金属纳米涂层

金属材料中灰铸铁和粉末冶金材料是普遍应用的材料。灰铸铁是一种广泛使用的工程材料，其生产成本低，并且有许多优良的性能，如优良的减振性、较高的耐磨性、极好的铸造工艺性和切削加工性，所以目前是工业上应用最广泛的一类铸铁。粉末冶金是一种通用工艺，具有广阔的应用前景。汽车中的一些总成或部件，诸如发动机、变速器及底盘等都装有许多粉末冶金零件。粉末冶金还应用于农业机械、航天等领域，以及用于制造小型与大型器具、办公机械、电气仪表、草场和庭园设备、锁与小五金零件、医疗设备、越野机械、电动与手动工具、体育用品及自动记录仪器等。这两种材料由于其工艺特点，表面力学性能较差，灰铸铁在铸造过程中，由于合金凝固收缩和析出溶解在合金液内的气体，往往在铸件中形成肉眼难以发现的疏松和针孔，导致铸件在液体气体压力下产生局部渗漏，产生内部疏松、气孔等缺陷，从而使其性能受到影响。粉末冶金是用成形-烧结法制造材料与制品的技术，因而粉末冶金件内部孔隙度较大，表面性能较差。若能对这两种材料进行表面改性，对提高其寿命，改善其表面性能具有重要意义。自然界存在多种优良性能的天然生物材料，例如植物中竹、木、荷叶及动物的骨、肌腱、韧带、贝壳等。组成生物天然复合材料的原始材料（成分）从多糖到各种各样的蛋白质、无机物和矿物质，虽然这些原始材料的力学性质并不好，但是这些材料通过优良的复合与构造，形成了具有很高强度、刚度以及韧性的生物天然复合材料。天然生物材料由于长期进化的结果，形成了适应环境的优良结构和性能，其结构之精细，功能之优异，都为我们进行材料的制备和表面改性提供了天然的蓝本。天然生物材料是由无机物和有机物经过分子自组装而形成的复杂的多级结构。生物体总是从分子/生物大分子自组装形成细胞器/细胞，细胞间相互识别聚集形成组织，从组织再到器官，最后到单个的生物体，甚至生物个体生存也依赖于群体中个体通过一定的识别/自组织/协同等作用。自然界告诉我们复杂功能的实现大多经历从小到大（bottom-up）的多尺度分级有序自组织/协同过程。生物分级复合结构，由于在纳米和微米尺寸下的周期结构，使其力和稳定性能相对优于其它技术系统。除此之外，为了适应特定的环境，系统能通过变化结构的周期性去优化结构来调整它们的机械性能。分级结构是生物体最显著的特征，分级结构又包括两类，第一类为宏观结构与微观结构具有相似性的分级结构，典型的如毛发、骨骼，这种从纳米到宏观的分级结构具有典型的分形特征。第二类为层状分级材料，典型的如海洋贝类的壳体，贝壳为有机/无机的层状结构，骨骼骨密质与骨松质的梯度分布，以及竹材、木材增强纤维的梯度分布等。我们在新材料的设计和新的表面改性技术开发的时候，以天然生物材料作为我们仿生设计的蓝本。天然生物材料其结构的精巧是人工材料所无法比拟的，要想人工合成与天然生物材料结构相似的材料，就要实现在纳米尺度之上的材料的自组装，随着仿生材料科学及纳米技术的不断发展，与其它交叉学科诸如医学、化学、物理、电子等交叉融合不断深入，人类在实现纳米尺度上的自组装将会变成现实。

天然生物材料大多是复合材料，它们具有分级、有序的特征。有序性是从分子到纳米、微米和宏观层次，最终在不同层次上形成不同的分级结构。天然生物材料的梯度结构是生物分级、有序特征的一种表现形式，这种分级结构使生物材料显示出了良好的机械性能，在保持较高的强度的基础上，材料的韧性得到改善。

整体结构是一个由基部向上直径逐渐递减的圆锥形空心结构，每隔几厘米至几十厘米

有一个竹节，由节的横隔壁组成一个纵横关联的整体，宏观上呈现直径递减梯度结构。

决定材料力学性质的主要成分，纤维管束为增强相，且是长纤维增强，分布在纤维管

束之间的薄壁基本组织起着缓冲作用，增强了竹材的弹性和韧性。纤维管束在竹材表面分布密集，而到竹材里层则渐渐稀疏，竹材纤维管束的梯度分布使竹材表面具有良好的耐磨性，

纵向具有较好的韧性，整体呈现较好的强韧性。

竹材的拉伸强度和密度曲线、杨氏模量、弯曲强度和压缩曲线的变化趋势和拉伸强度类似。这些性能都是在竹干的竹青部分有最高值，然后沿着厚度方向逐渐降低。纤维管束在竹材表面分布密集，而到竹材里层则渐渐稀疏，竹材纤维管束的梯度分布使竹材表面具有良好的耐磨性，纵向具有较好的韧性，整体呈现较好的强韧性。

这种新型的复合材料的弯曲强度和导电性能都有显著的提高。由于竹纤维梯度分布的结构特点，十分有利于抗弯性能，符合优化设计原理。将竹干进行拓扑变换，提出了仿竹优化梁模型，其中纤维以梁的中线面为对称而分布。这一模型以碳纤维环氧树脂进行了验证。试验结果指出，仿竹结构复合材料的平均弯曲强度比具有同量基体和纤维但结构分布均匀的复合材料的平均强度高81％，最高者达到103％

2.1 激光熔覆法制备n-Al2O3/Fe 仿生梯度复合涂层

激光熔覆是一个极快速的动态熔化与凝固过程，冷却速度快（高达106℃/s），发生非平衡凝固，组织细小，因此能有效地防止纳米材料的团聚。同时由于纳米材料的超微尺寸，有利于在熔覆区与热影响区的冶金结合，从而使熔覆层与基体间产生良好的结合，提高表面硬度，进而提高表面耐磨性。本文采用激光熔覆法进行了灰铸铁与粉末冶金材料n-Al2O3/Fe 仿生梯度复合涂层的制备。

2.2 复合电沉积法制备n-Al2O3/Ni-Co 仿生梯度纳米复合涂层

复合电沉积技术由于工艺易于控制、成本低、沉积速度快、复合镀层多样化等优点，近年来在工业中广泛应用，纳米颗粒作为第二相颗粒进行复合镀层的制备，现在也越来越引起关注。与普通镀层相比，纳米复合镀层中由于存在大量纳米粒子，纳米粒子本身具有的很多独特的物理及化学性能，使得纳米复合镀层表现出很多优异的性能。

由纳米粒子通过复合镀技术制备而成的纳米复合镀层，与具有相同组成、微粒粒径在微米尺度的普通复合镀层相比，很多性能都能得到大幅度提高，而且性能提高的幅度往往随纳米粒子粒径的减小而增大。这些性能包括：硬度、耐磨性能、抗高温氧化性能、电催化性能、光催化性能等。

复合涂层表面的疏水性特征是由表面非光滑的形态特征和涂层（AL2O3）的成分决定的。

纳米表面改性层耐磨性显著提高。随着纳米氧化铝含量的增大，其耐磨性增大，摩擦系数增大。随载荷增大，磨损量增大，摩擦系数减小；灰铸铁纳米表面改性后，其磨损机制为犁削磨损。

粉末冶金材料表面激光熔覆法制备的n-Al2O3/Fe 的组织。

将涂层材料涂到粉末冶金材料表面进行激光处理。激光熔覆快速冷却与凝固的特点，使熔覆层晶粒细小、致密，有效地阻止了纳米材料的长大,同时纳米粒子的超微尺寸也有利于熔覆层与基体的冶金结合。

纳米材料用于制备仿生材料，自组装制备无机纳米材料和生物分子的混合材料引起人们的极大关注。目前，直接去控制和调整纳米结构以更好地适应生物系统的整体性能，例如，控制纳米结构的尺寸，调整表面层来增强水溶性、生物相容性和生物识别。