金属材料表面纳米化

随着纳米材料研究的不断深入与纳米技术的发展，将表面改性与纳米材料相结合来制备纳米材料受到了人们的重视，其特点是通过提高材料表面性能来提高构件服役性能。表面纳米化技术被认为是今后一段时间可将纳米材料应用于工程实际的最重要技术之一。

纳米材料的定义

纳米材料指材料微观结构的特征尺寸处于纳米量级（0.1-100 nm）的材料，微观结构既包括组成材料的结构单元如晶粒，也包括材料自身尺度的微观化即低维材料。

按此定义，纳米材料分为3 大类：

(1)低维纳米材料，包括纳米微粒、纳米线、纳米管、纳米缆、纳米膜、纳米有机大分子等。

(2)表层纳米材料，包括各种表面处理技术(如离子注入、激光处理、物理和化学气相沉积PVD 和 CVD、表面机械研磨制备的用以提高材料表面性能(如抗蚀、耐磨等)的固体表层结构。

(3)块体纳米材料，由尺度为纳米量级的结构单元构成。

表面纳米化有哪些优势

晶粒大小与多晶金属材料力学性能有密切的联系。表面纳米化使材料表面(和整体)的力学和化学性能得到不同程度的改善。表面纳米晶层的硬度显著提高，并随着深度的增加而逐渐减小；与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度可提高几倍，表面以下亚微晶层的硬度也明显增大。对于晶粒尺寸从几到几百微米的普通晶体材料，强度和硬度与晶粒尺寸的大小之间的关系，可以用传统的Hall-Petch 关系来描述。

左图可见与未发生变化的心部组织比，表面硬度提高了两倍以上。由纳米晶层（从表面到约40μm 深度）到亚微晶层（40-80μm 深度），硬度逐渐减小，并趋于稳定；从右 图可见，硬度随d-1/2 增大几乎呈线性增加的。因此可以确定表面纳米化对材料的强化有着一定的贡献，纳米材料的硬度亦随着晶粒尺寸的减小而增大。

摩擦磨损性能的改善

表面纳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损性能，由于机械加工处理引起的表面粗糙度的增加对材料的低载荷耐磨性产生不利的影响。随着载荷的增加，未处理材料的磨损量急剧增大，而表面纳米化材料的磨损量变化却很小。

低碳钢表面纳米化后磨损量（a）和摩擦因数（b）随载荷的变化 注：SMAT为表层纳米化的某种技术

(a)为低碳钢表面纳米化前后试样的磨损量，可见在不同载荷下，纳米晶组织的形成能够改善材料的耐磨性；（b）图是摩擦因数的变化，在任一载荷下，表面纳米化试样的表面摩擦系数都明显低于原始试样。可见表面纳米化能够明显地提高高载荷下材料的耐摩擦磨损性能。

表面纳米化后试样摩擦磨损行为的提高主要源于两方面的原因：一方面是因为纳米晶具有高的强度和硬度，磨粒压入表层的深度小，配副相对试样表面运动的阻力较小，所以表面纳米化试样的磨损量均比原样小；另一方面是因为表面纳米晶组织能有效地抑制裂纹的萌生，而心部的粗晶组织又可以阻止裂纹的扩展，因此在相同载荷下表面纳米化试样较原始粗晶试样更难发生疲劳磨损。

表面化学活性

研究发现，纳米晶体材料（或者纳米结构材料）中原子的扩散激活能更低，其相应的扩散系数更高，这是由纳米材料中晶界体积所占比例的提高引起的。卢柯院士研究组对纯铁进行表面纳米化处理后，进行渗氮，发现渗氮动力学条件明显得到改善。在传统的粗晶粒铁中渗氮时，晶格扩散占主导地位，而在纳米晶铁中渗氮主要沿着晶界进行，这是因为晶界的激活能更小。通过表面纳米化，在表面纳米层中形成了大量的储能，在低温下使渗氮有足够的驱动力。

纳米化改变了材料表面的结构，有助于大幅度地提高材料表面化学元素的渗入浓度和深度。

可以实现材料纳米化的相关技术