金屬納米材料的優(yōu)勢(shì)及如何使材料表面納米化

在生活中已經(jīng)不少納米材料的應(yīng)用，納米材料在學(xué)術(shù)界對(duì)納米微粒粒徑有著明確的定義，而生活中很多應(yīng)用實(shí)際上是偏向于納米結(jié)構(gòu)，是微?；牧媳砻?，這種應(yīng)用在表面上與普通同類物品有區(qū)別，然后性能強(qiáng)度不一定達(dá)得到，或者耐久性會(huì)差一些。

當(dāng)然也有很多商家營(yíng)銷的成分在里面，廣告宣傳與實(shí)際性能有很大差距，所以納米材料在日常生活中的應(yīng)用方面還有一段路要走，需要更多的納米技術(shù)良心企業(yè)推動(dòng)和參與，言歸正傳：

什么是納米材料

納米材料指材料微觀結(jié)構(gòu)的特征尺寸處于納米量級(jí)（0.1-100 nm）的材料，微觀結(jié)構(gòu)既包括組成材料的結(jié)構(gòu)單元如晶粒，也包括材料自身尺度的微觀化即低維材料。

按此定義，納米材料分為3 大類：

(1)低維納米材料

包括納米微粒、納米線、納米管、納米纜、納米膜、納米有機(jī)大分子等。

(2)表層納米材料

包括各種表面處理技術(shù)(如離子注入、激光處理、物理和化學(xué)氣相沉積PVD 和 CVD、表面機(jī)械研磨制備的用以提高材料表面性能(如抗蝕、耐磨等)的固體表層結(jié)構(gòu)。

(3)塊體納米材料

由尺度為納米量級(jí)的結(jié)構(gòu)單元構(gòu)成。

表面納米化有哪些優(yōu)勢(shì)

優(yōu)勢(shì)一：硬度和強(qiáng)度的提升

晶粒大小與多晶金屬材料力學(xué)性能有密切的聯(lián)系。表面納米化使材料表面(和整體)的力學(xué)和化學(xué)性能得到不同程度的改善。表面納米晶層的硬度顯著提高，并隨著深度的增加而逐漸減??；與顯微組織未發(fā)生變化的心部相比，表面硬度可提高幾倍，表面以下亞微晶層的硬度也明顯增大。對(duì)于晶粒尺寸從幾到幾百微米的普通晶體材料，強(qiáng)度和硬度與晶粒尺寸的大小之間的關(guān)系，可以用傳統(tǒng)的Hall-Petch 關(guān)系來(lái)描述。

左圖可見與未發(fā)生變化的心部組織比，表面硬度提高了兩倍以上。由納米晶層（從表面到約40μm 深度）到亞微晶層（40-80μm 深度），硬度逐漸減小，并趨于穩(wěn)定；從右 圖可見，硬度隨d-1/2 增大幾乎呈線性增加的。因此可以確定表面納米化對(duì)材料的強(qiáng)化有著一定的貢獻(xiàn)，納米材料的硬度亦隨著晶粒尺寸的減小而增大。

優(yōu)勢(shì)二：摩擦磨損性能的改善

表面納米化有效提高了材料表面硬度，因此也有助于改善材料的摩擦磨損性能，由于機(jī)械加工處理引起的表面粗糙度的增加對(duì)材料的低載荷耐磨性產(chǎn)生不利的影響。隨著載荷的增加，未處理材料的磨損量急劇增大，而表面納米化材料的磨損量變化卻很小。

注：SMAT為表層納米化的某種技術(shù)

(a)為低碳鋼表面納米化前后試樣的磨損量，可見在不同載荷下，納米晶組織的形成能夠改善材料的耐磨性；

（b）圖是摩擦因數(shù)的變化，在任一載荷下，表面納米化試樣的表面摩擦系數(shù)都明顯低于原始試樣?？梢姳砻婕{米化能夠明顯地提高高載荷下材料的耐摩擦磨損性能。

表面納米化后試樣摩擦磨損行為的提高主要源于兩方面的原因：一方面是因?yàn)榧{米晶具有高的強(qiáng)度和硬度，磨粒壓入表層的深度小，配副相對(duì)試樣表面運(yùn)動(dòng)的阻力較小，所以表面納米化試樣的磨損量均比原樣??；另一方面是因?yàn)楸砻婕{米晶組織能有效地抑制裂紋的萌生，而心部的粗晶組織又可以阻止裂紋的擴(kuò)展，因此在相同載荷下表面納米化試樣較原始粗晶試樣更難發(fā)生疲勞磨損。

優(yōu)勢(shì)三：表面化學(xué)活性

研究發(fā)現(xiàn)，納米晶體材料（或者納米結(jié)構(gòu)材料）中原子的擴(kuò)散激活能更低，其相應(yīng)的擴(kuò)散系數(shù)更高，這是由納米材料中晶界體積所占比例的提高引起的。盧柯院士研究組對(duì)純鐵進(jìn)行表面納米化處理后，進(jìn)行滲氮，發(fā)現(xiàn)滲氮?jiǎng)恿W(xué)條件明顯得到改善。在傳統(tǒng)的粗晶粒鐵中滲氮時(shí)，晶格擴(kuò)散占主導(dǎo)地位，而在納米晶鐵中滲氮主要沿著晶界進(jìn)行，這是因?yàn)榫Ы绲募せ钅芨?。通過表面納米化，在表面納米層中形成了大量的儲(chǔ)能，在低溫下使?jié)B氮有足夠的驅(qū)動(dòng)力。

納米化改變了材料表面的結(jié)構(gòu)，有助于大幅度地提高材料表面化學(xué)元素的滲入濃度和深度。

優(yōu)勢(shì)四：耐蝕性提升

表面納米化處理很大程度上影響了材料的耐腐蝕性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)316L不銹鋼表面納米化后，抗應(yīng)力腐蝕性能提高，納米化時(shí)間越長(zhǎng)，材料的抗應(yīng)力腐蝕性能提高越多。其主要原因是表面的殘余壓應(yīng)力提高了材料抗開裂的能力；塑性變形誘發(fā)馬氏體增加了表面變形量，可延長(zhǎng)斷裂時(shí)間；細(xì)小的晶粒強(qiáng)度增加，抗應(yīng)力腐蝕能力增強(qiáng)。當(dāng)然，影響納米材料腐蝕性能的因素不僅僅包括晶粒尺度,納米化工藝，還包括材料的結(jié)構(gòu)、成分及狀態(tài)等

優(yōu)勢(shì)五：抗拉強(qiáng)度提升

表面納米化后，材料表面性能的改善對(duì)材料的整體性能也產(chǎn)生了有利的影響。表面納米化能夠有效的提高材料的整體強(qiáng)度，同時(shí)又不明顯的降低材料的韌性。

如何使金屬材料表面納米化

常見的材料表面納米化技術(shù)

1、表面涂層或沉積

該法是將預(yù)先制備出的具有納米尺度的微粒固結(jié)在材料的表面，在材料上形成一個(gè)與基體化學(xué)成分相同(或不同)的納米結(jié)構(gòu)表層，如青山新材電路板表面防潮防腐蝕納米涂層及金屬表面防腐涂層，就是通過非常簡(jiǎn)單的工藝使納米涂料附著在材料表面。這種材料的主要特征是：納米結(jié)構(gòu)表層內(nèi)的晶粒大小比較均勻，表層與基體之間存在著明顯的界面，材料的外形尺寸與處理前相比有所增加，如圖。

許多常規(guī)表面涂層和沉積技術(shù)都具有較大的開發(fā)、應(yīng)用潛力，如PVD、CVD、濺射、電鍍和電解沉積等方法。通過工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)可以控制納米結(jié)構(gòu)表層的厚度和納米晶粒的尺寸。整個(gè)工藝過程的關(guān)鍵是，實(shí)現(xiàn)表層與基體之間以及表層納米微粒之間的牢固結(jié)合，并且保證表層不發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。到目前為止，這些技術(shù)經(jīng)不斷地發(fā)展完善，己經(jīng)比較成熟。

物理氣象沉積法PVD表面處理

2、表面自身納米化

該法針對(duì)多晶材料，通過非平衡處理等方法，使粗晶組織逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。這種材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大，納米結(jié)構(gòu)表層與基體之間不存在明顯界面，與處理前相比，材料的外形尺寸基本不變。非平衡過程實(shí)現(xiàn)表面納米化的方法包括：表面機(jī)械研磨處理法和非平衡熱力學(xué)法，不同方法所采用的工藝技術(shù)和由其所導(dǎo)致的納米化微觀機(jī)理均存在著較大差異。

(1) 表面機(jī)械研磨處理法：在外加載荷的重復(fù)作用下，材料表面粗晶組織通過不同方向產(chǎn)生的強(qiáng)烈塑性變形而逐漸細(xì)化至納米量級(jí)。，其中比較成功的方法有：超聲噴丸、表面機(jī)械加工技術(shù)和一些常規(guī)技術(shù)如普通噴丸、沖擊和機(jī)械研磨等，利用這些技術(shù)己分別在純鐵、不銹鋼和非鐵基金屬等常規(guī)金屬材料上制備出納米結(jié)構(gòu)表層。

(2) 非平衡熱力學(xué)法：將材料快速加熱，使材料的表面達(dá)到熔化或相變溫度，再進(jìn)行急劇冷卻，通過動(dòng)力學(xué)控制來(lái)提高形核率、抑制晶粒長(zhǎng)大速率，可以在材料的表面獲得納米晶組織。用于實(shí)現(xiàn)快速加熱-冷卻的方法主要有激光加熱和電子輻射等。

隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術(shù)的發(fā)展，將表面改性與納米材料相結(jié)合來(lái)制備納米材料受到了人們的重視，其特點(diǎn)是通過提高材料表面性能來(lái)提高構(gòu)件服役性能。表面納米化技術(shù)被認(rèn)為是今后一段時(shí)間可將納米材料應(yīng)用于工程實(shí)際的最重要技術(shù)之一。

金屬材料的納米化具有很高的潛力，機(jī)械零部件的質(zhì)量和材料質(zhì)量息息相關(guān)，如能克服納米材料制備這個(gè)關(guān)卡或者使用類似TIS-NM金屬納米涂層這樣性能好的納米材料，使得金屬材料納米化更加容易，更加穩(wěn)定，則我們的機(jī)械制造質(zhì)量就會(huì)上升到一個(gè)新的臺(tái)階。