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金屬納米材料到底是不是下一個騙局?

時間:2019-01-16 11:36:33作者:

金屬納米材料到底是不是下一個騙局?

一說起納米材料,耳邊就會回響起各種廣告,感覺他在眾多炒作中成為一種“手段”,搞得好像是個騙局,什麽新產品的問世都要和他掛點邊,連接頭買襪子的也得吆喝上兩句材料是納米的,這也從側麵反映了納米技術、納米材料存在優勢,實際上,真正的納米材料確實具有眾多好處,今天實實在在說說金屬納米材料。了解下這到底是不是個騙局。

問題一:什麽是納米材料

納米材料指材料微觀結構的特征尺寸處於納米量級(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,包括各種表麵處理技術(如離子注入、激光處理、物理和化學氣相沉積PVD 和 CVD、表麵機械研磨製備的用以提高材料表麵性能(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。

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問題二:表麵納米化有哪些優勢

硬度和強度的提升

晶粒大小與多晶金屬材料力學性能有密切的聯係。表麵納米化使材料表麵(和整體)的力學和化學性能得到不同程度的改善。表麵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,表麵硬度可提高幾倍,表麵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。

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左圖可見與未發生變化的心部組織比,表麵硬度提高了兩倍以上。由納米晶層(從表麵到約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。因此可以確定表麵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

表麵納米化有效提高了材料表麵硬度,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麵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,而表麵納米化材料的磨損量變化卻很小。

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注:SMAT為表層納米化的某種技術

(a)為低碳鋼表麵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,表麵納米化試樣的表麵摩擦係數都明顯低於原始試樣。可見表麵納米化能夠明顯地提高高載荷下材料的耐摩擦磨損性能。

表麵納米化後試樣摩擦磨損行為的提高主要源於兩方麵的原因:一方麵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,配副相對試樣表麵運動的阻力較小,所以表麵納米化試樣的磨損量均比原樣小;另一方麵是因為表麵納米晶組織能有效地抑製裂紋的萌生,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麵納米化試樣較原始粗晶試樣更難發生疲勞磨損。

表麵化學活性

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占比例的提高引起的。盧柯院士研究組對純鐵進行表麵納米化處理後,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,晶格擴散占主導地位,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。通過表麵納米化,在表麵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麵的結構,有助於大幅度地提高材料表麵化學元素的滲入濃度和深度。

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耐蝕性提升

表麵納米化處理很大程度上影響了材料的耐腐蝕性。實驗發現316L不鏽鋼表麵納米化後,抗應力腐蝕性能提高,納米化時間越長,材料的抗應力腐蝕性能提高越多。其主要原因是表麵的殘餘壓應力提高了材料抗開裂的能力;塑性變形誘發馬氏體增加了表麵變形量,可延長斷裂時間;細小的晶粒強度增加,抗應力腐蝕能力增強。當然,影響納米材料腐蝕性能的因素不僅僅包括晶粒尺度,納米化工藝,還包括材料的結構、成分及狀態等

抗拉強度提升

表麵納米化後,材料表麵性能的改善對材料的整體性能也產生了有利的影響。表麵納米化能夠有效的提高材料的整體強度,同時又不明顯的降低材料的韌性。

問題三:什麽技術可以實現材料表麵納米化

傳統表層納米化技術

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1、 表麵塗層或沉積

該法是將預先製備出的具有納米尺度的微粒固結在材料的表麵,在材料上形成一個與基體化學成分相同(或不同)的納米結構表層。這種材料的主要特征是:納米結構表層內的晶粒大小比較均勻,表層與基體之間存在著明顯的界麵,材料的外形尺寸與處理前相比有所增加,圖1-6(a)。許多常規表麵塗層和沉積技術都具有較大的開發、應用潛力,如PVD、CVD、濺射、電鍍和電解沉積等方法。通過工藝參數的調節可以控製納米結構表層的厚度和納米晶粒的尺寸。整個工藝過程的關鍵是,實現表層與基體之間以及表層納米微粒之間的牢固結合,並且保證表層不發生晶粒長大。到目前為止,這些技術經不斷地發展完善,己經比較成熟。

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物理氣象沉積法pvd

2 表麵自身納米化

該法針對多晶材料,通過非平衡處理等方法,使粗晶組織逐漸細化至納米量級。這種材料的主要特征是:晶粒尺寸沿厚度方向逐漸增大,納米結構表層與基體之間不存在明顯界麵,與處理前相比,材料的外形尺寸基本不變。非平衡過程實現表麵納米化的方法包括:表麵機械研磨處理法和非平衡熱力學法,不同方法所采用的工藝技術和由其所導致的納米化微觀機理均存在著較大差異。

(1) 表麵機械研磨處理法:在外加載荷的重複作用下,材料表麵粗晶組織通過不同方向產生的強烈塑性變形而逐漸細化至納米量級。,其中比較成功的方法有:超聲噴丸、表麵機械加工技術和一些常規技術如普通噴丸、衝擊和機械研磨等,利用這些技術己分別在純鐵、不鏽鋼和非鐵基金屬等常規金屬材料上製備出納米結構表層。

(2) 非平衡熱力學法:將材料快速加熱,使材料的表麵達到熔化或相變溫度,再進行急劇冷卻,通過動力學控製來提高形核率、抑製晶粒長大速率,可以在材料的表麵獲得納米晶組織。用於實現快速加熱-冷卻的方法主要有激光加熱和電子輻射等。

隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術的發展,將表麵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麵性能來提高構件服役性能。表麵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。

金屬材料的納米化具有很高的潛力,機械零部件的質量和材料質量息息相關,如能克服納米材料製備這個關卡,使得金屬材料納米化更加容易,更加穩定,則AG视讯的機械製造質量就會上升到一個新的台階。

來源:今日頭條

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