结构材料表面纳米化的一些特点

摘 要：结构材料表面纳米化发展已经成为科技时代趋势，综述了结构材料表面纳米化的一些研究概况，对材料表面纳米化制备工艺、表层材料纳米化后性能特点及对基地材料的影响进行了探讨。

关键词：结构材料;表面纳米化;性能特点

中国的卢柯与华裔学者吕坚最早联合提出结构材料表面纳米化，而目前这一概念己经被列入国家纳米科技发展规划[1]。而如今世界上大多数国家对纳米材料的研发，对其性能的探讨都投入了大量的财力、人力，为了研制出更多具有独特性能的材料为我们人类所用，目前纳米材料凭借其优异的性能广泛的应用于生产生活中，现在我们对结构表面纳米化进行解释，其指利用各种物理的或化学的方法使材料的表层形成纳米结构，与此同时材料基体仍保持原有状态，以此达到材料表面性能如疲劳强度、抗蚀性和耐磨性等的改善或提高 [2]。

表面纳米化主要会影响材料如下几方面的性质：直接增加材料表面硬度，进一步提高其抗弯强度及抗压强度，增强耐磨耐酸碱腐蚀性能，从而延长其服役寿命，疲劳抗力得到提升，材料的整体性能得到了提升;可替代一些稀有贵重金属材料，一些传统工业中必须使用的贵重金属往往造成资源的浪费，而人们通过对普通常用的材料进行表面纳米化，经过纳米化精细工艺的处理后普通材料的表层已不同往日，其具有的表面性能可与贵重金属比拟甚至比它的性能更加优异;经过表面纳米化处理的材料，比面积极高，表面性能十分优异，与原先普通材料相比，表面组织细微精致，表面粗糙度极低而活性高，表面纳米化后表层与基地结合紧密，随着科技的进步，表面纳米化加工工艺也在不断提升改进，更多更优异的新型材料日益涌现。

尽管表面纳米化技术发展历史并不长，但自发现它提出它以后就引起了国内外学者的高度关注，随着这项技术的不断精进已经取得了许多可喜的成果，材料经过表面纳米化处理以后具有优异的综合力学性能及机械性能，将材料的应用范围扩大化，但表面纳米化技术并不能大规模的应用于工业生产中，在实际工业生产应用中还存在一些问题亟待解决：针对材料制备出不同的工艺参数;材料自身组织性能对表层材料纳米化后的影响及其原理研究;如何制备出性能优良的可规模化生产的纳米化设备。

纳米体材料是指由纳米尺度的单元所构成的材料，它的成本高，对设备及工艺的水平要求也高，与纳米体材料相比，表面纳米化技术仅仅使材料的表层纳米化，无论是从成本的角度出发还是对设备及工艺要求都要低出许多，所以更加容易实现工业产量化，表面纳米化的方法多种多样，总结一下主要有以下三种： [3]

1. 涂层沉积法，利用涂层或沉积这样类似的工艺制备出纳米尺度以下的超细微粒，然后将这些超细微粒固定在基底上，这些超细微粒的成分可以与基地一样也可以不同类，最终在基地表层形成具有纳米结构的表层，从而达到表面纳米化的效果，经过涂层纳米化以后，表层材料的超细微粒其颗粒的大小尺寸及沉积实现的厚度可人为控制，方便可控，但是沉积完后材料表层与基地分界，原始基底的尺寸增加[35]，目前沉积法表面纳米化的方法有溅射、电镀沉积、气相液相沉积等;2、自身纳米化，直接对材料表面进行纳米化处理，通过一些物理、化学、机械处理的方法使材料表面达到纳米尺度，原来的大晶粒细化为超微晶粒，这样得到的表层材料与基地材料保持一致，化学成分相同，物理性能相近，经过处理后的表层与基底几乎没有明显的分界，同时原材料自身的尺寸不会明显增加;3、混合纳米化，在材料表面进行混合纳米化是一种复合工艺，在对材料处理的过程中既有纳米化技术也有化学处理技术，这两种技术在对材料进行处理时一般是先进行纳米化技术，先得到具有纳米结构的表层，其次再进行化学处理，将纳米化后的表层与基地结合起来，通常来说，复合后的材料其表层与底材化学成分不同，这种方法多适用于固溶体或化合物。

按常理说，材料自身具有的组织及结构特性决定了材料的性能，而表面纳米化技术改变材料表面的结构，从而也改变了材料表面性能。经科学研究结果显示与普通原材料相比，纳米化处理过的材料综合性能得到了提升，比如抗疲劳性、耐磨耐蚀性能、抗冲击疲劳，综合力学性能等大幅提高。以两点为例，看一下材料如何提高性能：摩擦磨损性能：摩擦磨损性能是材料性能的一项重要指标。表面纳米化对材料的表层结构进行改变必然会使材料的摩擦磨损性能发生变化，有研究表明，在同等载荷摩擦磨损试验中，与原材料的对比实验下表面纳米化后的材料其磨损量更小，具有更优异的耐磨性，同时表层纳米化达到的厚度越大，材料的耐磨性能就越高[4]，这说明表面纳米化有助于提高材料耐磨性，而主要原因可能与超细微粒有关，组织达到纳米级别，结合更加紧密，从而摩擦性能优异。化学性能：表层材料纳米化后，材料极易进行化学处理，经过纳米化后其组织为超细晶粒，晶粒变小，晶界增加，有研究表明，假使设这些超细微粒为球形或立方体，随着晶粒变小，晶粒数目增加，晶界在组元中的成分将会大幅上升，当晶粒尺寸减小至5nm时，晶界所占比例可达50%[5]，

晶界的组元增加后，化学元素在材料内部进行扩散时通道也增加了，故扩散速度提升了。（作者单位：重庆三峡学院机械学院）

参考文献：

[1] 刘红.金属材料表面纳米化研究现状.2010.36（3）：11-15.

[2] 李曙.纳米化金属材料表现出优异摩擦学性能的条件[J].中国表面工程，2006，19（5）：13-17.

[3] 徐滨士.纳米表面工程.化学工业出版社.2004.

[4] 罗荣，冯波等.不同管径氧化钛纳米管层的微动磨损性能.摩擦学学报.2010.30（5）：491-497.

[5] Gleiter H， Hansen N， Horsewell A， Leffers T and Liholth H.（eds.）. Defermation of Polyerystals：Meehanism and Mierostructures， RisoNational Laboratory， enmark， 1981，15.