纳米晶体合金和纳米颗粒尺寸稳定性

颗粒边界具有相对较高的吉布斯自由能。因此，由于具有较大的晶粒边界，纳米材料中的吉布斯自由能量总量相对较高。高吉布斯自由能使材料不稳定，特别是在高温下。通过提高温度，不稳定的颗粒容易生长，材料失去其机械性能（如强度、延展性等）。这意味着，通过减小颗粒大小，整个材料远远超出了平衡条件，导致热力学特性改变，从而降低了晶粒的稳定性，特别是在高温下。换句话说，每种材料都需要热力学稳定。使用机械技术将常规材料更改为纳米材料可改变其热力学特性。这意味着他们不再稳定，宁愿回到原来的状态。温度升高有助于更容易发生这种情况。因此，新开发的纳米材料必须在高温下稳定下来。

为了分析颗粒大小，Scherrer 方程（Equ. 1）可与 X 射线衍射数据结合使用。热处理后（在每个温度下）样品将由XRD机器进行分析，以获得相关的峰值。 Scherrer 方程将纳米颗粒的大小与衍射模式中峰值的扩展相关联。

D_K = / （* cos_） （1）

其中 D 是纳米颗粒大小，K 是形状因子 （+1），α 是减去仪器线宽百分之一点线（以弧度为单位）后以半最大强度 （FWHM） 处变宽的线。 * 是 X 射线波长，α 是布拉格角的度。

最近对纳米晶体材料的研究表明，合金元素与晶粒边界的分离可提高晶粒尺寸的稳定性。从Ni-P系统中的强分离合金到Ni-W中的弱分离，所有分离范围都可以发展热力学稳定性。

在这项研究中，引入了一种非平衡稳定器溶质（Hafnium（Hf）），这样，当它在高温下与晶边界分离时，吉布斯自由能量会降低，并且纳米晶体可以产生一个可转移平衡状态。材料。

热力学粒径稳定性机制可以通过固体溶液中的氧消除来改善。氧气消除可防止材料中形成氧化物颗粒，导致固体溶液中残留更多溶质，从而与颗粒边界分离。通过增加晶粒边界中的溶质含量，达到饱和值，从而稳定晶粒大小。

HfO2氧化物形成的自由能量减少大约是Hf颗粒边界隔离的自由能量降低的一个数量级。通过从矩阵中消除 O（并增加到颗粒边界的溶质隔离），颗粒边界移动性相对于高 O 含量减少。

名义上无氧（OF）纳米晶体Fe14Cr4Hf合金是在手套箱中通过机械归档固体材料而生产的。之所以选择这种合金，是因为最近的常规溶液模型预测，Hf将促进Fe14Cr4Hf合金在高温下的热力学颗粒尺寸稳定。

本研究仅限于具有溶质/稳定剂、高氧化物形成剂的合金。否则，除氧可能对晶粒尺寸稳定性无显著影响。

图 3显示了在 900°C 下滚珠-Fe14Cr4Hf 退火一小时的 XRD 数据。峰值有锐化，以及轻微的峰值偏移。这是由于退火温度升高时晶格应变的松弛。当退火温度升高时，四个主要 BCC 峰值之间会显示几个小峰。这些将表明第二阶段的形成。
图 4a-c显示了 OF-Fe14Cr4Hf 的 TEM 图像和衍射模式，在 900°C 下退火 1 小时。纳米级颗粒的尺寸范围可达20nm。

图3:OF-Fe14Cr4Hf的XRD模式在900°C下退火一小时。

图4:OF-Fe14Cr4Hf的TEM图像和衍射模式在900°C下退火60分钟。

实验表明，与含氧量大的合金相比，名义无氧纳米晶体材料的纳米粒尺寸稳定性如何提高。在这项研究中，在受保护的环境中合成的OF粉末，以尽量减少氧和固体溶液之间的相互作用，从而增加合金元素与晶粒边界的分离，提高热力学颗粒尺寸的稳定性。TEM 显微镜引入了一种经济高效、省时且功能强大的工具，用于表征颗粒边界和纳米颗粒。

疲劳强度和抗蠕变性是飞机部件所需的关键特性，可能对飞机寿命产生直接影响。为了延长飞机的使用寿命，使用具有高疲劳/蠕变强度/抗性的材料至关重要，这主要是因为颗粒尺寸的减少。高温稳定的纳米材料，颗粒大小小于10~7米，可提供比传统材料多三倍的疲劳寿命。此外，新一代纳米晶体材料更坚固，能够在相对较高的温度下工作，从而显著提高了飞机的速度和燃油效率。

高温稳定的纳米晶体材料也是太空工艺的完美候选材料。与飞机相比，航天飞行器的各个部件（如火箭发动机、推进器和矢量喷嘴）在更高的温度下工作。

卫星具有民用和国防双重应用，也是高温稳定纳米材料的合理目标。推进火箭在卫星上用于改变其轨道，需要纳米材料，可以承受更高的温度。从传统材料开发出来的车载点火器可能会迅速磨损并失去效率，而拟议的纳米材料的持久性更长。