纳米金属材料论文

摘要：分析已有的研究数据及结果，并且探究表面纳米化对材料电化学腐蚀性能所产生的具体影响，能够得知表面纳米化使得材料的表面活性得到强化，进而导致活性金属材料的实际溶解速率更大，并且钝性金属材料最外面那一层就会产生钝化膜；纳米化的过程不但能够细化晶粒，通常还能够使得材料表观其他物理及力学性能发生很大的变化，鉴于此，一定要全面、科学地分析纳米材料腐蚀行为。下面是小编为大家整理的《纳米金属材料论文(精选3篇)》，仅供参考，大家一起来看看吧。

纳米金属材料论文 篇1：

块体纳米晶金属材料研究与应用现状

随着工业需求的提高和应用场景的多样化，高强度、高塑性、高韧性成为金属材料发展的必然趋势。通常情况下，可以通过固溶强化、应变强化、第二相弥散强化等方法来提升金属材料的强度，这些方法的本质都是在金属材料中引入各种缺陷，通过阻碍位错运动来实现，但往往会导致塑性的降低。因此，如何在保证高强度、高韧性的前提下提高金属材料的塑性，成为金属材料研究的关键问题川。

细晶强化是一种能够在提高强度的同时改善塑性和韧性的方法，因此备受研究人员关注。而当单相或多相金属材料基体中的晶粒被细化至纳米级别（1～100nm），即称为“纳米晶金属材料”。纳米晶金属材料相对于传统的金属材料，在强度、硬度、韧性、超塑性等力学性能方面均有较大幅度的提升，其强化机理是当晶粒被细化至纳米级别后，晶界占材料的体积百分比非常大，材料整体的缺陷密度也会相应提高，从而阻碍位错运动。自20世纪80年代德国H.Gleite暾授课题组利用惰性气体凝聚原位加压法制备出块体纳米晶金属后，纳米材料的研究及制备技术引起了研究人员的普遍重视。经过30余年的发展，纳米金属粉体、金属纳米晶薄膜的制备和材料表面纳米化技术已经比较成熟，有部分制备技术已经实现产业化，而制备块体纳米晶金属材料的报道却相对较。

本文将对块体纳米晶金属材料的特性和制备方法进行介绍，继而结合文献计量法分析当前块体纳米晶金属材料的研究热点和发展态势，最后通过对公开资料整理以及专利分析，讨论当前块体纳米晶金属材料的应用。

1纳米晶金属材料的特性及制备方法

1.1纳米晶金属材料的特性

通过细化晶粒，能够同时提高金属材料的强度、塑性和韧性。但是随着材料加工（制备）技术的发展，晶粒尺寸被加工（制备）到更细的水平，许多实验数据表明，当晶粒被细化到亚微米、纳米尺度之后，以往“强度和塑性随晶粒尺寸减小而增强”的结论并不适用。对此，国内外研究者开展了大量的工作试图阐明其机理。

1.1.1强度

在通常情况下，金属材料的屈服强度和晶粒尺寸满足霍尔—佩奇关系（Hall Perch Relationship），即晶粒尺寸越小，金属材料的强度和硬度会越大。显然，晶粒细化至纳米尺寸，理论上金属材料的强度和硬度将会有显著的提高。然而越来越多的实验数据表明，当金属材料的晶粒尺寸小于某个临界值之后，强度與晶粒尺寸会呈反霍尔—佩奇关系（anti HallPerch Relationship），即强度随晶粒尺寸减小而降低（见图1）。研究表明这个临界尺寸大约是10～50nm（不同的金属材料临界尺寸略有不同）。研究人员对此现象进行了分析，发现当晶粒尺寸（或者说晶界体积百分数）到达I临界值时，纳米晶金属材料的塑性形变的主导机制就会从位错诱导变为晶界滑移。此外，由于晶界的体积百分数增大，界面能也随之增大，纳米晶金属材料的结构并不稳定，即使在室温下也可能会出现晶粒长大的现象，使其强度降低。

1.1.2塑性

在传统的粗晶金属材料领域，降低晶粒尺寸可以在提高强度的同时增强材料的塑性。然而研究人员发现当晶粒尺寸缩小至纳米尺度时，虽然金属材料的强度或许能够得到很大的提升，但是塑性却未必能够得到增强，甚至会下降，这种现象尤其体现在金属材料的均匀延伸率上。图2反映了块体纳米晶金属材料中强度和塑性的关系，可见，大多数纳米晶金属材料处于阴影区域的左边，表明大部分纳米晶金属材料表现出高强度、低塑性。而少数落在阴影区外的点为纳米晶铜，表明金属铜在晶粒被细化到纳米尺寸后仍能保持较高的强度和塑性。此外，晶粒的细化对金属材料塑性的影响还反映在加工硬化率变差上，加工硬化率差会使材料在拉伸测试中产生应力集中，过早出现局部变形，影响材料的成型。

1.2块体纳米晶金属材料制备方法

按照原材料和工艺路径的不同，块体纳米晶金属材料的制备方法可分为2大类。第一类是“两步法”，这种方法从微观层面入手，先制备出纳米级的颗粒，再经加压、烧结获得块体纳米晶金属材料。如机械合金法、粉末冶金法、惰性气体冷凝法等;而第二类则“一步法”又可以细分成2种，一种是通过特殊工艺对宏观的块状金属材料机进行处理，将其晶粒尺寸细化至纳米级，如非晶晶化法、大塑性形变法;另一种是通过快速凝固、电沉积、等离子烧结等方法直接制备出块体纳米晶金属材料。主要制备方法及优缺点如表1。

2基于文献计量的块体纳米晶金属材料研究态势分析

在科学网（Web of Science）中的科学引文索引扩展板（sCIExpand，SCIE）数据库对块体纳米金属材料相关论文进行检索，以了解该技术领域的研究现状及发展趋势。检索式：TS一[（nano grain OR"nanograin”OR nanocrystal*）AND（alloy*OR metal*）AND（synthsi*OR prepat*）AND（bulk））NOTTI=oxid*;检索时间是2020年3月27日;检索时间范围为1990-2020年;数据库是sCIE;文献类型为全部类型，共检索到相关论文1137篇。

2.1块体纳米晶金属领域发文趋势分析

对1991-2019年间该领域年度发表的论文进行分析，结果如图3所示。可见从1994-2009年间，块体纳米晶金属材料领域的论文量总体呈上升趋势，而在2010-2019年间发文量有所回落。数据表明在1994-2009年间纳米晶金属材料研究的热度逐渐上升，在2010年之后年度发文量在60篇左右波动。这或许是由于领域的相关研究进入了一个瓶颈期，有待技术上革命性的突破。

2.2发文国家，地区分析

对相关论文通讯地址所在国家/地区进行分析，根据发文数量进行排序，结果如图4所示。中国、美国、德国、日本、印度等国家发文量排名前5，其中我国在纳米金属材料领域发文量遥遥领先，为第2名（美国）的4倍，可见我国在块体纳米晶金属材料领域具有较好的研究基础和技术储备。

2.3研究机构

对相关论文的发文通讯单位进行分析，根据发文数量进行排序，前10名如表2所示。国内主要以中国科学院、北京工业大学、燕山大学、兰州理工大学等高校及科研院所发文较多，其中以中国科学院为通讯机构的文章主要来自中科院金属研究所。国外印度理工学院、日本东北大学、德国德莱斯顿莱布尼兹固态与材料研究所等高校或科研院所发文较多。

2.4研究热点

对相关论文的关键词进行分析，整理出与制备方法、研究方向相关的关键词，如表3所示。可见机械合金法（Mechanical Alloying）、放电等离子烧结（Spark plasmasintering）、粉末冶金（PowdermetallurgY）等关键词的出现频次较多，表明研究人员多关注于“两步法”的块体纳米金属材料制备方法。其次，无定形（amorphous）、晶化（crystallization）、电化学沉积（electrodeposition）、金属玻璃（metallic glasses）等关键词频次也较高，表明非晶晶化法、电化学沉积法等“一步法”和纳米金属玻璃的制备也受到一定的关注。

3块体纳米晶金属材料应用现状及产业化前景

3.1块体纳米晶金属材料应用现状

在应用方面，块体纳米金属材料在实验中展现出比传统金属材料更好的力学性能和抗腐蚀性，理论上在生物医疗、航空航天、船舶、电子通讯、汽车、机械、核电等多个行业具有一定的应用潜力。但是根据网络调研，未见纳米金属材料大批量产业化应用的报道，少量的与应用相关报道来自于高校和科研院所的成果介绍。

兰州理工大学喇培清团队制备出了相对密度大于98%、平均晶粒尺寸小于20nm且在各个方向基本均匀，材料厚度大于10mm、直径约为90mm的纳米晶金属材料，并在某型号潜艇发动机密封环中得到了应用。

根据美国小企业技术转移创新研究计划（SBIR STTR）网站查询结果，共查询到86个相关项目信息，结果表明在2000-2015年问，美国已有较多块体纳米金属相关研究成果，并尝试投入实际生产。值得一提的是，相關项目涉及多种军事用途，如子弹弹头、个体装甲等。根据网站资料显示，项目基本于2015年前结题，并未查询到后续产业化信息。

日本早在2002年已着手组织大学和企业开发纳米金属材料，拟为航空航天、海洋开发及半导体元器件等高技术行业提供高强度、耐腐蚀、耐高温、导电性好的金属材料。对相关专利进行解读，日本纳米技术研究所在2003年通过机械合金法制备出品粒尺寸在30～80nm不等的多种纳米晶奥氏体钢。

3.2基于专利分析的块体纳米晶金属材料产业化前景分析

对块体纳米金属材料相关专利进行分析，从技术分布和成果转化的角度了解当前块体纳米晶金属材料的应用现状及前景。以检索式IPC=（C21OR C23OR C25OR C40ORC30OR C99OR B22） ANDTIAB=[（nano OR nano-grain ORnanocrystal*OR纳米晶OR纳米）AND（alloy*OR metal*OR金属）AND（synthsi*OR prepar*OR制备OR制造）AND（bulk OR块）NOT（氧化物OR oxid*）1在Incopat专利检索平台经行检索，共检索到专利472条，检索时间为2020年3月25日。

3.2.1专利技术来源及构成

对检索得到专利的申请人国别进行分析（见图5），大部分专利来自于中国，数量占总体的57%，其中我国专利的申请人类型主要为大专院校，其次是企业和科研单位。表明我国块体纳米金属材料的相关技术主要来自于高校或科研机构。

3.2.2专利技术转化情况

对472件专利的法律事件进行分析，其中71件专利发生转让，转让率为15%，领域专利转让率较高。进一步分析转让专利的受让人情况，结果如图6所示。可见有64件专利的受让人为企业，占64%;有25件专利的受让人为高校及科研院所，占24%;值得注意的是有11件专利的受让人为美国空军、美国海军等美国官方机构，表明部分专利可能用作军事用途。

4结语

块体纳米金属材料在实验中展现出比传统金属材料更好的力学性能和抗腐蚀性，能够适应更多的应用场景，理论上在航空航天、船舶、电子通讯、汽车、机械、核电、生物医疗等多个行业具有应用潜力，并具有军事用途，美国有用作子弹头、个体装甲等相关项目。

从论文发表情况来看，块体纳米晶金属材料受到了一定的关注，但是其研究可能进入了瓶颈期，有待突破。当前研究主要集中在“两步法”，其中机械合金法、放电等离子烧结、粉末冶金等方法研究较多。“一步法”中电化学沉积和非晶晶化法相对关注度较高。

我国块体纳米金属材料相关研究论文和专利的发表量遥遥领先，具有较好的研究基础和技术储备。但是国外纳米金属材料相关专利的转让率较高，且多数受让人为企业，也有军事部门。

目前仅有少数纳米金属材料试验性应用的报道，主要是一些体积较小的构件，并未出现大型构件采用块体纳米晶金属材料的相关报道。虽然美国、日本等在2l世纪初期已开展纳米金属材料的技术研究和应用项目，但后续没有产业化，这可能是由于纳米晶金属材料当前的制备技术还无法满足大批量工业生产的需求。

作者：余伟业

纳米金属材料论文 篇2：

关于表面纳米化对金属材料电化学腐蚀行为的影响探讨

摘 要：分析已有的研究数据及结果，并且探究表面纳米化对材料电化学腐蚀性能所产生的具体影响，能够得知表面纳米化使得材料的表面活性得到强化，进而导致活性金属材料的实际溶解速率更大，并且钝性金属材料最外面那一层就会产生钝化膜；纳米化的过程不但能够细化晶粒，通常还能够使得材料表观其他物理及力学性能发生很大的变化，鉴于此，一定要全面、科学地分析纳米材料腐蚀行为。

关键词：表面纳米化；金属材料；电化学腐蚀

材料表面纳米化之后，会使得力学性能得到极大的强化，并且使得表面化学进行的难度更小。可是，表面纳米化对材料耐腐蚀性能所形成的影响还要展开深入调查之后，才能够得出结论。鉴于此，本文针对表面纳米化对金属材料电化学腐蚀行为的影响，希望能够为相关研究提供借鉴与参考。

1表面纳米化的概述

1.1表面纳米化应用背景

表面纳米化是凭借物理、化学技术，使得材料表层晶粒能够细化到纳米量级，并且在材料上完成纳米级表层的制备，立足于纳米结构自身的特点，在保留材料基体性能的基础上，使得材料表面性能得到优化。工业领域中，金属材料是非常重要的一类材料，要是金属材料失效，那就会导致非常大的经济损失。在具体工况中，金属材料失效的形式包括三种：断裂、腐蚀、磨损，而通常都是因为材料表面存在缺陷或是问题，鉴于此，金属材料表面改性就显得非常重要了。站在这个层面上来分析，表面纳米化技术其实就是加强材料表面的组织及性能，进而使得材料整体性能得到有效增强。运用相对广泛的表面纳米化措施包括：表面涂层或沉积、表面纳米化与表面纳米化、化学处理相结合的混合措施。表面涂层或是沉积措施是在完成纳米尺度颗粒的制备之后，把其固结在材料表面，进而构成纳米结构表层。表面纳米化其实就是针对多晶材料，选择非平衡处理技术，使得材料表面自由能得到强化，进而使得粗晶组织能够渐渐细化成纳米量级。混合技术就是把表面自纳米工艺联用化学处理技术，在形成纳米结构表层的过程中，应该预先处理材料，并且材料表面构成和基体成分存在极大差异的固溶体或是化合物。

1.2表面纳米化技术概念

表面纳米化技术的根本机制就是借助外加载荷，进而反复作用于材料表观，进而使得多晶体金属材料表观的自由能得到提高，进而导致表面组织能够形成各个方向的严重塑性变形，并且会慢慢地把材料表面的粗晶组织细化成纳米量尺度。这种技术的特点包括：工艺简单、成本小、实现难度小；纳米层架构非常致密，化学组成和基体一致；纳米层的梯度架构非常显著，并且剥离难度较大等。借助表面纳米化技术所得到的表面纳米层和基体并不会产生肉眼可见的界线，可以显著强化材料表层与整体的性能。

2表面纳米化对金属材料腐蚀行为的影响

在实际运用过程中，材料的腐蚀其实就是由于环境介质的影响，使得材料产生变质或是被破坏。腐蚀损害材料表层，不但会使得资源和能源会产生极大的浪费，遭受极大的经济损失，还会使得环境被污染，甚至发生安全性事故。表面纳米化技术能够使得材料表面的组织结构得到有效优化，这既优化了材料的表面性能，还能够有效改善材料整体性能。表面纳米化处理能够在金属表层构建纳米层，并且其相较于表面积来说要大一些，具备较强的表面活性，对附近的环境及条件具备较强的敏感性，能够借助快速钝化的方式，使得腐蚀进程得到阻止。鉴于此，表面纳米化方式在特定环境下能够用于金属材料的防腐处理。

2.1表面纳米化对低碳钢腐蚀行为的影响

借助高能喷丸技术完成表面纳米化材料的制备时，不但应该实现材料表层的纳米化，还应该提高材料表层的粗糙度，并且将微观应力引入，由于表层粗糙化已经经过了粗糙度的测定，因此在测定腐蚀电流密度的时候，应该排除在外，鉴于此，导致表面纳米化后材料电化学腐蚀行为影响的关键参数就是微观应力及晶粒细化。而纳米材料电化学腐蚀行为的关键性影响因素就是晶粒尺度，并且材料的腐蚀行为产生了显著的尺寸效应，也就是腐蚀速率与晶粒尺度之间的关系是负相关关系。此外，微观应力也是材料腐蚀行为的主要影响因素，这具体反映在和基体之间的距离越短，尺寸效应不存在之后，材料的腐蚀速率还是会大于基材，究其原因其实就是，这个时候，纳米化材料还是具备一定的微观应力。

在晶界区域存在的原子能量常常要大于晶内原子，并且具备相对较强的反应活性。细化完材料晶粒之后，晶界体积的百分数就会提高，因此，对腐蚀行为产生影响的活性原子也会变多，进而使得腐蚀速率增大，站在各个纳米层面材料的动电位极化曲线角度上进行分析能够得出，纳米化实现之后，材料的阳极反应历程并不会发生改變，可是交换电流的实际密度会变大；但是材料的阴极吸氢反应会在强极化区域呈现出显著的受扩散控制，这是因为材料中的微观应力相对较大。

2.2磁控溅射表面纳米化Fe-20Cr合金的腐蚀性能

就钝性金属材料的电化学腐蚀行为来说，微观结构、钝性金属元素实际含量及分布均匀性都是材料腐蚀性能的实际影响因素。腐蚀介质相同的话，要是合金的构成没有不同，结构特征及钝性元素的实际分布状况就是材料钝性的决定性因素。和凭借高能喷丸技术所得到的表面纳米化合金并没有很大的区别，晶粒细化能够使得活性原子增多，并且使得材料表面钝化膜具备更强的生成能力。另外，相较于常规的Fe-20Cr合金来说，溅射纳米涂层表层铬元素的实际分布具备显著的均匀特性，而这其实就是纳米化操作完成之后，材料钝化范围增加的关键性原因。分析钝化膜中铬元素的建议分布之后能够得出，在纳米溅射涂层表层，钝化膜中铬元素一直都是均匀分布，可是铬含量基本上追赶不上F e-20Cr合金，而这其实就是纳米溅射涂层钝化膜溶解效率低的根本原因。

3结语

总而言之，不管是分析、总结纳米材料腐蚀行为，还是开发高耐蚀纳米材料，均一定要进行全面的分析及考虑，进而全方位地认识并且掌握纳米材料腐蚀性的相关知识，进而为今后的相关研究提供借鉴及参考。

参考文献：

[1]黄晶晶. AZ91D镁合金激光冲击纳米化强化机理及其性能研究[D].江苏大学，2016.

[2]张滨. Fe-Cr合金溅射纳米晶薄膜腐蚀电化学行为的XPS及第一性原理计算的研究[D].大连理工大学，2016.

[3]何亚荣. 纳米高锰钢腐蚀行为的研究[D].燕山大学，2015.

作者简介：

第一作者：房东升（1995-），男，籍贯：山东青岛，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第二作者： 张帅（1996-），男，籍贯：湖北天门，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

第三作者：高扬（1994-），，男，籍贯：河南洛阳，当前职务：学生，学历：本科，研究方向：材料成型及控制工程。

作者：房东升 张帅 高扬

纳米金属材料论文 篇3：

陈晓红：在炭与金属之间找到平衡

陈晓红 北京化工大学材料与工程学院教授，主要从事从石油渣油、煤焦油和生物质原料出发，制备先进炭材料及其应用开发的研究工作。

陈晓红说自己并不是一个很有个性或者追求叛逆的人，所以，因为从小生活在大学校园里就向往当大学生的生活；因为化学成绩很好就更加喜欢这门功课；因为父亲的专业是研究炭材料就认为这是很有意思的专业，这样的想法让她攻读到这个专业的博士后，而对这个专业的喜欢也一直延续，并将继续。

记者：先进炭材料研究是一个很宽的领域，您的新星项目主要是哪一方面呢？

陈晓红：对，炭材料的应用研究是一个很广阔的领域，我做的主要是制备先进炭材料及其作为新能源材料应用开发的研究工作。2003年申请新星计划的项目是“高性能锂离子二次电池负极材料的优化设计。”

记者：是什么原因让您当时选择了这个研究方向？

陈晓红：一个原因是这方面的研究目前是世界上的热点；另外就是我从1999年就开始进行这个方面的研究。2001〜2003年我在德国研读博士后时的研究也与之有关。2003年选报新星计划的时候，选择它作为我的研究项目是顺理成章的事情。

记者：这个项目听起来和普通人的生活息息相关。能介绍一下这个研究的基本原理吗？

陈晓红：是的，锂电池在人们的生活中普遍存在，比如手机、笔记本、照相机、摄像机等等。目前，在这方面，大功率的锂离子二次电池，如应用在电动自行车，电动汽车是研究的重点。和炭材料相比，金属或类金属及其合金材料如：锡、铝、锑、硅等作负极材料时具有很高的理论比容量，不过该类材料实际中并未得到应用，主要因为在充放电循环过程中，这类金属与锂生成合金时体积发生较大膨胀，造成材料的粉末化，导致材料性能变差。我的研究主要着眼于锂离子二次电池高性能负极材料的研究与设计，目的是将纳米金属材料与炭材料紧密结合起来，研究一种纳米金属/炭复合负极材料，使之既具有纳米合金材料的高比容量，又兼顾炭材料的高度稳定性。

记者：听起来就是用炭材料让具有高理论比容量的金属更加安全。

陈晓红：就是这个意思。纳米金属/炭复合负极材料就是，一方面将金属纳米化后锂离子二次电池充放电过程中可缩短锂离子在金属材料中的途径，从而减轻锂离子在嵌入或脱出时对材料的毁坏；另一方面，由于炭材料的膨胀系数非常小，利用炭材料的这个特性，我们就好像用碳(炭)材料给纳米金属材料制作一个有限空间，让他们在充放电循环过程中减缓膨胀，减少金属在这个过程中的损坏, 同时在最安全的情况下让金属发挥最大容量。

记者：没有炭材料提供的稳定性，金属在充放电循环过程中膨胀，是否会爆炸？

陈晓红：确实发生过这样的事情。上世纪80年代，爱立信公司用金属材料研制的锂电池就曾经发生过爆炸。从那以后人们就一直在寻找具有良好稳定性的材料，上世纪90年代的时候，日本的公司首先开始把炭材料运用到了这个领域。

记者：目前你的研究取得了什么样的成果？对未来有什么实际的期望吗？

陈晓红：目前市场上常用的锂离子二次电池充负极材料主要是炭材料，其理论上最大容量为372mA·h/g，而我们现在研究的纳米金属/炭复合负极材料取得的最稳定的数值是450mA·h/g。我希望通过自己的研究，在未来让人们的某一方面生活可以更加简便，比如手机可以一个月或者更长时间才需要充一次电。

作者：刘　俊