梯度纳米结构材料研究

周弦

目前，国内外对梯度纳米结构材料的研究主要体现在：作用机理、制备方式、梯度纳米结构加工、实际技术应用等方面。鉴于此，本文对梯度纳米结构材料进行概述，从阐述梯度纳米结构材料的制备内容着手，简单分析梯度纳米结构材料在工业生产中的具体应用。

引言：梯度纳米结构是指材料的结构单元尺寸（如晶粒尺寸或层片厚度）在空间上呈梯度变化，从纳米尺度连续增加到宏观尺度，材料宏观上许多物理化学性能在空间上也呈现梯度变化。梯度纳米结构所对应的强度变化范围会有很大的拓宽，因而可实现强度的大范围调控。同时结构尺寸的梯度变化有别于不同特征尺寸结构（如纳米晶粒、亚微米晶粒、粗晶粒）的简单混合或复合，有效避免了结构特征尺寸突变引起的性能突变，可以使具有不同特征尺寸的结构相互协调，同时表现出各特征尺寸所对应的多种作用机制，使材料的整体性能和使役行为得到优化和提高。

1 梯度纳米结构的概述

1.1 梯度纳米结构的内涵

纳米结构就是指纳米量级的材料能够通过自身的晶界，在材料中体现出一种与普通的晶界不一样的效果，能够增强材料的性能。但是随着强度和硬度的显著提高，纳米结构材料的塑性和韧性显著降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差，这些性能的恶化制约了纳米结构材料的应用。所以，梯度纳米结构，应运而生。

1.2 梯度纳米结构的分类

由于在结构中各种晶界的类型不同，在基本结构的两种以及两种以上的晶界类型进行复合的时候，能够形成晶界复合结构，从结构的微观示意图中，能够看出，这些复合的结构，在复合过程中，既能够保留原有结构中晶粒大小尺寸，又能够使自身拥有新的排序方式：孪晶密度成梯度的变化。而通过这样的方式，使晶界发生迁移等现象，由于复合晶界中的这一特殊结构，能够让在晶界中出现的滑移与迁移两种变化形态至今产生竞争关系，这样就能够使梯度纳米结构，在性能上不断的增强，延展性也较好。因此在化学成分和相组成相同的条件下，梯度纳米结构可以分为四类：（1）梯度纳米晶粒结构：结构单元为六边形或五边形等轴状晶粒。（2）梯度纳米孪晶结构：结构单元为亚结构——孪晶，晶粒尺寸均匀分布。（3）梯度纳米层片结构：结构单元为二维层片状晶粒。（4）梯度纳米柱状结构：结构单元为一维柱状晶粒。上述四种结构无论哪一种结构单元在晶粒尺寸上，都呈现出纳米至宏观的变化，成梯度变化。

2梯度纳米结构的制备

梯度纳米材料通常可通过梯度塑性变形和梯度物理或化学沉积方法进行制备，本文以梯度塑性变形制备为例进行介绍，通常采取的制备方法为压入法、研磨法、碾压法三种。

2.1 压入

主要依托硬质的压头（球状）或者通过压头对材料便面进行充分碾压，通过这样方式能够在材料的表面产生重复塑性变形，表层能够根据应对塑性的应变量和变速的频率对梯形的深度、大小进行不断地调整，并且应变量能够随着表面压入的次数增多而增多。

2.2 碾磨

碾磨方式就是利用壓头（球状）在材料上反复进行移动，主要是想要利用压头与材料之间的摩擦力，让这个摩擦力与材料之间发生反应变化，表层能够根据应对塑性的应变量和变速的频率对梯形的深度、大小进行不断地调整，并且摩擦力能够随着表面压入的次数增多而增多。

2.3 碾压

通过压头（球状）对材料进行压力的释放，使得压头能够在材料表面上进行来回的滚动，通过表层对应对塑性的应变量和变速的频率对梯形的深度、大小进行不断地调整，并且碾压次数能够随着表面压入的次数增多而增多。

3 梯度纳米结构的应用

在工业化生产中，通常可利用梯度纳米化处理技术与其他低成本材料加工技术结合，替代高成本加工技术，达到降低材料制备成本的目的。例如，通过利用机械研磨设备，对材料进行表面的纳米化处理，这项设备技术能够地材质为轴承钢的材料进行表面材质的处理，处理后的钢材具有了梯度纳米结构，能够在性能上有着大幅度的提升。在不改变材质的条件下，增强对材料结构的利用程度，让这类钢材的耐磨性得到提高，从原有的3天的使用寿命，增加到9天，提升了三倍。不仅能够减少企业在生产中资源的消耗，还能够在一定程度下加强对资源的使用效率，提高企业的生产效率，降低成本。

梯度纳米结构的优异性能可通过对材料或零部件的局部处理实现有选择性性能提高，从而提升整体材料或零部件的性能和寿命。主要是针对零件中某一部分经常会在生产运行中受到磨损，通过提升这部分的性能，能够有效的减少零件的报废率，增加零件的使用寿命。例如，在进行焊接的时候，焊接接头经常出现磨损的情况，通过对接头进行梯度纳米结构处理，能够有效的增强接头稳定性与强度，使焊接接头不会发生断裂的现象。在轴类零件中，轴径的过渡段通常会发生疲劳断裂，严重制约着轴类零件的寿命，通过表面梯度纳米化处理，可以有效的提升整个轴类零件的使用寿命。

结论：发展梯度纳米结构的制备加工技术，以满足更广范围和更深层次的工业应用，还需进一步解决扩大纳米结构梯度变化范围，实现梯度纳米结构的精确调控等问题，从而产生高效、便捷、低成本的制备加工技术。

（作者单位：陕西国防工业职业技术学院）