1 引 言
納米晶材料具有明顯不同於粗晶材料的物理和化學性能, 如高自擴散率、高延展性、聲子比熱容增強、磁性改變. 這些優異性能與其本身具有的體積比相當大的介面微觀結構有關. 納米晶的介面處通常存在大量缺陷, 如空位、空位團、微孔洞等,而缺陷的大小和濃度與製備納米晶的工藝等因素有關.
正電子湮沒壽命譜已廣泛應用於研究納米晶材料晶界的微觀缺陷[513], 提供缺陷的類型和濃度等資訊. 已有的文獻報道主要集中於納米晶Fe,Cu, Pd, Ag等微結構以及熱穩定性的研究. 目前僅有曾小川利用正電子湮沒技術研究了不同製備工藝對製備的鋁納米粉體缺陷的影響, 尚缺乏相關製備工藝對鋁納米晶的缺陷影響的研究.
本文擬採用自懸浮定向流-真空熱壓法制備鋁納米晶, 並運用正電子湮沒壽命譜分析技術研究鋁納米晶在壓制過程中缺陷變化情況, 着重分析壓力變化對材料缺陷狀態的影響. 在透過壓制納米粉體制備納米晶過程中, 不同的壓力勢必影響樣品中缺陷的類型及其濃度. 這些微觀結構的`改變將影響材料最終的物理化學性能. 因此, 微觀結構的研究對於材料的生產和應用有重要的指導意義.
2 實 驗
2.1 樣品製備
以純度爲99.99% 的鋁絲爲原料, 採用電磁感應加熱-自懸浮定向流法制備出鋁納米粉末顆粒,並將所製備的鋁納米粉末移至真空手套箱中. 在惰性氣體(高純氬氣)保護下, 稱取一定量的鋁納米粉, 裝入直徑爲15 mm的硬質合金模具中, 密封后取出, 移入真空熱壓塊體制備設備中, 待真空至真空度優於2.0 × 103Pa後升溫, 在相應的溫度(300?C)和壓強(0—1 GPa)下保壓1 h, 製備出5個不同密度的鋁納米晶體(按照密度從低至高分別爲1—5號樣品).
2.2 性能表徵
本實驗採用阿基米德原理(以無水乙醇爲介質)測定鋁納米晶體的密度(測試溫度爲15.6?C);採用D/max-IIIA型X射線衍射儀(XRD)進行測試, 以CuKα (λ = 1.5406 )爲X射線源, 掃描範圍2θ = 30?—90?; 正電子壽命譜是在常溫下利用快-快符合正電子壽命譜儀測量, 採用22NaCl正電子源, 測量壽命譜時用兩片相同的樣品夾住正電子源成三明治結構. 每個樣品測量8次, 每一個壽命譜的總計數都在106以上, 並且都採用PATFITP 軟件進行3個壽命分量擬合. 另外也將純鋁進行退火後進行正電子湮沒壽命譜測試.
3 結果與討論
3.1 XRD分析
利用X射線衍射, 測量了鋁納米晶體的XRD譜圖(見圖2). 由布拉格公式, 可以推出XRD譜出現的5個鋁的特徵峯, 從左到右分別對應面心立方(FCC)結構Al的晶面指數(111), (200), (220),(311), (222). 假定衍射線的寬化僅由晶粒尺寸造成, 扣除儀器因素引起的幾何寬化, 透過Scherrer公式計算得出5個鋁納米晶體樣品的平均晶粒尺寸約爲48 nm, 晶粒尺寸沒有明顯變化. 可見在300?C溫度下, 不同壓制壓強對製備的樣品的晶粒尺寸基本沒有影響.
3.2 正電子湮沒壽命分析
3.2.1 正電子壽命譜的三壽命分量
實驗製備的5個鋁納米晶的正電子湮沒壽命譜由三分量構成: 短壽命τ1爲177—214 ps,其 對 應 強 度I1爲31.8%—46.7%; 中 間 壽 命τ2爲352—390 ps, I2爲53%—67%; 長 壽 命τ3爲1113—2366 ps, I3爲0.13%—0.58%. 壽命和對應強度的具體值與壓制壓強有關.
3.2.2 壓制壓強對正電子壽命譜的影響
鋁納米晶的平均正電子壽命與壓強有關: 隨壓強增加, 平均正電子壽命τm(τm=τ1I1+ τ2I2+ τ3I3)大體趨勢是降低的, 即由311 ps降至301 ps. 由於平均正電子壽命τm與三種類型缺陷(類空位、空位團和微孔洞)的總體積尺寸相關,圖4 表明缺陷的總體積隨壓強的增大而減小.
3.3 顯微硬度
納米金屬塊體材料的顯微硬度屬於結構敏感量, 不僅與材料本身的微觀狀況(晶粒大小, 製備過程和製備方法)有關, 而且還與缺陷及其大小有關.表面氣孔等缺陷的存在會顯著降低顯微硬度. 增大壓力可提高樣品密度以及減小缺陷尺寸和數量, 從而可望提高樣品硬度. 圖9爲鋁納米晶的顯微硬度與壓制壓強的關係, 可見隨着壓強的提高, 鋁納米晶的密度增加, 從而使其顯微硬度提高.
4 結 論
正電子湮沒壽命測試表明自懸浮定向流-真空熱壓法制備的鋁納米晶的微觀缺陷明顯不同於粗晶純鋁, 其缺陷主要爲類空位以及空位團, 而微孔洞的含量很少. 鋁納米晶微觀缺陷結構與壓強的變化規律爲: 壓制壓強(P)低於0.39 GPa時製得的納米晶, 空位團隨壓強的增加而逐漸轉變爲類空位;在0.39 GPa P 0.72 GPa時, 各類缺陷發生消除; P 0.72 GPa時, 各類缺陷進一步發生消除.隨着壓強的提高, 鋁納米晶的密度增加, 缺陷的尺寸和數量相應地減少,從而增加其顯微硬度.