1 引 言
纳米晶材料具有明显不同于粗晶材料的物理和化学性能, 如高自扩散率、高延展性、声子比热容增强、磁性改变. 这些优异性能与其本身具有的体积比相当大的界面微观结构有关. 纳米晶的界面处通常存在大量缺陷, 如空位、空位团、微孔洞等,而缺陷的大小和浓度与制备纳米晶的工艺等因素有关.
正电子湮没寿命谱已广泛应用于研究纳米晶材料晶界的微观缺陷[513], 提供缺陷的类型和浓度等信息. 已有的文献报道主要集中于纳米晶Fe,Cu, Pd, Ag等微结构以及热稳定性的研究. 目前仅有曾小川利用正电子湮没技术研究了不同制备工艺对制备的铝纳米粉体缺陷的影响, 尚缺乏相关制备工艺对铝纳米晶的缺陷影响的研究.
本文拟采用自悬浮定向流-真空热压法制备铝纳米晶, 并运用正电子湮没寿命谱分析技术研究铝纳米晶在压制过程中缺陷变化情况, 着重分析压力变化对材料缺陷状态的影响. 在通过压制纳米粉体制备纳米晶过程中, 不同的压力势必影响样品中缺陷的类型及其浓度. 这些微观结构的改变将影响材料最终的物理化学性能. 因此, 微观结构的研究对于材料的生产和应用有重要的指导意义.
2 实 验
2.1 样品制备
以纯度为99.99% 的铝丝为原料, 采用电磁感应加热-自悬浮定向流法制备出铝纳米粉末颗粒,并将所制备的铝纳米粉末移至真空手套箱中. 在惰性气体(高纯氩气)保护下, 称取一定量的铝纳米粉, 装入直径为15 mm的硬质合金模具中, 密封后取出, 移入真空热压块体制备设备中, 待真空至真空度优于2.0 103Pa后升温, 在相应的温度(300◦C)和压强(01 GPa)下保压1 h, 制备出5个不同密度的铝纳米晶体(按照密度从低至高分别为15号样品).
2.2 性能表征
本实验采用阿基米德原理(以无水乙醇为介质)测定铝纳米晶体的密度(测试温度为15.6◦C);采用D/max-IIIA型X射线衍射仪(XRD)进行测试, 以CuK ( = 1.5406 )为X射线源, 扫描范围2 = 30◦90◦; 正电子寿命谱是在常温下利用快-快符合正电子寿命谱仪测量, 采用22NaCl正电子源, 测量寿命谱时用两片相同的样品夹住正电子源成三明治结构. 每个样品测量8次, 每一个寿命谱的总计数都在106以上, 并且都采用PATFITP 软件进行3个寿命分量拟合. 另外也将纯铝进行退火后进行正电子湮没寿命谱测试.
3 结果与讨论
3.1 XRD分析
利用X射线衍射, 测量了铝纳米晶体的XRD谱图(见图2). 由布拉格公式, 可以推出XRD谱出现的5个铝的特征峰, 从左到右分别对应面心立方(FCC)结构Al的晶面指数(111), (200), (220),(311), (222). 假定衍射线的宽化仅由晶粒尺寸造成, 扣除仪器因素引起的几何宽化, 通过Scherrer公式计算得出5个铝纳米晶体样品的平均晶粒尺寸约为48 nm, 晶粒尺寸没有明显变化. 可见在300◦C温度下, 不同压制压强对制备的样品的晶粒尺寸基本没有影响.
3.2 正电子湮没寿命分析
3.2.1 正电子寿命谱的三寿命分量
实验制备的5个铝纳米晶的正电子湮没寿命谱由三分量构成: 短寿命1为177214 ps,其 对 应 强 度I1为31.8%46.7%; 中 间 寿 命2为352390 ps, I2为53% 长 寿 命3为11132366 ps, I3为0.13%0.58%. 寿命和对应强度的具体值与压制压强有关.
3.2.2 压制压强对正电子寿命谱的影响
铝纳米晶的平均正电子寿命与压强有关: 随压强增加, 平均正电子寿命m=1I1+ 2I2+ 3I3)大体趋势是降低的, 即由311 ps降至301 ps. 由于平均正电子寿命m与三种类型缺陷(类空位、空位团和微孔洞)的总体积尺寸相关,图4 表明缺陷的总体积随压强的增大而减小.
3.3 显微硬度
纳米金属块体材料的显微硬度属于结构敏感量, 不仅与材料本身的微观状况(晶粒大小, 制备过程和制备方法)有关, 而且还与缺陷及其大小有关.表面气孔等缺陷的存在会显著降低显微硬度. 增大压力可提高样品密度以及减小缺陷尺寸和数量, 从而可望提高样品硬度. 图9为铝纳米晶的显微硬度与压制压强的关系, 可见随着压强的提高, 铝纳米晶的密度增加, 从而使其显微硬度提高.
4 结 论
正电子湮没寿命测试表明自悬浮定向流-真空热压法制备的铝纳米晶的微观缺陷明显不同于粗晶纯铝, 其缺陷主要为类空位以及空位团, 而微孔洞的含量很少. 铝纳米晶微观缺陷结构与压强的变化规律为: 压制压强(P)低于0.39 GPa时制得的纳米晶, 空位团随压强的增加而逐渐转变为类空位;在0.39 GPa P 0.72 GPa时, 各类缺陷发生消除; P 0.72 GPa时, 各类缺陷进一步发生消除.随着压强的提高, 铝纳米晶的密度增加, 缺陷的尺寸和数量相应地减少,从而增加其显微硬度.
