金屬材料表面納米化

隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術的發展，將表面改性與納米材料相結合來製備納米材料受到了人們的重視，其特點是通過提高材料表面性能來提高構件服役性能。表面納米化技術被認為是今後一段時間可將納米材料應用於工程實際的最重要技術之一。

納米材料的定義

納米材料指材料微觀結構的特徵尺寸處於納米量級（0.1-100 nm）的材料，微觀結構既包括組成材料的結構單元如晶粒，也包括材料自身尺度的微觀化即低維材料。

按此定義，納米材料分為3 大類：

(1)低維納米材料，包括納米微粒、納米線、納米管、納米纜、納米膜、納米有機大分子等。

(2)表層納米材料，包括各種表面處理技術(如離子注入、激光處理、物理和化學氣相沉積PVD 和 CVD、表面機械研磨製備的用以提高材料表面性能(如抗蝕、耐磨等)的固體表層結構。

(3)塊體納米材料，由尺度為納米量級的結構單元構成。

表面納米化有哪些優勢

晶粒大小與多晶金屬材料力學性能有密切的聯繫。表面納米化使材料表面(和整體)的力學和化學性能得到不同程度的改善。表面納米晶層的硬度顯著提高，並隨著深度的增加而逐漸減小；與顯微組織未發生變化的心部相比，表面硬度可提高几倍，表面以下亞微晶層的硬度也明顯增大。對於晶粒尺寸從幾到幾百微米的普通晶體材料，強度和硬度與晶粒尺寸的大小之間的關係，可以用傳統的Hall-Petch 關係來描述。

左圖可見與未發生變化的心部組織比，表面硬度提高了兩倍以上。由納米晶層（從表面到約40μm 深度）到亞微晶層（40-80μm 深度），硬度逐漸減小，並趨於穩定；從右 圖可見，硬度隨d-1/2 增大幾乎呈線性增加的。因此可以確定表面納米化對材料的強化有著一定的貢獻，納米材料的硬度亦隨著晶粒尺寸的減小而增大。

摩擦磨損性能的改善

表面納米化有效提高了材料表面硬度，因此也有助於改善材料的摩擦磨損性能，由於機械加工處理引起的表面粗糙度的增加對材料的低載荷耐磨性產生不利的影響。隨著載荷的增加，未處理材料的磨損量急劇增大，而表面納米化材料的磨損量變化卻很小。

低碳鋼表面納米化后磨損量（a）和摩擦因數（b）隨載荷的變化 註：SMAT為表層納米化的某種技術

(a)為低碳鋼表面納米化前後試樣的磨損量，可見在不同載荷下，納米晶組織的形成能夠改善材料的耐磨性；（b）圖是摩擦因數的變化，在任一載荷下，表面納米化試樣的表面摩擦係數都明顯低於原始試樣。可見表面納米化能夠明顯地提高高載荷下材料的耐摩擦磨損性能。

表面納米化后試樣摩擦磨損行為的提高主要源於兩方面的原因：一方面是因為納米晶具有高的強度和硬度，磨粒壓入表層的深度小，配副相對試樣表面運動的阻力較小，所以表面納米化試樣的磨損量均比原樣小；另一方面是因為表面納米晶組織能有效地抑制裂紋的萌生，而心部的粗晶組織又可以阻止裂紋的擴展，因此在相同載荷下表面納米化試樣較原始粗晶試樣更難發生疲勞磨損。

表面化學活性

研究發現，納米晶體材料（或者納米結構材料）中原子的擴散激活能更低，其相應的擴散係數更高，這是由納米材料中晶界體積所佔比例的提高引起的。盧柯院士研究組對純鐵進行表面納米化處理后，進行滲氮，發現滲氮動力學條件明顯得到改善。在傳統的粗晶粒鐵中滲氮時，晶格擴散佔主導地位，而在納米晶鐵中滲氮主要沿著晶界進行，這是因為晶界的激活能更小。通過表面納米化，在表面納米層中形成了大量的儲能，在低溫下使滲氮有足夠的驅動力。

納米化改變了材料表面的結構，有助於大幅度地提高材料表面化學元素的滲入濃度和深度。

可以實現材料納米化的相關技術

（整理來源於盧柯院士等人公開論文）