中國粉體網(wǎng)訊 “如果能把材料的外部或內(nèi)部長度尺寸縮減到原子間距的尺度范圍內(nèi)，科學(xué)研究領(lǐng)域乃至整個(gè)世界都可能帶來翻天覆地的變化”，五十多年之前，諾貝爾物理學(xué)獎得主Richard P. Feynman等科學(xué)家們就意識到了這一點(diǎn)。納米材料具有極細(xì)的晶粒/顆粒尺寸，大量的表面/界面結(jié)構(gòu)。晶粒尺寸為100nm的晶體材料，其晶界的體積分?jǐn)?shù)為3%；晶粒尺寸為10nm的納米晶體材料，其晶界的體積分?jǐn)?shù)增加到30%。納米晶體材料特別的結(jié)構(gòu)特征產(chǎn)生了小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)和宏觀量子隧道效應(yīng)等，使納米晶體材料具有許多奇異理化和機(jī)械性能。
納米金屬材料是納米材料領(lǐng)域內(nèi)引人矚目的一個(gè)分支。1983年，納米金屬材料研究的先驅(qū)Gleiter教授首次提出了納米晶體材料（Nanocrystalline, NC）和納米結(jié)構(gòu)材料（Nanostructured, NS）的概念，指出將金屬材料的晶粒尺寸減小到納米尺度將極大地提高材料的各種性能并必將有廣泛的應(yīng)用前景，并通過原位固化法和惰性氣體冷凝法制備出納米晶金屬，納米金屬材料的研究正式成為材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要分支。
納米/超細(xì)晶金屬與傳統(tǒng)粗晶金屬相比具有許多突出的物理和力學(xué)性能，如超高的強(qiáng)度、硬度、耐磨性以及低溫超塑性等。近年來發(fā)展的納米多相多尺度合金表現(xiàn)出超高的強(qiáng)度、硬度，良好的塑韌性以及優(yōu)異的高溫力學(xué)性能，在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域展現(xiàn)出了十分廣闊的應(yīng)用前景。
然而，納米/超細(xì)晶材料中引入的大量晶界及其他缺陷導(dǎo)致了材料體系自由能的增加，使材料自發(fā)地通過消除晶界等缺陷以降低體系的自由能。納米/超細(xì)晶材料中晶界等缺陷的消除通常是通過晶粒長大的方式進(jìn)行，體系自由能的增加為晶粒的長大提供了內(nèi)在的驅(qū)動力，從而導(dǎo)致了納米/超細(xì)晶材料本征的組織不穩(wěn)定性。通常對于高熔點(diǎn)的Co、Ni、Fe等納米晶純金屬，在0.5Tm（Tm為純金屬的熔點(diǎn)）的中等溫度區(qū)間，其晶粒可以快速長大到微米量級；對于低熔點(diǎn)的Mg、Al、Sn、Pb、Zn等純金屬，在室溫下就可以發(fā)生晶粒的快速長大。納米/超細(xì)晶材料本征的組織不穩(wěn)定性嚴(yán)重影響了其合成制備與性能的可靠性。對于納米/超細(xì)晶的粉體，其組織結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性直接決定了高溫?zé)Y(jié)后塊體材料的性能。近年來，研究人員提出通過動力學(xué)釘扎效應(yīng)（如第二相粒子、溶質(zhì)/雜質(zhì)原子等）和熱力學(xué)的元素偏析兩種方法來改善納米/超細(xì)晶材料的熱穩(wěn)定性，取得了顯著的成效。
另一方面，納米/超細(xì)晶結(jié)構(gòu)大大加快了元素的擴(kuò)散行為，增加了晶界活性，使材料容易發(fā)生晶界滑移、晶粒旋轉(zhuǎn)等變形行為。加之晶粒長大等結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，使納米/超細(xì)晶金屬室溫下的超高的強(qiáng)度、硬度等性能在中高溫環(huán)境下大幅下降，蠕變速率要比粗晶材料高幾個(gè)數(shù)量級，這嚴(yán)重制約了納米/超細(xì)晶金屬在中高溫環(huán)境下的應(yīng)用。研究表明，通過加入低擴(kuò)散系數(shù)的合金元素或引入高熔點(diǎn)的第二相顆粒，如陶瓷相、金屬間化合物等，可以顯著提高納米/超細(xì)晶金屬材料的高溫力學(xué)性能，對開發(fā)極端環(huán)境下應(yīng)用的納米/超細(xì)晶金屬結(jié)構(gòu)材料具有重要意義。
到目前為止，大塊納米晶金屬材料的合成方法按照制備的工藝路徑可分為兩大類。第一類是所謂的“自下至上”（bottom-up）的累積方法，從微觀層面入手，逐個(gè)原子、逐層的組裝出所需的大塊納米晶材料。包括機(jī)械合金化、電沉積法、濺射法以及熱噴涂法等。而第二類則被稱為“由上至下”（top-down）的方法，這種方法將普通的塊體粗晶材料通過特殊的工藝方法強(qiáng)制其發(fā)生結(jié)構(gòu)細(xì)化，從而得到大塊納米晶材料。這類方法包括強(qiáng)烈塑性變形法、非晶晶化法等。值得注意的是，從科學(xué)研究的角度出發(fā)，對納米晶金屬材料本征屬性的認(rèn)識首先取決于能否制備出純度高、組織致密且晶粒尺寸均勻的“理想”塊體納米材料，從而才有可能準(zhǔn)確測量各力學(xué)性能參量。
由中國粉體網(wǎng)主辦的“2021先進(jìn)金屬粉體制備及應(yīng)用技術(shù)研討會”將于10月13日至14日在安徽金陵大飯店召開。屆時(shí)，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)的胡連喜教授將帶來題為《幾種先進(jìn)粉末材料的制備成形技術(shù)研究進(jìn)展》的報(bào)告，主要介紹哈爾濱工業(yè)大學(xué)先進(jìn)粉末制備與成形研究團(tuán)隊(duì)近些年在細(xì)晶γ-TiAl基材料制備及復(fù)雜零件成形、納米晶/超細(xì)晶粉末冶金鎂合金及復(fù)合材料制備與成形、納米晶AlH3粉末制備提純及放氫特性、納米晶稀土永磁材料制備與組織性能等方面的研究進(jìn)展。研討會熱誠歡迎國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家、學(xué)者、技術(shù)人員、企業(yè)界代表積極參加，同時(shí)歡迎公司、企事業(yè)單位到會展示技術(shù)成果，為產(chǎn)、學(xué)、研、用不同單位在不同發(fā)展階段尋找最合適的合作伙伴。
專家簡介
胡連喜，工學(xué)博士，現(xiàn)任哈爾濱工業(yè)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，兼任中國機(jī)械工程學(xué)會粉末冶金分會常務(wù)理事/副秘書長、中國粉末冶金產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略略聯(lián)盟理事、中國金屬學(xué)會粉末冶金分會理事、中國材料研究學(xué)會粉末冶金分會理事等學(xué)術(shù)職務(wù)。1999-2000年英國伯明翰大學(xué)高級訪問學(xué)者，2002-2004年加拿大魁北克大學(xué)訪問教授。近二十年來，主持完成國家自然科學(xué)基金、國防重點(diǎn)基礎(chǔ)科研、總裝先進(jìn)制造重點(diǎn)預(yù)研、黑龍江省重大科技攻關(guān)等重要科研項(xiàng)目20多項(xiàng)。作為主要完成人，獲得國家發(fā)明獎二等獎1項(xiàng)、省部級一等獎2項(xiàng)、二等獎2項(xiàng)等科技獎勵(lì)。獲得國家發(fā)明專利授權(quán)15項(xiàng)，發(fā)表SCI論文120多篇，SCI他引1800多次。
資料來源：
蔡學(xué)成.納米/超細(xì)晶鎂合金的制備與組織性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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