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机械合金化法制备纳米晶镍铝及其复合材料的研究与进展

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代科技的飞速发展，材料科学领域不断涌现出新型材料以满足各个行业日益增长的需求。纳米晶材料作为其中的重要分支，由于其独特的微观结构和优异的性能，在过去几十年间受到了广泛关注。纳米晶材料是指晶粒尺寸处于纳米量级（通常为1-100nm）的材料，这种特殊的尺度赋予了纳米晶材料许多不同于传统粗晶材料的特性，如高强度、高硬度、良好的塑性和韧性、优异的电学和磁学性能以及高的化学活性等。这些特性使得纳米晶材料在航空航天、电子、汽车、能源等众多领域展现出巨大的应用潜力。

镍铝（NiAl）金属间化合物作为一种重要的高温结构材料，具有许多优异的性能。其密度较低，约为7.5g/cm3，相比于传统的高温合金，能够有效减轻部件重量，这对于航空航天等对重量敏感的领域具有重要意义；熔点较高，达到1638℃，使其在高温环境下具有良好的热稳定性；此外，还具有良好的抗氧化性和抗腐蚀性，在恶劣的工作环境中能够保持材料的性能稳定。然而，NiAl金属间化合物也存在一些局限性，例如室温塑性差、断裂韧性低等，这在一定程度上限制了其广泛应用。通过制备纳米晶NiAl及其复合材料，可以有效地改善这些性能缺陷。纳米晶结构能够细化晶粒，增加晶界面积，晶界作为原子排列不规则的区域，具有较高的能量和原子扩散速率，这使得纳米晶NiAl在变形过程中能够通过晶界滑移、位错运动等多种机制协调变形，从而提高材料的室温塑性和断裂韧性。

在航空航天领域，纳米晶NiAl及其复合材料可用于制造发动机热端部件，如涡轮叶片、燃烧室等。发动机在工作过程中需要承受高温、高压、高转速以及强烈的热冲击和机械振动等恶劣工况，对材料的性能要求极高。纳米晶NiAl及其复合材料凭借其优异的高温强度、热稳定性、抗氧化性和抗热疲劳性能，能够显著提高发动机的工作效率、降低燃油消耗、延长使用寿命，进而提升航空航天器的整体性能。在电子领域，随着电子设备不断向小型化、高性能化方向发展，对材料的性能提出了更高的要求。纳米晶NiAl及其复合材料具有良好的导电性、导热性以及电磁屏蔽性能，可用于制造电子器件的散热部件、集成电路的互连线以及电磁屏蔽材料等，有助于提高电子设备的散热效率、降低信号传输损耗、增强电磁兼容性。

机械合金化（MechanicalAlloying，MA）作为一种制备合金及化合物的新型材料制备方法，在纳米晶NiAl及其复合材料的制备中具有独特的优势。机械合金化主要利用机械能在固态下实现原子扩散、固态反应、相变等过程。与传统的熔炼方法相比，机械合金化具有以下显著优点：首先，工艺简单，易于工业化生产，产量大，一台大型球磨机日产量可达吨级，整个过程在室温固态下进行，无需高温熔化，避免了高温熔炼过程中可能出现的元素挥发、偏析等问题，工艺简单灵活；其次，合成制备材料体系广，不受平衡相图的限制，可以制备出常规方法难以获得的合金，特别是不互溶体系合金、熔点差别大的合金、比重相差大的合金及蒸汽压相差较大的合金等难熔合金；此外，通过机械合金化还能够扩展合金固溶体的固溶度，在固溶下获得亚稳相和金属间化合物，制备出成分均匀的纳米晶材料，并在材料内部引入大量的缺陷和纳米量级的微结构，这些微观结构的变化能够显著改善材料的性能。

通过机械合金化制备纳米晶NiAl及其复合材料，不仅能够充分发挥NiAl金属间化合物的优异性能，还能够克服其自身的局限性，为其在航空航天、电子等领域的广泛应用提供坚实的材料基础。深入研究机械合金化制备纳米晶NiAl及其复合材料的工艺、结构与性能之间的关系，对于推动材料科学的发展以及满足现代工业对高性能材料的需求具有重要的理论和实际意义。

1.2国内外研究现状

纳米晶镍铝及其复合材料的机械合金化制备研究在国内外都受到了广泛关注，众多科研人员围绕制备工艺、微观结构、性能优化等方面展开了深入探索，取得了一系列有价值的成果。

在国外，早期研究主要聚焦于机械合金化制备镍铝金属间化合物的基本过程和机制。例如，有研究通过X射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等技术，详细分析了球磨过程中Ni、Al元素粉末的反应进程，发现随着球磨时间的增加，Ni、Al原子逐渐扩散并发生固态反应，最终形成NiAl金属间化合物，且在球磨初期，主要以冷焊和粉末细化为主，随着球磨的持续，原子扩散加剧，反应逐渐向生成NiAl相推进。在纳米晶镍铝复合材料的研究方面，有团队将碳纳米管（CNT）引入镍铝基体中，利用机械合金化使CNT均匀分散在NiAl基体中，显著提高了材料的强度和硬度。他们通过力学性能测试发现，复合材料的室温屈服强度和抗拉强度相较于纯NiAl有大幅提升，这归因于CNT