8.3.5  金属材料表面纳米技术

纳米技术是21世纪的三大高新技术之一。材料表面纳米技术是纳米材料技术与现代表面技术相结合、相交叉的高新技术，是指采用具有纳米结构的原材料、通过现代的表面制备手段或过程、在金属或非金属表面形成具有纳米结构和纳米特性的表面层的高新技术。金属材料表面纳米化技术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的纳米表面工程技术，是当今表面工程技术的主要发展方向之一，其中有代表性的是纳米颗粒复合电刷镀技术。

1.金属材料表面纳米技术的基本原理

在金属材料表面获得纳米结构表层主要途径有三种：表面涂层或沉积、表面自身纳米化和混合方式。

（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。

许多常规表面涂层和沉积技术都具有开发、应用的潜力，如电镀和电解沉积等。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的结合，并保证表层不发生晶粒长大。

（2）表面自身纳米化 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：品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。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。

（3）混合方式 将纳米表面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。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。

2.目前实用的纳米表面技术

目前实用的纳米表面技术有：

（1）纳米热喷涂技术 热喷涂技术是表面工程领域中十分重要的技术，在各种新型热喷涂技术（如超声速火焰喷涂、高速电弧喷涂、气体爆燃式喷涂、真空等离子喷涂等）不断涌现的同时，纳米热喷涂技术已成为新的发展方向。热喷涂纳米涂层组成可分为三类：单一纳米材料涂层体系；两种（或多种）纳米材料构成的复合涂层体系；添加纳米材料的复合体系。

（2）纳米电刷镀技术 电刷镀技术具有设备轻便、工艺灵活、镀覆速度快、镀层种类多等优点，被广泛应用于机械零件表面修复与强化。近年来，纳米级颗粒材料在电刷镀技术中的应用，使复合电刷镀技术在耐磨领域呈现出强大生命力。针对汽车发动机的关键零部件如曲轴、凸轮轴、连杆，利用该技术制备的纳米颗粒复合电刷镀层提高了上述零件的耐高温、耐磨损和抗疲劳性能。尤其突出的是该技术成功完成了进口飞机发动机压气机叶片的再制造，使叶片抗微动磨损性能显著提高，300h台架试验验证满足要求，再制造费用仅是进口技术维修费用的1/10。纳米电刷镀技术已在我国推广，在维修中发挥着重要的作用。

此外，纳米粘涂与粘接技术，可使粘接效果和密封胶的密封性大大提高；纳米涂料技术可明显提高涂料的耐老化性能、吸收入射雷达波的隐身性能，也可使涂料具有良好的静电屏蔽性能或抗菌性能。