【文章內(nèi)容簡(jiǎn)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(dá)國(guó)家都把納米薄膜材料的研究列入國(guó)家發(fā)展規(guī)劃中。我國(guó)對(duì)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(jì)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(huì)在未來(lái)給人們帶來(lái)更多的驚喜。參 考 文 獻(xiàn)[1] 21 世紀(jì)的戰(zhàn)略 地位, 中國(guó)粉體技術(shù)[J].2000, 6(1)：1~ 5 [2]高海永,莊惠照,薛成山,王書運(yùn),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(bào)(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(qiáng)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(duì)強(qiáng)度和塑韌性的影響，并闡明了孿晶界面的作用以及機(jī)械孿生對(duì)鎂合金的影響。關(guān)鍵詞：強(qiáng)度 塑韌性 孿晶界面 機(jī)械孿生近一個(gè)多世紀(jì)以來(lái),金屬材料強(qiáng)度水平的不斷提高推動(dòng)著相關(guān)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步,也不斷改善了我們的生活。輕質(zhì)高強(qiáng)度鋁合金的出現(xiàn)推動(dòng)了飛機(jī)的誕生和發(fā)展,鋼纜強(qiáng)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(qiáng)金屬的發(fā)展和應(yīng)用，強(qiáng)化金屬材料是材料研究者不懈努力追求的目標(biāo),強(qiáng)度是材料科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，然而,在大多數(shù)情況下,伴隨著強(qiáng)度升高,金屬的塑性和韌性會(huì)下降,強(qiáng)度一塑性(或韌性)呈倒置關(guān)系。材料的強(qiáng)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(lái)越多的構(gòu)件要求材料既有高的強(qiáng)度又具有良好的塑性和韌性,高強(qiáng)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(wèn)題之一。過(guò)去,人們對(duì)材料強(qiáng)度一塑(韌)性關(guān)系及強(qiáng)韌化規(guī)律的研究大多圍繞相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)自然界中很多天然生物材料認(rèn)識(shí)的不斷深入,發(fā)現(xiàn)具有優(yōu)異綜合力學(xué)性能和強(qiáng)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(qiáng)、高韌、耐損傷金屬材料提供了有借鑒價(jià)值的線索。近年來(lái)對(duì)納米結(jié)構(gòu)材料研究的長(zhǎng)足進(jìn)步和各類納米技術(shù)的迅猛發(fā)展,使人們?cè)诩{米一微米一宏觀等不同尺度上對(duì)金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備調(diào)控逐步成為可能,為金屬材料強(qiáng)韌化研究提供了一個(gè)全新的契機(jī)。如果兩個(gè)相鄰晶體(或同一晶體的兩個(gè)部分)之間沿一個(gè)公共晶面形成鏡面對(duì)稱的位向關(guān)系,那么這兩個(gè)晶體就互稱為孿晶,公共晶面即為孿晶界面。一般說(shuō)來(lái),孿晶界面可以通過(guò)阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)使材料得到一定程度的強(qiáng)化。但是,微米或亞微米尺度的孿晶,其強(qiáng)化效果并不顯著,只有當(dāng)孿晶片層細(xì)化至納米量級(jí)時(shí)才開始表現(xiàn)出顯著的強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的增加趨勢(shì)與納米晶體銅中強(qiáng)度隨晶粒尺寸的變化趨勢(shì)一致,均遵從Hall一Petch關(guān)系，當(dāng)孿晶片層厚度減至15nm時(shí),材料強(qiáng)度達(dá)到極大值,隨后強(qiáng)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(qiáng)度與塑性/韌性同步提高的新途徑,而傳統(tǒng)的強(qiáng)化機(jī)理通常表現(xiàn)為強(qiáng)度一塑性/韌性的倒置關(guān)系。納米孿晶材料的高強(qiáng)度、高塑性和高加工硬化能力均源于位錯(cuò)與高密度孿晶界面的有效交互作用，塑性變形時(shí),隨孿晶片層減小,孿晶內(nèi)部可塞積位錯(cuò)數(shù)量減少,位錯(cuò)穿過(guò)孿晶界所需外力提高(強(qiáng)化材料)，同時(shí),位錯(cuò)與孿晶界反應(yīng)在孿晶界上形成大量位錯(cuò)(可動(dòng)或不可動(dòng))并在孿晶界上滑移、塞積、增殖,從而實(shí)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(qiáng)度的出現(xiàn)是由于隨孿晶片層減小,塑性變形機(jī)制從位錯(cuò)/孿晶界相互作用主導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓪\晶界處位錯(cuò)的形核和運(yùn)動(dòng)主導(dǎo)所致，這種納米孿晶結(jié)構(gòu)獨(dú)特變形機(jī)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(qiáng)化。另外,常用的強(qiáng)化方式往往在提高材料強(qiáng)度的同時(shí)會(huì)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(qiáng)度可提高一個(gè)數(shù)量級(jí),但對(duì)導(dǎo)電性的影響卻很小，這種高強(qiáng)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(gè)數(shù)量級(jí),大量孿晶界的存在對(duì)電子的散射極小。同時(shí),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(yùn)降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。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(guò)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(qiáng)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(zhǎng)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(dòng)物骨骼,這些材料中最強(qiáng)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(diǎn)獲得啟發(fā),開始有目的地設(shè)計(jì)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(qiáng)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(zhǎng)材料的使用壽命或滿足特殊環(huán)境的使用要求。該重大項(xiàng)目通過(guò)自主發(fā)展的表面機(jī)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(dá)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(guò)渡,有效避免了納米材料與基體剝離的問(wèn)題,從而為研究納米材料拉伸實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度都有大幅度提高,而拉伸延伸率并無(wú)明顯下降。納米梯度銅室溫拉伸實(shí)驗(yàn)顯示,具有梯度納米結(jié)構(gòu)的表層在拉伸真應(yīng)變高達(dá)100%時(shí)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(dú)特的變形機(jī)制。微觀結(jié)構(gòu)研究表明,梯度納米結(jié)構(gòu)銅在拉伸過(guò)程中,其主導(dǎo)變形機(jī)制為機(jī)械驅(qū)動(dòng)的晶界遷移,從而導(dǎo)致伴隨的晶粒長(zhǎng)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(dòng)了納米金屬材料本征力學(xué)性能的研究和認(rèn)識(shí),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(jì),機(jī)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(kuò)展過(guò)程。大量研究表明,晶界是強(qiáng)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(guò)設(shè)計(jì)和控制金屬材料的界面,進(jìn)而提高材料的強(qiáng)度乃至疲勞強(qiáng)度是材料科學(xué)家一直以來(lái)的研究重點(diǎn)。近年來(lái),一種特殊的晶界—“孿晶界面”以其對(duì)材料強(qiáng)度和塑性的雙重貢獻(xiàn)進(jìn)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(duì)金屬材料的強(qiáng)韌化機(jī)制。然而,對(duì)孿晶界面在疲勞載荷下裂紋萌生機(jī)制的認(rèn)識(shí)尚不清楚。選擇具有不同層錯(cuò)能的純銅與銅合金作為研究對(duì)象,揭示了金屬材料層錯(cuò)能大小和孿晶界面兩側(cè)晶體取向關(guān)系對(duì)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(duì)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(cuò)能和滑移方式的影響。由于孿晶界面對(duì)位錯(cuò)既具有阻礙作用,也可允許部分位錯(cuò)穿過(guò),因此,隨施密特因子差減小、層錯(cuò)能升高以及滑移方式的轉(zhuǎn)變,孿晶界面會(huì)允許更多的位錯(cuò)穿過(guò),從而明顯提高疲勞裂紋萌生的阻力。通過(guò)進(jìn)一步比較幾種不同晶界的疲勞開裂機(jī)制,進(jìn)而確定了萌生裂紋的難易順序?yàn)?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(qiáng)度和塑性,同時(shí)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(jì)提供了新的可能,即通過(guò)對(duì)金屬材料合金化與孿晶界面設(shè)計(jì),可以獲得最佳的強(qiáng)韌性與使役性能的匹配。鎂合金具有密度小、比強(qiáng)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(dòng)態(tài)沖擊載荷能力強(qiáng)、資源豐富等優(yōu)點(diǎn),是目前工程應(yīng)用中最輕的金屬結(jié)構(gòu)材料,被譽(yù)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(bǔ),為交通工具、電子通信、航空航天和國(guó)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(wèn)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(dòng)一定數(shù)量的位錯(cuò)滑移系,然而鎂合金在室溫下能啟動(dòng)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(dòng)。除了位錯(cuò)滑移外,機(jī)械孿生是鎂合金的另外一種重要的變形機(jī)制。鎂合金中拉伸孿生由于其臨界啟動(dòng)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(jìn)一步影響位錯(cuò)滑移，可以分割晶粒,對(duì)組織進(jìn)行細(xì)化,從而起到阻礙位錯(cuò)滑移,提高材料加工硬化的效果。鎂合金在塑性加工過(guò)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(qiáng)烈的各向異性,會(huì)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(duì)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(duì)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(lái)調(diào)控鎂合金的織構(gòu)和組織,進(jìn)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(jī)械孿生行為與形成機(jī)理,重點(diǎn)探索了拉伸孿生對(duì)鎂合金力學(xué)性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)引人拉伸孿晶細(xì)化晶?？梢酝瑫r(shí)提高鎂合金的強(qiáng)度和塑性,降低了鎂合金的拉壓不對(duì)稱性,并且首次提出通過(guò)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(jìn)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(qiáng)度和韌性是材料重要的力學(xué)特性,而傳統(tǒng)的強(qiáng)化方法都以損失材料的韌性為代價(jià)。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(qiáng)度,成為了人們關(guān)心的問(wèn)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(cuò)運(yùn)動(dòng),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(qiáng)度。另一方面,由于納米孿晶界的對(duì)稱性,使得位錯(cuò)可以沿著它運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生臺(tái)階。位錯(cuò)也可以在與納米孿晶界反應(yīng)后,穿越進(jìn)人相鄰的晶粒。所以說(shuō)納米孿晶界具有很強(qiáng)的容納位錯(cuò)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(dòng)力學(xué)方法,從納米尺度上研究了納米孿晶界對(duì)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(qiáng)。在主裂紋擴(kuò)展過(guò)程中,裂尖前方的納米孿晶界吸收了大量的位錯(cuò),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(kuò)展這一納米尺度上的二級(jí)缺陷增韌機(jī)制。這種機(jī)制有效地緩解了主裂紋尖端(一級(jí)缺陷)附近的應(yīng)力集中,使得裂紋擴(kuò)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(kuò)展的路徑不同于沒有納米孿晶界的多晶試樣。具體地說(shuō),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(jìn)行擴(kuò)展,這樣的擴(kuò)展方式使得裂紋的路徑呈現(xiàn)一