金属材料表面纳米化的研究现状

纳米材料的研究进展与应用随着科技的不断发展，纳米科技的应用范围也越来越广泛，纳米材料也成为科学研究领域的热点之一。

纳米材料指分子组成的金属或非金属材料中，至少存在一个微小的维度小于100纳米的物质。

纳米材料的细小尺寸使其具有许多特殊的物理、化学和生物学性质，因此在能源、电子、医学等领域有着广泛的应用前景。

一、研究进展1.合成方法目前，纳米材料的制备方法主要分为物理法和化学法两种。

物理法包括蒸发冷凝法、溅射法等，这些方法已经广泛应用于半导体材料和金属氧化物的合成；而化学法包括溶剂热法、水热法等，这些方法已经发展成为制备全新材料的有力工具，具有制备精度高、成本低等优点。

2.性质特点纳米材料的独特性质主要来源于其表面效应、量子效应和缺陷效应。

在表面效应方面，由于纳米材料的表面积较大，表面能就会比普通材料大，表面位错和表面尺寸效应对其性质的影响也将更加明显。

此外，纳米粒子的量子效应体现在其光学、电学等方面，例如量子点可以作为荧光探针等。

缺陷效应是纳米材料的另一个独特性质，在制备过程中容易产生氧化物等缺陷结构，这些结构能够影响其机械、热学等性质。

二、应用研究1.催化剂纳米材料是优异的催化剂，能够提高催化反应速率和选择性，提高催化效率，降低催化剂用量等。

例如，纳米金属催化剂可用于CO和H₂O反应生成CO₂和H₂，广泛应用于环保领域。

2.生物医学应用纳米材料在癌症治疗、药物输送、光疗、核磁共振成像、生物传感器等方面都有广泛的应用。

例如，纳米粒子通过改变表面功能化基团实现具有肿瘤特异性的分子靶向治疗，可较好地避免正常细胞的损伤。

3.能源储存在绿色能源和新能源研究中，纳米材料是很重要的研究方向。

例如，利用石墨烯、纳米碳管等纳米材料设计超级电容器、超级电池、锂离子电池等，可以提高能量密度和导电性能。

4.环保领域纳米材料还可应用于净水和废气处理等方面。

比如引入纳米银材料，能够有效杀灭细菌、减小污染物浓度。

纳米材料在环境净化领域的应用深受关注，并在实际中展现出良好的发展前景。

表面自纳米化摘要：一、表面自纳米化简介1.概念解释2.表面自纳米化的方法二、表面自纳米化的优势1.提高材料性能2.增加材料表面积3.改善材料表面黏附性三、表面自纳米化在实际应用中的案例1.金属材料的表面自纳米化2.陶瓷材料的表面自纳米化3.聚合物材料的表面自纳米化四、表面自纳米化的前景与挑战1.技术发展前景2.目前面临的挑战正文：表面自纳米化是一种通过表面处理技术，使材料表面形成纳米级结构的过程。

在这个过程中，材料的表面通过特殊的处理方法，如化学刻蚀、物理磨损等，形成具有高度有序的纳米级结构。

这种结构不仅可以提高材料的性能，还可以增加材料的表面积，改善材料表面的黏附性，因此在材料科学和工程领域具有广泛的应用。

表面自纳米化的方法主要包括化学刻蚀法、物理磨损法、电化学法等。

其中，化学刻蚀法是通过化学反应将材料表面逐渐蚀刻成纳米结构；物理磨损法是通过机械磨损或溅射等方法使材料表面形成纳米级结构；电化学法则是在电化学过程中使材料表面发生形变，形成纳米级结构。

表面自纳米化技术可以显著提高材料的性能。

例如，金属材料的硬度、耐磨性、抗疲劳性等性能可以得到显著提高；陶瓷材料的抗磨损、抗腐蚀性能也会得到很大的提升；聚合物材料的黏附性、抗氧化性等方面也会得到改善。

在实际应用中，表面自纳米化技术已经成功应用于金属、陶瓷、聚合物等多种材料。

例如，对金属材料的表面自纳米化处理可以提高其抗磨损性能，增加其使用寿命；对陶瓷材料进行表面自纳米化处理，可以提高其抗磨损、抗腐蚀性能，扩大其应用领域；对聚合物材料进行表面自纳米化处理，可以改善其黏附性，提高其与其它材料的结合性能。

然而，表面自纳米化技术目前还面临一些挑战，如处理过程中对环境的影响、纳米结构的稳定性、处理效果的可控性等。

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。

纳米材料的研究进展以及应用现状1.绪论从概念来说，纳米材料是由无数个晶体组成的，它的大小尺寸在1~100纳米范围内的一种固体材料。

主要包括晶态、非晶态的金属、陶瓷等材料组成。

因为它的大小尺寸已经接近电子的相干长度，它有着特殊的性质。

这些特殊性质所表现出来的有导电、导热、光学、磁性等。

目前国内、国际的科学家都在研究纳米材料，试图打造一种全新的新技术材料，将来为人类创造更大的价值。

纳米科学技术也引起了科学家的重视，在当代的科学界有着举足轻重的地位。

纳米技术的范围包括纳米加工技术、纳米测量技术，纳米材料技术等。

其中纳米材料技术主要应用于材料的生产，主要包括航天材料、生物技术材料，超声波材料等等。

从1861年开始，因为胶体化学的建立，人们开始了对直径为1~100纳米粒子的研究工作。

然而真正意义上的研究工作可以追溯到20世纪30年代的日本为了战争的胜利进行了“沉烟实验”，由于当时科技水平落后研究失败。

2.纳米材料的应用现状研究表明在纺织和化纤制品中添加纳米微粒，不仅可以除去异味和消毒。

还使得衣服不易出现折叠的痕迹。

很多衣服都是纤维材料制成的，通常衣服上都会出现静电现象，在衣服中加入金属纳米微粒就可消除静电现象。

利用纳米材料，冰箱可以消毒。

利用纳米材料做的无菌餐具、无菌食品包装用品已经可以在商场买到了。

另外利用纳米粉末，可以快速使废水彻底变清水，完全达到饮用标准。

这个技术可以提高水的重复使用率，可以运用到化学工业中。

比如污水处理厂、化肥厂等，一方面使得水资源可以再次利用，另一方面节约资源。

纳米技术还可以应用到食品加工领域，有益健康。

纳米技术运用到建筑的装修领域，可以使墙面涂料的耐洗刷性可提高11倍。

玻璃和瓷砖表面涂上纳米材料，可以制成自洁玻璃和自洁瓷砖，根本不用擦洗。

这样就可以节约成本，提高装修公司的经济效益。

使用纳米微粒的建筑材料，可以高效快速吸收对人体有害的紫外线。

纳米材料可以提高汽车、轮船，飞机性能指标。

纯铜表面纳米化的微观结构演化及其力学性能研究
纯铜是一种常见的金属材料，具有良好的导电性和导热性，并且具有良好的可塑性和强度。

在某些特定的工程应用中，如微电子器件和传感器等，要求纯铜具有更高的强度和硬度。

为了提高纯铜的力学性能，一种常用的方法是对其表面进行纳米化处理。

纳米化处理是通过控制处理工艺中的参数和条件，使材料的表面形成纳米尺度的结构和特点。

纳米化处理可以改善材料的力学性能，并在一些特殊应用中发挥重要作用。

在纯铜表面纳米化的研究中，通常采用的方法包括机械磨削、化学腐蚀和电化学方法等。

在纯铜表面纳米化的微观结构演化方面的研究中，主要关注以下几个方面。

首先是纳米化处理过程中铜表面的微观结构演化规律。

通过对纳米化处理过程中不同参数和条件下的铜表面进行观察和分析，可以揭示铜表面纳米化的微观结构变化规律，包括晶粒尺寸的变化、晶粒形貌的演化等。

其次是纳米化处理对纯铜力学性能的影响。

通过对纯铜表面纳米化的力学性能进行测试和分析，可以研究纳米化处理对纯铜的硬度、强度和塑性等力学性能的影响。

纯铜表面纳米化的微观结构演化及其力学性能的研究对于了解纳米材料的制备和应用具有重要意义。

纯铜表面纳米化可以提高纯铜的力学性能，为其在微电子器件和传感器等领域的应用提供可能性。

通过对纯铜表面纳米化的研究，可以优化纳米化处理的工艺参数和条件，以获得更好的性能效果。

机械材料表面纳米化处理研究及应用近年来，随着科技的不断进步，机械材料表面纳米化处理逐渐成为研究的热点领域。

表面纳米化处理是指通过改变材料表面的结构和性质，使其具备更好的力学性能和化学活性。

这一技术已经被广泛应用于许多领域，包括航空航天、汽车制造和生物医学等。

首先，机械材料表面纳米化处理可以显著改善材料的硬度和耐磨性能。

通过利用纳米颗粒或纳米涂层，可以增加材料表面的硬度，从而增强其抗磨损能力。

比如，飞机发动机的涡轮叶片通常需要经受极高的磨损和高温腐蚀的考验，通过在叶片表面进行纳米化处理，可以大大延长其使用寿命。

其次，表面纳米化处理还可以改善材料的耐腐蚀性能。

很多金属在潮湿的环境下容易发生腐蚀，导致材料的性能下降。

通过纳米化处理，可以在材料表面形成一层致密的金属氧化物膜，阻断金属与周围环境的直接接触，从而提高其耐腐蚀性能。

这种技术在船舶制造和海洋工程中得到了广泛应用，可有效延长材料的使用寿命。

此外，表面纳米化处理还可以改善材料的润滑性能。

摩擦和磨损是很多机械设备运行过程中不可避免的问题，而纳米化处理可以在材料表面形成一层低摩擦的纳米润滑层，减少摩擦阻力，提高机械效率。

例如，纳米润滑层在汽车发动机零部件的制造中得到了广泛应用，可以降低零部件的摩擦损失，提高发动机的燃油效率。

此外，机械材料表面纳米化处理还可以应用于生物医学领域。

在生物医学工程中，纳米材料被广泛应用于药物输送、组织工程和生物传感器等方面。

通过在生物材料表面进行纳米化处理，可以改善材料的生物相容性和降解性能，从而提高生物医学材料的应用效果。

综上所述，机械材料表面纳米化处理是一项重要的研究领域，其应用潜力巨大。

通过改变材料表面的结构和性质，可以显著改善材料的力学性能、化学活性和生物相容性等方面。

尽管目前还存在一些挑战，如处理技术的成本和可扩展性等问题，但随着科技的不断进步，相信这一领域将会得到更多的突破和应用。

我们期待机械材料表面纳米化处理在各个领域的进一步发展和运用，为人类的生活和科技进步做出更大的贡献。

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。