金属材料表面纳米化优势及主要方法
随着纳米材料研究的不断深入与纳米技术的发展，将表面改性与纳米材料相结合来制备纳米材料受到了人们的重视，其特点是通过提高材料表面性能来提高构件服役性能。表面纳米化技术被认为是今后一段时间可将纳米材料应用于工程实际的最重要技术之一。
一、什么是纳米材料
纳米结构材料是指结构单元尺度(如多晶材料中的晶粒尺寸)在纳米量级的材料，其显著结构特点是含有大量晶界或其他界面，从而表现出一些与普通粗晶结构材料截然不同的力学和物理化学性能。
纳米结构材料通常具有很高的强度和硬度，伴随着强度和硬度的显著提高，纳米结构材料的塑性和韧性显著降低、加工硬化能力消失、结构稳定性变差，这些性能的恶化制约了纳米结构材料的应用。最新研究表明，通过对纳米结构的多级构筑（表层纳米材料）可以在有效克服纳米结构的性能缺点的同时发挥其性能优势。
二、表面纳米化有哪些优势
1、硬度和强度的提升
晶粒大小与多晶金属材料力学性能有密切的联系。表面纳米化使材料表面(和整体)的力学和化学性能得到不同程度的改善。表面纳米晶层的硬度显著提高，并随着深度的增加而逐渐减小；与显微组织未发生变化的心部相比，表面硬度可提高几倍，表面以下亚微晶层的硬度也明显增大。对于晶粒尺寸从几到几百微米的普通晶体材料，强度和硬度与晶粒尺寸的大小之间的关系，可以用传统的Hall-Petch 关系来描述。
左图可见与未发生变化的心部组织比，表面硬度提高了两倍以上。由纳米晶层（从表面到约40μm 深度）到亚微晶层（40-80μm 深度），硬度逐渐减小，并趋于稳定；从右 图可见，硬度随d-1/2 增大几乎呈线性增加的。因此可以确定表面纳米化对材料的强化有着一定的贡献，纳米材料的硬度亦随着晶粒尺寸的减小而增大。
2、摩擦磨损性能的改善
表面纳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损性能，由于机械加工处理引起的表面粗糙度的增加对材料的低载荷耐磨性产生不利的影响。随着载荷的增加，未处理材料的磨损量急剧增大，而表面纳米化材料的磨损量变化却很小。
注：SMAT为某项表层纳米化技术
(a)为低碳钢表面纳米化前后试样的磨损量，可见在不同载荷下，纳米晶组织的形成能够改善材料的耐磨性；（b）图是摩擦因数的变化，在任一载荷下，表面纳米化试样的表面摩擦系数都明显低于原始试样。可见表面纳米化能够明显地提高高载荷下材料的耐摩擦磨损性能。
表面纳米化后试样摩擦磨损行为的提高主要源于两方面的原因：一方面是因为纳米晶具有高的强度和硬度，磨粒压入表层的深度小，配副相对试样表面运动的阻力较小，所以表面纳米化试样的磨损量均比原样小；另一方面是因为表面纳米晶组织能有效地抑制裂纹的萌生，而心部的粗晶组织又可以阻止裂纹的扩展，因此在相同载荷下表面纳米化试样较原始粗晶试样更难发生疲劳磨损。
3、表面化学活性增强
研究发现，纳米晶体材料（或者纳米结构材料）中原子的扩散激活能更低，其相应的扩散系数更高，这是由纳米材料中晶界体积所占比例的提高引起的。卢柯院士研究组对纯铁进行表面纳米化处理后，进行渗氮，发现渗氮动力学条件明显得到改善。在传统的粗晶粒铁中渗氮时，晶格扩散占主导地位，而在纳米晶铁中渗氮主要沿着晶界进行，这是因为晶界的激活能更小。通过表面纳米化，在表面纳米层中形成了大量的储能，在低温下使渗氮有足够的驱动力。
纳米化改变了材料表面的结构，有助于大幅度地提高材料表面化学元素的渗入浓度和深度。表面纳米化为纳米技术与有色金属常规材料相结合提供了切实可行的途径，巧妙地避开了制备块体纳米材料遇到的技术难题，将在工业中发挥巨大的开发应用潜力。
三、金属材料表面纳米化主要方法
表面机械处理法是实现金属材料表面纳米化的一种主要方法。该方法在材料的表面重复作用外加载荷，使材料表面产生强烈的塑性变形来细化晶粒。常用的方法有：
1）超声喷丸技术。该技术是将大量的球形弹丸放置于一个U型容器中，容器的上部固定样品，下部连接着振动发生装置，通过激发弹丸，高速碰撞试样表面，使之产生强烈塑性变形，最终实现纳米化。目前，超声喷丸法已成功应用于316L不锈钢、低碳钢等材料。
2）超音速微粒轰击技术。该技术利用气-固双相流作为载体，用超音速气流(气流速可达300～1200m/s)携带硬质固体微粒以极高的动能轰击有色金属表面使其产生强烈的塑性变形，将晶粒细化到纳米量级。与其他方法相比较，该方法具有工作效率高，设备灵活性强，固体微粒可回收重复使用，无环境污染等优点，已成功对16MnR低合金钢及0Cr18Ni9不锈钢进行了表面纳米化处理。
3）表面机械碾磨技术。该技术是依靠半球状的刀具尖端以一定的速度在圆柱状的试样上旋转，同时沿着水平方向滑动，使金属料料表面产生塑性变形区，从而细化晶粒。该方法适合于在棒状材料的表面制备纳米-微米结构梯度表面层，解决了棒材的加工问题。
除了机械处理法之外如今金属表面纳米涂料逐渐成为新的方向和方法，通过在金属表面涂覆一层超薄透明纳米涂料，使金属材料表面具有抗氧化防腐蚀防污防锈等性能，金属表面纳米涂层使得施工更简单，表面纳米化通过改变材料表面组织和结构，使得金属材料的表面性能以致整个材料的综合性能获得显著的提高。
