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哈尔滨工业大学胡连喜教授:几种先进粉末材料的制备成形技术研究进展

日期: 2021-09-13
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来源:中国粉体网

“如果能把材料的外部或内部长度尺寸缩减到原子间距的尺度范围内,科学研究领域乃至整个世界都可能带来翻天覆地的变化”,五十多年之前,诺贝尔物理学奖得主Richard P. Feynman等科学家们就意识到了这一点。纳米材料具有极细的晶粒/颗粒尺寸,大量的表面/界面结构。晶粒尺寸为100nm的晶体材料,其晶界的体积分数为3%;晶粒尺寸为10nm的纳米晶体材料,其晶界的体积分数增加到30%。纳米晶体材料特别的结构特征产生了小尺寸效应、表面效应、体积效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等,使纳米晶体材料具有许多奇异理化和机械性能。

纳米金属材料是纳米材料领域内引人瞩目的一个分支。1983年,纳米金属材料研究的先驱Gleiter教授首次提出了纳米晶体材料(Nanocrystalline, NC)和纳米结构材料(Nanostructured, NS)的概念,指出将金属材料的晶粒尺寸减小到纳米尺度将极大地提高材料的各种性能并必将有广泛的应用前景,并通过原位固化法和惰性气体冷凝法制备出纳米晶金属,纳米金属材料的研究正式成为材料科学领域的一个重要分支。

纳米/超细晶金属与传统粗晶金属相比具有许多突出的物理和力学性能,如超高的强度、硬度、耐磨性以及低温超塑性等。近年来发展的纳米多相多尺度合金表现出超高的强度、硬度,良好的塑韧性以及优异的高温力学性能,在结构材料领域展现出了十分广阔的应用前景。

然而,纳米/超细晶材料中引入的大量晶界及其他缺陷导致了材料体系自由能的增加,使材料自发地通过消除晶界等缺陷以降低体系的自由能。纳米/超细晶材料中晶界等缺陷的消除通常是通过晶粒长大的方式进行,体系自由能的增加为晶粒的长大提供了内在的驱动力,从而导致了纳米/超细晶材料本征的组织不稳定性。通常对于高熔点的Co、Ni、Fe等纳米晶纯金属,在0.5Tm(Tm为纯金属的熔点)的中等温度区间,其晶粒可以快速长大到微米量级;对于低熔点的Mg、Al、Sn、Pb、Zn等纯金属,在室温下就可以发生晶粒的快速长大。纳米/超细晶材料本征的组织不稳定性严重影响了其合成制备与性能的可靠性。对于纳米/超细晶的粉体,其组织结构的热稳定性直接决定了高温烧结后块体材料的性能。近年来,研究人员提出通过动力学钉扎效应(如第二相粒子、溶质/杂质原子等)和热力学的元素偏析两种方法来改善纳米/超细晶材料的热稳定性,取得了显著的成效。

另一方面,纳米/超细晶结构大大加快了元素的扩散行为,增加了晶界活性,使材料容易发生晶界滑移、晶粒旋转等变形行为。加之晶粒长大等结构失稳,使纳米/超细晶金属室温下的超高的强度、硬度等性能在中高温环境下大幅下降,蠕变速率要比粗晶材料高几个数量级,这严重制约了纳米/超细晶金属在中高温环境下的应用。研究表明,通过加入低扩散系数的合金元素或引入高熔点的第二相颗粒,如陶瓷相、金属间化合物等,可以显著提高纳米/超细晶金属材料的高温力学性能,对开发极端环境下应用的纳米/超细晶金属结构材料具有重要意义。

到目前为止,大块纳米晶金属材料的合成方法按照制备的工艺路径可分为两大类。第一类是所谓的“自下至上”(bottom-up)的累积方法,从微观层面入手,逐个原子、逐层的组装出所需的大块纳米晶材料。包括机械合金化、电沉积法、溅射法以及热喷涂法等。而第二类则被称为“由上至下”(top-down)的方法,这种方法将普通的块体粗晶材料通过特殊的工艺方法强制其发生结构细化,从而得到大块纳米晶材料。这类方法包括强烈塑性变形法、非晶晶化法等。值得注意的是,从科学研究的角度出发,对纳米晶金属材料本征属性的认识首先取决于能否制备出纯度高、组织致密且晶粒尺寸均匀的“理想”块体纳米材料,从而才有可能准确测量各力学性能参量。



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