【文章內(nèi)容簡介】 食品、紡織以及水處理等方面得到廣泛應(yīng)用。納米薄膜材料的研究是納米科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的重要內(nèi)容，在許多領(lǐng)域內(nèi)都有著廣泛的應(yīng)用前景。世界上的發(fā)達國家都把納米薄膜材料的研究列入國家發(fā)展規(guī)劃中。我國對納米薄膜材料的研究也非常重視，利用新的物理化學(xué)性質(zhì)、新原理、新方法設(shè)計納米結(jié)構(gòu)性器件和納米復(fù)合傳統(tǒng)材料改性正孕育新的突破。相信納米薄膜材料將會在未來給人們帶來更多的驚喜。參 考 文 獻[1] 21 世紀(jì)的戰(zhàn)略 地位, 中國粉體技術(shù)[J].2000, 6(1)：1~ 5 [2]高海永,莊惠照,薛成山,王書運,董志華,[J].(09)[3]JiHyuk Choi,MoonHo Ham,Woong Lee,JaeMin and characterization of GaN/amorphous Ga2O3 nanocables through thermal oxidation [4][D].太原理工大學(xué) 2007 [5][D].重慶大學(xué) 2004 [6][D].天津大學(xué) 2010 [7]唐一科,許靜,[J].重慶大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版).2005(01)第三篇：納米金屬材料—小論文納米孿晶金屬材料摘要：金屬材料的高強度和良好的塑韌性是很多金屬材料研究者追求的目標(biāo)，本文總結(jié)了盧柯課題組金屬材料中納米孿晶對強度和塑韌性的影響，并闡明了孿晶界面的作用以及機械孿生對鎂合金的影響。關(guān)鍵詞：強度 塑韌性 孿晶界面 機械孿生近一個多世紀(jì)以來,金屬材料強度水平的不斷提高推動著相關(guān)工業(yè)技術(shù)的進步,也不斷改善了我們的生活。輕質(zhì)高強度鋁合金的出現(xiàn)推動了飛機的誕生和發(fā)展,鋼纜強度的不斷提升使斜拉橋的跨度成倍增加,汽車的減重和降耗很大程度上依賴于高比強金屬的發(fā)展和應(yīng)用，強化金屬材料是材料研究者不懈努力追求的目標(biāo),強度是材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志，然而,在大多數(shù)情況下,伴隨著強度升高,金屬的塑性和韌性會下降,強度一塑性(或韌性)呈倒置關(guān)系。材料的強度愈高這種倒置就愈顯突出。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展,越來越多的構(gòu)件要求材料既有高的強度又具有良好的塑性和韌性,高強度金屬的低塑性和低韌性在一定程度上削弱了其工業(yè)應(yīng)用的潛力,成為金屬材料科學(xué)發(fā)展的瓶頸問題之一。過去,人們對材料強度一塑(韌)性關(guān)系及強韌化規(guī)律的研究大多圍繞相對簡單的結(jié)構(gòu)體系展開,材料的組織、相、成分等在空間上分布均勻,特征結(jié)構(gòu)單元尺度單一且在微米以上。隨著人們對自然界中很多天然生物材料認(rèn)識的不斷深入,發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能和強韌性配合的天然生物材料往往具有比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)要素特征,如不均勻幾何形態(tài)及空間分布、多尺度、多相、非均勻成分分布、多層次藕合結(jié)構(gòu)等。這些多層次多尺度的組織(或相)構(gòu)筑為我們發(fā)展高強、高韌、耐損傷金屬材料提供了有借鑒價值的線索。近年來對納米結(jié)構(gòu)材料研究的長足進步和各類納米技術(shù)的迅猛發(fā)展,使人們在納米一微米一宏觀等不同尺度上對金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備調(diào)控逐步成為可能,為金屬材料強韌化研究提供了一個全新的契機。如果兩個相鄰晶體(或同一晶體的兩個部分)之間沿一個公共晶面形成鏡面對稱的位向關(guān)系,那么這兩個晶體就互稱為孿晶,公共晶面即為孿晶界面。一般說來,孿晶界面可以通過阻礙位錯運動使材料得到一定程度的強化。但是,微米或亞微米尺度的孿晶,其強化效果并不顯著,只有當(dāng)孿晶片層細(xì)化至納米量級時才開始表現(xiàn)出顯著的強化效果和其他的特性。納米孿晶結(jié)構(gòu)能夠顯著提高材料的強度而不損失其塑性與韌性，在脈沖電解沉積制備的納米孿晶銅中,隨孿晶片層厚度減小,材料屈服強度的增加趨勢與納米晶體銅中強度隨晶粒尺寸的變化趨勢一致,均遵從Hall一Petch關(guān)系，當(dāng)孿晶片層厚度減至15nm時,材料強度達到極大值,隨后強度逐漸下降,并出現(xiàn)軟化現(xiàn)象。然而,隨孿晶厚度減小,納米孿晶銅的拉伸塑性，斷裂韌性和加工硬化能力均單調(diào)增加,且表現(xiàn)出超高加工硬化能力“這提供了一種使強度與塑性/韌性同步提高的新途徑,而傳統(tǒng)的強化機理通常表現(xiàn)為強度一塑性/韌性的倒置關(guān)系。納米孿晶材料的高強度、高塑性和高加工硬化能力均源于位錯與高密度孿晶界面的有效交互作用，塑性變形時,隨孿晶片層減小,孿晶內(nèi)部可塞積位錯數(shù)量減少,位錯穿過孿晶界所需外力提高(強化材料)，同時,位錯與孿晶界反應(yīng)在孿晶界上形成大量位錯(可動或不可動)并在孿晶界上滑移、塞積、增殖,從而實現(xiàn)加工硬化,協(xié)調(diào)塑性變形(韌化材料),有效提高其綜合力學(xué)性能。納米孿晶銅中極值強度的出現(xiàn)是由于隨孿晶片層減小,塑性變形機制從位錯/孿晶界相互作用主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪\晶界處位錯的形核和運動主導(dǎo)所致，這種納米孿晶結(jié)構(gòu)獨特變形機理導(dǎo)致的綜合力學(xué)性能提高，在本質(zhì)上有異于晶界強化。另外,常用的強化方式往往在提高材料強度的同時會造成其導(dǎo)電性能明顯下降。然而,在純銅中引人納米尺度孿晶界后,其強度可提高一個數(shù)量級,但對導(dǎo)電性的影響卻很小，這種高強度高導(dǎo)電性的結(jié)合源于孿晶界的電阻比普通晶界的電阻低近一個數(shù)量級,大量孿晶界的存在對電子的散射極小。同時,納米孿晶結(jié)構(gòu)還能降低電致原子遷移速率,導(dǎo)致的原子沿晶界輸運降低了一個數(shù)量級。孿晶是金屬材料中的常見結(jié)構(gòu),但如何制備出高密度納米尺度的孿晶結(jié)構(gòu)卻并非易事。目前納米尺度孿晶結(jié)構(gòu)可通過電解沉積、磁控濺射沉積、塑性變形或退火再結(jié)晶等制備技術(shù)在多種純金屬和合金中獲得。如何發(fā)展納米孿晶金屬的制備方法和工藝,以及如何將納米孿晶強化技術(shù)應(yīng)用于更廣泛的工程材料等方面依然面臨挑戰(zhàn)。梯度材料是指材料的組成結(jié)構(gòu)和性能在厚度或長度方向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)變化,即材料的組成和結(jié)構(gòu)從材料的某一方位以1維、2維或者3維向另一方位連續(xù)地變化,使材料的性能和功能也呈現(xiàn)出梯度變化的一種新型材料。結(jié)構(gòu)梯度材料常常在自然界生物結(jié)構(gòu)中看到,例如竹子、植物莖桿和動物骨骼,這些材料中最強的結(jié)構(gòu)往往位于承受應(yīng)力最大的地方。材料科學(xué)家從自然界這些材料的結(jié)構(gòu)特點獲得啟發(fā),開始有目的地設(shè)計梯度結(jié)構(gòu)金屬材料。與均勻結(jié)構(gòu)相比,梯度結(jié)構(gòu)材料能夠更有效地抵御材料的失效。利用納米材料強度高,在金屬材料表層形成納米尺度晶粒,并隨距表面距離的增加,晶粒尺寸梯度增加,形成所謂的梯度納米結(jié)構(gòu)(Gradientnano一grained,GNG)金屬材料,將明顯提高整體材料的摩擦磨損、疲勞和腐蝕等性能,從而延長材料的使用壽命或滿足特殊環(huán)境的使用要求。該重大項目通過自主發(fā)展的表面機械碾壓處理(SMGT)技術(shù),在多種純金屬及工程材料中成功制備出梯度納米結(jié)構(gòu),自表及里晶粒尺寸由十幾納米梯度增大至微米尺度,材料芯部的晶粒尺寸為幾十微米的粗晶結(jié)構(gòu),這種梯度納米結(jié)構(gòu)的厚度可達數(shù)百微米。SMGT技術(shù)制備的梯度材料納米晶與粗晶基體結(jié)構(gòu)梯度的過渡,有效避免了納米材料與基體剝離的問題,從而為研究納米材料拉伸實驗本征力學(xué)性能提供了理想材料。研究結(jié)果表明梯度納米結(jié)構(gòu)銅及不銹鋼拉伸屈服強度都有大幅度提高,而拉伸延伸率并無明顯下降。納米梯度銅室溫拉伸實驗顯示,具有梯度納米結(jié)構(gòu)的表層在拉伸真應(yīng)變高達100%時仍保持完整,未出現(xiàn)裂紋,表明其拉伸塑性變形能力優(yōu)于粗晶銅。這種優(yōu)異的塑性變形能力源于梯度納米結(jié)構(gòu)獨特的變形機制。微觀結(jié)構(gòu)研究表明,梯度納米結(jié)構(gòu)銅在拉伸過程中,其主導(dǎo)變形機制為機械驅(qū)動的晶界遷移,從而導(dǎo)致伴隨的晶粒長大。梯度納米結(jié)構(gòu)銅及不銹鋼表層硬度明顯增加,使材料摩擦磨損性能顯著提高,并可抑制裂紋的萌生。梯度納米材料不但推動了納米金屬材料本征力學(xué)性能的研究和認(rèn)識,也為納米金屬材料的工業(yè)應(yīng)用開辟了一條新途徑。據(jù)統(tǒng)計,機械設(shè)備的各種斷裂事故中,大約80%是屬于疲勞破壞,而這些疲勞破壞主要起源于材料在交變載荷下,內(nèi)部萌生裂紋和隨后的擴展過程。大量研究表明,晶界是強化金屬多晶體材料的重要界面,而它又是容易萌生疲勞裂紋的有利位置。因而,如何通過設(shè)計和控制金屬材料的界面,進而提高材料的強度乃至疲勞強度是材料科學(xué)家一直以來的研究重點。近年來,一種特殊的晶界—“孿晶界面”以其對材料強度和塑性的雙重貢獻進人了人們的視野。鑒于這種孿晶界面的特殊性,金屬研究所盧柯院士曾提出了共格孿晶界面對金屬材料的強韌化機制。然而,對孿晶界面在疲勞載荷下裂紋萌生機制的認(rèn)識尚不清楚。選擇具有不同層錯能的純銅與銅合金作為研究對象,揭示了金屬材料層錯能大小和孿晶界面兩側(cè)晶體取向關(guān)系對孿晶界面疲勞裂紋萌生的影響。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn):孿晶界面相對于普通晶界更難于萌生疲勞裂紋,而其萌生裂紋的難易程度主要受晶體取向(施密特因子差)、層錯能和滑移方式的影響。由于孿晶界面對位錯既具有阻礙作用,也可允許部分位錯穿過,因此,隨施密特因子差減小、層錯能升高以及滑移方式的轉(zhuǎn)變,孿晶界面會允許更多的位錯穿過,從而明顯提高疲勞裂紋萌生的阻力。通過進一步比較幾種不同晶界的疲勞開裂機制,進而確定了萌生裂紋的難易順序為:小角晶界孿晶界面大角晶界,這表明孿晶界面不但可以提高金屬材料的強度和塑性,同時也具有較高的抗疲勞裂紋萌生阻力,這為金屬材料的抗疲勞設(shè)計提供了新的可能,即通過對金屬材料合金化與孿晶界面設(shè)計,可以獲得最佳的強韌性與使役性能的匹配。鎂合金具有密度小、比強度和比剛度高、阻尼減振降噪性好、導(dǎo)熱和導(dǎo)電性好、抗動態(tài)沖擊載荷能力強、資源豐富等優(yōu)點,是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,被譽為“用之不竭的輕質(zhì)材料”“綠色的工程材料”,與鋼、鋁及工程塑料等結(jié)構(gòu)材料互補,為交通工具、電子通信、航空航天和國防軍工等領(lǐng)域的材料應(yīng)用提供了重要選擇。然而與鋼、鋁等立方結(jié)構(gòu)金屬相比,密排六方結(jié)構(gòu)鎂合金室溫變形能力較差,這是限制其大規(guī)模使用的瓶頸問題。為了協(xié)調(diào)材料的宏觀塑性變形,從微觀上講金屬通常需要啟動一定數(shù)量的位錯滑移系,然而鎂合金在室溫下能啟動的滑移系主要只有基面滑移,其他滑移系(如柱面、c十a(chǎn)滑移)由于臨界分切應(yīng)力較大常溫下不易啟動。除了位錯滑移外,機械孿生是鎂合金的另外一種重要的變形機制。鎂合金中拉伸孿生由于其臨界啟動的剪切應(yīng)力低,是鎂合金常溫下主要塑性變形模式之一。拉伸孿生可以傾轉(zhuǎn)晶體取向,進一步影響位錯滑移，可以分割晶粒,對組織進行細(xì)化,從而起到阻礙位錯滑移,提高材料加工硬化的效果。鎂合金在塑性加工過程中易形成軸平行于受力方向的基面織構(gòu),導(dǎo)致材料呈現(xiàn)強烈的各向異性,會顯著降低板材沿厚度方向的變形能力，大量研究表明,弱化基面織構(gòu)可以顯著提高鎂合金塑性變形能力,常用的方法有添加稀土合金元素、等通道角擠壓加工和異步軋制等。稀土鎂合金成本較高,難以大規(guī)模應(yīng)用,等通道角擠壓加工弱化織構(gòu)效果較好,但其加工效率低,加工成本高,異步軋制對基面織構(gòu)弱化效果有限,不能顯著改善板材的加工變形能力。由于拉伸孿生對鎂合金變形行為有顯著影響,因此可以利用預(yù)變形誘導(dǎo)拉伸孿生來調(diào)控鎂合金的織構(gòu)和組織,進而改變其力學(xué)行為和性能。鎂合金在不同變形條件下(初始取向、溫度、應(yīng)變速及變形模式)的機械孿生行為與形成機理,重點探索了拉伸孿生對鎂合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)通過引人拉伸孿晶細(xì)化晶?？梢酝瑫r提高鎂合金的強度和塑性,降低了鎂合金的拉壓不對稱性,并且首次提出通過側(cè)軋誘導(dǎo)拉伸孿生調(diào)控板材織構(gòu),從而大幅度提高鎂合金板材的單道次軋制能力。采用商業(yè)AZ31鎂合金板材進行中試,發(fā)現(xiàn)采用側(cè)軋新工藝的板材單道次軋制量可以提高一倍以上,大大提高了加工效率和成材率,有望在鎂合金工業(yè)得到廣泛應(yīng)用。強度和韌性是材料重要的力學(xué)特性,而傳統(tǒng)的強化方法都以損失材料的韌性為代價。因此,如何在不損失材料韌性的前提下,盡可能地提高材料的強度,成為了人們關(guān)心的問題。納米孿晶界是一種共格的晶體面缺陷”一方面,它們與一般的大角度晶界一樣,可以有效地阻擋位錯運動,在納米孿晶界密度較高的情況下,可以大幅度提高材料的強度。另一方面,由于納米孿晶界的對稱性,使得位錯可以沿著它運動,產(chǎn)生臺階。位錯也可以在與納米孿晶界反應(yīng)后,穿越進人相鄰的晶粒。所以說納米孿晶界具有很強的容納位錯的能力,這樣就可以提高材料塑性變形的能力,也就改善了材料的韌性。利用分子動力學(xué)方法,從納米尺度上研究了納米孿晶界對納米金屬的斷裂韌性的影響。結(jié)果表明,納米孿晶界密度越高,材料的斷裂韌性越強。在主裂紋擴展過程中,裂尖前方的納米孿晶界吸收了大量的位錯,使得裂尖不斷鈍化。另外,在離主裂紋不遠(yuǎn)處還觀察到子裂紋沿著孿晶界的擴展這一納米尺度上的二級缺陷增韌機制。這種機制有效地緩解了主裂紋尖端(一級缺陷)附近的應(yīng)力集中,使得裂紋擴展得以抑制。在納米孿晶界密度較高的多晶試樣中,觀察到了裂紋偏折的現(xiàn)象,裂紋擴展的路徑不同于沒有納米孿晶界的多晶試樣。具體地說,由于納米孿晶界具有多余的自由能,因此在納米孿晶材料中,裂紋傾向于沿著或者切割納米孿晶界在晶粒內(nèi)部進行擴展,這樣的擴展方式使得裂紋的路徑呈現(xiàn)一