大块纳米晶材料的制备、性能及应用前景

介绍了大块纳米晶材料的结构特性、性能、主要的制备方法以及纳米晶材料在工程中的应用前景。     

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。     

组元改变对镧基大块金属玻璃晶化过程的影响

利用X射线衍射仪（XRD）和差热分析仪（DSC）等设备研究了组元改变对La65Al15NixCu20-x（x=5,10,15）大块金属玻璃晶化过程以及晶化动力学行为的影响。实验结果表明,组元改变对镧基大块金属玻璃晶化有较大影响．且随着加热速率增加,品化温度提高。随着镍含量增加,镧基大块金属玻璃的晶化激活能也明显提高。     

热处理对铜基大块金属玻璃晶化过程的影响

利用差热分析仪（DSC）和X射线衍射仪（XRD）等研究了不同热处理方法对Cu60Zr20Hf10Ti10大块金属玻璃晶化过程的影响。结果表明,在698K退火1h,铜基大块金属玻璃的晶化激活能明显降低;在过冷液相区等温晶化时,随温度降低,晶化的孕育时间和过程都明显延长;不同温度下淬火处理对随后晶化过程影响很大。     

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。     

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。     

钛渣中TiO2作晶核剂对玻璃晶化的影响

制备了以钛渣和铁尾矿为主要原料,以钛渣兼作晶核剂的微晶玻璃材料,研究了Ｔｉ２含量变化对玻璃晶化的影响。采用ＤＴＡ,ＳＥＭ,ＸＲＤ等技术对该体系的晶化机理进行探讨。结果表明,当ＴｉＯ２含量小于１０％时仅产生表面晶化。而当ＴｉＯ２含量为１０％时可发生整体晶化,其活化能为１９０．６ｋｊ．ｍｏｌ＾－１,动力学参数ｍ＝３,晶体从晶界面呈三维生长。ＴｉＯ２、Ｆｅ２Ｏ３能共同促进晶化,晶体从相界面处生长,析出的     

孪晶密度和温度对纳米孪晶钛力学性能的影响

采用分子动力学方法模拟不同孪晶密度和不同温度下纳米孪晶钛单轴拉伸力学行为。模拟结果表明：室温下随着孪晶密度的降低,纳米孪晶钛的屈服强度出现先提升后降低的现象,材料存在临界孪晶密度。当孪晶密度小于临界孪晶密度时,孪晶界对晶粒的细化作用导致材料的强度提升。当孪晶密度大于临界孪晶密度时,孪晶界、晶界和两者交汇处的位错成核增殖成为材料变形的主导因素;且当孪晶密度远离临界值时,孪晶间隔变小、位错源增多,位错成核与增殖加剧,材料的强度降低。相同孪晶密度条件下,晶粒尺寸的减小会减少晶粒内孪晶界的数量,进而减少孪晶和晶界交汇处位错源的生成,增强了屈服强度。此外,温度的变化会影响原子的活跃程度和晶格的变形机制。随着温度的升高,原子间结合力下降,晶界附近原子结构无序化和HCP-BCC相变程度加剧引起材料的弹性模量、屈服强度下降,同时位错形核与运动的加剧影响了材料的塑性变形。     

纳米羟基磷灰石对钛基生物医用材料性能的影响

采用粉末冶金法制备了纳米羟基磷灰石(nHA)钛基生物医用复合材料,借助XRD、EDS、SEM、压缩弹性模量试验以及生物矿化过程和细胞活性分析,研究了10%的nHA对钛基生物医用材料结构及性能的影响。结果表明,钛基生物医用复合材料的主晶相仍为Ti,同时也有少量的Ti2O、Ti5P3和CaTiO3化合物,这些化合物分布于Ti晶粒的周围;添加nHA改变了钛生物材料的高温烧结性能,材料晶粒间孔隙明显增多;添加nHA后的钛基复合材料,压缩弹性模量仅为纯Ti试样的一半左右,接近人体皮质骨的压缩弹性模量;添加nHA后的钛基复合材料具有更好的生物活性。     

铌添加对钛基大块金属玻璃的非晶形成能力、热稳定性及机械特性的影响(英文)

(Ti40Zr25Cu9Ni8Be18)100-xNbx(x=0,1,3,4,5 at%)钛基大块金属玻璃由铜模铸制得,制得的金属玻璃由直径大于6 mm的全非晶相构成。铌添加对非晶形成能力和热稳定性的影响由X射线衍射仪,透射电子显微镜和示差扫描热量计分析研究,机械特性由MTS810型力学特性测试仪在室温下以压缩模式测量,应变速率为2×10-4 s-1。实验发现:铌的添加对非晶形成能力几乎没有影响,但使得热稳定性有所提高。随着铌含量的增加,合金表现出很高的抗断强度,当x=4时,合金表现出最高的耐压强度1945 MPa和塑性延伸7%,塑性有明显提高。扫描电子显微镜分析表明,(Ti40Zr25Cu9Ni8Be18)96Nb4的高延展性是由于形成了高密度的剪切带的原因。     

热膨胀法研究一种Ti基块体金属玻璃的结构转变行为（英文）

利用真空电弧熔炼和喷铸方法制备了直径为3 mm的Ti40Zr25Ni8Cu9Be18大块金属玻璃棒材。在推杆式热膨胀仪上利用连续升温热膨胀方法研究了该Ti基金属玻璃的结构转变行为。研究发现,该非晶合金的结构转变行为分为5个不同的阶段,分别为弛豫准备阶段,结构弛豫阶段,一级晶化阶段,二级晶化阶段和晶粒长大阶段。TEM观察发现,热膨胀后形成了20 nm左右的纳米晶。研究还发现,该Ti基金属玻璃热膨胀曲线上的特征温度与DSC曲线上的特征温度具有很好的一致性。     

退火对表面机械研磨处理纳米化工业纯钛性能的影响

通过表面机械研磨处理(SMAT)在工业纯钛表面制备出具有纳米晶体特征的表面层,并对其进行不同温度的退火,利用光镜、分层显微硬度测试和极化曲线测量等手段,分别研究了机械研磨处理对工业纯钛和不同退火温度对表面机械研磨处理纳米化工业纯钛性能的影响.结果表明,表面纳米化使工业纯钛在0.5 mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性变差,而低温退火可改善SMAT处理工业纯钛在0.5mol/L H2SO4溶液中的耐腐蚀性能.工业纯钛经表面纳米化+低温退火处理,可以提高其表面的硬度和耐腐蚀性能.     

纳米金刚石含量对网状结构钛基复合材料组织与性能的影响

通过对钛粉表面修饰聚乙烯醇,利用交联反应使纳米金刚石(NDs)均匀分布在球形钛粉末表面,然后采用放电等离子烧结技术成功制备了网状结构分布的纳米金刚石增强钛基复合材料。研究了不同NDs含量对复合材料组织结构、导热性能与压缩性能的影响。结果表明,部分NDs与Ti原位反应生成了Ti C,其与残留的NDs呈三维网络状分布在TA1纯钛基体中,网络尺寸为100～200μm。导热测试结果表明,随着增强相含量的增加,复合材料的热导率呈下降趋势;压缩实验表明:Ti-1.0%NDs(质量分数)复合材料有较优异的性能,强度提高的同时仍然保持了高塑性。材料断裂时主要是沿网状结构界面处断裂,几百微米尺寸的网状结构起到加固梁的作用,而网络状内部存在着大量纯钛晶粒仍保持较低的硬度和良好的塑性,从而有效的调和了钛基复合材料强度和塑性的矛盾。     

Fe基非晶及纳米晶合金的制备和电化学腐蚀行为

分别采用单辊甩带法和非晶晶化退火法制备出非晶及纳米晶合金Fe73.5Si13.5B9Nb3Cu1;利用DSC、XRD和TEM对该非晶合金的晶化行为进行了分析;并用电化学极化曲线的方法和电化学阻抗技术研究了该非晶合金经不同温度退火后在1mol/LHCl溶液里的电化学腐蚀行为。结果表明,该非晶合金的晶化过程出现2个阶段。当退火温度为500℃时,合金尚未晶化,仍保持非晶态;当温度达到550℃时,出现了晶化衍射峰,晶粒平均直径约13nm;当温度达到600℃时,晶粒平均直径约为15nm。经过退火得到的纳米晶合金的腐蚀电位大于未退火的非晶,且阳极电流密度变得更低,表明纳米晶状态时的耐腐蚀性能比非晶状态的更好。该非晶合金未退火、550℃退火和600℃退火时的EIS均由单一容抗弧构成,具有一时间常数;且随着退火温度升高,电化学反应电荷转移电阻在增大。     

预退火时间对Pd40Cu30Ni10P20玻璃转变及晶化的影响

采用示差扫描量热(DSC)分析方法,测定了大块非晶合金Pd40Cu30Ni10P20经523 K((Tg-100 K)＜7＜Tg)不同时间(0～64 h)预退火后的玻璃转变温度7g、玻璃转变峰温度TM、起始晶化温度Tx、晶化峰的峰温Tp、晶化焓以及在玻璃转变过程中的比热容增量,并根据Kissinger公式计算了晶化的表观活化能.同时,测量了不同时间预退火后样品的显微硬度.结果表明:在玻璃转变温度以下的预退火处理使Pd40Cu30Ni10P20大块非晶合金的微观原子组态发生变化,从而影响了其随后的玻璃转变行为,但对晶化的影响不大.其显微硬度随预退火时间的延长而逐步增加后趋于稳定.并利用结构弛豫理论分析了预退火对玻璃转变、晶化和显微硬度的影响.     

纳米钛基杂化材料对水性环氧涂层组织结构和耐蚀性能的影响

目的 研究不同纳米钛基杂化材料含量对水性环氧树脂涂层组织结构和耐腐蚀性能的影响。方法 以纳米钛基杂化材料为填料,采用物理共混法对水性环氧涂料进行改进,通过铅笔硬度测试、十字划格附着力测试、扫描电镜(SEM)、傅里叶变换红外光谱(FT-IR)、电化学测试以及盐雾试验等方法对涂层的力学性能、微观形貌、组织结构及耐蚀性能进行检测。结果 随着纳米钛基杂化材料含量的增加,涂层硬度逐渐上升,由HB变为3H,并且涂层的附着力保持为0级,同时涂层的防腐性能随纳米钛基杂化材料含量的增加先增强后减弱。当纳米钛基杂化材料质量分数为10%时,涂层最为致密,涂层的腐蚀电位最高,为-1.024 9 V,腐蚀电流密度最小,为8.09×10^-8A/cm²,涂层低频部分的阻抗模值最大,为7.6×10⁵?·cm²,较纯水性环氧树脂涂层提升了3倍,并且在60d的盐雾试验后涂层表面状况最佳,表现出良好的防腐性能。结论 纳米钛基杂化材料可以明显改善环氧树脂乳胶颗粒团聚的现象,提升涂层的致密性,增加涂层的铅笔硬度,增强涂层的防腐性能。     

Ag元素添加对Cu-Zr-Al基金属玻璃纳米压痕行为的影响

采用铜模吸铸法制备得到不同Ag含量的Cu45Zr45Al10-xAgx(x=1、2、3、5,原子分数,％)金属玻璃.利用纳米压痕技术系统地探讨了Ag元素添加对Cu-Zr-Al基金属玻璃纳米塑性变形行为的影响.借助经验方程拟合纳米压痕蠕变曲线求得应变速率敏感指数(m),进而计算出蠕变过程中的剪切转变区体积(Ω).通过Ko...     

超音速火焰喷涂FeCrSiBMn非晶/纳米晶涂层的长期腐蚀行为（英文）

采用超音速火焰(HVOF)喷涂技术制备FeCrSiBMn非晶纳米晶涂层,涂层厚度为700μm,孔隙率为0.65%。利用动电位极化曲线和电化学阻抗谱测试研究FeCrSiBMn涂层和对比样镀铬层在3.5%溶液中的长期腐蚀行为。结果表明,与镀铬层相比,FeCrSiBMn涂层具有较高的腐蚀电位和较低的腐蚀电流密度。FeCrSiBMn涂层的孔隙电阻(Rp)和电荷转移电阻(Rct)比镀铬层的高。此外,在Na Cl溶液中浸泡28 d后,FeCrSiBMn涂层表面仅观察到微小的孔隙。FeCrSiBMn涂层与镀铬层相比具有优异的耐腐蚀性能。这主要与FeCrSiBMn涂层致密的结构,较低的孔隙率及非晶相的存在有关。     

制备条件对Zr基大块金属玻璃复合材料组织与性能的影响

分别采用低压铸造／水冷铜模急冷成形和熔体水淬的方法制备了Zr56.2：Ti13.8Nb5.0Cu6.9Ni5．6Be12．5内生β相／BMG基体复合材料，表征了材料的微观组织特性，测试了材料的室温压缩性能。结果表明，复合材料的微观组织特性，包括β相的体积分数、形貌和尺寸等，对其制备条件是非常敏感的。不同的制备方法、不同的试样形状与尺寸提供了不同的熔体冷却速率。相对低的熔体冷速导致了更多、更粗大的卢相的形成；复合材料的室温压缩性能取决于其微观组织特性，多而粗大的β相使材料的宏观塑性应变明显增加。     

纳米晶金属的结构及其中扩散行为的研究现状

介绍了纳米金属晶体的微观结构,主要包括晶界结构、晶粒结构及结构稳定性;并对原子在纳米晶金属中的扩散行为的研究现状进行了综述。