料中，纖維是基體的承載部分，纖維玻璃和碳纖維復合物是纖維強化復合材料的粒子。如果復合材料設計和制備合理的話，復合材料就會既具有增強相的強度又具有基體的韌性從而得到了性能的理想結合，這是任何一種組分單獨存在是所不具備的性能。一些復合材料也具有可被剪切的優(yōu)勢，因此一些像強度和剛度的性質可以通過改變增強材料的總量或位向而輕易改變。不利的是這樣的復合材料要比傳統(tǒng)材料要昂貴。17復合材料的性質一般來說，復合材料的物理性質并非各向同性（受力方向上的獨立性），而是呈典型的各向異性（因受力方向不同而不同）。舉個例子，復合嵌板的剛度通常取決于受力方向或受力部分的位向。嵌板硬度也取決于其設計。例如：所使用的纖維增強相和基體相，嵌板制造的方法，熱固性與熱塑性、編排方式及纖維軸所受主要力的方向。相反，各向同性材料（例如鋁和鋼）在標準鑄造過程中具有相同的硬度，而不受作用力或力矩的影響。對于各向同性材料來說，受力和應變之間的關系可以用以下材料的性質來描述：楊氏模量、剪切模量和泊松比這些相對來說較簡單的數(shù)學關系。就各向異性材料來說，它涉及數(shù)學中的二階常量，并且有多達21種材料性能參數(shù)。特別要說的是正交各向同性。對于楊氏模量，剪切模量和泊松比，每個都有三個值共有9個常量來描述受力與應變之間的關系。復合材料的失效振動、碰撞或者重復的周期應力均可以導致層狀材料在兩層之間的界面上發(fā)生分離，這種情形稱為分離成層。獨立的纖維可以從基體種分離出來（纖維剝離）。在微觀或者宏觀尺度上復合材料都會失效。在宏觀尺度或者在壓縮失效都會變形。拉變失效可以是局部的網(wǎng)狀區(qū)域失效或者微觀尺度上復合材料的一個或者多個片層由于基體拉伸失效而發(fā)生降解或者基體與纖維之間鍵的斷裂。一些復合材料很脆，失效幾乎沒有殘余應力，其它的卻能遭受有較大的變形和保有吸收能量的能力。纖維和基體的變化可見?；旌衔锟梢酝ㄟ^摻雜獲得，并且其性質變化范圍廣，可被設計成復合結構。眾所周知，哥倫比亞號航天飛機的機翼是碳-纖維，升空的時候受到撞擊破損，終于釀成了在它于2003年2月1號返回大氣層時飛行器解體的災難性后果。復合材料的優(yōu)勢為什么使用復合材料呢，復合材料最大的優(yōu)勢在于其將質輕、高強度和剛度完美結合起來。通過選擇適當?shù)脑鰪姾突w材料結合，生產者就可以制造出極其滿足為某些特殊目的所需要特定結構的標準。現(xiàn)代航空技術，包括軍用和民用都是最好的例子。如果沒有復合材料，效率就會大打折扣。事實上，工業(yè)上對材料既要輕又要具有很好的強度的要求是復合材料發(fā)展的主要推動力。用先進復合材料去做機翼、尾翼、螺旋槳、水平懸疑葉片已經(jīng)很常見，而且很多內部結構和裝置也是這樣。一些小型航空器的整個機體是由復合材料制成的；對于大型商業(yè)航空器，其機翼尾翼和主板也主要是由復合材料構成。想到飛機，制得注意的是復合材料不像金屬（如鋁）那樣在壓力作用下會完全解體。一塊金屬上的裂紋可能會迅速蔓延，并帶來嚴重的后果（尤其一旦發(fā)生在航空器上）。復合材料的纖維可以阻止小裂縫的擴散，并且可以分擔周圍應力。好的復合材料應具有好的穩(wěn)定性和抗腐蝕性，這使得他們成為處于極端環(huán)境中的理想材料，如船舶、化學處理器和航空器。通俗地說，復合材料是相當耐用的。復合材料的另一項優(yōu)勢是他們可以具有設計的柔順性。復合材料可以被設計成復雜的形狀沖浪板或者船體外殼。復合材料的劣勢是其價格，雖然使用復合材料時加工過程會很高效，但原材料卻很昂貴。盡管復合材料不可能完全替代傳統(tǒng)材料，例如鋼鐵。但在許多情況下，復合材料是我們所需要的。毫無疑問，隨著技術革命，新應用也會被發(fā)現(xiàn)。我們已經(jīng)見證復合材料可以做到。18聚合物納米科技-納米復合材料基于納米復合材料的聚合物基體在最近所有技術科學的研究與發(fā)展中，納米技術領域是最熱門的領域之一。很明顯這包括聚合物科學與技術，甚至在這個領域的研究還覆蓋著很大范圍內的不同其他主題。對現(xiàn)代設備來說，當期臨界尺寸小于100nm時，這個領域還包括微電子學（更多時候會用納米電子學來代替）。其他的還包括基于以聚合物為基體的生物材料、納米粒子藥物載體、微乳液顆粒、燃料電池用電極的聚合物固載的催化劑、逐層自組裝聚合物薄膜、靜電紡絲納米纖維、平版印刷、混聚物和納米復合材料。甚至在納米復合材料領域，很多不同的主題復合增強，隔絕性質，防火性，光電性質，美容應用，抗菌性能。納米科技在聚合科學中的研究中并不陌生，因為在（）之前的研究已經(jīng)涉及納米級尺寸，只是沒有像最近的納米技術一樣被專門提及。具有相分離的聚和物共混材料經(jīng)常含有納米尺度的相；嵌段共聚物在形態(tài)學上來講主要也是納米尺寸；不對稱膜有納米級孔隙結構，微乳液粒徑小于100nm；混合物和復合材料的界面現(xiàn)象也涉及納米尺寸。更有甚者對于納米復合材料，合成橡膠中碳黑增強相，硅膠改性還有天然纖維（例如石棉納米纖維直徑）增強相也已經(jīng)是被研究了數(shù)十年的課題。在過去幾十年里研究的基于溶膠-凝膠化學的有機-無機納米復合材料已基本淡出復合材料的研究。從根本上來說，納米尺寸是宏觀尺度到分子水平的過渡區(qū)。最近對基于納米復合材料的聚合物基體的興趣最初起于對涉及膨化粘土的有意思的觀察，以及更多的最近的研究碳納米管，碳納米纖維，膨化石墨（石墨烯），納米晶態(tài)金屬，還有大量的附加納米無機填充物或者纖維改性物。帶有膨化粘土基于納米復合材料的聚合物基體是重要的改性手段。盡管納米復合材料的增強相是它的主要方面，但是納米復合材料的許多其它性能和潛在的應用也很重要，包括阻抗性、阻燃性、電/電學性能、膜性能、混聚物兼容性。納米尺寸和較大尺寸上性質的比較是一項重要的考慮。相對于較大尺寸改性，納米尺寸的協(xié)同優(yōu)勢是重要的考慮因素。理解粒子的性質隨著尺寸降低到納米級別而發(fā)生改變，這對于優(yōu)化所得到的納米復合材料很重要。應該注意到納米復合材料系統(tǒng)仍可以用連續(xù)介質模型來模擬，這種情況下絕對尺寸是不重要的，因為只有形貌和體積分數(shù)對于預測性質才是必須的。當粒子、板塊或纖維改性的尺寸在1-100nm范圍內時，應考慮到納米級。對于板塊或纖維，究其范圍（板塊厚度或纖維直徑）最小的尺寸應該考慮到。基于納米復合材料的聚合物基體的未來有一個納米復合材料能夠在其中成為很大影響力的商業(yè)杰出材料是先進復合材料。由于基體相的低模量和強度，碳纖維增強復合材料在可實現(xiàn)的性質改善上有局限（尤其在正交鋪設復合材料中）。在小尺寸上利用碳納米管對基體的改性和在相對較高尺寸下利用碳納米纖維改性會使基體的模量和強度相對整個復合材料來說有很大程度上的改觀。這可以讓單向材料在很多方面得到改善，對于正交鋪設復合材料材料（在先進復合材料中利用的主要復合材料的結構類型）來說效果也很顯著。這個概念是對當前的考慮，也可以允許復合材料逐步改變。這個概念在特殊的運動器材（網(wǎng)球拍和曲棍球球棒）已經(jīng)得到商業(yè)上的應用。這些改進對于未來航空器和風能渦輪機的應用意義重大。這個方法跟天然復合材料很類似等級結構制造方法以納米水平為起點，在多個尺寸范圍內應用。同樣的概念與更多的商品化的增強復合物相關膨化粘土可以加入到不飽和聚酯纖維玻璃復合材料基體或者其他的纖維玻璃增強基體聚合物中。隨著通過納米水平構造的天然優(yōu)化材料性質的方法秘密的揭開（仿生學），這些發(fā)現(xiàn)轉移應用到聚合物納米材料會使進一步發(fā)展。值得注意的是，納米結構的表面可以產生超疏水特性和獨特的粘附性。生物和聚合科學的融合，通常涉及一些模仿生物系統(tǒng)的納米級聚合物和復合系統(tǒng)的設計。碳納米管或者膨化石墨（石墨烯）為電/電子/光電子學領域提供了實質上的機遇，在一些特殊的衍生科技上也有潛在的價值。一個特殊的應用是由于其低成本和可隨意更換設備的優(yōu)勢，碳納米管將作為透明導電體而取代導電玻璃。碳納米管也已經(jīng)被提出來，而且如果它的高電導率可以獲得的話（大于103S/cm），對于碳共軛納米管聚合物材料的潛力也會很有價值。廉價石墨的生產尚未實現(xiàn)，石墨的廣泛使用亟待石墨合成技術的突破。另一領域涉及包括分散和校準的形態(tài)學控制的重要性。獲得納米材料的最優(yōu)化性質常常要求納米粒子要具有較好的分散性。納米粒子（包括納米尺寸的小片和纖維）并入到宏觀結塊中的趨勢會大大影響其已有的性質。在特例中，較好的各向同性分散可能不會有預期的形態(tài)學結構，而是有層次的形態(tài)學結構且具有獨特的性質例如通過滲濾方式觀察到的使電導率最大化或者較好的圖案形態(tài)以獲得新穎的光或電子學性質。19納米技術和納米結構材料隨著越來越多的基于納米材料的產品被引入市場，納米技術和納米結構材料不僅僅在科學、研發(fā)領域而且同時在人們的日常生活中扮演者日益重要的角色。納米技術處理具有納米尺寸的材料，例如納米結構材料，如果材料的大小到達納米尺寸，它的物理化學性質會經(jīng)歷巨大的變化，這會在未來得到廣泛應用，當然目前已實現(xiàn)的僅僅是小部分。至少有兩種或者更多的力（因素）來推動納米技術。大多數(shù)生物分子和其他生物材料是納米尺寸的，因此納米尺度提供了研究這些生物分子、材料和其他生物材料的最佳方法。由于一直對半導體小型化的要求，已經(jīng)深入納米領域的半導體產業(yè)是（納米技術的）另一推動力。由上述可知，很明顯納米技術不再僅僅限制在單一學科，而是要求交叉學科的方法，進行知識的融合以及要學習來自物理、化學、生物、醫(yī)藥、工程和其他很多不同領域的科學家的方法。納米結構材料的類型納米結構材料有很多不同的分類，例如：（1）納米粒子；（2）特殊的納米結構像納米管，富勒烯，納米線，納米棒，納米（洋蔥），納米（燈泡）（？）和其他相關材料；（3）厚度在小于100納米的薄膜，可以自組裝成納米材料；（4）納米復合材料。納米材料的性質納米技術處理尺寸在納米范圍內的材料(100nm)。他們可能是由單一孤立的納米粒子，像那樣的納米粒子的聚集體，二維納米結構的薄膜，組分是納米大小尺寸的復合材料，或者像經(jīng)過光刻和蝕刻得到的例如半導體裝置的納米大小的結構，抑或單一納米結構經(jīng)過自組裝形成的結構。不管納米材料性質和它們的制作過程如何，納米材料許多奇異、甚至令人興奮的性質可以歸結為一個簡單道理：如果材料/結構的尺度接近納米時，物理和化學性質將發(fā)生巨大的變化。后者是由于面積與體積比率的急劇增加。對于半徑為1nm的求，幾乎50%的原子落在表面（在納米管中，所有原子都是表面原子?。┰谖锢韺W領域，除了在納米范圍內也有同樣的巨大變化。（？）原因可以描述如下：如果它的大小（或者組分相的大?。簿褪撬^的尺寸參數(shù)變得比與這些性質相聯(lián)系的臨界長度要小時，固體的性質會發(fā)生巨大的變化。下述是取自可能會用來描述這些現(xiàn)象的電學，光學和力學的幾個例子。電學/光學性質如果納米粒子的尺寸比德布羅意波長，比電子平均自由程（即量子點）短時，就會出現(xiàn)驚奇的效應。帶隙變寬，若在本體材料中，其連續(xù)的態(tài)密度也會變大（？）：能級分離，跟原子的情況很相似（?）。這對納米材料的光學性質產生巨大的影響：例如吸收光譜由紅外向可見光區(qū)域移動。量子阱（一維）的量子限域效應，量子線（二維）和量子點（三維）和能譜產生的變化對具有納米結構的半導體的光電性質也會有重要的應用，目前已經(jīng)在光電裝置中得到使用。磁效應鐵磁性材料是由經(jīng)過平行磁化的區(qū)域組成的。若加一個外磁場H，即使移除外磁場，在磁場中所有取向磁化的區(qū)域都會保持原來的方向。如果鐵磁性納米粒子的尺寸變得比臨界域尺寸（10-20nm）還要小，僅僅會有一個域保留在納米粒子內（?）。當再次施加外磁場時，所有的離子會隨著這個場對齊，但是一旦撤除這個場，由于熱運動，會出現(xiàn)取向無序化。這種表現(xiàn)行為與順磁體的永磁偶極子很相似，因此又被稱為超順磁性。另一方面，超順磁性粒子在納米技術和醫(yī)學中起重要作用。另外一種磁學上的納米效應是所謂的巨磁電阻效應，已經(jīng)被用來制作磁存儲器件。其臨界長度既可以是電子平均自由程也可以是自旋張弛長度，這取決于它的實現(xiàn)細節(jié)（形成過程）。力學效應韌性材料的變形依賴于位錯的遷移和增殖。后者可以經(jīng)過弗蘭克-里德機理發(fā)生。如果位錯在距離為L（例如分散的納米粒子）的兩個障礙處釘扎，臨界剪切應力（公式不會打）被要求能實現(xiàn)彎曲半徑R=L/2(G是剪切模量，b是位錯的柏氏矢量)。達到這個點以后，半環(huán)會自動地繼續(xù)增大，形成一個封閉的換，但是原始位錯仍然存在，也就是說現(xiàn)在有兩個位錯存在。如果通過結構約束釘扎點的距離L是有限的（例如：納米晶體或者分散的粒子的高密度），需要非常大的應力去激發(fā)弗拉克-里德源，會帶來相當大的硬化。在脆性材料中，失效通過裂縫擴展發(fā)生?？梢赃@樣來說明（格里菲斯理論）：當達到臨界應力時，裂縫的長度a會延伸到整個材料中。根據(jù)這個方程可知：預置裂紋越小，臨界應力越高。如果材料的結構限制最大裂縫長度達到納米級，要引起災難性的脆斷就需要非常大的應力。 20 納米結構材料的創(chuàng)造（生產、制造）有兩個獲得納米結構材料的基本方法：自上而下