材料表面纳米化技术

• 同质异能移d (IS)
• 同质异能移又称化学位移。同质异能移取决于原子核有 关的因子（核半径及其变化）以及与核外电子有关的因 子（原子核处电子电荷密度e|y(0)|2） ，其表达式可写 为 d=(1/5e0)Ze2R2(ΔR/R)(|y(0)|a2-|y(0)|S2)
其中R为原子核半径，|y(0)|a2和|y(0)|S2分别是放射源和 吸收源中原子核S层电子电荷密度。
形成时或形成后，对材料进行化学处理，在材料的表层 形成与基体成分不同的固溶体或化合物。
由于纳米晶的组织形成，晶界的体积分数明显增大，为 原子扩散提供了理想的通道，因此化学处理更容易进行。
激光诱导Fe基非晶合金的表面纳 米晶化
1、 激光诱导Fe基非晶软磁材料的纳米晶化
• Fe基非晶纳米软磁材料的发展 • 表面纳米化的概念 • 激光诱导Fe基非晶合金纳米化的国内外研
• 激光诱导Fe基非晶带纳米化的作用属于2、3阶段。
穆斯堡尔谱分析原理
• 穆斯堡尔谱学分析的原理主要是基于穆斯堡尔效应。非 晶的穆斯堡尔谱实际上是多个亚谱的叠加，每套亚谱均 反映一种Fe原子的组态。下面着重介绍描述穆斯堡尔谱 形状特征的几个参量：
– 同质异能移d(IS) – 电四极裂距ΔEQ(QS) – 超精细磁场Hhf
ΔEQ=(eQVzz/4)(3cos2b)/2 式核中处，电b场是梯电度场。梯通度过主对轴电与四自极旋分方裂向的间的的分夹析角，，可Vz研z为 究形变、杂质和缺陷的影响、配位场、极化、结构 等涉及共振原子核所在处电荷分布局部对称性的课 题。
• 超精细磁场Hhf
加磁外场在磁 ，原场 符子时 号核， 记处只 为常存H常h在f存，内在主磁磁要场场由HH原i，。子通H本常=身H把i未+这H满个ex壳。场层当称产吸为生收超的体精磁未细 矩所决定，可以确定物质的相或定出每个相中原子和电子 的组态。
✓ 与其他纳米材料制备方法不同的是,表面纳米化采用常规 的表面处理技术或对常规的表面处理技术进行改进即可 实现。此外，表面纳米化材料的组织沿厚度方向呈梯度 变化，在使用过程中不会剥离和分离。
✓ 因此，这种新材料有着开发应用的潜力，被认为是今后 纳米材料研究领域最有可能取得实际应用的技术之一。
(2)表面纳米化的基本原理与制备方法
图2 高速喷丸机制
图3 高速钻孔机制
（b）非平衡热力学法：将材料快速加热，使材料的表面达到熔化或相变温度， 再进行急剧冷却，通过动力学控制提高形核率、抑制晶粒长大，可以在材 料表面获得纳米晶组织。如激光加热和电子辐射。
激光束
基体材料
3） 混合方式
将表面纳米化技术与化学处理相结合，在纳米结构表层
在块状粗晶材料上获得纳米结构表层有三种方法: 表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合方式。
1） 表面涂层或沉积 首先制备出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒 固结在材料的表面，在材料表面形成一个与基体 化学成分相同（不同）的纳米结构表层。特征： 表层晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着 明显的界面，材料的外形尺寸与处理前相比有所 增加。许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、 应用潜力，如溅射、电镀和电解沉积。
（a）表面机械加工处理法：在外加载荷的重复作用下，材 料表面的粗晶组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐 渐细化至纳米级。纳米化的过程：材料表面局部强烈塑性 变形而产生大量的缺陷，如，位错、孪晶、层错和剪切带； 当位错密度增至一定的程度时，发生湮灭、重组、形成具 有高形变储能的组织也会发生再结晶，形成纳米晶；此过 程不断发展，最终形成晶体学取向呈随即分布的纳米晶组 织。总之，能够使材料表面产生局部往复强烈塑性变形的 表面处理技术都具有实现表面纳米化的潜力。
究现状
2、 激光诱导Fe基非晶表面纳米化材料
• 本实验中所用的Fe基非晶为 Fe73.5Cu1Nb3Si13.5B9、Fe78Si9B13合金薄带，由 通过单轨熔体急冷法制备，薄带试样宽度为 20mm，厚度为30mm。
激光器
反射镜
激光束 非晶带
样品台 图1 CO2激光辐照样品实验装置图
激光与材料的交互作用
• 激光与材料的交互作用从入射激光被物质反射和吸收开始。根 据材料吸收激光能量而产生的温度升高，可以分为如下几个阶 段： – 1 无热或基本光学阶段。反射、透射和吸收。 – 2 相变点以下（T＜Ts）加热。传热。 – 3 在相变点以上但低于熔点（Ts＜T＜Tm）加热。传热 和质量传递。主要工艺为激光相变硬化。 – 4 介于熔点气化点间（Tm＜T＜Tv）加热。熔池外：传 热，熔池：传热、对流和传质。主要工艺为激光熔凝 处理、激光熔敷、激光合金化和激光传导焊接。 – 5 汽化点以上（Tv<T）加热。等离子体现象。
纳米涂层（镀层） 基体材料
图1 表面纳米涂层或沉积 机制示意图
2）表面自身纳米化
对于多晶材料，采用非平衡处理方法增加材料
表面的自由能，使粗晶组织逐渐细化至纳米量级。 特征：晶粒尺寸沿厚度方向逐渐增大，纳米结构 表层与基体之间不存在界面。由非平衡过程实现 表面纳米化主要有两种方法：表面机械加工处理 和非平衡热力学法，不同方法所采用的工艺技术 和由其所导致的纳米化的微观机理均存在着较大 的差异。
1：材料表面纳米化有什么意义？目的，效果。 2：根据你的的了解，什么事材料表面纳米 化技术？ 3：如何才能实现材料表面的纳米化？方法， 过程，机理。 4：如何表征表面纳米化了的结构？
(1) 材料表面纳米化简介
✓ 大多数材料的失效发生在材料表面,因此,只要在材料表 面制备出一定厚度的纳米结构表层,即实现表面纳米化, 就能够通过表面组织和结构的优化提高的电荷分布是偏离球对称的，对于不同的 激发态，偏离程度也不同。表征这种偏离情况的参 数定义为电四极矩。当原子核周围的电荷呈非对称 分布时，在核处就会存在电场梯度。如果原子核具 有核四极矩，便会引起电四极相互作用，从而引起 核能级简并部分消除，即发生能级分裂。在不对称 参数h=0的情况下，电四极矩可表示为