课题名称：纳米晶材料受氢损伤的分子模拟

一．纳米晶材料介绍

纳米晶材料的概念最早是在80年代初由德国科学家H.Gleiter[1]提出的。这类固体是由（至少在一个方向上）尺寸为几个纳米的结构单元（主要是晶体）所构成。纳米晶材料的二维硬球模型是由不同取向的纳米尺度小晶粒由晶界联结在一起，由于晶粒极微小，晶界所占的比例就相应的增大。

1. 纳米晶材料的微观结构

纳米晶体的晶界结构利用HREM进行细致观察[2]可以发现纳米晶体的晶界面结构与普通大角晶界非常相似，在纳米Pd样品中，晶界引起的HREM点阵成像混乱区窄于0.4mm；晶粒内的有序点阵延伸到另一晶粒时，在晶界处突然停止，晶界形态为台阶型小平面结构。这表明纳米晶体的晶界处于很低的能量状态，其无序程度与一般大角晶界相近[3]。

定量低温X射线衍射结果表明，单质纳米晶体Se的Debye特征温度随晶粒尺寸减小而显著降低，而静态Debye-Waller参数及原子静态位移²gt;^1/2则随1/d线性增大，不仅表明纳米尺寸晶粒的结构与完整晶格有很大差异，且纳米晶体晶格中的原子偏离了平衡位置，且偏离程度（亦晶格畸变量）随晶粒尺寸减小而显著增大。

此外，纳米晶体中大量的晶界处于热力学亚稳态，在适当的外界条件下将向较稳定的亚稳态或稳定态转变，一般表现为固溶脱溶、晶粒长大或相转变三种形式。纳米晶一旦发生晶粒长大，即将变为普通粗晶材料，失去其优异性能。但通常情况下，纳米晶体具有很好的热稳定性，且少量杂质的存在会提高纯金属纳米晶体的热稳定性，如在Ag纳米晶体中加入7.0%的氧，会使其晶粒长大温度由423K升高到513K。另外在不同晶粒尺寸的Ni-P纳米晶体样品中发现一种反常的热稳定现象，即晶粒尺寸愈小，纳米晶体的稳定性愈好，表现为晶粒长大温度及激活能升高。这种反常的热稳定性效应与其界面热力学状态有密切关系[4]。

2. 纳米晶材料的性能

由于纳米晶体材料中含有大量的晶界面，因而可能表现出许多与普通多晶体不同的理化性能。近来有研究结果表明，纳米晶体材料中的微孔隙及杂质对材料的性能有显著影响，不同的样品密度表现出不同的性能。对无微孔隙纳米晶Ni-P合金样品进行实验发现，其比热较普通成分的锅晶体仅高2%左右[5]。Erb[6]等人发现无空隙纳米Ni晶体的热膨胀系数、弹性模量，Curie温度等均与粗精Ni完全相同，而其比热及饱和磁化强度的差别均小于5%。这些结果均说明纳米晶体中的微孔隙对材料的性能有显著影响。纳米晶材料的超细晶粒及多界面特征使这类新材料可能表现出一些不同与普通多晶体材料的力学性能。在纳米晶材料中，强度/硬度与晶粒尺寸的关系既遵守正常的Hall-Petch关系（H_c=H_co kd^-1/2，其中H_co为一常数，k为一正常数），也有表现为反常的Hall-Petch关系，即随着晶粒尺寸的降低，其强度/硬度降低。另外，在纳米晶金属如Cu，Ni及金属间化合物（TiAl）和合金（Ni-P）中均发现硬度与晶粒尺寸的关系偏离了正常的Hall-Petch规律。张皓月[7]等人发现，非晶晶化法制备的纳米晶Se样品中晶格畸变程度与Hall-Petch行为及弹性模量之间有密切关系。目前由于受到样品制备及性能测试技术的限制, 尚未取得关于纳米晶体的内察弹性及塑性形变等力学行为的测量结果，因此对纳米晶体材料中结构-性能关系的认识仍有待理论及实验工作的深化。