梯度纳米结构材料研究
纳米结构材料及其技术在太阳能电池中的应用和发展现状
纳米结构材料及其技术在太阳能电池中的应用和发展现状王二垒，张秀霞，杨小聪，张绍慧（北方民族大学电信学院，宁夏银川750021）摘要：太阳能电池的发展和利用离不开太阳能电池材料和技术的发展，文中对纳米结构材料及其技术在太阳能电池和太阳能光电转化技术中的应用和发展现状做了简要综述。
介绍了多元化合物太阳电池纳米材料、染料敏化太阳电池纳米材料和有机聚合物太阳电池结构纳米材料的研究现状和技术创新，并指出其发展趋势。
关键词：太阳能电池；阳能电池材料；纳米结构材料；光电转化中图分类号：O 484.4文献标识码：A文章编号：1674－6236（2012）24-0184-04Application and development of NANO -structured materials andtechnologies for solar cellsWANG Er -lei ，ZHANG Xiu -xia ，YANG Xiao -cong ，ZHANG Shao -hui（School of Electronics and Information Engineering ，North National University ，Yinchuan 750021，China ）Abstract:The development and use of solar cells can not be separated from the development of solar materials and technologies ，this paper summarized the application and development of NANO -structured material and technologies for solar cells and solar photoelectric conversion.The study status and technology innovation for multi -element compounds solar cells of NANO -structured materials ，dye -sensitized solar cells of NANO -structured materials and organic polymer solar cells of NANO -structured materials were introduced ，the development tendency were also been pointed out.Key words:solar cells ；solar cell material ；NANO -structured material ；photoelectric conversion收稿日期：2012-08-28稿件编号：201208157基金项目：国家自然科学基金资助项目（60844006）；北方民族大学研究生创新项目（2012XYC040；2012XYC041）；宁夏高等学校科学研究项目基金（2011JY002）；北方民族大学科学研究专项任务项目基金（2011XJZKJ02）；北方民族大学大学生创新项目（CJJ-CX-DX-40；CJJ-CX-DX-39）作者简介：王二垒（1985—），男，河南商水人，硕士研究生。
梯度界面及强韧化机制研究_概述说明以及解释
梯度界面及强韧化机制研究概述说明以及解释1. 引言1.1 概述梯度界面及强韧化机制的研究已成为材料科学领域中一个重要的研究方向。
梯度界面是指两种互不相容或具有差异性质的物质之间逐渐过渡的界面，在这个过渡区域内，一些特殊的效应和现象被引入，从而显著改变了材料的力学性能和功能特性。
而强韧化机制则是指通过改变材料内部结构和微观组织，使其在受力条件下能够更加耐用、抗损伤，并展示出优异的力学性能。
1.2 文章结构本文将分为五个主要部分进行阐述。
首先，在引言部分将对梯度界面及强韧化机制进行简要介绍并说明其重要性。
接着，在第二部分将详细探讨梯度界面的定义与特点、生成方法以及在材料领域中的应用案例。
第三部分将着重探究强韧化机制的重要性和意义，对其分类与原理进行解析，并总结其在工程领域中的应用前景。
进一步地，第四部分将探讨梯度界面与强韧化机制之间的关联研究，包括梯度界面对强韧化机制的影响分析、梯度界面优化设计策略与方法的探讨，以及结合梯度界面和强韧化机制的新材料开发前景展望。
最后，在第五部分将总结文章主要研究成果，并指出存在问题及改进方向，展望未来研究方向。
1.3 目的本文旨在全面系统地介绍梯度界面及强韧化机制在材料科学中的研究进展和应用前景。
通过对相关理论、方法和实践案例进行归纳整理和深入解析，探讨梯度界面与强韧化机制之间的关联性，并为未来材料设计提供新思路和方向。
同时，也希望能够引起广大科研人员对于该领域的重视，促进领域内各方合作交流，共同推动材料科学领域的发展。
2.梯度界面研究：梯度界面是指两个或多个不同材料之间的过渡区域，其中化学成分、晶体结构和物理性质等在空间上呈现出逐渐变化的趋势。
梯度界面具有独特的结构和特点，使得材料具备优异的性能和功能。
本节将探讨梯度界面的定义与特点、梯度界面的生成方法以及梯度界面在材料领域的应用案例。
2.1 梯度界面定义与特点：梯度界面是由两个或多个相邻材料之间形成的一个连续过渡层。
梯度纳米结构材料研究
知识文库 第6期247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。
金属材料表面纳米化研究与进展
表面技术第53卷第4期金属材料表面纳米化研究与进展杨庆，徐文文，周伟，刘璐华，赖朝彬*（江西理工大学 材料冶金化学学部，江西 赣州 341000）摘要：大多数金属材料的失效都是从其表面开始的，进而影响整个材料的整体性能。
研究表明，在金属材料表面制备纳米晶，实现表面纳米化，可以提升材料的表面性能，延长其使用寿命。
金属材料表面纳米化是指利用反复剧烈塑性变形让表层粗晶粒逐步得到细化，材料中形成晶粒沿厚度方向呈梯度变化的纳米结构层，分别为表面无织构纳米晶层、亚微米细晶层、粗晶变形层和基体层，这种独特的梯度纳米结构对金属材料表面性能的大幅度提升效果显著。
根据国内外表面纳米化的研究成果，首先对表面涂层或沉积、表面自纳米化以及混合纳米化3种金属表面纳米化方法进行了简要概述，阐述了各自优缺点，总结了表面自纳米化技术的优势，在此基础上重点分析了位错和孪晶在金属材料表面自纳米化过程中所起的关键作用，提出了金属材料表面自纳米化机制与材料结构、层错能大小有着密不可分的联系，对金属材料表面自纳米化机制的研究现状进行了归纳；阐明了表面纳米化技术在金属材料性能提升上的巨大优势，主要包括对硬度、强度、腐蚀、耐磨、疲劳等性能的改善。
最后总结了现有表面强化工艺需要克服的关键技术，对未来的研究工作进行了展望，并提出将表面纳米化技术与电镀、气相沉积、粘涂、喷涂、化学热处理等现有的一些表面处理技术相结合，取代高成本的制造技术，制备出价格低廉、性能更加优异的复相表层。
关键词：金属材料；表面纳米化；梯度纳米结构；纳米化机理；表面性能中图分类号：TG178 文献标志码：A 文章编号：1001-3660(2024)04-0020-14DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2024.04.002Research and Progress on Surface Nanocrystallizationof Metallic MaterialsYANG Qing, XU Wenwen, ZHOU Wei, LIU Luhua, LAI Chaobin*(Department of Materials Metallurgy and Chemistry, Jiangxi University ofTechnology, Jiangxi Ganzhou 341000, China)ABSTRACT: It is well known that the failure of most metallic materials starts from their surfaces, which in turn affects the overall performance of the whole material. Numerous studies have shown that the preparation of nanocrystals on the surface of metallic materials, i.e., surface nanosizing, can enhance the surface properties of materials and extend their service life. Surface nanosizing of metallic materials makes use of repeated violent plastic deformation to make the surface coarse grains gradually收稿日期：2023-02-23；修订日期：2023-06-29Received：2023-02-23；Revised：2023-06-29基金项目：国家自然科学基金项目（52174316，51974139）；国家重点研发计划项目（2022YFC2905200，2022YFC2905205）；江西省自然科学基金项目（20212ACB204008）Fund：National Natural Science Foundation of China(52174316, 51974139); National Key Research and Development Program of China (2022YFC2905200, 2022YFC2905205); Natural Science Foundation of Jiangxi Province (20212ACB204008)引文格式：杨庆, 徐文文, 周伟, 等. 金属材料表面纳米化研究与进展[J]. 表面技术, 2024, 53(4): 20-33.YANG Qing, XU Wenwen, ZHOU Wei, et al. Research and Progress on Surface Nanocrystallization of Metallic Materials[J]. Surface Technology, 2024, 53(4): 20-33.*通信作者（Corresponding author）第53卷第4期杨庆，等：金属材料表面纳米化研究与进展·21·refine to the nanometer level, forming nanostructured layers with gradient changes of grains along the thickness direction, including surface non-woven nanocrystalline layer, submicron fine crystal layer, coarse crystal deformation layer and matrix layer, and this unique gradient nanostructure is effective for the significant improvement of surface properties of metallic materials. The process technology and related applications of nanocrystalline layers on the surface of metallic materials in China and abroad are introduced, and the research progress of high-performance gradient nanostructured materials is discussed.Starting from the classification of the preparation process of gradient nanostructured materials and combining with the research results of surface nanosizing in China and abroad, a brief overview of three methods of metal surface nanosizing, namely, surface coating or deposition, surface self-nanosizing and hybrid nanosizing, was given, the advantages and disadvantages of each were discussed and the advantages of surface self-nanosizing technology were summarized. On the basis of this, the key role of dislocations and twins in the process of surface self-nanitrification of metallic materials was analyzed, and the mechanism of surface self-nanitrification of metallic materials was inextricably linked to the material structure and the size of layer dislocation energy, and the current research status of the mechanism of surface self-nanitrification of metallic materials was summarized. Finally, the key technologies required to be overcome in the existing surface strengthening process were summarized, and future research work was prospected. It was proposed to combine surface nanosizing technology with some existing surface treatment technologies such as electroplating, vapor deposition, tack coating, spraying, chemical heat treatment, etc., to replace the high-cost manufacturing technologies and prepare inexpensive complex-phase surface layers with more excellent performance.Techniques for the preparation of gradient nanostructured materials include surface coating or deposition, surface self-nanosizing, and hybrid surface nanosizing. Surface coating or deposition technology has the advantages of precise control of grain size and chemical composition, and relatively mature process optimization, etc. However, because the coating or deposition technology adds a cover layer on the material surface, the overall size of the material increases slightly, and there is a certain boundary between the coating and the material, and there will be defects in the specific input of production applications.In addition, the thickness of the gradient layer prepared by this technology is related to the deposition rate, which takes several hours to prepare a sample. The surface self-nanitrification technique, which generates intense plastic deformation on the surface of metal materials, has the advantages of simple operation, low cost and wide application, low investment in equipment and easy realization of unique advantages. The nanocrystalline layer prepared on the surface of metal materials with the surface self-nanitrification technique has a dense structure and no chemical composition difference from the substrate, and no surface defects such as pitting and pores, but the thickness of the gradient layers and nanolayers prepared by this technique as well as the surface quality of the material vary greatly depending on the process. Hybrid surface nanosizing is a combination of the first two techniques, in which a nanocrystalline layer is firstly prepared on the surface of a metallic material by surface nanosizing technology, and then a compound with a different composition from the base layer is formed on its surface by means of chemical treatment.To realize the modern industrial application of this new surface strengthening technology, it is still necessary to clarify the strengthening mechanism and formation kinetics of surface nanosizing technology as well as the effect of process parameters, microstructure, structure and properties on the nanosizing behavior of the material. For different nanosizing technologies, the precise numerical models for nanosizing technologies need to be established and improved, and the surface self-nanosizing equipment suitable for industrial scale production needs to be developed. In the future, surface nanosizing technology will be combined with some existing surface treatment technologies (e.g. electroplating, vapor deposition, adhesion coating, spraying, chemical heat treatment, etc.) to prepare a complex phase surface layer with more excellent performance, which is expected to achieve a greater comprehensive performance improvement of the surface layer of metal materials.KEY WORDS: metal material; surface nanocrystallization; gradient nanostructures; nanocrystallization mechanism; surface properties金属材料在基建工程、航空航天中扮演着重要角色，随着当今科学技术的高速发展，传统金属材料的局限性日趋明显，开发一种综合性能优异的金属材料迫在眉睫。
梯度纳米结构材料
梯度纳米结构材料
梯度纳米结构材料具有许多独特的性质和应用潜力。
首先，梯度结构
材料可以通过调控材料的内部结构和成分来优化其力学性能。
传统的均匀
结构材料往往在受力过程中会出现应力集中的问题，从而导致材料的脆性
断裂。
而梯度纳米结构材料可以在表面和内部结构上逐渐改变，从而在不
同区域具有不同的硬度和韧性特性，增强了材料的强度和耐久性。
其次，梯度纳米结构材料在光学和电子学领域也具有广泛的应用潜力。
由于梯度结构材料可以在不同区域具有不同的光学特性，因此可以用于制
造具有特定波长选择性吸收和反射特性的材料。
这种材料在太阳能电池、
光学镀膜和光电器件等领域有重要应用。
此外，梯度纳米结构材料在生物医学领域也具有重要的应用潜力。
例如，梯度纳米结构金属材料可以用于制造具有特定生物相容性和抗菌性的
医疗器械；梯度纳米结构生物陶瓷材料可以用于制造具有类似骨骼结构的
人工关节和骨折治疗材料，提高其与人体组织的相容性和生物活性。
为了制备梯度纳米结构材料，现有的方法主要包括物理蒸发沉积、溅
射沉积、原子层沉积和热处理等。
这些方法的共同特点是在制备过程中控
制材料的化学反应和物理过程，使得材料的结构和性质逐渐变化。
例如，
通过控制沉积速率和温度梯度，可以使材料的晶粒大小和取向在不同区域
发生变化，从而形成梯度纳米结构材料。
总之，梯度纳米结构材料在材料科学和工程领域中具有广泛的应用前景。
随着对纳米材料制备和表征技术的不断改进，相信梯度纳米结构材料
将在未来的科学研究和工业应用中发挥重要作用。
纳米金属材料强韧化方法研究
纳米金属材料强韧化方法研究王英; 蒋鑫; 洑佳程; 温贻芳; 龚肖新【期刊名称】《《苏州市职业大学学报》》【年(卷),期】2019(030)004【总页数】6页(P6-11)【关键词】纳米材料; 金属材料; 韧性强化【作者】王英; 蒋鑫; 洑佳程; 温贻芳; 龚肖新【作者单位】苏州市工业职业技术学院机电工程系江苏苏州 215104【正文语种】中文【中图分类】TB31工业制造，材料先行。
新材料产业被认为是21世纪发展最具潜力并对未来发展有着巨大影响的高技术产业。
制造既强又韧的材料也是人类长期追求的目标。
自20世纪80年代初，德国材料科学家Gleiter[1]首先提出了纳米晶体材料(nanocrystalline materials)的概念，并成功制备出铜等金属的块体纳米晶体后，纳米晶体材料的诞生，引起世界范围内对新材料的关注，开启了对纳米材料、微纳米力学和纳米科技方面研究的新时代。
纳米晶体材料指的是晶粒尺寸介于1 nm到100 nm之间的多晶体材料。
随着材料晶粒尺寸的细化，纳米材料表现出许多其他材料所不具备的特性，如小尺寸效应、量子效应、表面效应和宏观量子隧道效应。
正是由于这些特性导致其具有传统粗晶材料所不具备的一系列优异的电、力、磁以及化学和光学特性[2-5]。
尤其是力学特性方面，纳米材料表现出高强度、高硬度和高耐磨损的性能[6-8]，这些特性使其在工程应用方面具有巨大的发展优势。
韧性是强度和塑性的综合指标，是材料塑性变形到断裂整个工程耗散的功，只有强度和塑性都高的材料才具有良好的韧性。
然而，很多实验表明纳米晶体材料的强度虽然很高，但是塑性和延展性非常差，有的轴向拉伸率甚至很少超过5%[9]。
这也是为什么纳晶材料韧性差的原因。
早期研究认为，这种低韧性的主要原因是由于材料在制备的过程中存在缺陷，如孔洞、裂纹和夹杂物。
但是近年来，随着制备工艺的不断进步，研究人员已经制备出高致密度、高纯度、近乎无缺陷的块体纳米材料，通过实验验证，在拉伸延展性和韧性依然存在问题。
应变梯度及其诱导的电极化
应变梯度及其诱导的电极化1.引言1.1 概述概述应变梯度是材料研究中一个重要的概念，它指的是在材料内部或表面存在的应变变化率。
应变梯度的存在可以引起许多变化和现象，其中之一就是电极化的诱导。
在材料中，应力会引起应变的产生，而应变梯度是应变分布的变化率。
应变梯度的大小和方向可以对材料的性质和行为产生显著的影响。
当应变梯度存在时，材料内部的电极化现象会被诱导出来。
电极化是指材料内部形成正负电荷分离的过程。
通常情况下，材料内部的原子或分子是无序排列的，没有明确的电荷分布。
然而，当材料受到应变梯度的影响时，原子或分子的位置会发生变化，从而引发电荷的重分布。
这种电荷分离形成了电极化。
应变梯度对电极化的诱导作用是通过改变材料内部的电荷分布引起的。
当应变梯度存在时，正负电荷会集中在材料的不同区域，形成电极化。
这种电极化现象对材料的性能和行为具有重要影响，例如在应用中产生的电场强度、电介质的电导率等。
除了电极化诱导外，应变梯度还在材料研究中有着广泛的应用。
例如，在材料的力学性能研究中，应变梯度被用于描述材料内部的应变分布情况。
通过分析材料中的应变梯度，可以揭示材料的强度、韧性等力学性质。
综上所述，应变梯度的存在可以引发电极化现象，并对材料的性能和行为产生重要影响。
了解应变梯度及其诱导的电极化对于材料研究和应用具有重要意义。
接下来的文章将详细介绍应变梯度的概念和影响因素，并探讨其在材料研究中的应用。
1.2文章结构文章结构：本文将以以下三个主要部分展开讨论：引言、正文和结论。
引言部分将介绍本文的研究背景和意义，概述应变梯度及其诱导的电极化的基本概念，并明确本文的目的。
正文部分将包括两个主要的子节：应变梯度的概念和应变梯度的影响因素。
在应变梯度的概念部分，我们将详细解释应变梯度是指物体中应变随位置改变的速率，并探讨其在材料研究和物理现象中的重要性。
在应变梯度的影响因素部分，我们将讨论影响应变梯度大小和方向的因素，如应变大小、形状和材料的特性等。
梯度纳米结构材料
梯度纳米结构材料梯度纳米结构材料的制备方法多种多样，可以通过机械合金、热处理、晶粒生长控制、化学合成等方式实现。
其中，机械合金是一种常用的制备方法，它通过机械碾磨和球磨等手段将粉末颗粒细化并混合，然后进行烧结得到梯度纳米结构材料。
此外，还可以通过电化学方法、溶剂热反应、溶胶-凝胶法等制备梯度纳米结构材料。
梯度纳米结构材料在材料科学和工程领域有着广泛的应用。
首先，梯度纳米结构材料具有优异的力学性能，如高韧性、高强度等，适用于制备高性能结构材料。
其次，梯度纳米结构材料具有优异的热稳定性和抗氧化性能，可用于高温环境下的应用。
此外，梯度纳米结构材料还具有优异的导热性能和电子传输性能，可用于制备高效能源材料和电子器件等。
梯度纳米结构材料的研究面临着一些挑战。
首先，梯度纳米结构材料的制备过程复杂，需要准确控制多个参数，如合金组分、温度、压力等，制备过程中的微小误差都会对材料的结构和性能产生重要影响。
其次，目前对于梯度纳米结构材料的制备机理和性能-结构关系的理解还不完全，需要进一步深入研究。
随着纳米科学和技术的不断发展，梯度纳米结构材料将有更广阔的应用前景。
例如，在航空航天、汽车、新能源等领域，梯度纳米结构材料可以用于制备轻量、高强度的结构材料，提高能源转换效率和储能性能。
此外，梯度纳米结构材料还可以用于生物医学领域，如制备可降解的植入材料、高效的药物传递系统等。
综上所述，梯度纳米结构材料是一类具有特殊结构的纳米材料，其制备方法多样，应用领域广泛。
随着纳米科学和技术的不断发展，梯度纳米结构材料将有更广阔的应用前景。
然而，目前对于梯度纳米结构材料的制备机理和性能-结构关系的理解还不完全，需要进一步深入研究。
大自然创造的神奇材料
大自然创造的神奇材料作者：成琳岚来源：《大自然探索》2020年第11期美丽的雀尾螳螂虾拥有斑斓的色彩、圆圆的眼睛，细弱的双腿好似水中浮动的杂草。
这种虾看起来一点儿攻击性也没有，但在它那看似普通的甲壳下，却潜藏着一种非凡的武器——附肢。
一旦螳螂虾受惊，它那棒槌状的附肢便会以比一级方程式赛车更大的加速度向前推进，其产生的巨大力量可以击碎水族馆的玻璃缸！这可是螳螂虾的一种非凡的能力！尤其是，螳螂虾的这些具有致命力量的附肢，其组织成分并没什么特别，和人类的骨骼或牙齿中的物质成分差不多。
在大自然中，这样的神奇动物还不止螳螂虾一种。
许许多多的动植物都已能够仅仅利用简单的自然原料（如矿物质、蛋白质和糖类等），在没有任何人类工业机械的帮助下，创造出足以与人类设计制造的任一复杂产品相媲美的结构。
对于自然界如此神奇的能力，人类一直都很想模仿。
经过科学家多年的潜心研究，这些大自然工程材料结构的奥秘才逐渐被人们所揭示。
直到最近，我们才可以复制并利用这些结构中的组分在纳米级上的排列方式。
随着人类的制造技术及原材料的改进，科学家开始寻求超越自然——借鉴从自然中获取的秘诀，去重新设计一种新型材料——超级金属。
金属，其显著特点是其非同一般的强度与韧性。
不妨用粉笔和奶酪来比喻这两个特性。
粉笔比奶酪坚硬，能够抵抗载荷而不会弯曲，但粉笔韧性差，易碎且容易折断;奶酪较粉笔硬度差很远，但非常柔韧，在断裂前先变形。
金属材料虽然强度与韧性兼有，但金属有个弱点：任何试图提高金属自然强度的尝试，都会降低金属的韧性。
数千年来，人类一直没有停止使用金属这种材料，但科学家们也一直想要改变金属的弱点。
如果钢材在不降低其韧性的情况下有了更高的强度，其使用效率便会提高。
这意味着不管是飞机、无人机还是汽车，都可以减轻重量。
这不仅可以节省成本，还可节省燃料，并能减少会导致地球变暖的二氧化碳排放量。
新的改良金属还可以用于减轻置换的髋关节、仿生手、机器人和管道等结构的重量，也能增强钢筋混凝土的强度和航天器外涂层的强度（以避免航天器因受撞击而损毁）。
增材制造聚合物功能梯度材料研究进展
化工进展Chemical Industry and Engineering Progress2023 年第 42 卷第 12 期增材制造聚合物功能梯度材料研究进展曹伯洵1，2，3，曹良成1（1 中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆 400714；2 中国科学院大学重庆学院，重庆 400714；3中国科学院大学，北京 100049）摘要：聚合物功能梯度材料（PGMs ）是一种以聚合物为连续相，多种材质相互耦合，组成结构和性能在材料空间方向上进行连续梯度变化的非均质复合材料。
传统PGMs 制备方法存在原理复杂、难定制、通用性差等问题。
本文介绍了增材制造（AM ）基于“离散-堆积”的成型原理和优势，综述了适用于PGMs 的增材制造技术：熔融沉积成型、直写成型、立体光固化、喷射成型和选择性激光烧结的功能梯度材料成型基本原理、材料特点和性能。
虽然在增材制造制备PGMs 的过程中存在缺乏设计准则、表征方法和系统研究方法等问题。
但是，随着对增材制造新概念材料进行基础科学研究的深入，以及针对特定使役条件和工艺性能的具体应用不断发展，增材制造将成为PGMs 制备的一种极佳方法。
关键词：聚合物；复合材料；多尺度；功能梯度材料；增材制造中图分类号：TF145.9；TQ311 文献标志码：A 文章编号：1000-6613（2023）12-6429-09Advances of polymer functionally gradient materials byadditive manufacturingCAO Boxun 1，2，3，CAO Liangcheng 1(1 Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China;2Chongqing School, University of Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China;3University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)Abstract: Polymer functionally gradient materials (PGMs) are heterogeneous polymer-based composites, where their compositions or structures change continuously in one or multi-spatial directions. Traditional methods for preparing PGMs suffer from complexity, customization difficulties, and poor universality. This article introduced the advantages of additive manufacturing(AM) based on the “discrete-stacking”principle and summarized the fundamental principles, material characteristics and properties of PGM formation using AM techniques, including fused deposition molding, direct ink writing, vat photopolymerization, materials jetting and selective laser sintering. Although preparing PGMs using AMposed challenges such as the lack of design criteria, characterization methods and systematic research methods, AM would become an excellent method for PGM preparation with the deepening of basic scientific research on new AM materials and the continuous development of specific applications for service conditions and process performance.综述与专论DOI ：10.16085/j.issn.1000-6613.2023-0056收稿日期：2023-01-12；修改稿日期：2023-03-07。
金属材料中梯度结构的研究
金属材料中梯度结构的研究摘要：对近年来金属材料梯度结构的研究进展作了简要综述，介绍了梯度结构的制备工艺，以及梯度结构对金属材料性能的影响。
探讨了梯度结构在基础科学中存在的问题，并对其在工业中的应用做了展望。
关键词：金属材料；梯度结构；制备工艺；性能近年来，超细晶、纳米晶金属材料的研究已较为成熟，由于其大量界面(如孪晶界、晶界)的存在，表现出与金属粗晶材料截然不同的物理化学性能[1]。
在不改变材料化学成分的情况下，通过细化晶粒获得超细晶、纳米晶能使金属材料的硬度及强度显著提高，是制备高强度金属材料的有效途径。
然而，在晶粒细化过程中大量缺陷的产生是不可避免的，这导致超细晶、纳米晶金属材料在拥有高强度的同时塑性、韧性降低。
这些性能缺陷制约了超细晶、纳米晶金属材料的应用和发展[2]。
最新研究指出，对金属材料的结构单元(如片层厚度、晶粒尺寸等)进行多层构筑，可使金属材料表现出超细晶、纳米晶结构高强度和高硬度性能的同时保留粗晶结构的塑性与韧性。
梯度结构是多层构筑重要的类型之一，梯度结构是指材料中结构单元的尺寸在空间上呈梯度变化的结构[3]。
当金属材料结构尺寸降低到一定程度时，会产生例如磁性转变为非磁性、导体转变为非导体等性能上的突变。
通过在金属材料中制备梯度结构，能使不同尺寸的结构单元之间相互作用、相互协调，从而避免这种性能突变的产生。
1梯度结构的制备工艺1、1梯度的物理或化学沉积常用的物理沉积方法有溅射沉积、激光沉积等。
在这些方法中，使用不同的实验参数会导致金属材料组织与结构有显著区别，因此可通过对实验参数的控制达到化学成分或微观组织梯度分布的效果。
将TiC相通过激光沉积的方法梯度分布在基体中，形成TiC成分梯度结构。
这种结构使材料表面硬度提升了1、5倍，同时高温耐磨性也显著提高[4]。
常用的化学沉积方法有化学气相沉积(CVD)、电化学沉积等。
动力学是影响化学沉积材料中组织与结构的主要因素，因此可通过对动力学的控制达到化学成分或微观组织梯度分布的效果。
潜心科研辟新路无畏困难攀高峰——记浙江大学“百人计划”研究员周昊飞
先锋人物
Avant character 人物简介
浙江大学工程力学系“百人计划”研究员，博士生导
师，国家特聘青年专家。
2013年获浙江大学固体力学博士学位。
and
——记浙江大学“百人计划”研究员周昊飞
■
先锋人物
Avant character 有、有毒元素的使用，不利于国民经济和和谐社会的可持续发展。
为了应对上述挑战，近20年来科学界一直致力于开发新一代的跨尺度结构金属材料，为人类解决材料领域面临的可持续发展难题提供了一个全新的思路。
“回到浙江大学就像回家一样，一想到要继续在这里生活工作我就特别激动。
”依托浙江大学雄厚的科研实力及宽广的科研平台，阔别母校5年后，周昊飞选择回到母校就职，一方面是继续自己的科研
梦想，另一方面是研究并利用综合性能优异的新型金
属材料，积极响应国家可持续发展的号召。
“未来我将带领团队针对纳米、梯度和多级结构金属材料，开展实验、理论和跨尺度计算的系统研究，重点关注材料微结构跨尺度引起的优越的力学性能以及独特的微观变形机理；同时将运用力学理论和
多尺度计算模拟等已具备扎实基础的研究手段，从研究跨尺度结构金属材料的力学性能和行为入手，逐周昊飞研究员和导师杨卫院士（右一）以及王自强院士（左一）合影周昊飞研究员与高华健院士合影。
低维第五主族纳米材料的研究进展 从结构性质到制备应用
Abstract:The zero band gap of graphene and low carrier mobility of molybdenum disulfide hinder their applications in electronic device. The successful preparation of single-layer black phosphorous and the direct band gap, higher carrier mobility and negative poisson’ s ratio of phosphene make up for the shortcomings of graphene and molybdenum disulfide, which has triggered great research interests on the low-dimensional group-VA nanomaterials. It enables the rapid development of low-dimensional group-VA nanomaterials in the fields of materials science and optoelectronics. Recent research results on the low-dimensional group-VA nanomaterials are summarized in this paper. Combining theoretical calculations and experimental synthesis, relationship between the structure and performance of the materials is analyzed. Finally, the preparation methods and applications of the above materials are summarized. The low-dimensional group-VA nanomaterials exhibit a variety of crystal structures, high dynamic stability, versatile electronic structures and higher carrier mobility and other characteristics. Such properties make low-dimensional group-VA nanomaterials have a wide range of applications in lowdimensional optoelectronic devices. Key words:low-dimensional nanomaterial; phosphorene; arsenene; antimonene; bismuthene; two-dimensional semiconductor
梯度纳米结构材料
梯度纳米结构材料梯度纳米结构材料的制备方法主要有物理气相沉积、化学气相沉积、电化学沉积、溶液真空沉积等。
这些方法能够控制材料的沉积速率、温度、压力等参数，从而实现纳米尺度结构的控制。
此外，还可以通过控制沉积条件变化的方式，使材料在沉积过程中发生化学组成、物理结构的改变，进而形成梯度纳米结构。
梯度纳米结构材料的研究主要集中在其物理性能和化学性能的研究。
在物理性能方面，梯度纳米结构材料表现出了很多独特的物理性质。
例如，梯度纳米结构材料的织构性能使其具有优异的力学性能，可以提高材料的强度、硬度和韧性。
此外，梯度纳米结构材料还具有独特的热导率、电导率和声学性质，能够应用于热电材料、传感器和超导材料等领域。
在化学性能方面，梯度纳米结构的复合材料可以通过调控化学组成和晶体结构实现表面解吸、电化学反应等催化性能的优化。
梯度纳米结构的催化材料在催化活性和选择性方面表现出优异的性能，因此在催化反应、能源转换以及环境保护等领域具有重要应用价值。
梯度纳米结构材料在实际应用中具有广泛的应用前景。
例如，梯度纳米结构材料可以用于制备高强度、低密度的结构材料，用于航空航天、汽车和船舶等领域。
此外，梯度纳米结构材料还可以用于制备高效的光伏电池材料、超级电容器材料和储氢材料等能源领域。
另外，梯度纳米结构材料还可以应用于生物医学领域，例如用于制备人工骨骼、人工关节和药物传递系统等。
总之，梯度纳米结构材料是一种具有多层次结构的纳米材料，具有独特的物理和化学性质。
梯度纳米结构材料在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景，可能在航空航天、能源转换、生物医学等领域发挥重要作用。
因此，对于梯度纳米结构材料的研究和应用具有重要意义。
放电等离子烧结(SPS)制备WCCo梯度结构硬质合金的研究
ｍｏｕｌｄｍｇ ａｎｄ ｓｐａｒｋ ｐｌａｓｍａ ｓｉｍｅｒｉｎｇ（ＳＰＳ）．Ｔｈｅ ｅ丘ｂｃｔＳ ｏｆ ｓｉｍｅｒｉｎｇ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｎ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｍｉｃｒｏｓｔｎｌｃｔｌｌｒｅ，ｍｉｃｍｈａｒｄｒｌｅｓｓ ａｎｄ丘ａｃｔＩｌｒｅ ｔｏｕｇ｝１ｎｅｓｓ ｐｒｏｐｅｎｙ ｗｅｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ． Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｍ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｎｅａｒ ｍｅ掣ａｄｉｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆ如ｅ、ｎｌｅ ｖ耐ａｔｉｏｎ ｏｆｍｉｃｒｏｈａｒｄｎｅｓｓ ａｌｏｎｇ ｔｌｌｅ ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｃ ｂｉｎｄｅｒ ｓｔａｔｅ ｂｅｔ、Ⅳｅｅｎ ｇｒａｄｉｅｎｔ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＹＧｌＯ何Ｇ２０ Ｆａｄｅｄ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｎｌａｔⅡｌｅ ＹＧｌ ０ ｐｏｗｄｅｒ ｗｉｔｈ １斗ｍ ＷＣ ａ１１ｄ ｔｈｅ ｏｆ ＹＧ２０ ｐｏ、ｖｄｅｒ ｗｉｍ ９ｐｍ ＷＣ ｃａＩｌ ｂｅ ｃｏｍｐａｃｔｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｌｌｒｅ ｏｆ １１６０℃．Ｔｈｅ ｇｒａｉｎ ｓｉｚｅ ｉｓ ｈｏｍｏｇｅｎｅｏＩｌｓ ｉｎ ｅａｃｈ ｌａｙｅＬ Ｔｈｅｒｅ ｈａｓ ａ ｍｅｔａｌｌｕ唱ｙ ｃｏｍｂ协ｅ ｂｅｔｗｅｅｎ也ｅ伊ａｄｉｅｍ ｉｍｅｒｆｈｃｅｓ．Ｔｈｅ ｈａｒｄＩｌｅｓｓ ｉｎ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＹＧｌ ０ ｉｓ １５５０～１６００ Ｋ∥眦ｍ２ ａｎｄ １０５０ Ｋｇ／ｍｍ２ ｉｎ ｌａｙｅｒ ｏｆ ＹＧ２０；ｔｈｅ ｔｏｕｇｌｍｅｓｓ ｉｎ ＹＧｌ０ ｉｓ １２．６２Ｍｐａ．ｍ“２ ｂｍ ｔｈｅｒｅ ｈａｓ ｎｏ ｃｒａｃｋ ａｒｏｕＩｌｄ ｔ１１ｅ ｉｎｄｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎ ＹＧ２０ ｌａｙｅｒ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ １０ａｄ ｏｆ ３０Ｋｇ￡Ｔｈｅ ｂｅｎｄ ｓ仃ｅｎｇｍ ｏｆ ＹＧｌＯ／ＹＧ２０ ａｌｌｏｙ ｓｉｎｔｅｒｅｄ ａｔ １１６０℃ｂｙ
晶粒尺寸 梯度结构策略
最有前途的缓解策略之一是梯度纳米结构金属的开发，其中微观结构表现出从表面到材料主体的晶粒尺寸梯度。
该策略引入了机械载荷下的异质变形模式，粗晶粒增加塑性，小晶粒可以高强度变形。
这些梯度金属通常是通过高压扭转等各种工艺在表面引入严重的塑性变形而制造：机械轧制、机械研磨、表面机械研磨和激光喷丸处理。
这些金属也可以通过电沉积和物理气相沉积等沉积工艺制造。
由此产生的梯度纳米结构金属允许定制强度和延展性，与均匀的粗晶微结构相比，通常具有更好的结果。
例如，Fang等人表明梯度Cu薄膜的屈服强度是粗晶Cu的10倍，具有相当的延展性。
此外，由于表面强度高，这些金属已被证明可以改善断裂韧性、疲劳和磨损。
虽然这种纳米结构金属表现出改进的机械性能，但纳米晶区域仍预计在热和机械方面不稳定，在高温或机械载荷下显示出显著的晶粒长大。
此外，表面严重的塑性变形方法预计会引入大量晶体缺陷，降低机械载荷下的潜在应变硬化效应，并容易发生热效应。
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梯度纳米结构材料研究
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。