梯度納米結構材料研究

周弦

目前，國內外對梯度納米結構材料的研究主要體現在：作用機理、制備方式、梯度納米結構加工、實際技術應用等方面。鑒于此，本文對梯度納米結構材料進行概述，從闡述梯度納米結構材料的制備內容著手，簡單分析梯度納米結構材料在工業生產中的具體應用。

引言：梯度納米結構是指材料的結構單元尺寸（如晶粒尺寸或層片厚度）在空間上呈梯度變化，從納米尺度連續增加到宏觀尺度，材料宏觀上許多物理化學性能在空間上也呈現梯度變化。梯度納米結構所對應的強度變化范圍會有很大的拓寬，因而可實現強度的大范圍調控。同時結構尺寸的梯度變化有別于不同特征尺寸結構（如納米晶粒、亞微米晶粒、粗晶粒）的簡單混合或復合，有效避免了結構特征尺寸突變引起的性能突變，可以使具有不同特征尺寸的結構相互協調，同時表現出各特征尺寸所對應的多種作用機制，使材料的整體性能和使役行為得到優化和提高。

1 梯度納米結構的概述

1.1 梯度納米結構的內涵

納米結構就是指納米量級的材料能夠通過自身的晶界，在材料中體現出一種與普通的晶界不一樣的效果，能夠增強材料的性能。但是隨著強度和硬度的顯著提高，納米結構材料的塑性和韌性顯著降低、加工硬化能力消失、結構穩定性變差，這些性能的惡化制約了納米結構材料的應用。所以，梯度納米結構，應運而生。

1.2 梯度納米結構的分類

由于在結構中各種晶界的類型不同，在基本結構的兩種以及兩種以上的晶界類型進行復合的時候，能夠形成晶界復合結構，從結構的微觀示意圖中，能夠看出，這些復合的結構，在復合過程中，既能夠保留原有結構中晶粒大小尺寸，又能夠使自身擁有新的排序方式：孿晶密度成梯度的變化。而通過這樣的方式，使晶界發生遷移等現象，由于復合晶界中的這一特殊結構，能夠讓在晶界中出現的滑移與遷移兩種變化形態至今產生競爭關系，這樣就能夠使梯度納米結構，在性能上不斷的增強，延展性也較好。因此在化學成分和相組成相同的條件下，梯度納米結構可以分為四類：（1）梯度納米晶粒結構：結構單元為六邊形或五邊形等軸狀晶粒。（2）梯度納米孿晶結構：結構單元為亞結構——孿晶，晶粒尺寸均勻分布。（3）梯度納米層片結構：結構單元為二維層片狀晶粒。（4）梯度納米柱狀結構：結構單元為一維柱狀晶粒。上述四種結構無論哪一種結構單元在晶粒尺寸上，都呈現出納米至宏觀的變化，成梯度變化。

2梯度納米結構的制備

梯度納米材料通常可通過梯度塑性變形和梯度物理或化學沉積方法進行制備，本文以梯度塑性變形制備為例進行介紹，通常采取的制備方法為壓入法、研磨法、碾壓法三種。

2.1 壓入

主要依托硬質的壓頭（球狀）或者通過壓頭對材料便面進行充分碾壓，通過這樣方式能夠在材料的表面產生重復塑性變形，表層能夠根據應對塑性的應變量和變速的頻率對梯形的深度、大小進行不斷地調整，并且應變量能夠隨著表面壓入的次數增多而增多。

2.2 碾磨

碾磨方式就是利用壓頭（球狀）在材料上反復進行移動，主要是想要利用壓頭與材料之間的摩擦力，讓這個摩擦力與材料之間發生反應變化，表層能夠根據應對塑性的應變量和變速的頻率對梯形的深度、大小進行不斷地調整，并且摩擦力能夠隨著表面壓入的次數增多而增多。

2.3 碾壓

通過壓頭（球狀）對材料進行壓力的釋放，使得壓頭能夠在材料表面上進行來回的滾動，通過表層對應對塑性的應變量和變速的頻率對梯形的深度、大小進行不斷地調整，并且碾壓次數能夠隨著表面壓入的次數增多而增多。

3 梯度納米結構的應用

在工業化生產中，通常可利用梯度納米化處理技術與其他低成本材料加工技術結合，替代高成本加工技術，達到降低材料制備成本的目的。例如，通過利用機械研磨設備，對材料進行表面的納米化處理，這項設備技術能夠地材質為軸承鋼的材料進行表面材質的處理，處理后的鋼材具有了梯度納米結構，能夠在性能上有著大幅度的提升。在不改變材質的條件下，增強對材料結構的利用程度，讓這類鋼材的耐磨性得到提高，從原有的3天的使用壽命，增加到9天，提升了三倍。不僅能夠減少企業在生產中資源的消耗，還能夠在一定程度下加強對資源的使用效率，提高企業的生產效率，降低成本。

梯度納米結構的優異性能可通過對材料或零部件的局部處理實現有選擇性性能提高，從而提升整體材料或零部件的性能和壽命。主要是針對零件中某一部分經常會在生產運行中受到磨損，通過提升這部分的性能，能夠有效的減少零件的報廢率，增加零件的使用壽命。例如，在進行焊接的時候，焊接接頭經常出現磨損的情況，通過對接頭進行梯度納米結構處理，能夠有效的增強接頭穩定性與強度，使焊接接頭不會發生斷裂的現象。在軸類零件中，軸徑的過渡段通常會發生疲勞斷裂，嚴重制約著軸類零件的壽命，通過表面梯度納米化處理，可以有效的提升整個軸類零件的使用壽命。

結論：發展梯度納米結構的制備加工技術，以滿足更廣范圍和更深層次的工業應用，還需進一步解決擴大納米結構梯度變化范圍，實現梯度納米結構的精確調控等問題，從而產生高效、便捷、低成本的制備加工技術。

（作者單位：陜西國防工業職業技術學院）