納米基復合材料復合材料原理

知識點2：金屬基納米復合材料概述主要內容一二三四性能應用與展望制備方法1）定義：是以金屬及合金為基體，與一種或幾種金屬或非金屬納米級增強相相結合的復合材料（6）不吸濕、（7）不吸氣（8）尺寸穩定（9）不老化等優點（1）力學性能好（2）剪切強度高（3）工作溫度較高（4）耐磨損、（5）導電導熱好3）應用：自動化、航空、航天等高技術領域2）性能特點：一、概述二、制備方法1.高能球磨法

原理：高能球磨法是利用球磨機的轉動或振動，使研磨介質對原料進行強烈的撞擊、研磨和攪拌，將其粉碎為納米級微粒的方法。優點：成本低、產量高、工藝簡單易行等，并能制備出常規方法難以獲得的高熔點金屬或合金的納米微粒及納米復合材料。缺點：能耗大、粒度不夠細、粒徑分布寬、雜質易混入等。應用：可制備各種金屬-金屬納米復合材料、金屬-陶瓷納米復合材料及陶瓷-陶瓷納米復合材料，如CeO2/Al、CeO2/Zn、NiO/Al、NiO/Zn、CeO2/Al-Ni、CeO2/Zn-Ni等多種功能復合材料。原位復合技術是指根據材料設計的要求選擇適當的反應劑（氣相、液相或固相），在適當的溫度下借助于基材之間的物理化學反應，原位生成分布均勻的第二相（或稱增強相），制備復合材料的技術。由于原位復合技術界面干凈無反應、無脆性層具有巨大的潛力。該法可制備TiC/Ti5Si3、Cu-2.65Al2O3等多種納米復合材料。以Ni、Al、Ti、C粉末為原料進行球磨，球磨過程中發生兩個獨立的放熱反應：Ni+Al→NiAl、Ti+C→TiC，合成出TiC/NiAl納米復合材料。優點：過程簡單、不需要復雜的設備、產品純度高、能獲得復雜的相和亞穩相。不足:不易獲得高密度產品、反應過程和產品性能難以嚴格控制。2.原位復合技術定義：大塑性變形法是指材料處于較低的溫度（通常低于0.4Tm）環境中，在大的外部壓力作用下發生嚴重塑性變形，從而將材料的晶粒尺寸細化到亞微米或納米量級的方法。該工藝能大大促進大角度晶界的形成。3.大塑性變形法ECAP變形示意圖（a）ECAP純剪切示意圖（b）4.快速凝固工藝定義：快速凝固工藝是利用快速凝固能顯著細化晶粒的原理，制備納米復合材料的工藝。應用：如制備鋁-過渡金屬-稀土納米復合材料，納米級的面心立方Al晶體均勻地分布在非晶的基體中。室溫強度高達1.6GPa，相當于相同成分完全非晶鋁合金的1.5倍和傳統時效強化鋁合金的3倍；其高溫強度更加優越，300℃時達1GPa，是傳統鋁合金的20倍。注意：將快速凝固與熱擠成型技術相結合，制備的TiC/Al自生鋁復合材料，與常規熔鑄工藝相比，其室溫拉伸強度增加了100MPa左右，并表現出良好的高溫力學性能。定義：磁控濺射法是采用高能粒子撞擊靶材的表面，與靶材表面的原子或分子交換能量或動量，使得靶材表面的原子或分子從靶材表面飛出后沉積到基片上形成金屬基納米復合材料。工作原理是指電子在電場E的作用下，在飛向基片過程中與氬原子發生碰撞，使其電離產生出Ar正離子和新的電子;新電子飛向基片，Ar離子在電場作用下加速飛向陰極靶，并以高能量轟擊靶表面，使靶材發生濺射。應用：磁控濺射技術將Zr-Cu（62/38at.%）靶材沉積到鋼基板上，得到一種新型的超硬光學納米復合薄膜ZrN/Cu，研究表明，這種超硬納米復合薄膜的顯微組織由堅硬的并具有強烈擇優取向的納米ZrN柱狀晶和軟相基體Cu(1-2at.%)構成，其顯微硬度高達55GPa。5.磁控濺射法定義：納米復合鍍法是運用電鍍或化學鍍原理，將懸浮在鍍液中的不溶性納米微粒，共沉積到單一金屬或合金上，經過二次熱處理而形成金屬基納米復合涂層。舉例：運用電化學沉積工藝在鍍鋅液中分別加入納米CeO2粉末（平均粒徑為30nm）和微米CeO2粉末進行共沉積，在基片上分別獲得CeO2/Zn納米復合鍍層和CeO2/Zn微米復合鍍層。分析表明：CeO2/Zn納米復合鍍層的耐蝕性較純鋅鍍層有明顯改善，而CeO2/Zn微米復合鍍層的耐蝕性與純鋅鍍層相比變化不大；另外還發現CeO2/Zn納米復合鍍層中由于納米CeO2的存在，基體Zn晶核生長具有擇優取向<101>現象。6.納米復合鍍法金屬基納米復合材料的主要制備方法和適用的范圍制備方法復合方式特點適用范圍高能球磨0-00-3成本低、產量高、工藝簡單、但易混入雜質。納米金屬/金屬；納米陶瓷/金屬原位復合0-3增強體與基體界面無污染、理想原位匹配、一次合成、工藝簡化、成本低。納米陶瓷/金屬大塑性變形0-0產品高致密、界面潔凈、且粒度可控性好。納米陶瓷/金屬快速凝固0-31-3技術成熟、工藝簡單且易于控制、成本低、產量高。納米金屬/非晶；碳納米管增強合金納米復合鍍0-2納米微粒有效抑制基體組織晶粒長大、工藝簡單、且易于控制、成本低。各種高耐磨、耐熱、耐蝕鍍層濺射法0-2靶材無限制、薄膜組織致密、粒度小、表面清潔、附著力大、適于實驗室制備。各種功能納米復合薄膜非晶晶化0-3成本低、產量高、界面清潔致密、無微孔隙、粒度可控。非晶形成能力較強的合金系惰性氣體凝聚法0-00-3表面清潔、粒度小、設備要求高、產量低。Cu/Fe、Ag/Fe、SiO2/BiSb反應性等離子體法0-3沉積速度快、粒度小、表面潔凈、但能耗大。氮、氧、碳化物增強體系微乳液法0-0核-殼結構納米晶復合，粒度分布窄且可控。各種納米金屬復合體系三、

性能1.強度、塑性和斷裂韌性納米顆粒增強金屬基復合材料的主要強化機制為

Orowan強化、熱錯配強化、Hall-Petch強化。注意：納米顆粒在基體中的分布狀態對何種機制起主導作用具有重要影響。以納米SiC顆粒增強AZ91D復合材料時，發現：（1）顆粒完全分布于晶內時，顆粒難以阻礙晶粒的長大，細晶強化作用微小，而顆粒與基體結合良好，增強效果最好，主要增強機制為Orowan強化；（2）顆粒完全分布于晶界上時，顆粒有效地阻礙了晶粒的長大，細晶強化成為主要的強化機制，增強效果最差，主要增強機制為Hall-Petch強化。（3）顆粒在晶內晶界上均有分布時，多種強化機制共同發揮作用，增強效果隨著晶內與晶界上顆粒比例的減小而逐漸減小。2.耐磨性納米TiN/TiC/TiNi復合材料的耐磨損性優于TiC/TiNi復合材料和硬質顆粒覆蓋表面的WC/NiCrBSi材料。復合涂層的硬度和耐磨性隨著納米金剛石粉加入量的增多而提高，當復合涂層中添加的納米金剛石粉的質量分數在0.8%~10%時，其耐磨性能最好，摩擦因數可減小60%。發現10%~14%碳納米管的銅基復合材料,具有較好的摩擦性能。3.磁化性能納米級磁性材料具有高的矯頑力、低的居里溫度，顆粒尺寸小于某一臨界值時，具有超順磁性等。4.巨磁電阻效應20世紀90年代，人們在Fe/Cu、Fe/Ag、Fe/Al、Fe/Au、Co/Cu、Co/Ag等納米結構的多層膜中觀察到了顯著的巨磁電阻效應。1992年美國率先報道了Co2Ag、Co2Cu顆粒膜中存在巨磁電阻效應。在通常由鐵磁薄膜、非磁性絕緣膜所構成的三明治結構，如Fe/Al2O3/Fe中，Al2O3絕緣層厚度小于10nm。5.超順磁性用共蒸發和惰性氣體凝聚、原位氧化、原位壓實技術合成的由鐵的氧化物和銀組成的磁性納米復合材料，調節氦氣壓力為133.322Pa可得到10nm的復合顆粒。鐵納米團簇被銀晶粒包圍，作為單疇的單個晶粒表現出超順磁性。

1)性能發展方向：繼續向高硬度、高彈性模量、高屈服強度和低溫超塑性等高性能的方向發展。

2)研究發展方向：用先進的分析技術和手段深入研究界面的反應規律、界面微結構對復合材料各種性能的影響、界面結構和性能的優化與控制途徑以及界面結構性能的