一种生产纳米晶微结构制品的方法.pdf

生产包含纳米晶微结构的制品的方法，尤其是可控地生产具有所需形状和尺寸的纳米晶碎片的方法。方法一般需要用切削工具机械加工物体产生具有纳米晶微结构的多晶碎片，同时在切削工具上叠加调制以便相对于正被机械加工的物体移动切削工具和造成在切削工具和物体之间接触点处的切削工具和物体之间的瞬时且周期性分离，其中切削工具和物体之间的每次分离都产生碎片。按照这种方式，碎片的形状和尺寸至少部分由调制循环确定，尤其是切削工具的时间长度与正被机械加工的物体衔接。

1.一种机械加工物体以可控制地产生具有确定形状和尺寸的碎片的方法，方法包括：通过机械加工
所述物体产生所需形状和尺寸中至少一个的碎片；和在进给速度方向上施加正弦调z(t)＝Asin(2πft)到
切削工具上，以便相对于正用切削工具进行机械加工的所述物体移动切削工具并造成在切削工具和物体之
间接触密切区域处的切削工具和物体之间的瞬时且周期性的啮合和分离，其中切削工具和物体之间的每次
周期性的分离都产生碎片，通过施加调制和切削条件控制所述碎片的尺寸和形状，所述调制条件包括振幅
和频率，并且所述碎片的所需形状选自片、针、带、丝、纤维、线和等轴颗粒，其中z(t)为工具的瞬时位
置，A为调制峰间振幅的一半，A的单位为mm，fm为以循环数/秒表示的调制频率，f的单位为Hz，t为时
间，t的单位为秒。
2.根据权利要求1的方法，其中通过施加步骤产生的碎片完全由纳米晶微结构组成。
3.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于1厘米。
4.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于1毫米。
5.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.1毫米。
6.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.01毫米。
7.根据权利要求1的方法，其中施加所述调制以限制碎片尺寸在长度上小于0.001毫米。
8.根据权利要求1的方法，其中物体是固定的，切削工具围绕其轴旋转，所述调制包括沿其轴移动切
削工具。
9.根据权利要求1的方法，其中物体围绕其轴旋转，所述调制包括平行于物体的轴移动切削工具。
10.根据权利要求1的方法，其中物体围绕其轴旋转，所述调制包括横向于物体的轴移动切削工具。

一种生产纳米晶微结构制品的方法

技术领域

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。

背景技术

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。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。

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。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。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。

发明内容

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。该方法通常需要用切削工具机械加工物体生产具有纳米晶微结构的多晶碎片。特别
地，以生产基本由纳米晶组成的碎片的方式机械加工物体，而生产基本由纳米晶组成的碎片是由于机械加
工操作以施加足够大的应变变形的方式进行。物体可由各种材料形成，包括金属、金属合金、金属间化物
和陶瓷材料。此外，物体可具有基本不含纳米晶的微结构，并甚至可具有单晶微结构。通过机械加工操作
生产的碎片可为颗粒、带、线、丝和片的形式。

该方法还需要在切削工具上施加叠加调制以便相对于正被机械加工的物体移动切削工具和造成切削，
其中切削工具和物体之间的每次分离都产生碎片。按照这种方式，碎片的形状和尺寸至少部分由调制循环
确定，尤其是由切削工具与正被机械加工的物体啮合的时间长度确定。

鉴于上述内容，本发明提供一种合成可用于生产整体和复合产品的纳米晶固体的可控和低成本方法。
本发明的方法还能够由使用现有技术难以或不能加工的材料如用多阶段变形处理不能加工的非常硬的材
料和用凝结方法不能加工的合金生产纳米晶固体。

具体实施方式

本发明提供一种通过调制的机械加工直接生产纳米晶碎片的方法。直接由本体材料，包括金属、金属
合金、金属间化物和陶瓷制造碎片。此外，本体材料可具有基本不含纳米晶的微结构。选择机械加工条件
以引发导致具有纳米晶微结构的碎片形成的严格塑性变形，同时在机械加工操作上叠加调制条件以控制
纳米晶碎片的尺寸和形状，这提供了碎片长度在几纳米到几毫米范围内的可能性。由于可通过本发明的调
制的机械加工方法直接生产可控的形貌、尺寸和形状的纳米晶碎片，因此消除了对额外的辅助粉碎步骤的
需要。利用受控的调制，可以生产具有一定尺寸和形状的纳米晶碎片，包括等轴颗粒、带、线、丝和片。