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納米金屬材料：進(jìn)展和挑戰(zhàn)
（作者未知） 2009/5/10
40多年以前，科學(xué)家們就認(rèn)識到實際材料中的無序結(jié)構(gòu)是不容忽視的。許多新發(fā)現(xiàn)的物理效應(yīng)，諸如某些相轉(zhuǎn)變、量子尺寸效應(yīng)和有關(guān)的傳輸現(xiàn)象等，只出現(xiàn)在含有缺陷的有序固體中。事實上，如果多晶體中晶體區(qū)的特征尺度（晶粒或晶疇直徑或薄膜厚度）達(dá)到某種特征長度時（如電子波長、平均自由程、共格長度、相關(guān)長度等），材料的性能將不僅依賴于晶格原子的交互作用，也受其維數(shù)、尺度的減小和高密度缺陷控制。有鑒于此，HGleitCr認(rèn)為，如果能夠合成出晶粒尺寸在納米量級的多晶體，即主要由非共格界面構(gòu)成的材料[例如，由 50％（in vol．）的非共植晶界和 50％（in vol．）的晶體構(gòu)成］，其結(jié)構(gòu)將與普通多晶體（晶粒大于lmm）或玻璃（有序度小于2nm）明顯不同，稱之為"納米晶體材料"（nanocrystalline materials）。后來，人們又將晶體區(qū)域或其它特征長度在納米量級范圍（小于 100nn）的材料廣義定義為"納米材料"或"納米結(jié)構(gòu)材料"（nanostructured materials）。由于其獨(dú)特的微結(jié)構(gòu)和奇異性能，納米材料引起了科學(xué)界的極大關(guān)注，成為世界范圍內(nèi)的研究熱點(diǎn)，其領(lǐng)域涉及物理、化學(xué)、生物、微電子等諸多學(xué)科。目前，廣義的納米材料的主要包括：
l）潔或涂層表面的金屬、半導(dǎo)體或聚合物薄膜；2）人造超晶格和量子講結(jié)構(gòu)；功半結(jié)晶聚合物和聚合物混和物；4）納米晶體和納米玻璃材料；5）金屬鍵、共價鍵或分子組元構(gòu)成的納米復(fù)合材料。
經(jīng)過最近十多年的研究與探索，現(xiàn)已在納米材料制備方法、結(jié)構(gòu)表征、物理和化學(xué)性能、實用化等方面取得顯著進(jìn)展，研究成果日新月異，研究范圍不斷拓寬。本文主要從材料科學(xué)與工程的角度，介紹與評述納米金屬材料的某些研究進(jìn)展。
2納米材料的制備與合成
材料的納米結(jié)構(gòu)化可以通過多種制備途徑來實現(xiàn)。這些方法可大致歸類為"兩步過程"和"一步過程"。"兩步過程"是將預(yù)先制備的孤立納米顆粒因結(jié)成塊體材料。制備納米顆粒的方法包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、微波等離子體、低壓火焰燃燒、電化學(xué)沉積、溶膠一凝膠過程、溶液的熱分解和沉淀等，其中，PVD法以"惰性氣體冷凝法"最具代表性。"一步過程"則是將外部能量引入或作用于母體材料，使其產(chǎn)生相或結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，直接制備出塊體納米材料。諸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能機(jī)械球磨、嚴(yán)重塑性形變、滑動磨損、高能粒子輻照和火花蝕刻等。目前，關(guān)于制備科學(xué)的研究主要集中于兩個方面：l）納米粉末制備技術(shù)、理論機(jī)制和模型。目的是改進(jìn)納米材料的品質(zhì)和產(chǎn)量；2）納米粉末的固結(jié)技術(shù)。以獲得密度和微結(jié)構(gòu)可控的塊體材料或表面覆層。
3納米材料的奇異性能
1）原子的擴(kuò)散行為
原子擴(kuò)散行為影響材料的許多性能，諸如蠕變、超塑性、電性能和燒結(jié)性等。納米晶Co的自擴(kuò)散系數(shù)比Cu的體擴(kuò)散系數(shù)大14～16個量級，比Cu的晶界自擴(kuò)散系數(shù)大3個量級。Wurshum等最近的工作表明：Fe在納米晶N中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于早期報道的結(jié)果。納米晶Pd的界面擴(kuò)散數(shù)據(jù)類似于普通的晶界擴(kuò)散，這很可能是由于納米粒子固結(jié)成的塊狀試樣中的殘留疏松的影響。他們還報道了Fe在非晶FeSiBNbCu（Finemete）晶化形成的復(fù)相納米合金（由Fe3Si納米金屬間化合物和晶間的非晶相構(gòu)成）中的擴(kuò)散要比在非晶合金中快10～14倍，這是由于存在過剩的熱平衡空位。Fe在Fe-Si納米晶中的擴(kuò)散由空位調(diào)節(jié)控制。
2）力學(xué)性能
目前，關(guān)于納米材料的力學(xué)性能研究，包括硬度、斷裂韌性、壓縮和拉伸的應(yīng)力一應(yīng)變行為、應(yīng)變速率敏感性、疲勞和蠕變等已經(jīng)相當(dāng)廣泛。所研究的材料涉及不同方法制備的純金屬、合金、金屬間化合物、復(fù)合材料和陶瓷。研究納米材料本征力學(xué)性能的關(guān)鍵是獲得內(nèi)部沒有（或很少）孔隙、雜質(zhì)或裂紋的塊狀試樣。由于試樣內(nèi)有各種缺陷，早期的許多研究結(jié)果已被最近取得的結(jié)果所否定。樣品制備技術(shù)的日臻成熟與發(fā)展，使人們對納米材料本征力學(xué)性能的認(rèn)識不斷深入。
敏感性、疲勞和蠕變等已經(jīng)相當(dāng)廣泛。所研究的材料涉及不同方法制備的純金屬、合金、金屬間化合物、復(fù)合材料和陶瓷。研究納米材料本征力學(xué)性能的關(guān)鍵是獲得內(nèi)部沒有（或很少）孔隙、雜質(zhì)或裂紋的塊狀試樣。由于試樣內(nèi)有各種缺陷，早期的許多研究結(jié)果已被最近取得的結(jié)果所否定。樣品制備技術(shù)的日臻成熟與發(fā)展，使人們對納米材料本征力學(xué)性能的認(rèn)識不斷深入。
許多納米純金屬的室溫硬度比相應(yīng)的粗晶高2～7倍。隨著晶粒的減小，硬度增加的現(xiàn)象幾乎是不同方法制備的樣品的（未完，下一頁）
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