金屬納米材料的優(yōu)勢及如何使材料表面納米化

在生活中已經(jīng)不少納米材料的應用，納米材料在學術界對納米微粒粒徑有著明確的定義，而生活中很多應用實際上是偏向于納米結構，是微?；牧媳砻妫@種應用在表面上與普通同類物品有區(qū)別，然后性能強度不一定達得到，或者耐久性會差一些。

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

什么是納米材料

納米材料指材料微觀結構的特征尺寸處于納米量級（0.1-100 nm）的材料，微觀結構既包括組成材料的結構單元如晶粒，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、納米有機大分子等。

(2)表層納米材料

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

(3)塊體納米材料

由尺度為納米量級的結構單元構成。

表面納米化有哪些優(yōu)勢

優(yōu)勢一：硬度和強度的提升

晶粒大小與多晶金屬材料力學性能有密切的聯(lián)系。表面納米化使材料表面(和整體)的力學和化學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。對于晶粒尺寸從幾到幾百微米的普通晶體材料，強度和硬度與晶粒尺寸的大小之間的關系，可以用傳統(tǒng)的Hall-Petch 關系來描述。

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材料的強化有著一定的貢獻，納米材料的硬度亦隨著晶粒尺寸的減小而增大。

優(yōu)勢二：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，由于機械加工處理引起的表面粗糙度的增加對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

(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：一方面是因為納米晶具有高的強度和硬度，磨粒壓入表層的深度小，配副相對試樣表面運動的阻力較小，所以表面納米化試樣的磨損量均比原樣?。涣硪环矫媸且驗楸砻婕{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)勢三：表面化學活性

研究發(fā)現(xiàn)，納米晶體材料（或者納米結構材料）中原子的擴散激活能更低，其相應的擴散系數(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。盧柯院士研究組對純鐵進行表面納米化處理后，進行滲氮，發(fā)現(xiàn)滲氮動力學條件明顯得到改善。在傳統(tǒng)的粗晶粒鐵中滲氮時，晶格擴散占主導地位，而在納米晶鐵中滲氮主要沿著晶界進行，這是因為晶界的激活能更小。通過表面納米化，在表面納米層中形成了大量的儲能，在低溫下使?jié)B氮有足夠的驅動力。

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

優(yōu)勢四：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。實驗發(fā)現(xiàn)316L不銹鋼表面納米化后，抗應力腐蝕性能提高，納米化時間越長，材料的抗應力腐蝕性能提高越多。其主要原因是表面的殘余壓應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，可延長斷裂時間；細小的晶粒強度增加，抗應力腐蝕能力增強。當然，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，還包括材料的結構、成分及狀態(tài)等

優(yōu)勢五：抗拉強度提升

表面納米化后，材料表面性能的改善對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度，同時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

1、表面涂層或沉積

該法是將預先制備出的具有納米尺度的微粒固結在材料的表面，在材料上形成一個與基體化學成分相同(或不同)的納米結構表層，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：納米結構表層內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都具有較大的開發(fā)、應用潛力，如PVD、CVD、濺射、電鍍和電解沉積等方法。通過工藝參數(shù)的調節(jié)可以控制納米結構表層的厚度和納米晶粒的尺寸。整個工藝過程的關鍵是，實現(xiàn)表層與基體之間以及表層納米微粒之間的牢固結合，并且保證表層不發(fā)生晶粒長大。到目前為止，這些技術經(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

該法針對多晶材料，通過非平衡處理等方法，使粗晶組織逐漸細化至納米量級。這種材料的主要特征是：晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大，納米結構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。非平衡過程實現(xiàn)表面納米化的方法包括：表面機械研磨處理法和非平衡熱力學法，不同方法所采用的工藝技術和由其所導致的納米化微觀機理均存在著較大差異。

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

(2) 非平衡熱力學法：將材料快速加熱，使材料的表面達到熔化或相變溫度，再進行急劇冷卻，通過動力學控制來提高形核率、抑制晶粒長大速率，可以在材料的表面獲得納米晶組織。用于實現(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的發(fā)展，將表面改性與納米材料相結合來制備納米材料受到了人們的重視，其特點是通過提高材料表面性能來提高構件服役性能。表面納米化技術被認為是今后一段時間可將納米材料應用于工程實際的最重要技術之一。

金屬材料的納米化具有很高的潛力，機械零部件的質量和材料質量息息相關，如能克服納米材料制備這個關卡或者使用類似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，則我們的機械制造質量就會上升到一個新的臺階。