塊體納米材料的制備和加工技術(shù)

1、塊體納米材料的制備和加工技術(shù)摘要: 納米材料的制備技術(shù)及性能研究，是當(dāng)前納米材料領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)熱點(diǎn)。由于納米材料具有奇異的結(jié)構(gòu)和特殊性能，而且在力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)和磁學(xué)等方面發(fā)生了巨大的變化。文中較為詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外塊狀納米材料的制備技術(shù)，針對(duì)塊體納米材料在燒結(jié)過程主要問題進(jìn)行了探討，提出了通過加入第二相微粒、強(qiáng)烈塑性加工措施來改善塊體納米材料的熱穩(wěn)定性；采用燒結(jié)、擠壓輔助工藝來提高塊體納米材料的致密性的方案，并對(duì)塊體納米材料研究的發(fā)展進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字: 納米材料 結(jié)構(gòu)和性能 制備和加工技術(shù) 燒結(jié) 展望Abstract: Nanomaterial technology and performa

2、nce is a hot topic in the field of nanomaterials. Singular structure and special properties of nanomaterials, but also in terms of mechanical, electrical, optical and magnetic undergone a huge change. More detailed descriptions of the domestic and international bulk nanomaterials fabrication techniq

3、ues for bulk nanomaterials discussed the main issues in the sintering process, proposed by the addition of second phase particles, strong plastic processing measures to improve bulk nanocrystalline materials thermal stability; sintering, extrusion auxiliary process to improve bulk nanomaterials dens

4、e program, and the development of bulk nanocrystalline materials research conducted prospect.Keywords: Nanomaterials; structure and performance; preparation and processing technology; sintering; prospect1 引言 l984年德國(guó)學(xué)者H. Gleiterl利用氣體冷凝法制得表面清潔的超細(xì)微粒，并利用原位加壓法壓制成型，制成塊體納米材料，首次提出納米材料的概念，引起國(guó)際上物理、化學(xué)、材料等不同領(lǐng)域的

5、關(guān)注，成為材料學(xué)科研究的熱點(diǎn)，并極大推動(dòng)了相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，形成了納米機(jī)械、納米電子、納米生物、納米物理、納米 化學(xué)、微工程學(xué)等納米技術(shù)新的科學(xué)領(lǐng)域2。 納米材料是由尺寸在l l00nm之間的超細(xì)微粒組成，制備狀態(tài)大多數(shù)為粉狀，需要壓制燒結(jié)成塊體，也可以直接是塊體或薄膜，或納米顆粒附著在載體之上3。通常所指的納米材料是在三維空間的尺度中，至少有一維處于納米量級(jí)，如納米微粒、納米線、納米管，納米薄膜4。納米晶體屬于原子和宏觀物體的過渡區(qū)，展現(xiàn)出既不同于晶態(tài)的長(zhǎng)程有序，也不同于非晶態(tài)的短程有序的特殊結(jié)構(gòu)特5。在這個(gè)尺度范圍內(nèi)，生物、化學(xué)和物理學(xué)之間相互滲透更具有協(xié)同性。由于微粒的表面層占很大比重（見

6、表1），所以納米材料實(shí)際是晶粒中原子的長(zhǎng)程有序排列和無序界面成分的組合，納米材料具有大量的界面，晶界原子達(dá)15% 50%，由于納米微粒的小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，使得它們?cè)诖?、光、電、敏感等方面呈現(xiàn)出常規(guī)材料不具備的特性在國(guó)防、電子、化工、冶金、輕工、航空、陶瓷、核技術(shù)、催化劑、醫(yī)藥等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值. 美國(guó)的“星球大戰(zhàn)計(jì)劃”、“信息高速公路”，歐共體的“尤里卡計(jì)劃”等都將納米材料的研究列入重點(diǎn)發(fā)展計(jì)劃；日本在10 年內(nèi)將投資250億日元發(fā)展納米材料和納米科學(xué)技術(shù)；英國(guó)也將發(fā)展納米材料科學(xué)技術(shù)作為重振英國(guó)工業(yè)的突破口；我國(guó)的自然科學(xué)基金、“863”項(xiàng)目、“9

7、73”項(xiàng)目、“攀登計(jì)劃”以及國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室都將納米材料列為優(yōu)先資助項(xiàng)目。納米材料必將成為“21 世紀(jì)最有前途的材料”，納米科學(xué)技術(shù)的發(fā)展必將對(duì)生產(chǎn)力的發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響，本文將概括性地介紹最近幾年發(fā)展起來的塊體納米材料的制備方法和燒結(jié)技術(shù)以及需要解決的問題。表1 原子數(shù)與表面原子的比例2 塊體納米材料的制備技術(shù) 大塊納米材料的制備方法主要有兩種方式。第一是由小變大，即先由惰性氣體冷凝、射頻濺射、溶膠一凝膠法、機(jī)械球磨法等工藝先制成納米粉，然后通過原位加壓、熱等靜壓或熱壓、激光壓縮等方式制成大塊納米材料。一般來說，凡是能夠得到納米粉末的方法，通過后序的加工都能得到大塊納米材料。第二種方式是由大變

8、小，即非晶晶化法。使大塊非晶變成土塊納米晶材料，或利用各種沉積技術(shù)(PVD、CVD等)獲得大塊納米材料。如利用電解沉積制備出厚度為100µm-200mm大塊納米材料。也有人通過溶渣法(Fluxing)直接制備出較大體積的塊狀納米材料6，以下加以詳細(xì)介紹。 2.1 電沉積法圖1 電沉積設(shè)備 電沉積法常被用來進(jìn)行涂層或制備獨(dú)立的結(jié)構(gòu)。Erb等人首先將此法用于糊備大塊納米金屬材料，實(shí)驗(yàn)表明用傳統(tǒng)的或稍加改性的電鍍池和電鍍條件可以制得晶粒尺寸為11nm的納米晶鎳材料7。制備納米晶材料的主要藝設(shè)備和參數(shù)為：電解質(zhì)、晶核、壓力釋放器、晶粒生長(zhǎng)誘導(dǎo)劑、DH值、沉積溫度、電流密度及循環(huán)電流。如高比強(qiáng)

9、度、高比模量、高耐磨性、良好的化學(xué)穩(wěn)定性、以及它與基體之間有良好的潤(rùn)濕性等等。用電沉積法制備納米大塊材料的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)可以便用傳統(tǒng)的或稍加改性的電鍍池和電鍍條件從非晶金屬制備具有納米尺度(540nm)或更大尺度的微米緩晶粒。(2)可以在幾個(gè)小時(shí)或幾天內(nèi)制備具有足夠厚度的大塊試樣。(3)沉積產(chǎn)物可以是等軸的也可以是隨機(jī)取向或織構(gòu)的微觀結(jié)構(gòu)。(4)這是一種室溫工藝技術(shù)，費(fèi)用相對(duì)低廉而且容易放大進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。2.2 惰性氣體凝聚原位加壓成型法圖1 惰性氣體凝聚、原位加壓裝置示意圖8該法首先由HVGleiter教授提出，其裝置主要由蒸發(fā)源、液氮冷卻的納米微粉收集系統(tǒng)、刮落輸運(yùn)系統(tǒng)及原位加壓成型(

10、燒結(jié))系統(tǒng)組成。其制備過程是：在高真空反應(yīng)室中惰性氣體保護(hù)下使金屬受熱升華并在液氰冷髓壁上聚集、凝結(jié)為納米尺寸的超徽粒子，刮板將收集器上的納米微粒刮落進(jìn)入漏斗并導(dǎo)入模具，在10-6Pa高真空下，加壓系統(tǒng)以15GPa的壓力下使納米粉原位加壓(燒結(jié))成塊。采用該法已成功地制得Pd、cu、Ag、NIAI等臺(tái)金的塊狀納米材料9。近年來在該裝置基礎(chǔ)之上，通過改進(jìn)使金屬升華的熱源及其它方式(如采用感應(yīng)加熱、等離子體法、電子束加熱法、激光熱解法、磁濺射等)以及改良其它裝備，可以獲得克級(jí)到幾十克級(jí)的納米晶體樣品。納米超飽和合金、納米復(fù)臺(tái)材料等也正在利用此法研究之中。目前該法正向多組分、計(jì)量控制、多副模具、超高

11、壓方向發(fā)展。該法的特點(diǎn)是適用范圍廣，微粉表面潔凈，有助于納米材料的理論研究。但工藝設(shè)備復(fù)雜、產(chǎn)量極低，很難滿足性能研究及應(yīng)用的要求，特別是用這種方法制備的納米晶體樣品存在大量的微扎隙，致密樣品密度僅能達(dá)金屬體積密度的7590。2.3 機(jī)械合金化（MA)結(jié)合加壓成塊法 MA法是美國(guó)INCO公司于60年代末發(fā)展起來的技術(shù)。它是一種用來制備具有可控檄結(jié)構(gòu)的金屬基或陶瓷基復(fù)合粉末的高能球磨技術(shù)：在干燥的球型裝料機(jī)內(nèi)，在高真空Ar氣保護(hù)下，通過機(jī)械研磨過程中高速運(yùn)行的硬質(zhì)鋼球與研磨體之間相互碰撞，對(duì)粉末粒子反復(fù)進(jìn)行熔結(jié)、斷裂、再熔結(jié)的過程使晶粒不斷細(xì)化，達(dá)到納米尺寸。然后，納米粉再采用熱擠壓、熱等靜壓等

12、技術(shù)加壓得到塊狀納米材料。研究表明，非晶、準(zhǔn)晶、納米晶、超硬材料、稀土永磁材料、起塑性舍金、金屬問化舍物、輕金屬高比強(qiáng)臺(tái)金均可通過這一方法合成。該法基體成分不受限制、成本低、產(chǎn)量太、工藝簡(jiǎn)單，特別是在難熔金屬的臺(tái)金化、非平衡相的生成及開發(fā)特殊使用合金等方面顯示出較強(qiáng)的活力。該法巳在國(guó)外進(jìn)入實(shí)用化階殷。如美國(guó)INCO公司使用的球磨機(jī)直徑為2m，長(zhǎng)3m，每次可處理約1000kg粉體10。這樣的球磨機(jī)1993年在美國(guó)安犍有七座；英國(guó)安裝有2座，大多用來加工薄、厚板、棒材、管材及其它型材。近年來，該法在我國(guó)也獲得了廣泛的重視。其存在的問題是研磨過程中易產(chǎn)生雜質(zhì)、污染、氧化及應(yīng)力，報(bào)難得到潔凈的納米晶體

13、界面對(duì)一些基礎(chǔ)性的研究工作不利。2.4 非晶晶化法 11 該法是近年來發(fā)展極為迅速的一種新工藝，它是通過控制非晶態(tài)固體的晶化動(dòng)力學(xué)過程使品化的產(chǎn)物為納米尺寸的晶粒。它通常由非晶態(tài)固體的獲得和晶化兩個(gè)過程組成。非晶態(tài)固體可通過熔體冷卻、高速直拉濺射、等離子流霧化、固態(tài)反應(yīng)法等技術(shù)制備，最常用的是單輥或雙輥旋淬法。由于以上方法只能獲得非晶粉末、絲及條帶等低維材料，因而還需采用熱模壓實(shí)、熱擠壓或高溫高壓燒結(jié)等方法臺(tái)成塊狀樣品。晶化通常采用等溫退火方法，近年來還發(fā)展了分級(jí)退火、脈沖退火、激波誘導(dǎo)等方法。目前利用該法已制備出N、Fe、Co、Pd基等多種合金系列的納米晶體，也可制備出金屬問化合物和單質(zhì)半導(dǎo)

14、體納米晶體，并巳發(fā)展到使用階段。此法在納米軟磁材料的制備方面應(yīng)用最為廣泛。值得指出的是，國(guó)外近年來十分重視塊體非晶的制備研究工作，繼W .K.lement、H. S. Chen、H .W. Kui等采用真空吸鑄法及臺(tái)金射流法制備出Mg-La-TM、La-Al-TM、Zr-Al-TM系非晶塊體之后12，近幾年日本以Inoue為代表的研究小組在非晶三原則指導(dǎo)下,又成功地采用合金射流成型及深過冷與臺(tái)金射流成型相結(jié)合的方法制備了厚度分別為2、12、15、40、72mm的Fe-(Al，Ga)-(P，B，Si，Ca)、(Fe，Co，Ni)70ZrSB20NB2、(Nd，Pr)-Fe-(Al，Ca)、Zr-

15、A1、Cu-Ni、Pd-Ca-Si-B系的非晶塊體。我國(guó)北京科技大學(xué)的何國(guó)、陳國(guó)良最近也采用合金射流成型法獲得直徑8mm Zr65Al7.5Cu17.5Ni10的非晶塊體，這些研究結(jié)果為該法制備及應(yīng)用塊體納米材料注入了極大的活力。該法的特點(diǎn)是成本低、產(chǎn)量大，界面清潔致密，樣品中無微孔隙，晶粒度變化易控制，并有助于研究納米晶的形成機(jī)理及用來檢驗(yàn)經(jīng)典的形校長(zhǎng)大理論在快速凝固條件下應(yīng)用的可能性。其局限性在于依賴于非晶態(tài)固體的獲得，只適用于非晶形成能力較強(qiáng)的合金系。2.5 高壓高溫固相淬火法 該法是將真空電弧爐熔煉的樣品置人高壓腔體內(nèi)，加壓至數(shù)G Pa后升溫，通過高壓抑制原子的長(zhǎng)程擴(kuò)教及晶體的生長(zhǎng)速率

16、。從而實(shí)現(xiàn)晶粒的納米化，然后再?gòu)母邷叵鹿滔啻慊鹨员Ａ舾邷?、高壓組織。已有人利用此法制得納米晶樣品。該法的特點(diǎn)是工藝簡(jiǎn)單，界面清潔，能直接制備大塊致密的納米晶。2.6 大塑性變形與其它方法復(fù)合的細(xì)化晶粒法2 .6 .1大塑性變形方法 在采用大塑性變形方法制備塊狀金屬納米材料方面，俄羅斯科學(xué)院RA Valley領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開展了卓有成效的研究工作，早在90年代初，他們就發(fā)現(xiàn)采用純剪切大變形方法可獲得亞微米緩晶粒尺寸的純銅組織。近年來他們?cè)诎l(fā)展多種塑性變形方法的基礎(chǔ)上，又成功地制備丁晶粒尺寸為20200nm的純Fe、Fe-1.2C鋼、Fe-C-Mn-Si-V低合金剛、Al-Cu-Zr、A1-Mg-

17、Mn-Ni3Al金屬間化合物、Ti-A1-Mo-Si等合金的塊體納米材料13。2 .6.2塑性變形加循環(huán)相變方法 1996年我國(guó)科研工作者將碳管爐中氬氣保護(hù)下熔煉的Zn78A122超塑性臺(tái)金，經(jīng)固溶處理后通過小塑性變形和循環(huán)相變(共析轉(zhuǎn)變)獲得了晶粒尺寸為100300nm的塊狀納米晶體。該方法與其它方法相比具有適用范圍寬?？芍圃齑篌w積試樣，試樣無殘留縮孔，可方便地利用掃描電鏡詳細(xì)研究其組織結(jié)構(gòu)及晶粒中的非平衡邊界層結(jié)構(gòu)，特另町有利于研究其組織與性能的關(guān)系等特點(diǎn)并可采用多種變形方法制各界面清潔的納米材料，是今后制備塊體金屬納米材料很有潛力的一種方法。如將此法與粉末冶金及深過冷等技術(shù)相結(jié)合，則可望

18、利用此法制備金屬陶瓷納米復(fù)合材料，并拓寬其所能制備的舍金成分范圍。3 直接制備塊狀納米晶的潛在新技術(shù)3.1脈沖電流直接晶化法 近年來，關(guān)于脈沖電流對(duì)金屬凝固組織的影響已屢見報(bào)道。較多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)，脈沖電流可增加過冷度，并可使共晶的晶粒度降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，且晶粒度隨脈沖電流密度增加而降低。由于理論上要求的一些金屬納米化的臨界脈沖電流密度在工程上能夠達(dá)到且與實(shí)驗(yàn)值基本吻合，加之脈沖電流的快速弛豫特點(diǎn)可限制納米晶微粒的長(zhǎng)大，使我們相信，隨著脈沖電流對(duì)金屬凝固影響機(jī)制的進(jìn)一步研究及實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步完善，超短時(shí)脈沖電流對(duì)金屬凝固影響機(jī)制的進(jìn)一步研究及實(shí)驗(yàn)裝置的進(jìn)一步完善，超短時(shí)脈沖電流處理在某些合金上有

19、可能使熔體直接冷凝成大塊納米晶材料，并成為直接晶化法制備納米晶材料的潛在技術(shù)之一。3.2深過冷直接量化法 快速凝固對(duì)晶粒細(xì)化有顯著效果的事實(shí)已為人所知，急冷和探過冷是實(shí)現(xiàn)熔體快速凝固行之有效的兩條途徑。急冷快速凝固由于受傳熱過程限制只能生產(chǎn)出諸如薄帶、細(xì)絲或粉體等低維材料而在應(yīng)用上受到較大的限制。深過冷快速凝固技術(shù)，通過避免或清除異質(zhì)晶棱而實(shí)現(xiàn)太的熱力學(xué)過冷度下的快速凝固，其熔體生長(zhǎng)不受外界散熱條件控制，其晶粒細(xì)化由熔體本身特殊的物理機(jī)制所支配，它已成為實(shí)現(xiàn)三維大體積液態(tài)金屬快速凝固制備做晶、非晶和準(zhǔn)晶材料的一條有效徑。國(guó)內(nèi)外均有人利用此法獲得納米組織和太塊納米合金，因此有理由相信，通過進(jìn)一步

20、研究深過冷晶粒細(xì)化的物理機(jī)制，進(jìn)而為深過冷的納米化設(shè)想提供理論基礎(chǔ)，同時(shí)研究出各種實(shí)用合金的熔體凈化技術(shù)以及深過冷與其它晶粒細(xì)化技術(shù)相結(jié)合的復(fù)合制備技術(shù)，深過冷方法渴望成為塊體金屬納米材料制備新的實(shí)用技術(shù)。從目前的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，深過冷晶粒細(xì)化的程度與合金的化學(xué)成分、相變類型、熔體凈化所獲得熱力學(xué)過冷度的大小及凝固過程中的組織租化密切相關(guān)。為進(jìn)一步提高細(xì)化效果，除精心的設(shè)計(jì)合金的化學(xué)成分之外，發(fā)展更有效的凈化技術(shù)是關(guān)鍵；另外探索深過冷技術(shù)與急冷、塑性變形及高壓技術(shù)等相結(jié)臺(tái)的復(fù)合細(xì)化技術(shù)，渴望進(jìn)一步拓寬深過冷直接晶化法制備納米晶的成分范圍。相信通過今后的不懈努力，該技術(shù)將會(huì)成為塊狀納米晶制備的叉一

21、實(shí)用化技術(shù)。4 納米材料的燒結(jié)技術(shù) 對(duì)于多數(shù)的納米材料燒結(jié)技術(shù)的研究，都是把納米粉末壓成實(shí)體，然后放到熱壓爐中進(jìn)行燒結(jié)14。納米材料具有極高的表面激活能，因而燒結(jié)溫度會(huì)降低很多，但粒子生長(zhǎng)速度也加快，因而納米燒結(jié)遇到的最大問題是納米粒子在燒結(jié)過程中的晶粒長(zhǎng)大，以至于燒結(jié)后的納米特性喪失。由于納米材料的晶界遷移同時(shí)控制著納米晶粒生長(zhǎng)和燒結(jié)材料致密化的驅(qū)動(dòng)力，所以在納米材料的燒結(jié)過程中，晶粒生長(zhǎng)和致密化程度的問題同時(shí)出現(xiàn)。在燒結(jié)過程中，減小納米顆粒的生長(zhǎng)和增大燒結(jié)納米材料的致密化程度是納米材料燒結(jié)的技術(shù)關(guān)鍵15。納米材料的燒結(jié)方法比較多，歸納起來，可分為傳統(tǒng)納米燒結(jié)方法、壓力固結(jié)方法和特種燒結(jié)方法

22、。4.1 傳統(tǒng)燒結(jié)方法 傳統(tǒng)燒結(jié)方法是在室溫下壓實(shí)粉末，進(jìn)而燒結(jié)。最終的燒結(jié)性能取決于納米材料壓實(shí)母體（green compact）。如果微孔（pores）尺寸微小而且分布均勻，燒結(jié)后才可能得到高密度的納米材料。表2 是傳統(tǒng)的燒結(jié)方法的一些具體實(shí)例參數(shù)。 表2 傳統(tǒng)燒結(jié)方法加工納米的密度和粒子尺寸 16 注：1.離心固化處理；2. Sol-gel制備；3. 部分非晶化結(jié)構(gòu)；4. 速率控制燒結(jié)。NR = not reported4.1.1 壓力固結(jié)方法（pressure consolidation methods） 壓力固結(jié)方法對(duì)壓制成型母體中的氣孔（pores）的要求不象無壓力燒結(jié)一樣嚴(yán)格，壓

23、力的施加有效地消除了大尺寸的氣孔。表3 是利用壓力固結(jié)方法的一些事例。表3 壓力輔助燒結(jié)技術(shù)燒結(jié)納米粉末事例17 4.2特種燒結(jié)方法（non-conventional sintering methods） 特種燒結(jié)方法利用高壓和高溫的交替的作用（高的壓力、低的溫度或低的壓力、高的溫度）來進(jìn)行納米燒結(jié)，阻止粒子的生長(zhǎng)。如微波燒結(jié)（microwave sintering）等。利用FAST（field-assisted sintering technology）能夠縮短燒結(jié)時(shí)間，已經(jīng)應(yīng)用到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中。表4 是這些快速固化技術(shù)的一些技術(shù)特征。 表4 幾種快速固化方法的性能與特征18 4.3控制納米晶

24、粒生長(zhǎng)的對(duì)策 控制納米晶體在燒結(jié)中的生長(zhǎng)是納米燒結(jié)研究追求的目標(biāo)。對(duì)目前而言，主要的方法有：對(duì)燒結(jié)過程施加外力，即施壓；在納米材料中加入第二相物質(zhì)；利用快速燒結(jié)抑制納米晶粒生長(zhǎng)。4.3.1 燒結(jié)施壓法（Use of applied pressure） 燒結(jié)施壓法是通過施加外部的壓力，并沒有改變納米晶粒的可動(dòng)性和納米晶粒生長(zhǎng)的速率，而是通過使納米燒結(jié)材料致密化的（driving force for densification）加大，導(dǎo)致納米材料燒結(jié)速率的加快19根據(jù)試驗(yàn)20分析：在無壓力燒結(jié)中，表面激活能與納米材料晶界擴(kuò)散激活能相近；在熱壓燒結(jié)中，由于外壓對(duì)擴(kuò)散的促進(jìn)作用，激活能比無壓力燒結(jié)降低

25、；在超高壓燒結(jié)中，激活能大幅度降低，使燒結(jié)溫度大大降低。5 大塊納米材料的性能特點(diǎn)及應(yīng)用前景 大塊納米晶具有特殊的結(jié)構(gòu)，而這種結(jié)構(gòu)的特殊性也使得這類材料與傳統(tǒng)材料相比具有優(yōu)異的性能。不僅能作為優(yōu)良的功能材料，甚至可能成為一些特定用途的結(jié)構(gòu)材料或功能結(jié)構(gòu)雙用途材料。下面將其性能、特點(diǎn)、應(yīng)用做一簡(jiǎn)述。5.1力學(xué)性能及應(yīng)用 納米晶材料具有高濃度晶界，而晶界對(duì)物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)有重大影響。因此可以預(yù)期塊狀納米材料的力學(xué)性質(zhì)比起常規(guī)的大塊晶體有許多優(yōu)點(diǎn)。又因?yàn)閴K狀納米晶材料的晶粒尺寸極小而均勻，晶粒表面清潔等，這些對(duì)于力學(xué)性能的提高都是有利的。納米晶材料具有高的強(qiáng)度和硬度，而且具有良好的韌性和塑性。因此在納

26、米尺度下，將有可能使通常不可混溶成分形成合金，制成質(zhì)量輕、韌性好的“超流鋼21 近年的研究結(jié)果表明，當(dāng)晶粒度由微米級(jí)減少到納米級(jí)時(shí)，不但硬度太大提高，而且其韌性及抗磨損性能也得到顯著的提高。有可能將其用于刀具材料，從而大大提高刀具的性能。5.2磁學(xué)性能及應(yīng)用 從晶粒尺寸看，納米晶材料似乎介于非晶態(tài)材料與晶態(tài)材料之間，但其性能卻不只是填補(bǔ)晶態(tài)與非晶態(tài)性能之間的空缺。納米晶材料的磁性能就優(yōu)于非晶態(tài)和晶態(tài)材料。納米晶材料的磁性能主要來源于尺寸效應(yīng)，即主要是由于納米晶粒細(xì)小的貢獻(xiàn)，而無序界面對(duì)磁性的貢獻(xiàn)較小。已經(jīng)研制的FeSiBCuNb納米晶軟磁臺(tái)金具有高達(dá)1.25T的Bs值，與Co基非晶相當(dāng)?shù)牡丸F損

27、值，是迄今為止最優(yōu)良的軟磁材料。隨著高密度記錄技術(shù)的發(fā)展，磁頭和磁記錄介質(zhì)材料成為納米晶材料應(yīng)用的又一個(gè)新領(lǐng)域。例如, 單疇臨界尺寸的強(qiáng)磁顆粒FeCo合金和氯化鐵有很高的矯頑力，甩它制成的磁記錄材料不僅音質(zhì)、圖象和信噪比好而且記錄密度比目前Fe2O3高10倍以上。此外，納米晶材料還可用于磁致冷系統(tǒng), 如磁性納米晶材料Gd3Ga3-25Fel。75012在6K30K之間磁致冷效率明顯提高，還可將有效工作溫度由15K提高到30K以上22,這使納米晶材料有可能成為一種新的致冷材料。6結(jié)束語(yǔ) 塊狀納米材料是一種具有納米量級(jí)晶粒尼寸的三維納米晶材料。它要求界面必須清潔致密，無微孔膿，晶粒尺寸細(xì)小、均勻，

28、盡管近年來對(duì)其結(jié)構(gòu)、忭能、成型工藝進(jìn)行了一系列研究，但由于制備方法的制約，還很難得到完全致密均勻的大塊納米晶材料。隨著我們對(duì)納米晶材料形成機(jī)理更深刻的理解以及制備技術(shù)的發(fā)展與完善，將會(huì)得到更大體積的納米晶材料。而對(duì)大塊納米材料磁性能、力學(xué)性能和熱性能研究的日趨深入,將促進(jìn)大塊納米晶材料的實(shí)用化，并拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域。參考文獻(xiàn)：【1】R.Binger，H.Gleiter. H. P. Klein and P.Marguard J. Phys.Rev.Lett.102A （1984）：365【2】張立德，牟季美. 納米材料學(xué)M. 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1994【3】盧柯，盧磊. 金屬納米材料力學(xué)性能的研

29、究進(jìn)展J.金屬學(xué)報(bào)，2000，8 （36）：785 -789【4】都有為. 物理學(xué)進(jìn)展，17（1997）：180【5】王廣厚，韓民.J. 物理學(xué)進(jìn)展，1990，10：248【6】ErbU Nano-structured Materials .J.19956：533【7】Leon.L.Shaw JOMJ. 2000，(52)12：42【8】H. hofmann，J.Dutta，S. S.Odermatt etc，J. Ceram. Eng. Sci. Proc.，1997， 18：687【9】李亞利，梁勇，鐘百運(yùn)等.J. 材料研究學(xué)報(bào)，1997，11：473【10】Joanna R. Groza，Int. J. Powder Metal，1999，35：59【11】D.H.