[发明专利]生产纳米晶碎片的方法

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2005年5月3日提交的美国临时申请 No.60/677,248的权益，并为2004年1月30日提交的共同待审美国专 利申请No.10/707,999的部分继续专利申请，美国专利申请 No.10/707,999为要求2000年10月28日提交的美国临时申请 No.60/244,087的权益的美国专利6,706,324的分案申请。本文引入这 些在先申请的内容作为参考。

发明背景

本发明一般涉及生产具有纳米晶微结构的材料和制品的 方法，更具体地，涉及通过机械加工和然后使用纳米晶材料形成产品 来生产这样的材料和制品的方法。

通过施加非常大的塑性应变使金属合金变形可获得巨大 益处。这些中最主要的是微结构细化和增强的机械和物理性质。目前 特别关注的是使用“严格”塑性变形(SPD，″severe″plastic deformation) 产生具有超细晶粒微结构(UFG，ultra-fine grained microstructures)的本 体固体(bulk solids)，尤其是具有特征在于晶体中排列的其原子的公称 尺寸小于1微米的纳米晶结构(NS，nanocrystalline structures)。纳米晶 固体变得引人关注是因为它们似乎具有有效的延性、可成形性和耐裂 纹扩展性，并具有令人感兴趣的化学、光、磁和电性质。纳米晶固体 还似乎对辐射和机械应力的反应与微晶材料(公称尺寸为1微米至小 于1毫米的晶体)有相当大不同，并且它们的反应可通过改变晶体尺寸 变化。通过固结纳米晶粉末制备的材料还表现出具有在常规材料中一 般不存在的增强属性。因此，纳米晶材料被认为具有用于工业应用的 相当大潜力，只要它们能以成本节约的方式制造即可。

多阶段变形处理是研究由非常大的应变变形产生的微结 构变化的最广泛使用的试验方法之一。值得注意的例子包括轧制、拉 伸和等通道转角挤压(ECAE，equal channel angular extrusion)这类技 术。在这种方法中，通过多个阶段中变形的累积施加在试样中施加非 常大的塑性应变(4或更多个真实塑性应变)，每个变形阶段中的有效 应变为大约1。使用多阶段变形处理已在各种延性金属和合金中证明 微和纳米结晶结构的形成。但是，这类处理技术存在明显限制和缺陷。 明显限制是不能在非常强硬材料如工具钢中诱导大应变。其它限制包 括不能在单个变形阶段中施加远远大于1的应变、变形场的相当大不 确定性以及对变形场重要变量如应变、温度、应变率和相变的最小控 制，这些重要变量被预期对微结构和材料性质形成有主要影响。

最广泛使用的合成纳米晶金属的技术是从气相冷凝金属 原子。在这种技术中，通过加热来蒸发金属，然后通过暴露于惰性气 体如氦气或氩气冷却蒸发的原子以防止化学反应，于是能保持金属的 纯度。冷却的原子凝结成尺寸一般在1-200nm范围内的单晶簇。陶瓷 纳米晶的产生是类似的，除了使蒸发的金属原子在允许它们凝结前与 合适的气体例如在氧化物陶瓷情况下为氧气反应。得到的晶体可被压 实并烧结形成制品，通常在比相同材料的微晶粉末所需温度低的烧结 温度下。尽管适合对粒度良好控制地制造粉末和小的压实样品，但凝 结方法目前对于除实验外的大多数应用来说不实用。凝结方法的特别 限制性方面是不能形成合金的纳米晶材料，因为从气相难以控制材料 组成。凝结方法的另一个限制性方面在于由于产生的纳米尺寸颗粒而 更难以获得高的未烧结密度(green densities)。被探索的合成纳米晶的 其它方法包括气溶胶、溶胶-凝胶、高能量球磨和水热法。但是，这些 技术不能以实际应用可接受的成本生产纳米晶材料。

从上文可看出，如果更加可控和优选低成本方法可用于合 成用在产品制造中的纳米晶固体，则是理想的。如果这类方法能生产 各种材料包括难以或不能使用现有技术来加工的非常硬材料和合金 的纳米晶固体，则将是理想的。

发明简述

本发明提供一种生产包含纳米晶微结构的制品的方法，尤 其涉及一种可控地生产具有所需形状和尺寸的纳米晶碎片的方法。