經(jīng)過最近十多年的研究與探索，現(xiàn)已在納米材料制備方法、結(jié)構(gòu)表征、物理和化學(xué)性能、實(shí)用化等方面取得顯著進(jìn)展，研究成果日新月異，研究范圍不斷拓寬。本文主要從材料科學(xué)與工程的角度，介紹與評述納米金屬材料的某些研究進(jìn)展。


?2納米材料的制備與合成

材料的納米結(jié)構(gòu)化可以通過多種制備途徑來實(shí)現(xiàn)。這些方法可大致歸類為兩步過程和一步過程。兩步過程是將預(yù)先制備的孤立納米顆粒因結(jié)成塊體材料。制備納米顆粒的方法包括物理氣相沉積(PVD)、化學(xué)氣相沉積(CVD)、微波等離子體、低壓火焰燃燒、電化學(xué)沉積、溶膠一凝膠過程、溶液的熱分解和沉淀等，其中，PVD法以惰性氣體冷凝法最具代表性。一步過程則是將外部能量引入或作用于母體材料，使其產(chǎn)生相或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，直接制備出塊體納米材料。諸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能機(jī)械球磨、嚴(yán)重塑性形變、滑動磨損、高能粒子輻照和火花蝕刻等。


目前，關(guān)于制備科學(xué)的研究主要集中于兩個(gè)方面：l)納米粉末制備技術(shù)、理論機(jī)制和模型。目的是改進(jìn)納米材料的品質(zhì)和產(chǎn)量;2)納米粉末的固結(jié)技術(shù)。以獲得密度和微結(jié)構(gòu)可控的塊體材料或表面覆層。

3納米材料的奇異性能

1)原子的擴(kuò)散行為

原子擴(kuò)散行為影響材料的許多性能，諸如蠕變、超塑性、電性能和燒結(jié)性等。納米晶Co的自擴(kuò)散系數(shù)比Cu的體擴(kuò)散系數(shù)大14～16個(gè)量級，比Cu的晶界自擴(kuò)散系數(shù)大3個(gè)量級。Wurshum等最近的工作表明：Fe在納米晶N中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于早期報(bào)道的結(jié)果。納米晶Pd的界面擴(kuò)散數(shù)據(jù)類似于普通的晶界擴(kuò)散，這很可能是由于納米粒子固結(jié)成的塊狀試樣中的殘留疏松的影響。

他們還報(bào)道了Fe在非晶FeSiBNbCu(Finemete)晶化形成的復(fù)相納米合金(由Fe3Si納米金屬間化合物和晶間的非晶相構(gòu)成)中的擴(kuò)散要比在非晶合金中快10～14倍，這是由于存在過剩的熱平衡空位。Fe在Fe-Si納米晶中的擴(kuò)散由空位調(diào)節(jié)控制。

2)力學(xué)性能

目前，關(guān)于納米材料的力學(xué)性能研究，包括硬度、斷裂韌性、壓縮和拉伸的應(yīng)力一應(yīng)變行為、應(yīng)變速率敏感性、疲勞和蠕變等已經(jīng)相當(dāng)廣泛。


所研究的材料涉及不同方法制備的純金屬、合金、金屬間化合物、復(fù)合材料和陶瓷。研究納米材料本征力學(xué)性能的關(guān)鍵是獲得內(nèi)部沒有(或很少)孔隙、雜質(zhì)或裂紋的塊狀試樣。由于試樣內(nèi)有各種缺陷，早期的許多研究結(jié)果已被最近取得的結(jié)果所否定。樣品制備技術(shù)的日臻成熟與發(fā)展，使人們對納米材料本征力學(xué)性能的認(rèn)識不斷深入。

許多納米純金屬的室溫硬度比相應(yīng)的粗晶高2～7倍。隨著晶粒的減小，硬度增加的現(xiàn)象幾乎是不同方法制備的樣品的一致表現(xiàn)。早期的研究認(rèn)為，納米金屬的彈性模量明顯低于相應(yīng)的粗晶材料。例如，納米晶Pd的楊氏和剪切模量大約是相應(yīng)全密度粗晶的70%。然而，最近的研究發(fā)現(xiàn)，這完全是樣品中的缺陷造成的，納米晶Pd和Cu的彈性常數(shù)與相應(yīng)粗晶大致相同，屈服強(qiáng)度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韌性很低，總延伸率僅1%～4%，晶粒尺寸為 110nm的 Cu延伸率大于 8%。


從粗晶到 15urn，Cu的硬度測量值滿足 HallPetch關(guān)系;小于15nm后，硬度隨晶粒尺寸的變化趨于平緩，雖然硬度值很高，但仍比由粗晶數(shù)據(jù)技HallPetch關(guān)系外推或由硬度值轉(zhuǎn)換的估計(jì)值低很多。

不過，納米晶Cu的壓縮屈服強(qiáng)度與由粗晶數(shù)據(jù)的HallPetCh關(guān)系外推值和測量硬度的值(Hv/3)非常吻合，高密度納米晶 Cu牙D Pd的壓縮屈服強(qiáng)度可達(dá)到 1GPa量級。

盡管按照常規(guī)力學(xué)性能與晶粒尺寸關(guān)系外推，納米材料應(yīng)該既具有高強(qiáng)度，又有較高韌性。但迄今為止，得到的納米金屬材料的韌性都很低。晶粒小于25nm時(shí)，其斷裂應(yīng)變僅為

標(biāo)簽：納米材料論文