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纳米涂层技术与表面纳米化

信息来源:paintkey.com  时间:2009-07-13  浏览次数:204

  在诸多纳米技术中,表面涂层制备技术是金属材料迅速获得具有特殊性能表面结构的有效手段,在近年来得到了深入的研究和广泛的应用。表面涂层技术与表面纳米化技术能够在金属材料表面快速有效地制各一层纳米结构晶体,对防止零部件的表面失效非常有效,也是赋予材料表面具有特殊功能特性的重要途径。近年来,随着工程应用领域对表面涂层性能提出了更高的要求,这也正好促进了表面涂层制备技术的不断创新和发展。因此,涂层的制备方法和涂层结构的性能研究在材料研究领域受到了普遍的重视,表面纳米结构涂层的制备和应用技术也逐渐成熟起来[474849]
  表面纳米结构涂层和表面纳米化技术是基于表面涂层技术基础上发展起来的,它将表面纳米化技术与涂层工艺结合起来,使得涂层技术获得了进一步的发展。由于纳米结构材料具有许多新的特性,使材料在获得新涂层后性能有了突破性的改变。例如,表面的纳米结构可以加速表面化学反应与扩散过程,可以改变表面的声、光、电和催化性能,可以提高表面的耐磨性能等。因此,制备纳米结构的涂层和利用纳米技术改进传统的涂层制备方法,是当今涂层制备技术的主要发展方向之一。

  如今涂层制备技术的发展已经从传统的使用单一的物理、化学方法制备表面涂层,发展到将多种物理或化学方法综合运用,通过多个物理、化学过程的共同作用,在表面制备按照设计的具有特殊功能的涂层。在金属材料表面获得纳米结构表层主要途径有三种:表面涂覆或沉积方法、表面自身纳米化方法和混合纳米化方法,如图1-4所示:



图1-4 表面纳米化过程,(a)涂覆或沉积 (b)自身纳米化 (c)混合纳米化[47]

  利用表面涂覆或沉积的方法在金属表面上制备纳米涂层分为两步,首先利用粉体制备技术获得具有纳米尺度的颗粒,再将这些颗粒通过某种表面技术(如火焰喷涂法等)固结在材料表面,形成一个与基体化学成分不同或类似的纳米结构涂层,如图1-4a所示。纳米结构涂层的主要特征是:纳米结构表层内晶粒大小比较均匀、晶粒尺寸可以控制,涂层与基体之间有明显的界面,材料的外形尺寸较处理前有所改变,表面性能有所增强。

  表面自身纳米化是采用非平衡处理的方法,增加材料表面的自由能,使粗晶组织逐渐细化至纳米量级,如图   1-4b所示。通常有两种方法:

  l、表面机械加工处理法:金属材料表面的粗晶组织在外加载荷的重复冲击下,在金属表面产生不同方向的强烈塑性变形而将表面粗大晶粒细化至纳米量级晶粒。这种由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化的过程包括:材料表面局部强烈塑性变形产生大量的缺陷,如位错、孪晶、层错和剪切带等,当位错密度增至一定程度时,位错发生湮没、重组,形成具有亚微米或纳米尺度的亚晶,另外冲击过程也导致金属表面温度升高,这将使表面具有高形变存储能的组织发生再结晶并形成纳米晶,此过程不断重复发展,最终使得表面粗大的晶粒组织细化成晶粒取向呈随机分布的纳米结构表层[9]。

  2、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,通过动力学控制来提高形核率、抑制晶粒长大速率,可以在材料的表面获得纳米晶组织。表面自身纳米化的主要特征是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明显界面,与处理前相比,材料的外形尺寸基本不变。

  混合纳米化方法是将表面纳米化技术与化学处理相结合,在纳米结构表层形成时、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,如图1-4c所示。
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