材料表面纳米化分类的方法

在块体材料表面获得具有纳米结构的表面层有三种基本方式：表面涂层或沉积、表面自身纳米晶化（SSNC）以及混合表面纳米化，如图2-7所示。其中，表面纳米化（SNC）是最近几年才发展起来的一种纳米材料制备的新概念^[28]，以下分别加以介绍。

图2-7 表面纳米化的三种基本方式

a）表面涂层或沉积 b）表面自身纳米晶化 c）混合表面纳米化

1.表面涂层或沉积

首先制备出具有纳米尺度的颗粒，再将这些颗粒固结在材料的表面，在材料上形成一个与基体化学成分相同（或不同）的纳米结构表层。这种材料的主要特征是：纳米结构表层内的晶粒大小比较均匀，表层与基体之间存在着明显的界面，材料的外形尺寸与处理前相比有所增加，如图2-7a所示。

许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、应用的潜力，如PVD、CVD、溅射、电镀和电解沉积等。通过工艺参数的调节可以控制纳米结构表层的厚度和纳米晶粒的尺寸。整个工艺过程的关键是，实现表层与基体之间以及表层纳米颗粒之间的牢固地结合，并保证表层不发生晶粒张大。目前这些技术经不断地发展、完善，已经比较成熟。

2.表面自身纳米化(www.xing528.com)

对于多晶材料，采用非平衡处理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。这种材料的主要特征是：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界面，与处理前相比，材料的外形尺寸基本不变，如图2-7b所示。

由非平衡过程实现表面纳米化主要有两种方法：表面机械加工处理法和非平衡热力学法，不同方法所采用的工艺技术和由其所导致的纳米化的微观机理均存在着较大的差异。

所谓的表面机械加工处理法，是指在外加载荷的重复作用下，材料表面的粗晶组织通过不同方向产生的强烈塑性变形而逐渐细化至纳米量级的方法。这种由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化的过程为：材料表面通过局部强烈塑性变形而产生大量的缺陷，如位错、孪晶、层错和剪切带；当位错密度增至一定程度时，发生湮没、重组，形成具有亚微米或纳米尺度的亚晶，另外随着温度的升高，表面具有高形变储能的组织也会发生再结晶，形成纳米晶；此过程不断发展，最终形成晶体学取向呈随机分布的纳米晶组织。

非平衡热力学法是将材料快速加热，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，最终在材料表面获得纳米晶组织的方法。用于实现快速加热-冷却的方法主要有激光加热和电子辐射等。

3.混合方式

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2-7c所示。由于纳米晶的组织形成，晶界的体积分数明显增大，为原子扩散提供了理想的通道，因此化学处理更容易进行。

在3种表面纳米化的基本方式中，由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化更具有开发应用的潜力，这一方面是由于表面机械加工处理法在工业上应用不存在明显的技术障碍，另一方面是由于材料的组织沿厚度方向呈梯度变化，在使用过程中不会发生剥层和分离。因此，目前的表面纳米化研究多数集中在由表面机械加工处理导致的表面自身纳米化。