等離子表面冶金納米涂層材料的性能研究

　　新材料是現(xiàn)代社會發(fā)展與文明進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是帶領(lǐng)高新技術(shù)發(fā)展的先導(dǎo)。納米材料作為新材料中的重要分支，自1981年德國科學(xué)家Gleiter教授首次提出“納米晶材料”的概念以來，由于其獨(dú)特而引入注目的性質(zhì)和廣闊的應(yīng)用前景，在過去的近40年，納米材料和納米技術(shù)領(lǐng)域的研究異常活躍，納米材料科學(xué)迅速發(fā)展成為材料科學(xué)研究的前沿性、交叉性學(xué)科。通常納米材料是指在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍（1～100nm）或由其作為基本單元構(gòu)成的材料。由于含有大量的內(nèi)界面（晶界和相界面等），納米材料這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征使其具有一系列特殊的理化性能，如小尺寸效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)和表面效應(yīng)等。因而，納米材料在光學(xué)、催化、力學(xué)、磁性等方面呈現(xiàn)出傳統(tǒng)粗晶材料無可比擬的優(yōu)異性能。自納米材料誕生以來，納米晶材料作為一種潛在的高性能結(jié)構(gòu)材料，其力學(xué)性能一直是國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。大量的實(shí)驗(yàn)與理論模擬計(jì)算已證實(shí)納米材料具有不同于傳統(tǒng)多晶材料的微觀組織結(jié)構(gòu)一力學(xué)性能關(guān)系。例如，納米材料的變形過程已不再由位錯(cuò)機(jī)制主導(dǎo)，對于傳統(tǒng)多晶材料所適用的、建立在位錯(cuò)塞積模型基礎(chǔ)上的Hall-Petch關(guān)系已經(jīng)不完全適用。令人意外的是，大多數(shù)納米晶金屬和合金的塑性居然比其粗晶要低得多，這與納米晶金屬和合金的缺陷狀態(tài)及雜質(zhì)有關(guān)。10余年來，作者采用自主研發(fā)的雙陰極等離子濺射技術(shù)合成了金屬、合金、陶瓷和過渡金屬硅化物納米涂層，重點(diǎn)研究了納米尺度下合金化、微觀組織特征和復(fù)合化對本征脆性過渡金屬硅化物的力學(xué)性能的影響，研究成果可深化人們對納米過渡金屬硅化物變形機(jī)理和力學(xué)性能方面的認(rèn)識；同時(shí)，還研究了過渡金屬硅化物納米涂層耐蝕、耐沖刷、抗空蝕、抗菌以及生物相容性能，這些工作進(jìn)一步開發(fā)了納米硅化物材料的潛在性能，為將來的涂層工業(yè)化應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。此外，隨著計(jì)算材料科學(xué)的不斷發(fā)展，研究人員可以借助大型計(jì)算機(jī)來分析材料的微觀結(jié)構(gòu)以預(yù)測其性能。作者為了篩選適用于過渡金屬硅化物的合金化元素以及優(yōu)化添加量，采用基于密度泛函理論（DFT）的第1性原理方法，從原子尺度對過渡金屬硅化物進(jìn)行理論研究，從電子結(jié)構(gòu)層次上探討造成過渡金屬硅化物脆性的原因，分析合金化元素對機(jī)械性能的影響。這部分的研究工作彌補(bǔ)了實(shí)驗(yàn)上的不足，提升了人們從電子結(jié)構(gòu)的角度理解合金化對金屬硅化物的性能影響，并為實(shí)驗(yàn)研究提供了可靠有效的理論依據(jù)。

　　徐江，南京航空航天大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，楚天學(xué)者特聘教授。主要研究方向?yàn)榧{米晶涂層的韌化設(shè)計(jì)以及納米涂層的耐蝕性能設(shè)計(jì)與表征方面，并取得較為矚目的進(jìn)展。相關(guān)科研成果以作者或通訊作者在材料類和化學(xué)類著名刊物上發(fā)表的被SCI收錄的文章達(dá) 80余篇。申請國家發(fā)明專利17項(xiàng)，其中授權(quán)專利14項(xiàng)。