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塊狀金屬納米材料的制備技術(shù)進(jìn)展及展望
（作者未知） 2010/5/26
（接上頁）0(nm)的塊狀納米晶體。
該方法與其他方法相比具有適用范圍寬，可制造大體積試樣，試樣無殘留縮松(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)，特別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備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，則可望利用此法制備金屬陶瓷納米復(fù)合材料［21］，并拓寬其所能制備的合金成份范圍。
除以上主要方法外，近年來還發(fā)展的有噴霧沉積法、離子注入法等塊體金屬納米材料制備技術(shù)，在此不再一一贅述。
2 直接制備塊狀納米晶的潛在技術(shù)
2.1 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：80年代，印度學(xué)者A.K.Mistra首先在Pb68Sb15Sn7共晶及Pb87Sb10Sn3亞共晶合金中通以40mA/cm2的直流電，發(fā)現(xiàn)凝固后組織明顯細(xì)化［25］，M.Nakada等人在Sn85Pb15合金凝固過程中通脈沖電流后，也發(fā)現(xiàn)凝固組織細(xì)化且發(fā)生枝晶向球狀晶轉(zhuǎn)變［26］，J.P.Barnak等研究了高密度脈沖電流對(duì)Sn60Pb40和Sn63Pb37合金凝固組織的影響［27］。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。周本濂等不僅在實(shí)驗(yàn)上研究了脈沖電流對(duì)合金凝固組織的影響［28］，而且在理論上用經(jīng)典熱力學(xué)和連續(xù)介質(zhì)電動(dòng)力學(xué)對(duì)脈沖電流作用熔體的結(jié)晶成核理論和結(jié)晶晶粒尺寸的計(jì)算作了深入研究［29，30］，指出脈沖電流密度達(dá)到0.1GA/m2時(shí)，在理論上可獲得大塊納米晶，按該理論對(duì)Sn60Pb40合金進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值基本一致。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)值基本符合，加之脈沖電流的快速弛豫特點(diǎn)可限制納米晶粒的長(zhǎng)大，使作者相信，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)脈沖電流處理在某些合金上有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。
2.2 深過冷直接晶化法
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。急冷和深過冷是實(shí)現(xiàn)熔體快速凝固行之有效的兩條途徑。急冷快速凝固技術(shù)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)晶核而實(shí)現(xiàn)大的熱力學(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［31］，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)金屬快速凝固制備微晶、非晶和準(zhǔn)晶材料的一條有效途徑［35］。由于深過冷熔體的凝固組織與急冷快速凝固組織具有很好的相似性［36］并且國(guó)外已在Fe-Ni-Al、Pd-Cu-Si［37］等合金中利用急冷快速凝固獲得納米組織，另外，近年來周堯和、楊根倉(cāng)教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組在Ni-Si-B合金中利用深過冷方法已制備出晶粒尺寸約為200nm的大塊合金，并已探討出多種合金系有效的熔體凈化方法，加之作者近期又在Fe-B-Si系共晶合金中利用深過冷及深過冷加水淬方法成功地制備了幾十～200nm,11×10(mm)的塊狀納米材料，見圖1a、圖1b所示，因此有理由相信，通過進(jìn)一步研究深過冷晶粒細(xì)化的物理機(jī)制，進(jìn)而為深過冷晶粒的納米化設(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)，深過冷方法可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粗化密切相關(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)合的復(fù)合細(xì)化技術(shù)，可望進(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又一實(shí)用化技術(shù)。
3 展望
縱觀納米材料的研究發(fā)展，不難看出，納米材料的推廣應(yīng)用關(guān)鍵在于塊體納米材料的制備，而塊體金屬納米材料制備技術(shù)發(fā)展的主要目標(biāo)則是發(fā)展工藝簡(jiǎn)單，產(chǎn)量大適用范圍寬，能獲得樣品界面清潔，無微孔隙的大尺寸納米材料制備技術(shù)。其發(fā)展趨勢(shì)則是發(fā)展直接晶化法納米晶制備技術(shù)。
從實(shí)用化角度來看，今后一段時(shí)間內(nèi)，絕大多數(shù)納米晶樣品的制備仍將以非晶晶化法和機(jī)械合金化法為主，它們發(fā)展的關(guān)鍵是壓制過程的突破。此外在機(jī)械合金化技術(shù)中，尚需進(jìn)一步克服機(jī)械合金化過程中所帶來的雜質(zhì)和應(yīng)力的影響。對(duì)于能采用塑性變形等技術(shù)可直接獲得亞微米級(jí)（未完，下一頁）
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