材料表面纳米化技术

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。

纳米陶瓷涂层技术纳米陶瓷涂层技术是指利用纳米技术制备的陶瓷涂层，主要应用于金属、玻璃、塑料等材料表面，能够提供优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能。

本文将从纳米陶瓷涂层的基本原理、制备方法、应用领域及发展前景等方面进行探讨，以期对读者有所帮助。

一、基本原理纳米陶瓷涂层是指由纳米级陶瓷颗粒组成的薄膜，在表面涂覆于物体表面。

与普通涂层相比，纳米陶瓷涂层具有优异的耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能，主要原理如下：1.纳米级陶瓷颗粒具有较高的硬度和抗磨损性能，能够有效增强涂层的耐磨损性能。

2.纳米级陶瓷颗粒对外界腐蚀介质具有较强的抵抗能力，能够有效提高涂层的防腐蚀性能。

3.纳米级陶瓷颗粒具有较高的热稳定性和耐高温性能，能够有效提高涂层的耐高温性能。

基于以上原理，纳米陶瓷涂层能够为物体表面提供优异的保护效果，广泛应用于汽车、航空航天、医疗器械等领域。

二、制备方法纳米陶瓷涂层的制备方法多种多样，常见的有物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、电沉积法等。

下面将分别对几种常见的制备方法进行介绍：1.物理气相沉积法物理气相沉积法是利用物质的物理性质在真空或低压环境下进行涂层制备的一种方法。

具体步骤包括蒸发源的加热、蒸发源的蒸发、蒸发物质的传输和沉积在衬底表面等过程。

通过控制沉积条件和衬底温度，可以制备出具有优异性能的纳米陶瓷涂层。

2.化学气相沉积法化学气相沉积法是利用气相化学反应在衬底表面进行涂层制备的一种方法。

具体步骤包括气相前驱体的裂解、反应产物的沉积和涂层的形成等过程。

通过选择合适的前驱体和反应条件，可以制备出具有优异性能的纳米陶瓷涂层。

3.溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法是利用溶胶和凝胶过程在衬底表面进行涂层制备的一种方法。

具体步骤包括制备溶胶、溶胶成型、凝胶和烧结等过程。

通过控制溶胶的成分和制备条件，可以制备出具有优异性能的纳米陶瓷涂层。

4.电沉积法电沉积法是利用电化学反应在电极表面进行涂层制备的一种方法。

具体步骤包括电解液的选择、电极的处理、电沉积过程和电沉积后的处理等过程。

纳米技术在建筑材料中的应用越来越广泛，其主要优势是可以带来材料的高性能和多功能特性，进而提高建筑材料的性能、耐久性和安全性。

以下是纳米技术在建筑材料中的一些发展与应用：
1. 纳米改性剂：通过添加纳米改性剂，可以对建筑材料进行表面改性，提高材料的耐久性、抗污染性和防水性等，从而提高材料的性能和寿命。

2. 纳米氧化物：纳米氧化物如二氧化钛和氧化锌等，可以用于建筑涂料和玻璃幕墙的制备，具有防紫外线、自清洁、抗菌等多种功能。

3. 纳米碳管：纳米碳管可以用于增强混凝土和增加其力学性能，同时还可以降低混凝土的渗透性和提高其耐久性。

4. 纳米气凝胶：纳米气凝胶可以用于隔热、保温和吸声等方面，可以有效地提高建筑墙体的节能性能。

5. 纳米硅酸盐：纳米硅酸盐可以用于制备高性能水泥基材料，如高强度混凝土、自密实混凝土等，同时还可以提高材料的抗裂性和耐久性。

总之，纳米技术在建筑材料中的应用领域广泛，可以带来很多新的功
能和性能，进而提高建筑材料的质量和安全性，促进建筑行业的可持续发展。

磷酸锰铁锂碳包覆掺杂纳米化技术磷酸锰铁锂（LiMnFePO4）是一种具有高能量密度和良好循环性能的正极材料，常用于锂离子电池中。

为了进一步提高其性能，可以采用碳包覆、掺杂和纳米化等技术进行改进。

1. 碳包覆技术：通过在LiMnFePO4颗粒表面形成一层碳包覆层，可以提高其电导率和抗氧化性能，从而提高电池的功率性能和循环寿命。

碳包覆层可以防止LiMnFePO4颗粒与电解液直接接触，减少极化现象，同时还可以稳定颗粒结构，防止颗粒的容积膨胀和粉化。

2. 掺杂技术：通过在LiMnFePO4晶格中引入其他元素的掺杂，可以调节晶体结构和缺陷，改善电子和离子传输性能。

常见的掺杂元素包括铝（Al）、钴（Co）、镍（Ni）等。

掺杂可以提高LiMnFePO4的电导率、离子扩散速率和循环稳定性，进而提高电池的性能。

3. 纳米化技术：通过控制合成过程和条件，可以制备出纳米级别的LiMnFePO4颗粒。

纳米化可以增加颗粒表面积，提高离子和电子传输速率，改善材料的反应动力学性能。

此外，纳米化还可以减少颗粒之间的扩散路径，提高颗粒的稳定性和循环寿命。

这些技术的应用可以综合提高磷酸锰铁锂正极材料的性能，包括提高能量密度、功率性能、循环寿命和安全性，从而推动锂离子电池在电动汽车、可再生能源储存等领域的应用。

1。

表面自身纳米化及其研究进展摘要：金属材料表面自身纳米化，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。

纳米结构表层与基体之问没有明砬的界面，处理前后材料的外形尺寸基本没变，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米晶体材料的优异性能与传统金属材料相结合。

关键词：表面自身纳米化；性能；应用前言很多丁程上的应用只需要改善材料的表面性能．就可以提高整个材料的综合服役性能和使用寿命，因为材料的失效一般源于材料的表面，如材料的疲劳、磨蚀疲劳、腐蚀、摩擦磨损等。

另外，为了改进一些常见的材料加丁工艺，如材料的表面渗氮、渗铬，异种金属材料的固态扩散焊接等，迫切需要改善材料的表面性能。

显然，把纳米技术与表面改性技术相结合。

实现材料的表面纳米化。

将是一个非常有潜力的领域。

近年来，徐滨士等【1-2】提出纳米表面工程的概念。

为材料表面改性开创了新的途径。

表面纳米化处理是近几年表面强化方法研究的热点之一。

这种技术将纳米晶体材料的优异性能与传统工程金属材料相结合，在工业应用上具有广阔的应用前景。

众所周知，工程结构材料的失效多始于表面，而且材料的疲劳、腐蚀、磨损对材料的表面结构和性能很敏感。

因此，表面组织和性能的优化就成为提高材料整体性能和服役行为的有效途径。

1999年，h等⋯提出了金属材料表面自身纳米化(SufaceSelf-Nanocrystallization，SNC)的概念，即在材料自身表面形成具有纳米结构的表面层。

纳米结构表层与基体之间没有明显的界面，处理前后材料的外形尺寸基本不变。

这种表面自身纳米化技术，一方面克服了目前三维大尺寸纳米晶体材料制备的技术困难，另一方面又将纳米材料的优异性能应用到了传统工程材料的表面改性技术中。

因此，这种新材料新技术具有很大的工业应用价值。

目前，表面纳米化的研究主要集中于机械加工的方法。

本文将简要介绍表面自身纳米化处理的技术特点以及对疲劳、腐蚀、磨损等性能的影响。

纳米材料表面修饰技术讲解纳米材料表面修饰技术讲解，什么是纳米材料表面修饰技术呢？为了避免纳米材料的聚集，一般会在表面修饰一些物质，常用的有表面活性剂等；也有为了实现纳米材料的改性，将一些特定基团或分子修饰在材料表面。

先丰纳米提供的纳米定制服务就包括纳米材料表面修饰技术，下面就给大家简单的介绍纳米材料表面修饰服务有哪些内容。

纳米材料表面修饰服务1.微纳米材料表面有机分子或高分子修饰：在已有在售产品的基础上，根据客户需求将一些功能有机分子或高分子通过静电组装、化学共价偶联等方法偶联到纳米材料表面。

2.生物靶向性小分子修饰的磁性纳米颗粒制备：通过EDC/NHS偶联化学将生物靶向性小分子，如RGD肽、叶酸、半乳糖、葡萄糖等，偶联到纳米材料表面，构建靶向纳米探针。

3.抗体偶联纳米材料制备：通过酰胺键、二硫键等生物相容性偶联方法将生物靶向性抗体等蛋白分子，如美罗华单抗（针对CD20）、西妥昔单抗（针对EGFR）、曲妥珠单抗（针对HER2）等，偶联到纳米材料表面，构建靶向纳米探针。

4.酶固定微纳米材料：通过酰胺键、二硫键等生物相容性偶联方法将酶分子偶联到纳米材料表面，如辣根过氧化物酶、过氧化氢酶、蛋白水解酶等，可赋予稳定化、磁分离、增强酶活性等功能。

5.RNA/DNA负载微纳米材料：通过静电、共价作用将RNA或DNA修饰在微纳米材料表面，构建核酸探针，或者对RNA、DNA进行转染或输运。

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先丰纳米是江苏先进纳米材料制造商和技术服务商，专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、黑磷、银纳米线等发展方向，现拥有石墨烯粉体、石墨烯浆料和石墨烯膜完整生产线。

自2009年成立以来一直在科研和工业两个方面为客户提供完善服务。

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南京先丰纳米材料科技有限公司2009年9月注册于南京大学国家大学科技园内，现专注于石墨烯、类石墨烯、碳纳米管、分子筛、银纳米线等发展方向，立志做先进材料及技术提供商。

纳米涂层技术的制备步骤与使用注意事项引言：纳米涂层技术是一种在材料表面形成纳米级薄膜的方法，通过纳米颗粒的堆积和排列，改变材料的性能和表面特性。

纳米涂层广泛应用于各个领域，包括工业制造、电子设备、医疗器械等。

本文将介绍纳米涂层技术的制备步骤和使用注意事项。

一、纳米涂层技术的制备步骤1. 表面处理：首先，在涂层之前需要对待涂层的物体进行表面处理，以确保涂层能够牢固附着在物体表面。

常见的表面处理方法包括机械清洗、溶剂清洗、阳极氧化等。

通过表面处理，可以去除物体表面的杂质和氧化层，提高涂层的附着力。

2. 纳米颗粒选择：根据涂层要求的性能和特性，选择合适的纳米颗粒进行涂层。

常见的纳米颗粒材料包括二氧化钛、氧化锌、氧化银等。

需要根据物体的性质和使用环境选择纳米颗粒。

3. 溶液制备：将选择的纳米颗粒与合适的溶剂混合，制备成均匀的纳米溶液。

在溶液制备过程中，需要注意控制纳米颗粒的浓度和分散性，确保涂层的质量。

4. 涂层施加：将纳米溶液涂覆在物体表面，可以使用不同的涂覆方法，如刷涂、喷涂、染色等。

在涂层过程中，需要控制涂层的厚度和均匀性，以达到预期的效果。

5. 热处理：对涂层进行适当的热处理，可以提高涂层的致密性和耐磨性。

热处理温度和时间可以根据纳米涂层的材料和厚度进行调整，以确保涂层的稳定性和性能。

二、纳米涂层技术的使用注意事项1. 安全防护：在使用纳米涂层技术时，应采取必要的安全防护措施，避免对人体和环境造成伤害。

使用过程中应戴上适当的防护手套、口罩和护目镜，避免纳米颗粒对皮肤和呼吸道的直接接触。

2. 材料选择：在制备和使用纳米涂层时，需要选择适合的材料，考虑涂层的环境适应性和耐久性。

应根据实际需求选择合适的纳米颗粒和涂层材料，以提高涂层的功能和寿命。

3. 控制条件：在制备纳米涂层时，应注意控制涂层的条件，包括温度、湿度和涂层速度等。

控制条件的合理选择可以影响涂层的结构和性能，提高涂层的质量。

4. 涂层厚度：涂层的厚度对于涂层的性能有重要影响，过厚或者过薄的涂层都可能导致性能损失。