金屬材料表面納米化優勢及主要方法
隨著納米材料研究的不斷深入與納米技術的發展，將表面改性與納米材料相結合來制備納米材料受到了人們的重視，其特點是通過提高材料表面性能來提高構件服役性能。表面納米化技術被認為是今后一段時間可將納米材料應用于工程實際的最重要技術之一。
一、什么是納米材料
納米結構材料是指結構單元尺度(如多晶材料中的晶粒尺寸)在納米量級的材料，其顯著結構特點是含有大量晶界或其他界面，從而表現出一些與普通粗晶結構材料截然不同的力學和物理化學性能。
納米結構材料通常具有很高的強度和硬度，伴隨著強度和硬度的顯著提高，納米結構材料的塑性和韌性顯著降低、加工硬化能力消失、結構穩定性變差，這些性能的惡化制約了納米結構材料的應用。最新研究表明，通過對納米結構的多級構筑（表層納米材料）可以在有效克服納米結構的性能缺點的同時發揮其性能優勢。
二、表面納米化有哪些優勢
1、硬度和強度的提升
晶粒大小與多晶金屬材料力學性能有密切的聯系。表面納米化使材料表面(和整體)的力學和化學性能得到不同程度的改善。表面納米晶層的硬度顯著提高，并隨著深度的增加而逐漸減小；與顯微組織未發生變化的心部相比，表面硬度可提高幾倍，表面以下亞微晶層的硬度也明顯增大。對于晶粒尺寸從幾到幾百微米的普通晶體材料，強度和硬度與晶粒尺寸的大小之間的關系，可以用傳統的Hall-Petch 關系來描述。
左圖可見與未發生變化的心部組織比，表面硬度提高了兩倍以上。由納米晶層（從表面到約40μm 深度）到亞微晶層（40-80μm 深度），硬度逐漸減小，并趨于穩定；從右 圖可見，硬度隨d-1/2 增大幾乎呈線性增加的。因此可以確定表面納米化對材料的強化有著一定的貢獻，納米材料的硬度亦隨著晶粒尺寸的減小而增大。
2、摩擦磨損性能的改善
表面納米化有效提高了材料表面硬度，因此也有助于改善材料的摩擦磨損性能，由于機械加工處理引起的表面粗糙度的增加對材料的低載荷耐磨性產生不利的影響。隨著載荷的增加，未處理材料的磨損量急劇增大，而表面納米化材料的磨損量變化卻很小。
注：SMAT為某項表層納米化技術
(a)為低碳鋼表面納米化前后試樣的磨損量，可見在不同載荷下，納米晶組織的形成能夠改善材料的耐磨性；（b）圖是摩擦因數的變化，在任一載荷下，表面納米化試樣的表面摩擦系數都明顯低于原始試樣。可見表面納米化能夠明顯地提高高載荷下材料的耐摩擦磨損性能。
表面納米化后試樣摩擦磨損行為的提高主要源于兩方面的原因：一方面是因為納米晶具有高的強度和硬度，磨粒壓入表層的深度小，配副相對試樣表面運動的阻力較小，所以表面納米化試樣的磨損量均比原樣小；另一方面是因為表面納米晶組織能有效地抑制裂紋的萌生，而心部的粗晶組織又可以阻止裂紋的擴展，因此在相同載荷下表面納米化試樣較原始粗晶試樣更難發生疲勞磨損。
3、表面化學活性增強
研究發現，納米晶體材料（或者納米結構材料）中原子的擴散激活能更低，其相應的擴散系數更高，這是由納米材料中晶界體積所占比例的提高引起的。盧柯院士研究組對純鐵進行表面納米化處理后，進行滲氮，發現滲氮動力學條件明顯得到改善。在傳統的粗晶粒鐵中滲氮時，晶格擴散占主導地位，而在納米晶鐵中滲氮主要沿著晶界進行，這是因為晶界的激活能更小。通過表面納米化，在表面納米層中形成了大量的儲能，在低溫下使滲氮有足夠的驅動力。
納米化改變了材料表面的結構，有助于大幅度地提高材料表面化學元素的滲入濃度和深度。表面納米化為納米技術與有色金屬常規材料相結合提供了切實可行的途徑，巧妙地避開了制備塊體納米材料遇到的技術難題，將在工業中發揮巨大的開發應用潛力。
三、金屬材料表面納米化主要方法
表面機械處理法是實現金屬材料表面納米化的一種主要方法。該方法在材料的表面重復作用外加載荷，使材料表面產生強烈的塑性變形來細化晶粒。常用的方法有：
1）超聲噴丸技術。該技術是將大量的球形彈丸放置于一個U型容器中，容器的上部固定樣品，下部連接著振動發生裝置，通過激發彈丸，高速碰撞試樣表面，使之產生強烈塑性變形，最終實現納米化。目前，超聲噴丸法已成功應用于316L不銹鋼、低碳鋼等材料。
2）超音速微粒轟擊技術。該技術利用氣-固雙相流作為載體，用超音速氣流(氣流速可達300～1200m/s)攜帶硬質固體微粒以極高的動能轟擊有色金屬表面使其產生強烈的塑性變形，將晶粒細化到納米量級。與其他方法相比較，該方法具有工作效率高，設備靈活性強，固體微粒可回收重復使用，無環境污染等優點，已成功對16MnR低合金鋼及0Cr18Ni9不銹鋼進行了表面納米化處理。
3）表面機械碾磨技術。該技術是依靠半球狀的刀具尖端以一定的速度在圓柱狀的試樣上旋轉，同時沿著水平方向滑動，使金屬料料表面產生塑性變形區，從而細化晶粒。該方法適合于在棒狀材料的表面制備納米-微米結構梯度表面層，解決了棒材的加工問題。
除了機械處理法之外如今金屬表面納米涂料逐漸成為新的方向和方法，通過在金屬表面涂覆一層超薄透明納米涂料，使金屬材料表面具有抗氧化防腐蝕防污防銹等性能，金屬表面納米涂層使得施工更簡單，表面納米化通過改變材料表面組織和結構，使得金屬材料的表面性能以致整個材料的綜合性能獲得顯著的提高。
