金属玻璃纳米晶化机制研究进展

金属玻璃是一类具有结构和功能应用前景的新型金属材料,是目前物理和材料学科最为活跃的研究领域之一。由于处于热力学亚稳态,金属玻璃在合适的外界条件下会自发地向相应的晶态相发生转变,导致晶化事件的发生。研究金属玻璃的纳米晶化不仅有重要的科学意义,同时也可对金属玻璃的应用提供理论指导。简要介绍了目前几种代表性的金属玻璃纳米晶化微观机制：经典形核理论、基于耦合通量模型的形核机制、基于相分离的纳米晶形核长大机制、有序原子集团沉积机制、非经典形核理论、大过冷度条件下纳米晶化的微观机制等,同时结合作者课题组近年来在这方面的研究进展,对各种机制进行了评述,最后对未来金属玻璃纳米晶化机制研究中需要重视的几个问题进行了简单展望。     

新型复合材料的开发

TiB颗粒增强钛金属基复合材料；纳米ZrO2-镁基非晶合金复合材料；机械合金化Ti-Cu-Ni-Sn块体金属玻璃复合材料；韧性钛基纳米晶复合材料；Cu／Ni叠层复合材料的电阻特性。     

等径角挤压制备超细生物医用纯钛的静态力学性能和塑性（英文）

等径角挤压是制备超细晶和纳米晶材料最有效的工艺之一。由于工业纯钛具有极佳的生物相容性,因此它可用作生物植入体材料。然而,较低的静/动态强度是纯钛类材料的不足之处。利用等径角挤压工艺可消除此类缺陷。本文作者在室温和通道角为135°条件下进行3道次挤压得到2级工业纯钛试样(2级CP-Ti)。对经等径角挤压3道次的CP-Ti样品进行显微组织分析及拉伸、硬度、三点弯曲和夏比冲击等力学性能测试。样品的显微组织演变结果表明,经等径角挤压工艺后样品的粗晶组织转变成超细晶或纳米晶组织。此外,力学性能测试结果表明,等径角挤压工艺能显著提高工业纯钛的屈服强度、抗拉强度、弯曲强度、硬度和断裂韧度,因此用该工艺制得的钛可以作为金属合金的替代品用作生物医用材料。     

刀具和磨具用的纳米结构涂层

纳米结构涂层定义为晶粒尺寸或膜层厚度小于 10 0nm的功能材料。纳米结构涂层包括金属 -金属、金属 -陶瓷、陶瓷 -陶瓷以及附着有固体润滑剂的材料。纳米结构涂层分为纳米晶薄膜结构、膜厚为纳米多层膜结构以及纳米混合相薄膜结构。纳米晶涂层　纳米晶金属或涂层显示出较低的磨损率 ,这种耐磨性能的提高归因于纳米尺寸效应引起的高硬度、高韧性及特殊的裂纹变化和移动机理。例如 ,电沉积制备涂层的晶粒尺寸降到 10nm ,维氏硬度增大3倍。制备纳米晶涂层的关键是保证粒子的纳米尺寸 ,在高温时控制晶粒生长 ,方法包括把纳米粒子首先制成微米粒…     

含金属Bi和Bi_2S_3纳米晶玻璃的溶胶-凝胶法制备和微结构研究（英文）

用溶胶-凝胶法制备了含金属Bi和Bi_2S_3纳米晶的钠硼硅玻璃。利用差示扫描量热-失重法、X射线粉末衍射仪、透射电子显微镜详细表征了该玻璃的形成机制和微结构。结果显示,该玻璃的转变温度T_g大约为510 C,这意味着在600℃的热处理温度下可以形成玻璃。微结构分析揭示金属Bi和Bi_2S_5晶相结构已经在玻璃先驱体中形成,并且这些纳米晶的的尺寸通常在5~30 nm之间。     

回火Zr-Al-Ni-Cu-Ag块体金属玻璃中的准晶及纳米准晶

通过系统的透射电子显微镜观察,在回火的Zr-Al-Ni-Cu-Ag块体金属玻璃中发现了准晶相和纳米准晶相。具有五次对称性,三次对称性及二次对称性的选区电子衍射谱及微束电子衍射谱证明初始晶化过程中析出的相为二十面体准晶。定量观察表明高的形核率是纳米准晶形成的原因。添加银有助于纳米准晶的形成。二十面体准晶相在初始晶化过程中的析出暗示着块体金属玻璃和二十面体结构之间存在着本征的相关性。     

偏压对钛薄膜显微组织及力学性能的影响(英文)

为了研究纳米结构金属Ti的纳米力学性能,在偏压为0~140 V的范围内,采用磁控溅射方法制备纯钛薄膜。并采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)表征钛薄膜的显微组织。结果表明:钛薄膜呈现非晶与纳米晶的混合结构,且晶化程度随着偏压的升高而增大。纳米压痕测试结果表明:钛薄膜的硬度与晶粒尺寸在6~15 nm的范围内符合Hall-Petch关系。但其Hall-Petch关系的斜率与采用其他强烈塑性变形法制备的超细晶纯钛相比,明显偏小,且呈现软化趋势。此外,讨论偏压对钛薄膜生长取向的影响。     

利用熔体块淬法生产高强度钢

美国罗得艾兰州（R．I．）的纳米钢公司（Nanosteel Inc．）新近开发成功利用熔体块淬技术生产高强度钢，他们是首先将钢锭（多元铁基合金）快速冷凝形成金属玻璃，随后通过适当退火处理使这种多元铁基金属玻璃合金转变成为纳米晶材料。所得材料的相成分和相形态，在颇大程度上取决于退火热处理条件。经过拉伸试验研究发现该纳米晶材料的高温力学性能显著提高，并且受其相形态的影响很大。     

非晶态FeNiSiB合金低温退火对性能的影响

用快速淬火得到的过渡族金属一类金属玻璃,在低于晶化温度退火往往引起材料某些物理和机械性能的变化,直接影响了材料的使用.因此,研究低温退火时金属玻璃的结构变化对性能的影响是很重要的.试验所用的材料为单辊法制成的(FeNi)_(0.78)(SiB)_(0.22),金属玻璃带宽2mm,厚     

深度轧制技术制备的纳米晶金属板材腐蚀性能研究进展

概述了目前已提出的几种纳米晶金属材料制备技术和不同纳米晶金属材料腐蚀研究进展。介绍了深度轧制技术制备纳米晶金属板材,阐述了该技术制备的纳米晶金属板材(工业纯铁、304不锈钢和工业纯铝)腐蚀性能研究进展。与相应的普通金属材料相比,深度轧制技术制备的这三种纳米晶金属材料在不同腐蚀环境(溶液、熔盐和高温气体)中耐腐蚀性能(局部腐蚀和均匀腐蚀)提高。大量纳米晶及其相应普通金属材料的腐蚀实验结果表明,传统的材料微观结构参量(成分及其分布、晶粒尺寸、位错密度和残余应力等)不是腐蚀性能的本征参量。提出了从金属材料价电子结构和氧化膜电子结构角度理解金属材料腐蚀性能及其相关腐蚀机理,并在现有工作基础上提出金属材料电化学腐蚀本征参量的概念。     

稀土和镍含量对Al-Gd-Er-Ni金属玻璃初晶化的影响

通过调节稀土和镍含量研究Al88Gd6Er2Ni4和Al88Gd3Er1Ni8金属玻璃的初晶化行为.结果表明,降低稀土含量、升高Ni含量有利于获得淬火晶核,降低了Al-Gd-Er-Ni金属玻璃的初晶化温度;有利于得到高密度小尺寸的α-Al纳米晶;加大了初晶、第二晶化反应之间的温度差,有助于避免稀土金属间化合物的析出,在较宽的温度范围内获得高纯α-Al纳米晶镶嵌在非晶基体的复合结构.     

纳米Ti-45S5生物玻璃-Ag复合材料对变异链球菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性（英文）

利用机械合金化和在1150°C、氩保护气氛下退火2 h制备生物玻璃纳米复合材料。采用银对Ti-45S5生物玻璃进行化学改性。研究含银Ti-10%45S5生物玻璃纳米复合材料对变异链球菌和金黄色葡萄球菌的抗菌活性。使用XRD、SEM-EDS、TEM对纳米复合材料的相组成、晶体结构和晶粒尺寸进行表征。体外细菌粘附研究表明,在纳米结构Ti-45S5生物玻璃表面的变异链球菌和金黄色葡萄球菌数量比微晶钛板表面的显著减少。钛基纳米结构生物材料将是下一代牙移植材料。     

全新熵合金融合锂、镁、钛、铝和钪打造低密度纳米晶合金

来自美国北卡罗莱纳州立大学和卡塔尔大学的研究人员合作,日前研发了全新高熵合金,该材料拥有更高的强度重量比,目前任何一种金属都不具备这样的优越性能。研究人员利用机械合金法融合锂、镁、钛、铝和钪来打造低密度纳米晶合金(Al20Li20Mg10Sc20Ti30),预估的材料强度重量比要明显高出其它纳米晶合     

纳米孔结构金属多孔材料研究进展

纳米孔结构金属多孔材料(以下简称金属纳米多孔材料)是近年来纳米技术及多孔材料科学领域引人注目的研究对象.本文综述了近年来金属纳米多孔材料的制备方法(粉末烧结法、脱合金法、胶晶模板法、斜入射沉积法等)、表征技术、应用现状以及最新的研究成果.指出了金属纳米多孔材料研究进程中存在的主要问题、发展前景及今后的研究方向.     

过冷液态Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8块体非晶合金的相分离及组织演变（英文）

通过X射线衍射(XRD)、差示扫描量热法(DSC)和透射电子显微镜(TEM)研究了退火温度对Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8金属玻璃微观结构演化的影响。结果表明,快速凝固获得的样品为典型的非晶态结构。当样品在703 K保温20 min时,均一的非晶基体相分离成2种非晶合金,即,发生相分离。由于相分离结构与非晶基体在等温退火过程是竞争的关系,这个结构很容易向晶化态进行转变,形成AlZr_2和AlAg_3相。Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8金属玻璃的微观结构在过冷液相区等温退火过程中经历了局部结构转变,相分离以及纳米晶转变,这个过程意味着Zr_(48)Cu_(36)Ag_8Al_8金属玻璃的微观结构对退火温度十分敏感。此外,相分离的形成可以加速纳米晶的形成。     

纳米晶钛

美国纽约的Metallicum Inc．公司的科研人员通过熔体快速旋淬技术研制成功纳米晶钛（Nanotitanium），这种纳米晶金属较之传统金属材料具有更高的强度而且更轻，熔融金属通过快速旋淬而形成了比同成分传统金属晶粒细500倍到1000倍的结晶组织，这样纳米晶化的结果而使其强度和延塑性都大为提高，从而大大拓展了其应用范围。     

机械合金化制备纳米晶钛氢化物电极

机械合金化是一种新颖而有前景的合金形成方法，特别适用于制备不同体系的非平衡材料。用这种方法已经大量成功地合成储能或与能量相关的氢化物合金。高等级的纳米晶金属间化合物代表了新一代金属氢化物特征。 近年来，用机械合金化制备非晶纳米晶Mg2Ni、ZrV2和LiNi5系合金。这些材料即使在低温下都表现出良好的吸氢和放氢动力学。 钛基合金是富有前景的储氢材料。比如，在立方CsCl结构中结晶的TiFe合金比LaNi5一类合金更轻、更便宜，在室温下可吸收2H/f.u.，是一种无毒的材料。但是，由于TiFe的吸氢/脱氢动力差和活化过程复杂，它在…     

大塑性变形制备的非晶镍钛形状记忆合金的晶化(英文)

局部包套压缩大塑性变形能够实现镍钛形状记忆合金的完全非晶化,其中少量残留的纳米晶相分布在非晶基体上。研究非晶镍钛合金在573、723和873 K退火条件下的晶化机制。采用约翰逊-迈尔方程描述非晶镍钛合金的晶化动力学行为。在573和723 K的退火条件下,可以获得具有完全纳米晶相的镍钛形状记忆合金,在该纳米晶镍钛形状记忆合金中,马氏体相变由于晶界的约束而受到了抑制。在873 K的退火条件下,非晶镍钛合金的晶化产生了晶粒粗大的镍钛形状记忆合金样品。在室温条件下的粗晶镍钛样品中,可以观察到马氏体复合孪晶,而且发现马氏体孪晶在晶界优先形核,并且向两个不同的晶粒内部长大。局部包套压缩大塑性变形结合后续退火工艺为制备纳米晶镍钛形状记忆合金提供了一种新的途径。     

金属纳米晶热稳定性和晶粒长大行为的研究

推导出了金属纳米晶界的基本热力学函数,模拟计算了金属纳米晶界的吉布斯自由能随晶界过剩体积和温度的变化规律。以铜纳米晶材料为例,应用纳米晶热力学模型预测了纳米晶组织的热稳定性及纳米晶粒长大行为。将纳米晶界的热力学函数引入元胞自动机仿真算法,利用计算机模拟研究了金属纳米晶的变温晶粒长大过程。实验证实铜纳米晶粒长大的动力学特征符合纳米晶热力学模型的计算预测结果。     

激光表面合金化原位制备Ti-Cu纳米晶金属间化合物涂层

利用激光表面合金化技术以铜粉为初始原料,在纯钛表面通过激光表面合金化原位反应成功制备了Ti-Cu纳米晶金属间化合物涂层。采用X-射线衍射仪(XRD)和高分辨透射电镜(HRTEM)分析了涂层的组成和组织结构,测试了涂层在不同载荷下的摩擦磨损性能。结果表明:通过激光表面合金化制备的涂层主要成分为Ti和金属间化合物TiCu、TiCu3、Ti3Cu相。涂层含有纳米晶Ti-Cu金属间化合物,晶粒尺寸为10~500nm。Ti-Cu金属间化合物涂层的摩擦因数随载荷增加而减小,体积磨损率在10-6~10-5 mm3/Nm数量级范围并随载荷的增加而增大,与纯钛底材相比,Ti-Cu金属间化合物涂层具有良好的耐磨性。