侯京朋，仇克亮，岳永海

(北京航空航天大學(xué) 化學(xué)學(xué)院，北京 102206)

在科技蓬勃發(fā)展的21世紀(jì)，信息、能源、環(huán)境和生物等相關(guān)技術(shù)迅速發(fā)展。隨著人們對(duì)航空航天、軍事裝備以及先進(jìn)制造等領(lǐng)域戰(zhàn)略需求的提升，材料的力學(xué)性能顯得尤為重要。眾所周知，材料的微觀結(jié)構(gòu)決定其宏觀性能，因此，探究材料微觀結(jié)構(gòu)與物理性能的相關(guān)性，是高性能材料設(shè)計(jì)、材料性能優(yōu)化的重要基礎(chǔ)。鑒于此，人們發(fā)明了多種先進(jìn)的材料微觀結(jié)構(gòu)表征技術(shù)以及性能測(cè)試儀器設(shè)備和實(shí)驗(yàn)方法，以期系統(tǒng)解析材料性能與結(jié)構(gòu)的構(gòu)效關(guān)系。一百多年來(lái)，人們?cè)趬K體材料的生產(chǎn)和研究方面取得了巨大的成就，不僅研制開(kāi)發(fā)了適應(yīng)各工業(yè)部門(mén)發(fā)展所需的功能材料，也逐漸建立了較為完備的適用于塊體材料的相關(guān)理論。近年來(lái)，隨著納米制備技術(shù)的不斷發(fā)展，研究者們發(fā)現(xiàn)將塊體材料納米化后可以顯著改善其電學(xué)[1-4]、力學(xué)[5]、磁學(xué)[6]、催化[7]等性能。與傳統(tǒng)的塊體材料相比，納米材料由于其尺寸的限制具備小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等特點(diǎn)，相較于塊體材料具有更加優(yōu)異的性能，使其在電子、化工、醫(yī)藥、催化、核技術(shù)和冶金等領(lǐng)域展示出了潛力巨大的應(yīng)用前景[8-9]。除此之外，納米材料還表現(xiàn)出了更為優(yōu)異的力學(xué)性能，包括超高的強(qiáng)度、彈性以及奇特的塑性變形行為[10-15]等。因此，系統(tǒng)理解材料結(jié)構(gòu)與性能的構(gòu)效關(guān)系對(duì)設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)新一代高性能工程材料至關(guān)重要。

20世紀(jì)80年代德國(guó)科學(xué)家Gleiter首次提出了納米晶體材料(nanocrystalline, NC)的概念[16]，并通過(guò)原位固化法和惰性氣體冷凝法制備出納米晶金屬，拉開(kāi)了研究納米結(jié)構(gòu)材料的序幕，納米材料的研究正式成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。一維納米材料是納米結(jié)構(gòu)組裝體系的重要結(jié)構(gòu)單元，一維材料中的納米線(nanowires, NWs)具有優(yōu)異的特性，引起了科學(xué)界的極大興趣[17-20]，近三十年來(lái)，納米線相關(guān)的研究課題一直是納米科學(xué)和技術(shù)中最熱門(mén)的話題之一。從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)看，由于其極小的物理尺寸和較高的表面體積比，納米線在諸多方面都表現(xiàn)出不同于其體材料的性能，基于納米線的器件[21]和納米線增強(qiáng)復(fù)合材料[22]的設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用都依賴(lài)于納米線優(yōu)異的力學(xué)性能。從科學(xué)的角度來(lái)看，納米線可以作為一個(gè)理想對(duì)象，為進(jìn)一步理解固體材料結(jié)構(gòu)和尺寸的依賴(lài)關(guān)系提供可能。因此，為了更好地開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)以及應(yīng)用以納米線為基元的器件，必須廣泛深入地探索單體納米材料的力學(xué)性能，積累大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，以便從其中總結(jié)規(guī)律，更好地指導(dǎo)新材料設(shè)計(jì)。本文介紹了主流的納米線力學(xué)性能測(cè)試方法，闡述了各類(lèi)納米線在拉伸實(shí)驗(yàn)中的彈性、塑性和強(qiáng)度等力學(xué)性能，簡(jiǎn)述了納米線在原位實(shí)驗(yàn)中所出現(xiàn)的奇特力學(xué)行為，最后展望了納米線未來(lái)的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

1 納米線力學(xué)性能的測(cè)試方法

由于納米線的尺寸非常小，研究它的力學(xué)性能需要在小尺度下實(shí)現(xiàn)“看得見(jiàn)”、“抓得住”、“打得著”這三個(gè)目標(biāo)。雖然單體納米材料的尺度非常小，但是隨著觀察手段的不斷進(jìn)步，人們利用先進(jìn)的掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)、透射電子顯微鏡(transmission electron microscope, TEM)、掃描探針顯微鏡(scanning probe microscope, SPM)等技術(shù)手段可以從微納尺度甚至是原子尺度實(shí)現(xiàn)單體納米材料的可視化觀測(cè)，也就是可以實(shí)現(xiàn)“看得見(jiàn)”；“抓得住”指的是需要能夠固定住單體納米材料以完成后續(xù)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)工作；“打得著”是指可以對(duì)單體納米材料施加外場(chǎng)，包括力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電場(chǎng)等外場(chǎng)作用，單就納米材料的力學(xué)性能研究而言即為實(shí)現(xiàn)材料的彎曲、拉伸等變形操作以研究其力學(xué)性能。此外，在進(jìn)行相關(guān)力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)過(guò)程中還需要通過(guò)先進(jìn)的檢測(cè)手段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的“可監(jiān)測(cè)”，從而原位揭示材料結(jié)構(gòu)演化及力學(xué)性能的構(gòu)效關(guān)系。隨著科技的進(jìn)步，科學(xué)家們已經(jīng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一系列巧妙的方法和技術(shù)，如納米壓痕法、彎曲法和單軸拉伸法等，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)納米線力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)演化的探測(cè)，下面將重點(diǎn)介紹一些具有代表性的單體納米材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)方法。

1.1 基于納米探針的原位測(cè)試法

在基于納米探針的原位測(cè)試技術(shù)中，納米壓痕法是表征小尺度材料力學(xué)性能的常用手段，檢測(cè)方便，樣品制備也較為簡(jiǎn)便，被廣泛用于納米帶、納米線和納米薄膜等材料的力學(xué)性能表征中。在該方法中通過(guò)施加較小的應(yīng)力將納米壓痕儀壓頭或原子力顯微鏡(atomic force microscopy, AFM)探針針尖壓入樣品來(lái)測(cè)量其楊氏模量和硬度。在過(guò)去的十年中，納米壓痕成功地與SEM和TEM等設(shè)備集成，在納米材料力學(xué)性能的測(cè)試中，同時(shí)能夠得到納米材料顯微結(jié)構(gòu)和形態(tài)上的改變。Li等通過(guò)原位納米壓痕實(shí)驗(yàn)研究了Mg2B2O5納米線的力學(xué)性能，如圖1(a)所示的原位納米壓痕測(cè)試[23]，首先將單根Mg2B2O5納米線平鋪在光滑平整的基底上，為了避免納米線在測(cè)試過(guò)程中發(fā)生滑動(dòng)，通過(guò)電子束誘導(dǎo)沉積將Mg2B2O5納米線的兩端固定在了基底上，隨后在AFM中使用壓頭實(shí)現(xiàn)原位壓痕和成像，最后從實(shí)驗(yàn)記錄的力-位移(F-d)曲線中計(jì)算得到樣品的彈性模量和硬度。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，納米級(jí)探針垂直穿透納米線表面。這樣可以避免在AFM測(cè)試中，探針尖端與納米線表面接觸時(shí)偶爾觀察到的滑動(dòng)摩擦現(xiàn)象。近年來(lái)，基于納米探針的原位制備-測(cè)試技術(shù)獲得了一定的進(jìn)展，Wang等[24]在TEM中使用PicoFemto?TEM電支架，通過(guò)原位焊接納米晶，制備了不同取向的鎢納米線，并原位研究了納米線的變形行為。該原位制備-測(cè)試技術(shù)可使納米材料實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的拉伸、壓縮、剪切等變形，在納米材料的界面行為[25-31]、體心立方金屬變形[32-34]等方面得到了普遍的應(yīng)用。

1.2 單軸壓縮法

在納米壓痕法的基礎(chǔ)上，Nix團(tuán)隊(duì)[35]開(kāi)發(fā)了用于研究微米柱或者納米柱力學(xué)性能的單軸壓縮法，該方法可以有效規(guī)避應(yīng)變梯度和晶界誘導(dǎo)尺寸效應(yīng)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。如圖1(b)所示，他們使用聚焦離子束(focused ion beam, FIB)在塊狀Ni晶體表面加工了尺寸為微米級(jí)別的單晶Ni圓柱，圓柱的一端附著在塊體上。樣品制備完成后，使用納米壓痕平壓頭實(shí)現(xiàn)對(duì)單晶Ni圓柱的單軸壓縮，隨后從力-位移曲線中獲取單晶Ni微米柱的強(qiáng)度和應(yīng)變。研究中發(fā)現(xiàn)單晶Ni微米柱的強(qiáng)度隨著尺寸的下降而持續(xù)增強(qiáng)，針對(duì)這一現(xiàn)象，Nix團(tuán)隊(duì)提出了“位錯(cuò)饑餓”模型[35]。在該模型中他們指出尺寸較小的金屬內(nèi)部含有的位錯(cuò)數(shù)量少，在形變的過(guò)程中位錯(cuò)會(huì)從單晶的表面自由逸出，致使尺寸較小的單晶內(nèi)部長(zhǎng)期處于低位錯(cuò)密度狀態(tài)，變形時(shí)需要較大的外力激發(fā)新的位錯(cuò)成核，進(jìn)而提高了材料的強(qiáng)度，該位錯(cuò)饑餓模型后來(lái)被Shan等在TEM中進(jìn)行的原位實(shí)驗(yàn)所證實(shí)[36]。該技術(shù)自開(kāi)發(fā)以來(lái)便受到了業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注，隨之出現(xiàn)了大量關(guān)于單晶樣品微米柱或者納米柱力學(xué)性能的研究[36-38]。

1.3 彎曲法

彎曲法常用于測(cè)量納米線的力學(xué)性能，根據(jù)測(cè)量方式的差異，可分為兩種：(1)納米線的一端在基底上固定，在另外一端施加外力使納米線變形，該方式被稱(chēng)為懸臂梁法；(2)納米線的兩端均在基底上固定，在納米線的中心部位施加外力使納米線變形，該方式被稱(chēng)為三點(diǎn)彎曲法。Wong等在AFM中對(duì)單根SiC納米線進(jìn)行的懸臂梁彎曲力學(xué)實(shí)驗(yàn)[39]，首先納米線在摩擦力較小的MoS2基底上隨機(jī)分布，他們隨后通過(guò)沉積氧化硅的方式將納米線固定在基底上，之后對(duì)符合要求的懸臂梁納米線進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)，如圖1(c)所示，同時(shí)記錄相應(yīng)的力學(xué)信息，從中提取載荷-位移曲線。該方式需要復(fù)雜的工藝流程才能保證懸臂梁納米線與基底之間嚴(yán)格平行，因此沒(méi)有得到進(jìn)一步的推廣。Salvetat等[40]使用三點(diǎn)彎曲法測(cè)量了單根納米線的力學(xué)性能，他們將碳納米管隨機(jī)分散在多孔陽(yáng)極氧化鋁表面，如圖1(d)所示，范德華力的作用足以保證碳納米管的兩端固定在多孔陽(yáng)極氧化鋁表面。用AFM針尖的縱向力模式在中點(diǎn)處進(jìn)行三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量AFM微懸臂的撓度和縱向位移，再根據(jù)梁的彎曲理論分析便可得到納米線的力-位移曲線，從而得到納米線的力學(xué)性能。該方式的樣品制備流程簡(jiǎn)便，測(cè)試時(shí)間短，因此得到了普遍的應(yīng)用。

1.4 電致機(jī)械共振法

1.5 單軸拉伸法

相比于上述幾種力學(xué)性能測(cè)試方法，單軸拉伸法是目前使用最多的測(cè)試方法，單軸拉伸實(shí)驗(yàn)可以在納米線發(fā)生彈性或塑性變形的過(guò)程中，進(jìn)行大范圍的原位測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加直觀。近些年來(lái)科學(xué)家們相繼研發(fā)出了基于SEM和TEM的原位拉伸技術(shù)手段。原位電鏡技術(shù)可以在微納尺度或原子尺度下實(shí)時(shí)觀察納米線的變形行為，為研究納米線的力學(xué)性能提供了有力的工具。Zhu團(tuán)隊(duì)[48]在SEM中對(duì)ZnO納米線進(jìn)行了原位拉伸實(shí)驗(yàn)，他們通過(guò)電子束誘導(dǎo)沉積的方式將納米線的兩端分別固定在兩個(gè)AFM懸臂上。控制其中一個(gè)AFM懸臂的移動(dòng)進(jìn)而對(duì)納米線施加軸向的拉力，另外一個(gè)AFM懸臂梁作為負(fù)載傳感器實(shí)時(shí)傳輸力-位移信號(hào)。隨后繪制納米線的力-位移曲線，通過(guò)計(jì)算可得到單根納米線的彈性模量、屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度、彈性應(yīng)變等力學(xué)性能參數(shù)。Espinosa等[49]利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(micro-electro-mechanical system，MEMS)制作了原位拉伸系統(tǒng)，高度集成的微小測(cè)量芯片可以安裝在特制的TEM樣品桿上，其中MEMS部分負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)軸向力的加載和傳感，應(yīng)變由TEM測(cè)量獲得，從而實(shí)現(xiàn)拉伸狀態(tài)下單根納米線的微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性質(zhì)的聯(lián)系。圖1(f)顯示了具有推拉(push to pull，PTP)裝置的Hysitron PicoIndenter的掃描電鏡形貌圖[50]，該裝置可以用于SEM和TEM中以研究納米線的拉伸強(qiáng)度，如圖中的黃色圓圈區(qū)域所示，納米線橫跨在間隙上，兩端分別固定在PTP的移動(dòng)端和固定端上。當(dāng)裝置的移動(dòng)端被推動(dòng)時(shí)，間隙隨之?dāng)U展從而將壓縮力轉(zhuǎn)換為拉伸載荷，從而實(shí)現(xiàn)納米線的拉伸變形操作，同時(shí)通過(guò)壓頭的力、位移傳感輸出力-位移曲線[51-53]。

圖1 納米線的力學(xué)性能測(cè)試(a)納米壓痕法[23];(b)單軸壓縮法[35];(c)懸臂梁法[39];(d)三點(diǎn)彎曲法[40];(e)電致共振法[41];(f)單軸拉伸法[50]Fig.1 Mechanical properties tests of nanowires(a)nanoindentation test[23];(b)uniaxial compression test[35];(c)cantilever beam bending test[39];(d)three-point bending test[40];(e)electrogenic resonance test[41];(f)uniaxial tensile test[50]

2 納米線力學(xué)性能的原位拉伸表征

單軸拉伸測(cè)試是一種常用于納米線特性表征的方法，與其他力學(xué)實(shí)驗(yàn)方法相比，納米線在單軸拉伸下的應(yīng)力狀態(tài)最簡(jiǎn)單，拉伸實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)解釋和變形機(jī)制更為直觀，所需參數(shù)假設(shè)更少。從拉伸實(shí)驗(yàn)中獲得的應(yīng)力-應(yīng)變曲線信息，包括試樣和材料的彈性模量、拉伸強(qiáng)度、加工硬化系數(shù)和破壞應(yīng)變。納米線在拉伸過(guò)程中，一般會(huì)發(fā)生彈性、塑性、屈服和斷裂等各種形變過(guò)程。納米線在測(cè)試中大多表現(xiàn)出兩類(lèi)力學(xué)行為，一類(lèi)是納米線在拉伸過(guò)程中可以承受接近其固有強(qiáng)度的極高應(yīng)力，而不表現(xiàn)出塑性和斷裂等非彈性變形；另一類(lèi)是納米線出現(xiàn)了較高的塑性變形。本節(jié)將對(duì)納米線在原位拉伸實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出的力學(xué)性能進(jìn)行闡述。

2.1 納米線的彈性

彈性應(yīng)變是材料在塑性變形或脆性斷裂之前所能承受的最大應(yīng)變。眾所周知，塊體材料的內(nèi)部存在著大量的缺陷，它們所能承受的彈性剪切或拉伸應(yīng)變一般在0.2%～0.3%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它們的理論彈性極限。與塊體材料相比，納米線內(nèi)部的缺陷密度非常低，其屈服強(qiáng)度會(huì)顯著增加，相應(yīng)的彈性應(yīng)變也會(huì)增大，是實(shí)驗(yàn)中測(cè)量材料固有彈性應(yīng)變的理想樣品[54]。

Han課題組[55]使用高分辨透射電子顯微鏡(high resolution transmission electron microscope,HRTEM)原位觀察了直徑在40 nm左右的Ni納米線的彈性變形，如圖2(a)所示，在Ni納米線變形之前，2套{111}原子面之間的夾角α為70.5°。如圖2(b)所示，隨著應(yīng)變的增大，2套{111}原子面之間的夾角從70.5°增大到90°，然后到109°。分別對(duì)應(yīng)著0%,17.3%和34.6%的連續(xù)晶格剪切應(yīng)變。Ni納米線內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)也由開(kāi)始的面心立方轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方(對(duì)應(yīng)著90°的原子陣列)，隨后又轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎?對(duì)應(yīng)著109°的原子陣列)。圖2(c)表明高達(dá)34.6%的晶格剪切應(yīng)變是完全可恢復(fù)的。

圖2 Ni納米線的連續(xù)可逆晶格應(yīng)變[55](a)初始狀態(tài)下的高分辨圖像;(b)晶格沿著軸向連續(xù)切變,從70.5°連續(xù)增加至109°;(c)應(yīng)變釋放后的高分辨圖像Fig.2 Reversible lattice shear in Ni nanowires[55](a)HRTEM image taken at low strain;(b)continuous increase of α from 70.5° to approximately 109°;(c)HRTEM image taken after strain released

Yue等[56]通過(guò)TEM原位拉伸實(shí)驗(yàn)研究了單晶Cu納米線的彈性應(yīng)變，拉伸方向?yàn)椤?01〉，研究發(fā)現(xiàn)單晶Cu納米線的彈性應(yīng)變隨著樣品直徑的減小而增大，在直徑5.8 nm納米線的拉伸實(shí)驗(yàn)中觀察到〈001〉方向的晶面間距從36.2 nm增加到38.8 nm，最終又恢復(fù)到36.2 nm，對(duì)應(yīng)的彈性應(yīng)變?yōu)?.2%，接近Cu約8%的理論彈性應(yīng)變極限。Lu團(tuán)隊(duì)[57]通過(guò)微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積法和FIB工藝制備了一批取向不同的單晶金剛石納米線樣品，在TEM中沿[100]，[101]和[111]三個(gè)方向?qū)饎偸M(jìn)行了單軸拉伸測(cè)試，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)全部樣品均可以達(dá)到6.5%～8.2%的彈性應(yīng)變，并且在三個(gè)不同方向上都可以完全恢復(fù)。通過(guò)優(yōu)化樣品幾何形狀和加工工藝，[101]取向的金剛石最大的斷裂應(yīng)變可達(dá)9.7%，對(duì)應(yīng)的拉伸強(qiáng)度為79 GPa。

實(shí)際研究中，納米線的彈性應(yīng)變值會(huì)受到其幾何形狀、晶體取向和表面狀態(tài)的影響。大多數(shù)的納米線都具有單晶結(jié)構(gòu)，但由于具體制造工藝的不同，納米線通常具有不同密度和類(lèi)型等不可避免的缺陷，使得測(cè)量的數(shù)值出現(xiàn)一定的偏差。在Si納米線的早期研究中，Zhu等[58]通過(guò)氣-液-固法合成了Si納米線，并在SEM中通過(guò)原位拉伸對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明Si納米線的彈性應(yīng)變隨著直徑的減小而逐漸增大，直徑15 nm的納米線對(duì)應(yīng)的應(yīng)變值為12%。在此之后，Lu團(tuán)隊(duì)[59]使用相同的方法合成了Si納米線，并在SEM中使用PTP拉伸裝置研究了Si納米線的彈性極限，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)部分Si納米線的彈性應(yīng)變可達(dá)16%，接近理論彈性極限17%～20%。Liu課題組[60]基于TEM力學(xué)平臺(tái)，對(duì)Si納米線進(jìn)行了原位單軸拉伸實(shí)驗(yàn)以研究其力學(xué)性能，應(yīng)變速率為10-4s-1，發(fā)現(xiàn)納米線斷裂前對(duì)應(yīng)的最大彈性應(yīng)變?yōu)?.6%。研究表明，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)會(huì)受到測(cè)試方法和測(cè)試環(huán)境條件的影響。原位實(shí)驗(yàn)是在含有高能電子束的環(huán)境中進(jìn)行的，透射電鏡或掃描電鏡中的熱效應(yīng)和高能電子的撞擊效應(yīng)可能導(dǎo)致納米線試樣的損傷[61-62]，使測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。

目前，原位單軸拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，大多數(shù)納米線的彈性應(yīng)變值小于10%。InAs納米線在SEM中的原位單軸拉伸測(cè)試中展現(xiàn)出了10%的彈性應(yīng)變[63]；Shan課題組[50]通過(guò)在TEM中使用PTP裝置對(duì)VO2納米線進(jìn)行了原位單軸拉伸測(cè)試，發(fā)現(xiàn)其彈性應(yīng)變值為3.8%；Zhu課題組[64]在TEM中對(duì)GaN納米線的原位拉伸研究結(jié)果顯示，GaN納米線的彈性應(yīng)變值為2.5%。Zhang等[65]在SEM中通過(guò)原位拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到了Co納米線的彈性應(yīng)變值為2.14%?？偟膩?lái)說(shuō)，納米線彈性應(yīng)變的測(cè)量為驗(yàn)證理論預(yù)測(cè)建立了良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，加深了對(duì)納米結(jié)構(gòu)彈性的理解。與塊體材料相比，大多數(shù)納米線可以承受超過(guò)1%的剪切或拉伸應(yīng)變，因此它可以作為“彈性應(yīng)變工程”材料，即通過(guò)控制彈性應(yīng)變來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能特性，為納米材料的應(yīng)用提供更加廣闊的空間[66]。

2.2 納米線的強(qiáng)度

由于材料中存在缺陷或瑕疵，塊體材料的屈服強(qiáng)度、拉伸強(qiáng)度或斷裂強(qiáng)度明顯低于使用原子鍵能預(yù)測(cè)的相應(yīng)理論值。強(qiáng)化材料最簡(jiǎn)單的方法是減少材料中的缺陷或瑕疵，或者使材料變小從而減少缺陷。納米線內(nèi)部的缺陷數(shù)量較少，因此它們通常表現(xiàn)出超高的強(qiáng)度，其中一些納米線的強(qiáng)度接近其理論值。因此，納米線的強(qiáng)度測(cè)量不僅能直接驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，而且為定量理解尺寸、表面和缺陷對(duì)材料強(qiáng)度的影響提供了數(shù)據(jù)參考。理論上，由于表面重構(gòu)和弛豫的影響，表面原子的結(jié)合能與體原子的結(jié)合能有所不同，這可能會(huì)改變表面原子層的斷裂應(yīng)變和強(qiáng)度。由于納米線比表面積較大，表面效應(yīng)對(duì)納米線的強(qiáng)度有增強(qiáng)或者削弱的影響[67-68]。

最近，面缺陷對(duì)納米線強(qiáng)度的影響引起了人們極大的興趣。Zhu團(tuán)隊(duì)[64, 69]通過(guò)化學(xué)氣相沉積法合成了含有鈍角孿晶GaN納米線，在TEM中通過(guò)原位拉伸測(cè)試對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)與單晶GaN納米線相比(彈性模量338 GPa左右)，鈍角孿晶GaN納米線的彈性模量顯著降低，為124 GPa。結(jié)果表明，一維納米材料的彈性模量取決于平面缺陷的相對(duì)取向和體積分?jǐn)?shù)。Mao團(tuán)隊(duì)[70]在TEM中對(duì)含有小尺度孿晶的Au納米線進(jìn)行了原位拉伸，測(cè)試所得不含孿晶的Au納米線極限拉伸強(qiáng)度為1.43 GPa，在屈服之后沒(méi)有應(yīng)變硬化；含有低密度孿晶(LDTs)的Au納米線的屈服強(qiáng)度為1.7 GPa，且屈服之后有明顯的應(yīng)變硬化，極限拉伸強(qiáng)度為2.05 GPa；而超高密度孿晶(UDTs)Au納米線的應(yīng)變硬化行為完全消失，對(duì)應(yīng)的極限強(qiáng)度增加到了3.12 GPa。研究者發(fā)現(xiàn)由于納米線內(nèi)部位錯(cuò)的均勻成核、局部剪切以及孿晶界的共同作用，UDTs型Au納米線在臨界尺寸處發(fā)生了韌—脆轉(zhuǎn)變，將超細(xì)Au納米線變成了具有接近理想強(qiáng)度的脆性材料。通常晶型為面心立方的金屬納米線具有五重孿晶結(jié)構(gòu)，孿晶邊界平行于軸向。Zhu課題組[71]在SEM內(nèi)對(duì)軸向?yàn)閇110]的五重孿晶Ag納米線進(jìn)行了原位拉伸，研究了其應(yīng)變硬化行為。隨著直徑的減小，五重孿晶Ag納米線的極限拉伸強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)納米線的直徑為38 nm時(shí)，納米線對(duì)應(yīng)的極限拉伸強(qiáng)度為4.8 GPa，表明五重孿晶Ag納米線的應(yīng)變硬化具有尺寸依賴(lài)性。研究發(fā)現(xiàn)尺寸相關(guān)的應(yīng)變硬化是由于孿晶界阻礙了表面的位錯(cuò)成核而引起的。

與孿晶對(duì)金屬納米線的強(qiáng)化作用不同，當(dāng)孿晶界垂直于生長(zhǎng)方向時(shí)，SiC納米線可能會(huì)發(fā)生坍塌。對(duì)于SiC納米線系統(tǒng)性的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，純3C結(jié)構(gòu)的SiC納米線強(qiáng)度最高，含有高度缺陷結(jié)構(gòu)的SiC納米線強(qiáng)度次之，具有19.47°堆垛層錯(cuò)的3C結(jié)構(gòu)SiC納米線強(qiáng)度最低[72]。該模擬與SiC納米線的原位SEM拉伸實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)裂紋總是在具有19.47°層錯(cuò)的3C段中萌生和擴(kuò)展，最大的拉伸強(qiáng)度為25.3 GPa[73]。含層錯(cuò)的SiC納米線強(qiáng)度實(shí)測(cè)值遠(yuǎn)低于單晶SiC納米線的理論值53.4 GPa，這表明孿晶和層錯(cuò)降低了SiC納米線的強(qiáng)度。目前尚不清楚層錯(cuò)的這種弱化效應(yīng)是否在其他陶瓷納米線中普遍存在。

大多數(shù)原位拉伸實(shí)驗(yàn)表明，納米線的強(qiáng)度對(duì)尺寸有明顯的依賴(lài)性。Lou課題組[74]在SEM中對(duì)單晶Ni納米線進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，對(duì)于直徑為200～300 nm的納米線，極限拉伸強(qiáng)度為1.2～1.5 GPa，對(duì)于直徑為100 nm的納米線，極限拉伸強(qiáng)度為2.5～3.4 GPa。Richter等[75]通過(guò)原位SEM拉伸測(cè)試研究了單晶Cu納米晶須的力學(xué)性能，表明Cu納米晶須的強(qiáng)度具有明顯的尺寸效應(yīng)，隨著晶須直徑的減小，強(qiáng)度逐漸增大，當(dāng)納米晶須的直徑減小至75 nm時(shí)，對(duì)應(yīng)的真實(shí)拉伸強(qiáng)度高達(dá)7 GPa。Espinosa等[49]在ZnO納米線原位TEM拉伸研究中發(fā)現(xiàn)，納米線的斷裂強(qiáng)度隨著表面積的減小而增大。Liu團(tuán)隊(duì)[60]對(duì)Si納米線進(jìn)行了原位單軸拉伸測(cè)試以研究其力學(xué)性能，當(dāng)納米線的直徑從42 nm減小到9 nm時(shí)，拉伸強(qiáng)度從4.4 GPa增加到了11.3 GPa，說(shuō)明Si納米線的拉伸強(qiáng)度具有明顯的尺寸依賴(lài)性。Gilberto課題組[76]使用一種測(cè)試材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)方法獲取了SiO2納米線在拉伸狀態(tài)下的力學(xué)性能，納米線的斷裂強(qiáng)度隨著半徑的減小而增大，當(dāng)半徑為62 nm時(shí)，對(duì)應(yīng)的斷裂強(qiáng)度最大為26 GPa。納米線極小的體積和表面積意味著其內(nèi)部缺陷的顯著減少，使用納米線作為測(cè)試工具，材料固有強(qiáng)度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量變得可行。對(duì)于非晶態(tài)的納米線，如金屬玻璃，盡管它們不具有任何類(lèi)似位錯(cuò)或者晶界等缺陷，但仍觀察到了強(qiáng)度對(duì)尺寸的依賴(lài)性[77-78]。最近對(duì)玻璃態(tài)的Pd40Cu30Ni10P20納米線進(jìn)行的原位TEM測(cè)試表明，隨著納米線直徑從340 nm增加到1230 nm，納米線的拉伸強(qiáng)度從2.8 GPa降低到了1.75 GPa，彈性應(yīng)變從5%降低到了3.2%[79]。研究表明，由于在臨界尺寸附近納米線變形模式的轉(zhuǎn)變[77,80]，“越小越強(qiáng)”對(duì)于非晶態(tài)的納米線仍然適用。表1[49-50,59,63-65,70-71,74-76,79]歸納了部分納米線在原位單軸拉伸測(cè)試中所展現(xiàn)的彈性應(yīng)變和強(qiáng)度。

表1 納米線的彈性應(yīng)變和強(qiáng)度Table 1 Summary of elastic strains and strengths of nanowires

納米線等小尺度材料通常具有較高的屈服強(qiáng)度但缺乏應(yīng)變硬化，為了促進(jìn)應(yīng)變硬化，具有共格內(nèi)孿晶界的納米線近年來(lái)受到了廣泛的關(guān)注，共格孿晶界能夠阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)促進(jìn)應(yīng)變硬化。Espinosa課題組[81]在TEM中原位研究了五重Ag納米線的應(yīng)變硬化機(jī)制，結(jié)果表明在沿納米線軸向分布的多個(gè)塑性區(qū)域中，納米線通過(guò)堆垛層錯(cuò)十面體表面成核的方式發(fā)生變形，孿晶界會(huì)導(dǎo)致堆垛層錯(cuò)十面體鏈狀結(jié)構(gòu)的形成，對(duì)納米線起到加工硬化的作用。Zhu團(tuán)隊(duì)[71]在五重孿晶Ag納米線的研究中發(fā)現(xiàn)，納米線中的應(yīng)變硬化來(lái)源于孿晶界與內(nèi)部缺陷的相互作用，納米線越細(xì)，硬化程度越高。Shi團(tuán)隊(duì)[82]在分子動(dòng)力學(xué)模擬中研究了金屬玻璃納米線的低周疲勞性能，發(fā)現(xiàn)納米線表現(xiàn)出了加工硬化行為，由于玻璃模型的非硬球性質(zhì)，其內(nèi)部四面體團(tuán)簇的減少會(huì)導(dǎo)致硬化響應(yīng)結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)。Yuan等[83]在分子動(dòng)力學(xué)模擬中創(chuàng)建了具有Σ3非對(duì)稱(chēng)傾轉(zhuǎn)晶界的模型，并在拉伸變形過(guò)程中均發(fā)現(xiàn)了加工硬化現(xiàn)象，該現(xiàn)象是由晶內(nèi)大量的位錯(cuò)活動(dòng)導(dǎo)致位錯(cuò)之間相互作用以及孿晶的產(chǎn)生造成的。

2.3 納米線的塑性變形

塊體材料的塑性通常與位錯(cuò)的萌生和移動(dòng)以及位錯(cuò)和晶界之間的相互作用有關(guān)，而納米晶材料的塑性通常與晶粒的旋轉(zhuǎn)、位錯(cuò)和晶界相互作用以及孿晶的形成有關(guān)[84-86]。由于納米線具有顯著的表面、界面和尺寸效應(yīng)，其塑性與塊體材料及納米晶材料也有所不同[87]。

近年來(lái)，納米材料變形機(jī)理方面的研究有了顯著的進(jìn)展，晶界對(duì)納米線循環(huán)變形時(shí)的影響受到了研究者的重點(diǎn)關(guān)注，它們?cè)诩{米線的變形中起著重要的作用[27, 30, 34, 88]。Mao團(tuán)隊(duì)[30]在TEM通過(guò)原位剪切測(cè)試并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，從原子尺度揭示了切應(yīng)力作用下“disconnection”機(jī)制主導(dǎo)的晶界遷移行為，結(jié)果表明剪切耦合的晶界遷移是通過(guò)逐層成核的晶界橫向運(yùn)動(dòng)而實(shí)現(xiàn)的，并且發(fā)現(xiàn)“disconnection”主導(dǎo)的晶界遷移在剪切加載循環(huán)中是完全可逆的。Wang團(tuán)隊(duì)[27]利用原位納米制備技術(shù)將晶界引入納米結(jié)構(gòu)材料，制備了一系列包含〈110〉傾轉(zhuǎn)小角晶界的Au納米雙晶體，并開(kāi)展循環(huán)加載測(cè)試。在循環(huán)載荷作用下，由分解位錯(cuò)構(gòu)成的小角晶界通過(guò)晶界位錯(cuò)的保守滑移從根本上抑制了晶格缺陷的非均勻表面形核，可有效維持金屬納米雙晶的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可逆的塑性變形。

在金屬納米線中經(jīng)常觀察到尺寸相關(guān)的塑性變形。如圖3(a)所示，Seo等[89]在直徑為100 nm的無(wú)缺陷Au納米線原位拉伸研究中發(fā)現(xiàn)，偏位錯(cuò)的形成和傳播引起了超塑性。隨后TEM中的原位拉伸實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表明[90]，直徑為40～200 nm的單晶Au納米線具有孿晶介導(dǎo)的變形模式，并且沿納米線方向形成了大量的小孿晶或長(zhǎng)孿晶。圖3(b)的結(jié)果顯示，在20 nm以下的Au納米線中也觀察到了這種孿晶介導(dǎo)的形變[91]。圖3(c)所示的原位TEM拉伸實(shí)驗(yàn)表明，直徑小于10 nm的Au納米線塑性變形主要由自由表面發(fā)射的偏位錯(cuò)控制[92]。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Au納米線的塑性變形方式受到其幾何尺寸的影響。Yue等[11]在TEM中對(duì)單晶Cu納米線進(jìn)行了原位拉伸實(shí)驗(yàn)，揭示了樣品尺寸對(duì)其塑性機(jī)制的影響，樣品尺寸較大時(shí)，塑性變形受全位錯(cuò)的控制，當(dāng)單晶納米線的尺寸減小到150 nm以下時(shí)，偏位錯(cuò)介導(dǎo)(包括形變孿晶及堆垛層錯(cuò))的塑性變形會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。

圖3 Au納米線與尺寸相關(guān)的塑性變形(a)Au納米線的超塑性變形(SF:stacking fault)[89];(b)孿晶介導(dǎo)變形[91];(c)偏位錯(cuò)介導(dǎo)變形[92]Fig.3 Size-dependent plastic deformation of Au nanowires(a)superplastic deformation of Au nanowire (SF:stacking fault)[89];(b)twinning mediated deformation[91];(c)partial dislocation mediated deformation[92]

在納米線的力學(xué)研究中經(jīng)常觀察到與尺寸相關(guān)的塑性變形。但實(shí)驗(yàn)中觀察到的現(xiàn)象經(jīng)常與計(jì)算模擬的結(jié)果有所偏差，這些差異歸因于許多因素，具體如下所述：(1)應(yīng)變速率。由于計(jì)算條件的限制，塑性的分子動(dòng)力學(xué)模擬在比實(shí)驗(yàn)高10～15個(gè)數(shù)量級(jí)的應(yīng)變速率下進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)測(cè)試[93]和原子模擬[94]均表明，脆-韌轉(zhuǎn)變對(duì)應(yīng)變率較為敏感。因此，應(yīng)變速率是導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果之間產(chǎn)生差異的重要因素之一；(2)表面污染或非晶層。大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和模擬計(jì)算都沒(méi)有考慮非晶氧化層對(duì)納米線變形行為的影響。這是實(shí)驗(yàn)與模擬之間存在差異的另一個(gè)重要原因，因?yàn)槟M是在理想情況下進(jìn)行的。最近的實(shí)驗(yàn)表明，在使用FIB切割硅晶過(guò)程中在表面引入的非晶層是引起Si納米線發(fā)生脆-韌轉(zhuǎn)變的真正原因[95]。另有研究表明，利用表面軟非晶硅層的約束效應(yīng)，可以揭示形變誘導(dǎo)的晶體-非晶轉(zhuǎn)變機(jī)制[96]。這些發(fā)現(xiàn)為研究TEM中脆性材料的塑性變形機(jī)制提供了理論指導(dǎo)；(3)微觀結(jié)構(gòu)。由于具體制造工藝的不同，材料相同但用于不同測(cè)試的納米線可能在微觀結(jié)構(gòu)特征(例如缺陷和生長(zhǎng)方向)上存在差異，并且這種差異難以準(zhǔn)確確定。分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，SiC納米線中的缺陷可能會(huì)導(dǎo)致拉伸實(shí)驗(yàn)期間脆性到韌性的轉(zhuǎn)變。SiC納米線的實(shí)驗(yàn)表征中觀察到的不同變形行為可能歸因于它們的微觀結(jié)構(gòu)差異[61]。最近的原位拉伸實(shí)驗(yàn)表明，五重孿晶Ag納米線在加載過(guò)程中經(jīng)歷了應(yīng)力松弛，然后在卸載過(guò)程中完成了塑性應(yīng)變恢復(fù)，而在類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)中單晶Ag納米線沒(méi)有表現(xiàn)出這種行為[97]，研究者推測(cè)空位可以降低位錯(cuò)的成核勢(shì)壘，促進(jìn)應(yīng)力松弛，而孿晶界及其內(nèi)在應(yīng)力場(chǎng)可以促進(jìn)偏位錯(cuò)的收縮。(4)測(cè)試環(huán)境。與宏觀力學(xué)表征不同，納米線的力學(xué)性能在很大程度上取決于特定的測(cè)試環(huán)境，會(huì)受到如電子束輻照、激光束輻照和環(huán)境氣氛的影響。納米線與尺寸相關(guān)的變形主要是在原位電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)中觀察到的，但電子束輻照對(duì)納米線變形的影響至今仍缺乏系統(tǒng)性的研究。電子束輻照可以促進(jìn)點(diǎn)缺陷的擴(kuò)散以及促進(jìn)陶瓷和半導(dǎo)體中位錯(cuò)環(huán)的生長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致顯著的微觀結(jié)構(gòu)演變[61]。此外，環(huán)境氣氛會(huì)改變某些材料的表面結(jié)構(gòu)，進(jìn)而改變這些材料的力學(xué)性能[98]。

2.4 納米線奇特的變形行為

如今，納米材料由于其特殊的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和磁學(xué)性能而受到越來(lái)越多的關(guān)注[99-100]。與塊體材料相比，納米材料具有尺寸小、表面原子比例大的特點(diǎn)，因此納米材料經(jīng)常表現(xiàn)出“奇特的變形行為”，如納米金屬材料的自發(fā)變形現(xiàn)象，這點(diǎn)引起了學(xué)者們極大的興趣[10, 101-102]。

Sun等[103]通過(guò)原位TEM循環(huán)壓縮-拉伸實(shí)驗(yàn)研究了尺寸為9.8 nm的Ag納米顆粒的變形行為，整個(gè)加載和卸載過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)位錯(cuò)行為，當(dāng)Ag納米顆粒最終穩(wěn)定時(shí)，其形貌與初始相貌相近。他們結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，表面原子擴(kuò)散主導(dǎo)了Ag納米顆粒的變形過(guò)程，從而導(dǎo)致小尺寸Ag單晶納米顆粒表現(xiàn)出“類(lèi)水滴”的偽彈性變形。在納米線中也存在著類(lèi)似的變形行為，Yue等[104]在TEM中研究了小尺寸單晶Cu納米線的變形行為，圖4是直徑為5 nm的單晶Cu納米線在原位拉伸實(shí)驗(yàn)中的變形過(guò)程，隨著應(yīng)變逐漸增加，在圖4(b)中的紅色箭頭標(biāo)記處發(fā)生了頸縮；隨著應(yīng)變的進(jìn)一步增大，納米線發(fā)生斷裂并且迅速發(fā)生回彈，之后變短變粗，呈現(xiàn)出類(lèi)似水滴的形狀，如圖4(c)所示。研究表明Cu納米線斷裂后所展現(xiàn)的“類(lèi)水滴”行為源自彈性應(yīng)變能的瞬間釋放和表面原子擴(kuò)散的協(xié)同作用。Han團(tuán)隊(duì)[105]對(duì)直徑在0.5～2.2 nm的單晶納米線進(jìn)行了大量的原位拉伸實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種偽彈性的回縮現(xiàn)象是在面心立方單晶納米線中是普遍存在的。當(dāng)納米線的尺寸減小到臨界值以下時(shí)，其表面張力會(huì)接近金屬的理想強(qiáng)度，這種超大的表面張力會(huì)促使表面原子的擴(kuò)散，進(jìn)而導(dǎo)致納米線在斷裂之后呈現(xiàn)出“類(lèi)水滴”的偽彈性變形。Zhu團(tuán)隊(duì)[97]原位研究了五重孿晶Ag納米線在循環(huán)加載時(shí)的變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)納米線在卸載時(shí)出現(xiàn)了完全的塑性應(yīng)變恢復(fù)，分子動(dòng)力學(xué)模擬表明空位降低了位錯(cuò)的成核勢(shì)壘，促進(jìn)應(yīng)力松弛，同時(shí)孿晶界及其內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)促進(jìn)了偏位錯(cuò)的回縮，導(dǎo)致了納米線的偽彈性應(yīng)變。Deng課題組[106]使用分子動(dòng)力學(xué)模擬證明了圓柱形的面心立方金屬納米線(如Au,Ag,Al等)具有很強(qiáng)的偽彈性和形狀記憶效應(yīng)。Nie等[107]在單晶金剛石中原位觀察到了位錯(cuò)主導(dǎo)的塑性變形，發(fā)現(xiàn)沿某些方向壓縮單晶金剛石時(shí)會(huì)產(chǎn)生非密排面的位錯(cuò)滑移，而在特定方向壓縮時(shí)才產(chǎn)生密排面位錯(cuò)滑移并觀察到了5.8%的塑性變形。金剛石中的這種位錯(cuò)行為與Cu,Au,Pt,Ag和Si等其他面心立方晶體完全不同。Wang課題組[108]在TEM中原位研究了五重孿晶的內(nèi)在變形機(jī)制，發(fā)現(xiàn)五重孿晶的變形會(huì)通過(guò)位錯(cuò)介導(dǎo)的孿晶界變形而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞，從而重構(gòu)一個(gè)五邊形內(nèi)核。重建的核心區(qū)主要是由孿晶界沿著不同方向的協(xié)調(diào)遷移引起的，孿晶界的滑移可以加速核心區(qū)的形成。五重孿晶中的孿晶界呈現(xiàn)出的協(xié)調(diào)變形行為使得五重孿晶納米材料經(jīng)常表現(xiàn)出奇特的力學(xué)性能。

圖4 單晶Cu納米線“類(lèi)水滴”變形的原位觀察[104] (a)初始階段;(b)頸縮階段;(c)回彈階段Fig.4 In situ observation of “l(fā)iquid-drop-like” deformation process of Cu nanowires[104] (a)initial stage;(b)necking stage;(c)retracting stage

3 總結(jié)與展望

在早期的研究中，由于對(duì)納米線力學(xué)行為認(rèn)知的不足，以及在測(cè)試過(guò)程中對(duì)試樣的操作和控制所遇到的困難，對(duì)納米線力學(xué)性能進(jìn)行表征是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。近年來(lái)隨著納米力學(xué)測(cè)試方法的發(fā)展，使得人們對(duì)納米線力學(xué)行為的理解有了很大的進(jìn)步，包括彈性變形行為、塑性變形行為和新的強(qiáng)化機(jī)制。

本文對(duì)目前用于納米線力學(xué)性能的原位測(cè)試方法，如納米壓痕法、單軸壓縮法、彎曲測(cè)量法、電致機(jī)械共振法和單軸拉伸法等進(jìn)行了歸納總結(jié)，鑒于上述方法可以在高分辨率下進(jìn)行變形過(guò)程的原位觀測(cè)，從而直觀地建立結(jié)構(gòu)與性能之間的構(gòu)效關(guān)系，因此被認(rèn)為是納米線力學(xué)性能表征最行之有效的技術(shù)手段。但是，也應(yīng)該認(rèn)識(shí)到電子束輻照對(duì)于納米線中缺陷的產(chǎn)生以及移動(dòng)的影響，因此，后續(xù)有必要系統(tǒng)地研究電子束輻照在原位電鏡表征過(guò)程中對(duì)納米線力學(xué)行為的影響機(jī)制，建立定量化的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

此外，本文對(duì)各類(lèi)納米線在單軸拉伸測(cè)試中所表現(xiàn)出的彈性、塑性變形等力學(xué)行為進(jìn)行了綜述，與對(duì)應(yīng)的塊體材料相比，各類(lèi)納米線均表現(xiàn)出了出色的力學(xué)性能，如高彈性、高塑性和高強(qiáng)度等。但目前大多數(shù)研究都沒(méi)有實(shí)質(zhì)性地探討復(fù)雜外部環(huán)境對(duì)納米線力學(xué)性能的影響機(jī)制，作為未來(lái)新一代納米器件的主要組成部分，納米線在服役過(guò)程中會(huì)暴露在一系列復(fù)雜環(huán)境條件下(如高溫、高壓、腐蝕等環(huán)境)。已有研究表明，濕度、表面氧化和表面污染對(duì)納米線的彈性行為以及斷裂行為有著重要的影響[61,95,98,109]。因此，系統(tǒng)地探究復(fù)雜外場(chǎng)環(huán)境對(duì)納米線力學(xué)性能的影響機(jī)制，對(duì)于納米器件未來(lái)的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義，也是原位納米材料性能表征領(lǐng)域接下來(lái)應(yīng)該努力的方向。

結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)著性能，充分了解一維單體納米材料在外力下的結(jié)構(gòu)變化，對(duì)于人們準(zhǔn)確把握它們的性能具有指導(dǎo)意義。目前納米材料在原子尺度下的結(jié)構(gòu)演變實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還較為匱乏，后續(xù)需要對(duì)更多納米材料進(jìn)行原子尺度的研究，從大量的數(shù)據(jù)中總結(jié)規(guī)律，建立一套完備的理論體系給與指導(dǎo)。另外要開(kāi)發(fā)新的技術(shù)手段，完善現(xiàn)有的技術(shù)，在原子尺度下原位觀察納米材料結(jié)構(gòu)演變的同時(shí)，準(zhǔn)確高效地獲取材料的力學(xué)性能信息。