纳米超细晶材料的制备方法

主要介绍了纳米超细晶材料的制备方法、应用状况以及研究发展趋势。认为除深度塑性加工方法外，传统的各种制备方法存在着不能获得大尺寸块体，材料内部有微孔隙存在，工艺过程复杂等不足。深度塑性变形解决了传统纳米超细晶材料制备方法存在的问题。纳米超细晶材料的应用并不是很广泛，因此在以后的研究中从研究到应用还需做大量工作。

超细/纳米晶WC基硬质合金制备技术研究发展现状

超细/纳米晶WC基硬质合金具有超高强度、硬度和韧性等优点,在汽车、航空航天、国防军工等领域有着重要应用。然而,超细/纳米级WC粉末粒度小、活性大,控制超细/纳米级WC粉末在烧结过程中的快速长大粗化成为一个巨大的挑战。为了获得超细/纳米晶WC基硬质合金,从原料粉末制备、新型烧结技术开发、晶粒长大抑制剂添加和新型硬质合金设计等方面综述最新的研究进展,分析优化的制粉和烧结工艺获得的WC粉末的粒度以及烧结后合金的力学性能,并对比各种晶粒生长抑制剂对WC基硬质合金微观结构和性能的影响,比较新型的烧结方法,如低压热等静压烧结(Sinter-HIP)、放电等离子体烧结(SPS)和微波烧结(MS)对WC基硬质合金微观结构和性能的影响,阐述典型的新型纳米级硬质合金的微观结构和性能,包括无黏结剂硬质合金和高熵黏结相的硬质合金,并展望超细/纳米晶WC基硬质合金的发展前景和研究重点,以期为现代超细/纳米晶硬质合金材料及技术的发展提供新的途径。

超细/纳米晶无黏结相WC硬质合金的研究进展

无黏结相WC硬质合金(Binderless tungsten carbide,BTC)因具有传统硬质合金无可比拟的优异耐磨性、抗腐蚀性、极佳的抛光性和抗氧化性,在耐冲蚀、高耐磨的工具、精细刀具以及石油、页岩气开采等领域有很好的应用前景。超细/纳米晶BTC制备的关键问题之一是如何控制WC晶粒的长大,本文从超细/纳米WC粉末的制备技术、BTC材料成分设计及成型工艺和烧结技术等方面对超细/纳米晶BTC的相关研究成果进行综述,强调了原料WC粒度、第二相化合物添加、先进成型工艺和烧结技术在BTC致密化过程中的关键作用,对比了不同成分体系、不同烧结工艺下超细/纳米晶BTC材料的性能差异;指出超细/纳米晶BTC制备过程中存在的主要问题为致密化和强韧化,可通过已开发的多种先进烧结技术及第二相增强增韧技术来解决,但尚未实现工业化应用;最后,阐明了超细/纳米晶BTC的发展趋势为在低温低压下获得更细的致密烧结体。

纳米/超细晶18Cr-8Ni奥氏体不锈钢力学性能及变形机制

采用应变诱发马氏体退火逆相变的方法制备了18Cr-8Ni奥氏体不锈钢的纳米/超细晶组织,并对其力学性能和变形机制进行了分析。通过对奥氏体不锈钢进行室温轧制(压下率为70%)以及分别进行710℃×10 min,760℃×5 min和950℃×5 min的退火处理来获得不同晶粒尺寸的组织。结果表明:纳米/超细晶的平均晶粒尺寸为400 nm,屈服强度为878 MPa,伸长率为33%。对粗晶和纳米/超细晶钢的变形行为进行研究发现,纳米/超细晶钢断口处的显微组织存在大量的应变诱发马氏体和少量的孪晶。然而,在粗晶钢的断口处观察到了应变诱发马氏体、高密度位错和剪切带组织。

稀土Nd超细纳米晶块体的制备及其物理性能

利用放电等离子烧结技术,制备了稀土金属Nd非晶、非晶与纳米晶双相结构和超细纳米晶的块体材料．利用高分辨透射电镜表征了制备材料的显微结构．通过热力学分析,得出Nd超细纳米晶块体材料由hcp相向bcc相转变的温度约为650℃,相对于传统的粗晶材料降低了约200℃,对传统粗品和超细纳米晶的Nd块体材料分别测定了电阻率、热导率和热膨胀系数及其随温度的变化规律,表明超细纳米晶Nd的电阻率较传统粗晶结构明显升高,而热导率则降低约3倍．

超细晶/纳米晶钨——未来聚变堆面向等离子体材料

钨为未来高参数准稳态运行聚变堆最有前景的面向等离子体材料。超细晶/纳米晶结构有可能提高钨材料的热力学性能和抗粒子辐照性能,因而成为一个很有前途的研发方向。深度塑性变形和粉末冶金均已在制备超细晶/纳米晶钨方面开始了初步探索,深度塑性变形的等通道角挤压法因能制备致密度高、韧脆性能优异、大尺度的块体超细晶/纳米晶钨,极有可能在钨基面向等离子体材料制备方面取得突破。

NaYF_4∶Yb,Er超细纳米晶的合成及单带红色上转换发光研究

通过水热法成功合成了直径约为3 nm的NaYF4∶Yb,Er超细纳米晶。荧光光谱测试表明,其发射波长位于660 nm的单带红光,其杂质光的含量低于1/99.6。机理研究表明超细纳米晶的尺寸效应产生的表面高能量振动声子和激发光子的高表面散射率导致4F7/2能级上的电子通过消耗基质声子能量而向下弛豫到4S3/2和2H11/2的概率大大降低,而主要通过4F7/2+4I11/2-2×2F9/2跃迁过程布居4F9/2能级,从而实现强红光发射。

喷雾干燥-氢还原制备超细/纳米晶W-10Cu粉末及其烧结行为

采用喷雾干燥-氢还原法制备超细/纳米晶W-10Cu(质量分数,%)复合粉末,并经过压制和烧结制备W-Cu复合材料,系统研究烧结温度和保温时间对该材料性能和组织的影响,以及在1 100～1 300℃温度范围内的烧结激活能。结果表明,W-10Cu还原粉末晶粒度仅为30～60 nm;在1 200℃烧结时开始发生明显的致密化行为;随烧结温度升高相对密度增大,当烧结温度升高到1 300℃时W-10Cu复合材料的相对密度为90%,但当温度达到1 460℃时有所降低。1 420℃保温90 min时材料相对密度高达99.1%,且此时晶粒度仅为1.8μm。W晶粒尺寸为30～60 nm的W-10Cu复合粉末在1 100～1 300℃烧结的平均激活能为129.14 kJ/mol。烧结温度为1 420℃时W-10Cu的电导率随保温时间延长先增大后减小,保温90 min时最大达到19 MS/m,超过国标有关规定。

纳米/超细晶切屑形成机理的有限元研究

建立了大负前角和钝圆半径联合作用的大应变切削模型,采用有限元分析软件模拟较低切削速度下刀具前角和钝圆半径对切屑形态、等效应变、应力、应变速率、切削温度和主切削力的影响.结果显示,随着刀具前角的减小和钝圆半径的增加,切削变形区中的等效应变、应力、应变速率、切削温度和主切削力均有一定程度的增加,且刀具前角比钝圆半径影响更为显著;负前角切削时,钝圆半径的作用明显减弱;大负前角低速切削时,切屑在相对低的温度、较高的应变速率和应力下发生大剪切应变,形成具有纳米/超细晶结构和高硬度的切屑材料.

超细晶／纳米晶铝膜的研究现状

综述了超细晶/纳米晶铝膜的制备技术和制备工艺参数如衬底类型、氩气分压和靶功率等对铝膜结构性能的影响;介绍了目前超细晶/纳米晶铝膜的显微组织、铝薄膜及超薄铝薄膜的研究和其机械性能等研究方面的现状和进展,并展望了超细晶/纳米晶铝膜研究的发展前景。

锐钛矿二氧化钛超细纳米晶的三声子互作用

本文通过对粒径为2.2-25.5nm的锐钛矿二氧化钛超细纳米晶在83-293 K温度范围内的变温拉曼光谱的研究,得到了三声子互作用对拉曼频率和线宽的贡献随粒径的变化关系。结果表明锐钛矿二氧化钛超细纳米晶的三声子相互作用随粒径减小而加强。

纳米/超细晶WC-Co类硬质合金的研究进展

制备纳米/超细晶WC-Co类硬质合金的两大关键因素是优质纳米/超细晶WC-Co复合粉末的制备和烧结过程中晶粒长大过程的控制。从纳米/超细晶WC-Co复合粉末的制备技术和纳米/超细晶硬质合金的烧结技术两方面,综合评述了近年来国内外的研究进展,并展望了纳米/超细晶硬质合金的发展前景和今后研究开发的重点。

超细YF_3与GdF_3纳米晶的合成及其上转换发光

当使用液固溶法（LSS法）制备分散性纳米晶时，将传统油酸，油酸钠／酒精反应体系中的NaOH用氨水取代时，氨水将会与油酸形成新的表面活性剂油酸铵，这样就可以合成各种超细分散性的REF，纳米（RE代表稀土元素）。在这种新的反应体系中，合成了平均直径小于10nm的YR和GdF，超细颗粒，X射线与透射电镜测试表明YR是正交相，而GdR是面心立方结构，空间群为Fm3m，晶格常数为0．5829nm。在980nm半导体激光器激发下，可检测到YF3：Yb／Er在515～570nm处有较强的绿色发光峰、645～675nm处有较强的红色发光峰，呈橙色发光。YF3：Yb/Tm和GdF3：Yb/Tm样品在460-490nm处有较强的蓝色发光峰．而在800nm附近有更强的近红外发光峰。由于其超细的尺寸及红外上转换发光特性，合成的样品在生物成像、生物标签等方面有潜在的应用价值。

超细、纳米晶WC-Co硬质合金烧结技术的研究现状

WC-Co硬质合金因高硬、耐磨而在切削、采矿和耐磨零件等领域广泛应用。研究发现,当WC晶粒尺寸小于0.5μm时(即超细、纳米晶WC-Co硬质合金),与普通硬质合金相比,材料的硬度和强度显著提高,其韧性也同样会有所提升。因此,晶粒细化有助于改善硬质合金的力学性能,从而延长其使用寿命。长期以来,有关硬质合金性能改善方面的研究多关注于从粉体出发,即通过采用超细纳米粉体和合理烧结工艺来实现超细晶和纳米结构硬质合金的制备。然而,在合金制备过程中其致密性与晶粒长大之间往往存在较为复杂的交互作用,如何保证在烧结过程中致密化的同时抑制WC晶粒长大是提高合金性能以及保证合金质量稳定性的关键技术问题之一。本文主要阐述了高温液相烧结制备超细、纳米晶WC-Co硬质合金过程中有关致密化和晶粒长大机制之间的关联性,从烧结工艺与添加剂两方面介绍了近年来国内外的研究现状。烧结工艺具体分为常规烧结工艺(主要包括氢气烧结、真空烧结和热等静压烧结等)和快速烧结工艺(主要包括微波烧结、放电等离子烧结、高频感应热烧结等),对比了上述烧结工艺之间的不同以及总结了不同烧结工艺的优缺点。在添加剂方面,重点介绍了过渡族碳化物和稀土元素对硬质合金烧结过程中晶粒生长的抑制作用,并在此基础上阐述了超细、纳米晶WC-Co硬质合金烧结技术的未来发展趋势。

高强塑纳米晶/超细晶304不锈钢变形机理研究

以304奥氏体不锈钢为研究对象,利用室温冷轧诱导马氏体相变及逆相变退火的方式获得了平均晶粒尺寸约为200 nm的纳米晶/超细晶等轴奥氏体组织。利用XRD、SEM和TEM对显微组织进行分析,并结合拉伸实验研究了纳米晶/超细晶实验钢的变形机制及断裂行为。结果表明:相比于初始粗晶组织,细晶强化后,纳米晶/超细晶钢的屈服强度提高了3倍(达到835 MPa),且断后伸长率仍保持在40%以上。随应变的增加,纳米晶/超细晶钢在拉伸过程中的变形机制由形变孪生向马氏体相变转变。断口形貌表明粗晶钢和纳米晶/超细晶钢的断裂模式均为韧性断裂。

超细晶纳米金刚石制备方法及应用研究进展

超细晶纳米金刚石(Ultrafine nanocrystalline diamond,UNCD)具有优异的力学、光学及热学性质。由于晶界间分布大量sp 2碳,其性能与块体金刚石差异较大,其导电性及自润滑性能优异。本文综述了近几年超细晶纳米金刚石制备方法的优缺点,概述各种技术制备的超细晶纳米金刚石在高分子复合增韧强化、能量存储、电子器件及生化等领域的应用。详细分析了超细纳米金刚石的结构对其摩擦学性能的影响,并对其应用前景进行了展望分析。

Fe_(100-x)Co_x系合金超细粉末的制备和磁性

用机械合金化方法制备了Fe100-xCox系超细粉末(x=15,35,50).对各样品进行了X-ray衍射谱的分析;用柯西分布公式计算了材料的晶粒尺寸,约为9～12nm;用最小二乘法计算了材料的晶格常数a;测量了不同成分样品的磁滞回线.研究发现,当x=15,35,50时,材料均呈现了α-Fe的单相,并且样品有较低的矫顽力Hc和较高的饱和磁化强度Ms.用趋近饱和定律计算了样品的有效磁晶各向异性常数Ke和原子磁矩μ.研究表明,样品具有优良软磁材料的内禀性能.

纳米/超细晶奥氏体不锈钢高周疲劳性能及变形机制研究

随着现代工业技术的飞速发展,奥氏体不锈钢的屈服强度难以满足更高的要求,迫切需要开发出高强度的奥氏体不锈钢。近年来,纳米/超细晶材料由于其优异的力学性能,成为材料领域的研究热点之一。材料的疲劳强度与其抗拉强度密切相关,晶粒细化也是获得优异抗疲劳性能的有效手段。通过形变诱导马氏体退火逆相变的方法制备了平均晶粒尺寸分别为400 nm(纳米/超细晶)、1.4μm(细晶)和12μm(粗晶)的奥氏体不锈钢,并对其进行了轴向拉-拉高周疲劳实验,研究了不同晶粒尺寸奥氏体不锈钢的高周疲劳性能及循环变形机制。结果表明:纳米/超细晶、细晶和粗晶奥氏体不锈钢的疲劳强度分别为811、568、501 MPa。随着晶粒尺寸的减小,奥氏体不锈钢的疲劳强度得到显著提高。采用透射电镜对不同晶粒尺寸奥氏体不锈钢疲劳断口处的微观组织进行了观察,发现在粗晶钢中产生了大量的位错以及平行的变形带和层错,在循环载荷作用下,位错相互缠绕聚集形成了胞状结构。在细晶钢中,主要观察到了位错、层错以及一些细小的孪晶,位错密度明显减小。在纳米/超细晶钢中的纳米级和微米级晶粒中主要产生了位错,在冷轧过程中未发生马氏体相变的变形奥氏体晶粒中产生了位错线和变形带结构。

纳米高强钢铁材料增塑研究进展

钢铁是制造业以及结构应用的主要材料,这很大程度上是因为它们拥有良好的强度与塑性,且价格低廉。材料工程界一直在不停研究更优越的强度和塑性相结合的材料。具有纳米晶/超细晶结构的纳米钢铁材料显示出优异的力学性能,例如卓越的硬度和强度,作为高强钢应用非常有吸引力。然而,超强纳米钢铁材料通常在环境温度下具有低塑性,这极大地限制了它们的应用。由于晶粒细化方法提高强度受到塑性的限制,新的高强度水平下增强塑性的方法成为钢铁材料高性能化的研究热点。为了提高超细晶/纳米晶钢铁材料的塑性,考虑通过调整微观组织结构来提高其加工硬化能力。通过对已经报道的同时具有高强度和良好塑性的纳米结构钢铁材料的实验数据、组织结构的归纳,总结了优化纳米高强钢铁材料塑性的三种基本方法:纳米第二相、微纳复合结构和多相不均匀复合结构。这些增塑方法的主要机理是利用组织结构的改变提高超细晶金属的加工硬化能力以维持其良好的均匀塑性变形,以及利用组织相变提高金属的塑性。这些不均匀纳米结构类似于复合物,具有共同的材料设计和力学原理。本文归纳了钢铁材料常用的强化方法,综述了纳米/超细晶高强钢铁材料提高塑性的方法,尤其是通过突出介绍一些新颖的纳米结构设计来实现钢铁材料的高强高塑,总结了高强高塑纳米钢铁材料的变形机制,以期为纳米晶金属增强塑性研究提供参考。

SPD制备纳米/超细晶金属材料的成形方法

为了探索SPD法制备纳米/超细晶金属材料的新工艺方法,对ECAP、HPT等经典工艺方法制备纳米/超细晶金属材料的晶粒细化特点进行了分析,结果显示目前SPD工艺存在的问题主要表现在:成形效率低、变形过程中出现疲劳裂纹、制件尺寸小、显微组织不均匀。指出今后SPD的研究应从晶粒细化机理和纳米结构与材料性能的关系等方面展开。