納米晶Ni空間環(huán)境行為與機(jī)理研究.pdf

1、塊體納米材料(晶粒小于100nm)具有優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)、磁學(xué)、電學(xué)和力學(xué)性能,已成為材料領(lǐng)域研究的熱點(diǎn),在航天技術(shù)領(lǐng)域具有誘人的應(yīng)用前景。通過(guò)深入開(kāi)展空間環(huán)境下納米材料的微觀結(jié)構(gòu)與性能變化規(guī)律的研究,可為促進(jìn)納米材料在航天技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用提供必要依據(jù)。本文重點(diǎn)針對(duì)低溫、熱循環(huán)、真空和輻照等環(huán)境條件,通過(guò)對(duì)比分析納米晶Ni和常規(guī)粗晶Ni的性能變化規(guī)律,揭示納米晶Ni空間環(huán)境行為的基本特征與機(jī)理,具有重要的學(xué)術(shù)價(jià)值和實(shí)際意義。
　　采用電

2、化學(xué)沉積方法,通過(guò)提純鍍液、調(diào)節(jié)電流密度和優(yōu)化添加劑含量制備了高質(zhì)量的納米晶Ni。分析表明,脈沖電沉積和直流電沉積方法制備的納米晶Ni平均晶粒尺寸分別為22nm和26nm。脈沖電沉積納米晶Ni的密度為8.8353g/cm3,直流電沉積納米晶Ni的密度為8.8343g/cm3,常規(guī)粗晶Ni的密度為8.8272g/cm3,納米晶Ni與常規(guī)粗晶Ni的密度基本相同。
　　不同溫度下寬應(yīng)變速率壓縮試驗(yàn)表明,隨溫度降低,納米晶Ni的強(qiáng)度明顯增

3、加,而斷裂變形量、應(yīng)變速率敏感指數(shù)和激活體積降低。在-196℃下,納米晶Ni的應(yīng)變速率敏感指數(shù)為0.018,激活體積為3b3,最大屈服強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為3.15GPa和3.3GPa。與室溫納米晶Ni的抗壓強(qiáng)度相比,在-196℃下納米晶Ni的抗壓強(qiáng)度提高約47％,這是目前文獻(xiàn)中所報(bào)道納米晶Ni的最高強(qiáng)度。在-196℃下,晶界位錯(cuò)主導(dǎo)變形是納米晶Ni的主要塑性變形機(jī)制,呈現(xiàn)明顯的熱激活特征。
　　在-120℃~120℃區(qū)間與10MP

4、a負(fù)載條件下,對(duì)納米晶Ni經(jīng)受熱循環(huán)作用后的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,熱循環(huán)會(huì)對(duì)納米晶Ni的壓縮性能產(chǎn)生較大影響。當(dāng)熱循環(huán)次數(shù)低于100次時(shí),抗壓強(qiáng)度有所提高,而壓縮斷裂變形量明顯降低。熱循環(huán)次數(shù)增加至200次和400次時(shí),納米晶Ni的壓縮斷裂變形量有所回復(fù)。熱膨脹系數(shù)的測(cè)試結(jié)果表明,納米晶Ni的熱膨脹系數(shù)在-120℃~120℃區(qū)間變化幅度小于常規(guī)粗晶Ni,表現(xiàn)出較好的熱變形穩(wěn)定性。
　　在空氣和真空(10-4Pa)條件下,對(duì)

5、比研究了納米晶Ni和常規(guī)粗晶Ni的摩擦磨損性能,滑動(dòng)速度分別選取0.2m/s和0.8m/s。試驗(yàn)表明,在高摩擦速率條件下,與常規(guī)粗晶Ni相比,納米晶Ni磨損量降低6倍,表現(xiàn)出較為優(yōu)異的耐磨性。經(jīng)磨損表面的微觀形貌和能譜分析表明,在空氣中納米晶Ni低速滑動(dòng)呈現(xiàn)氧化磨損、剝落磨損和輕微粘著磨損,而高速滑動(dòng)時(shí)呈現(xiàn)氧化磨損和輕微粘著磨損。真空條件下納米晶Ni的磨損機(jī)制主要為粘著磨損。納米晶Ni在摩損過(guò)程中晶粒尺寸會(huì)發(fā)生明顯變化,空氣中磨損時(shí)表層

6、晶粒明顯細(xì)化,而真空中磨損時(shí)表層晶粒會(huì)長(zhǎng)大。這是由于空氣與真空在摩擦磨損過(guò)程中不同的熱量傳導(dǎo)方式引起的。
　　在高能粒子(質(zhì)子、電子及γ光量子)輻照條件下,通過(guò)對(duì)比分析粒子在納米晶Ni中和粗晶Ni中的能量損失行為,探討納米晶Ni電離輻射效應(yīng)的基本特征與機(jī)理。結(jié)果表明,納米晶Ni在相同輻照條件下沉積能量較少,表現(xiàn)出較低的電離效應(yīng)敏感性。通過(guò)經(jīng)典公式及Monte-Carlo程序(SRIM、Casino及EGS)計(jì)算與粒子能量損失實(shí)測(cè)試