魅力盡展:梯度納米結構材料


對于材料從業人員而言,提高材料性能的有效方法包括細晶強化、固溶強化、彌散強化、變形強化(位錯強化)等手段,但是材料的強度和塑性總是一對看似矛盾的因素,在提高材料強度的同時也會伴隨著其塑性的降低。相對于其他強化手段,只有細晶強化既可以提高材料的強度又可以使其塑性得到改善。因此,材料領域的科研人員總是試圖通過各種方法細化材料晶粒,期望得到綜合性能優異的晶體材料。

目前,我們得到的綜合性能良好的材料晶粒尺寸依然維持在微米級,雖然曾經火熱一時的納米材料晶粒達到了納米,但很奇怪的是,納米級尺寸晶粒在讓材料得到足夠高強度的同時并沒有使材料兼具極高的塑性,相反,納米晶體結構材料的塑性極低,甚至比微米級尺寸的晶體材料還低。

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通常而言,工程結構材料的理想性能通常是高強度和高韌塑性,然而強度與韌塑性往往不可兼得。高強材料的塑性往往很差,而具有良好塑性的材料其強度很低。比如,納米金屬材料(即晶粒尺寸在納米尺度的多晶金屬)是一種典型的高強材料,其強度比普通金屬高一個量級,但其幾乎沒有拉伸塑性。因此,如何提高納米金屬的塑性和韌性也成為近年國際材料領域的一項重大難題。不過,高強低塑的現象怪圈似乎不再是阻礙材料科學進步的壁壘。梯度納米結構材料站在材料科學領域的前沿,讓眾多的材料科研學者對新材料未來充滿了希望。

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納米結構材料(nanostructured materials)是指結構單元尺度(如多晶材料中的晶粒尺寸)在納米量級的材料, 其顯著結構特點是含有大量晶界或其他界面, 從而表現出一些與普通粗晶結構材料截然不同的力學和物理化學性能。過去幾十余年的研究表明, 納米結構材料通常具有很高的強度和硬度, 在不改變材料化學成分的前提下, 結構納米化可使材料的強度和硬度高達同等成分粗晶材料的數倍甚至數十倍, 是發展高強度材料的一種新途徑。 然而, 伴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和發展。

研究表明, 通過對納米結構的多級構筑(architecture)可以在有效克服納米結構的性能缺點的同時發揮其性能優勢, 梯度納米結構便是其中的一種重要構筑類型. 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。或者說, 材料的一部分由納米結構組成,一部分由粗晶結構組成, 這兩部分之間結構單元尺寸呈梯度連續變化。梯度納米結構的實質是晶界(或其他界面)密度在空間上呈梯度變化, 因此對應著許多物理化學性能在空間上的梯度變化。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。

材料的許多性能隨結構單元特征尺度變化而變化, 當結構單元尺度降低到納米量級時性能變化會十分顯著。例如, 金屬材料的強度隨晶粒尺寸的減小而提高, 當減小到納米量級時強度提升異常顯著, 如上圖所示。與梯度微米結構(由微米尺度增大到宏觀尺度)相比, 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。此外, 由于納米結構材料具有一些獨特的理化性能, 如高擴散速率和化學反應活性等, 這也賦予了梯度納米結構一些全新的功能特性。因此, 梯度納米結構材料成為近年來的新研究熱點。

在相同化學成分和相組成的情況下, 梯度納米結構可有以下4種基本類型,如圖2所示:

(1)梯度納米晶粒結構: 結構單元為等軸狀(或近似等軸狀)晶粒,晶粒尺寸由納米至宏觀尺度呈梯度變化(圖a);

(2)梯度納米孿晶結構: 晶粒中存在亞結構—孿晶,晶粒尺寸均勻分布, 而其中的孿晶/基體層片厚度由納米至宏觀尺度梯度變化(圖b);

(3)梯度納米層片結構: 結構單元為二維層片狀晶粒,層片厚度由納米至宏觀尺度呈梯度變化(圖c);

(4)梯度納米柱狀結構: 結構單元為一維柱狀晶粒,柱狀晶粒直徑由納米至宏觀尺度呈梯度變化(圖d);

上述4種結構類型中可以有不同的界面結構, 如大角晶界、小角晶界、孿晶界等。這些基本結構中兩種或多種結構相復合可形成復合梯度納米結構, 如梯度納米晶粒結構與梯度納米孿晶結構的復合結構, 既存在晶粒尺寸梯度, 也有孿晶密度梯度, 即晶界密度和孿晶界密度同時呈梯度變化。當化學成分和相組成發生變化時, 形成的復合梯度納米結構更為復雜, 如具有化學成分梯度變化的梯度納米晶粒結構, 具有相組成梯度變化的梯度納米結構(相界面密度梯度變化)等。在316不銹鋼中形成的由馬氏體相和奧氏體相組成的呈梯度分布的納米晶粒結構便是其中的一個實例。

材料中梯度納米結構有不同的存在形式。大多數情況下, 納米結構部分處于材料表面, 粗晶結構處于材料內部, 這種梯度納米結構表層可以充分發揮納米結構的許多優異性能, 大幅度提高塊體材料表面性能以及許多表面結構敏感性能。也可以將納米結構部分置于材料內部, 粗晶結構在材料表面, 這種構型也可能表現出一些獨特的性能, 但目前研究工作不多。

參考文獻:盧柯. 梯度納米結構材料, 金屬學報 51 (2015) 1-10

作者王小強 ,材料牛專欄作者, 微信Maggeing(加微信注明“公司-姓名-職位”,以便備注)。

材料牛編輯整理。

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