經過最近十多年的研究與探索，現已在納米材料制備方法、結構表征、物理和化學性能、實用化等方面取得顯著進展，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與工程的角度，介紹與評述納米金屬材料的某些研究進展。


?2納米材料的制備與合成

材料的納米結構化可以通過多種制備途徑來實現。這些方法可大致歸類為兩步過程和一步過程。兩步過程是將預先制備的孤立納米顆粒因結成塊體材料。制備納米顆粒的方法包括物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、微波等離子體、低壓火焰燃燒、電化學沉積、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，使其產生相或結構轉變，直接制備出塊體納米材料。諸如，非晶材料晶化、快速凝固、高能機械球磨、嚴重塑性形變、滑動磨損、高能粒子輻照和火花蝕刻等。


目前，關于制備科學的研究主要集中于兩個方面：l)納米粉末制備技術、理論機制和模型。目的是改進納米材料的品質和產量;2)納米粉末的固結技術。以獲得密度和微結構可控的塊體材料或表面覆層。

3納米材料的奇異性能

1)原子的擴散行為

原子擴散行為影響材料的許多性能，諸如蠕變、超塑性、電性能和燒結性等。納米晶Co的自擴散系數比Cu的體擴散系數大14～16個量級，比Cu的晶界自擴散系數大3個量級。Wurshum等最近的工作表明：Fe在納米晶N中的擴散系數遠低于早期報道的結果。納米晶Pd的界面擴散數據類似于普通的晶界擴散，這很可能是由于納米粒子固結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)晶化形成的復相納米合金(由Fe3Si納米金屬間化合物和晶間的非晶相構成)中的擴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納米晶中的擴散由空位調節控制。

2)力學性能

目前，關于納米材料的力學性能研究，包括硬度、斷裂韌性、壓縮和拉伸的應力一應變行為、應變速率敏感性、疲勞和蠕變等已經相當廣泛。


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、復合材料和陶瓷。研究納米材料本征力學性能的關鍵是獲得內部沒有(或很少)孔隙、雜質或裂紋的塊狀試樣。由于試樣內有各種缺陷，早期的許多研究結果已被最近取得的結果所否定。樣品制備技術的日臻成熟與發展，使人們對納米材料本征力學性能的認識不斷深入。

許多納米純金屬的室溫硬度比相應的粗晶高2～7倍。隨著晶粒的減小，硬度增加的現象幾乎是不同方法制備的樣品的一致表現。早期的研究認為，納米金屬的彈性模量明顯低于相應的粗晶材料。例如，納米晶Pd的楊氏和剪切模量大約是相應全密度粗晶的70%。然而，最近的研究發現，這完全是樣品中的缺陷造成的，納米晶Pd和Cu的彈性常數與相應粗晶大致相同，屈服強度是退火粗晶的10～15倍。晶粒小子50nm的Cu韌性很低，總延伸率僅1%～4%，晶粒尺寸為 110nm的 Cu延伸率大于 8%。


從粗晶到 15urn，Cu的硬度測量值滿足 HallPetch關系;小于15nm后，硬度隨晶粒尺寸的變化趨于平緩，雖然硬度值很高，但仍比由粗晶數據技HallPetch關系外推或由硬度值轉換的估計值低很多。

不過，納米晶Cu的壓縮屈服強度與由粗晶數據的HallPetCh關系外推值和測量硬度的值(Hv/3)非常吻合，高密度納米晶 Cu牙D Pd的壓縮屈服強度可達到 1GPa量級。

盡管按照常規力學性能與晶粒尺寸關系外推，納米材料應該既具有高強度，又有較高韌性。但迄今為止，得到的納米金屬材料的韌性都很低。晶粒小于25nm時，其斷裂應變僅為

標簽：納米材料論文