研究现状1  表面纳米化的基本原理和制备方法在块体粗晶材料上获得具有纳米结构的表层有三种基本的方式[7-9]:表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合表面纳米化，如图1所示，以下分别给以介绍。64036

（1） 表面涂层或沉积

利用其它纳米粉体制备技术制备具有纳米尺度的颗粒，将颗粒固结在材料的表面，形成一个与基体化学成分相同或不同的纳米结构表层(图1-1(a))。这种材料的主要特征是获得的表层纳米晶大小比较均匀，晶粒尺寸可以控制，但表层与基体之间存在着明显的界面，并且材料外形尺寸较处理前有所增加。 

许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、应用的潜力，如CVD、PVD、电镀、溅射和电解沉积等，整个工艺的关键是实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间的牢固结合[10]。

（1） 表面自身纳米化[11]

采用非平衡的处理方法增加材料表面的自由能，可以使粗晶组织逐渐细化至纳米量级(图1-1(b))。这种材料的主要特征是晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。由非平衡过程实现表面纳米化主要有表面机械(加工)处理法和非平衡热力学法两种。表面机械处理法主要特点是使外加载荷以不同的方向重复地作用于材料的表面，以使材料表面的晶粒通过不同方向的塑性变形而逐渐细化到纳米量级。总体来说，能够使材料表面产生往复强烈塑性变形的表面机械处理技术都具有实现表面纳米化的潜力，如表面机械研磨处理(SMAT)法[12]、超音速颗粒轰击法[13]、凸轮辊压法[14]、气动喷丸法[15]和超声表面摩擦法等，利用这些技术已分别在钢铁材料和有色金属及其合金等常规工程金属材料上制备出纳米结构表层。论文范文

非平衡热力学法采用快速加热，使材料的表面达到熔化或相变温度，再进行急剧冷却，通过动力学控制来提高形核速率并抑制晶粒长大速度，可以在材料的表面获得纳米晶组织。实现快速加热一冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。

图1-1 图中所示三类的表面纳米化工艺

流程:(a)表面涂层或沉积;(b)表面自纳米化;(c)混合表面纳米化

（2） 混合表面纳米化

将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层形成时或形成后对材料进行化学处理，可在材料的表层获得与基体化学成分不同的固溶体或化合物(图1-1(c))。由于纳米晶组织的形成，材料表面晶界的体积分数明显增大，这为原子的 

扩散提供了理想的通道，可显著地降低化学处理的温度和时间、提高元素渗入的浓度和深度，从而使得材料的化学处理更容易在低温下进行。将前两种方式进行对比可以看出，由表面机械处理而导致的表面自身纳米化更具有开发应用潜力，这一方面是由于表面纳米晶组织与基体组织之间不存在明显的界面，材料在使用过程中不会因外界条件(如温度和应力状态等)的变化而发生剥层和分离；另一方面是因为表面纳米晶组织与基体组织之间呈梯度变化，可为研究强烈塑性变形导致的晶粒碎化机理提供理想的样品。

2  表面机械研磨处理

实现块体材料表面自纳米化的关键是在表层中引入大量的缺陷或界面，从而使微观结构转变成纳米微晶。换句话说,晶粒细化到纳米级需要发生在表层，而基体的粗粒度结构保持不变。表面机械研磨[16,17]是一种有效的在金属材料上实现了表面自纳米化的技术。图1-2是SMAT的试验装置示意图。具有光滑表面的球形钢