块状金属纳米材料的制备技术进展及展望(1)

块状金属纳米材料的制备技术进展及展望

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摘要综述了国内外块状纳米材料的制备技术进展及存在的问题。提出了超短时脉冲电流直接晶化法和深过冷直接晶化法两类潜在的块状金属纳米晶制备技术，并对今后的研究及发展前景进行了展望。

关键词纳米晶块体材料制备非晶晶化机械合

金化深过冷

DEVELOPMENOF BULK METAL NANOMETEMATERIALS PREPARATION TECHNOLOGIES AND THEIR ESTIMATE ABSTRACT Onthe basis of the summarization of bulk metal nanocrystalline materials preparation methods,two potential technologies:super short false current direct crystallization method and high undercooling direct crystallization method are the end,the development and application prospects of various methods are also estimated.

KEYWORDSbulk nanometer material,preparation of materials,crystallization of amorphous alloys,mechanical alloying,high undercooling

Correspondent:Zhang Zhenzhong Northwestern Polytechnical University,State key Laborotry of

Solidification Processing Xi'an 710072

自80年代初德国科学家成功地采用惰性气体凝聚原位加压法制得纯物质的块状纳米材料后] 1],纳米材料的研

究及其制备技术在近年来引起了世界各国的普遍重视。由于纳料材料具有独特的纳米晶粒及高浓度晶界特征以及由此而产生的小尺寸量子效应和晶界效应，使其表现出一系列与普通多晶体和非晶态固体有本质差别的力学、磁、光、电、声等性能]2],使得对纳米材料的制备、结构、性能及其应用研究成为90年代材料科学研究的热点。为使这种新型材料既有利于理论研究，又能在实际中拓宽其使用范围，探索高质量的三维大尺寸纳米晶体样品的制备技术已成为纳米材料研究的关键之一。本文综述国内外现有块状金属纳米材料的制备技术进展，并提出今后可能成为块状金属纳米材料制备的潜在技术。

1现有块状金属纳米材料的制备技术

惰性气体凝聚原位加压成形法

该法首先由教授提出[1],其装置主要由蒸发源、液氮冷却的纳米微粉收集系统、刮落输运系统及原位加压成形系统组成。其制备过程是：在高真空反应室中惰性气体保护下使金属受热升华并在液氮冷镜壁上聚集、凝结为纳米尺寸的超微粒子，刮板将收集器上的纳米微粒刮落进入漏斗并导

入模具，在10-6Pa高真空下，加压系统以1〜5GPa的压力

使纳米粉原位加压成块。采用该法已成功地制得Pd、Cu、Fe、Ag、Mg Sb、Ni3AI、NiAl、TiAl、Fe5Si95 等合金的块状纳米材料［3］。近年来，在该装置基础之上，通过改进使金属升华的热源及方式以及改良其它装备，可以获得克级到几十克级的纳米晶体样品。纳米超饱和合金、纳米复合材料等也正在利用此法研究之中。

目前该法正向多组分、计量控制、

多副模具、超高压力方向发展。

该法的特点是适用范围广，微粉表面洁净，有助于纳米材料的理论研究。但工艺设备复杂，产量极低，很难满足性能研究及应用的要求，特别是用这种方法制备的纳米晶体样品存在大量的微孔隙，致密样品密度仅能达金属体积密度的75%〜90%这种微孔隙对纳米材料的结构性能研究及某些性能的提高十分不利。近年来，尽管发展了一些新的纳米粉制备方法如电化学沉积［4］、电火花侵蚀］5］等方法，但与这些方法相衔接的纳米粉的分散、表面处理及成型方法尚未得到发展。

机械合金研磨结合加压成块法

MA法是美国INCO公司于60年代末发展起来的技术。它是一种用来制备具有可控微结构的金属基或陶瓷基复合粉末的高能球磨技术：在干燥的球型装料机内，在高真空Ar2

气保护下，通过机械研磨过程中高速运行的硬质钢球与研磨

体之间相互碰撞，对粉末粒子反复进行熔结、断裂、再熔结的过程

使晶粒不断细化，达到纳米尺寸］ 6 ］。然后、纳米

粉再采用热挤压、热等静压等技术］7 ］加压制得块状纳米

材料。研究表明，非晶、准晶、纳米晶、超导材料、稀土永磁合金、超塑性合金、金属间化合物、轻金属高比强合金均可通过这一方法合成。

该法合金基体成分不受限制、成本低、产量大、工艺简单，特别是在难熔金属的合金化、非平衡相的生成及开发特殊使用合金等方面显示出较强的活力，该法在国外已进入实用化阶段。如美国INCO公司使用的球磨机直径为2m长3m 每次可处理约1000kg粉体，这样的球磨机1993年在美国安装有七座，英国安装有二座，大多用来加工薄板、厚板、棒材、管材及其它型材。近年来，该法在我国也获得了广泛的重视。其存在的问题是研磨过程中易产生杂质、污染、氧化及应力，很难得到洁净的纳米晶体界面，对一些基础性的研究工作不利。

非晶晶化法

该法是近年来发展极为迅速的一种新工艺，它是通过控制非晶态固体的晶化动力学过程使晶化的产物为纳米尺寸的晶粒。它通常由非晶态固体的获得和晶化两个过程组成。非晶态固体可通过熔体激冷、高速直流溅射、等离子流雾化、固态反应法等技术制备，最常用的是单辊或双辊旋淬法。由

于以上方法只能获得非晶粉末、丝及条带等低维材料，因而还需采用热模压实、热挤压或高温高压烧结等方法合成块状样品］8］。