美海军研究实验室在纳米陶瓷研究领域取得新进展

据美国海军网站报道，美海军研究实验室（NRL）在纳米晶陶瓷领域的研究取得了新进展，不仅将晶粒尺寸进一步降至极限，还发现了纳米晶陶瓷一些不为人知的特性，这些研究发现或将推动更高性能陶瓷防护材料的问世。

几年前，NRL就较早地认识到，如果将陶瓷的晶粒尺寸降低至数十纳米的水平，陶瓷的硬度和强度都会得到提高，这就是后来人们所熟知的霍尔佩奇效应。现在，NRL的研究人员进一步发现，当晶粒尺寸为18.4纳米时，可以得到最高的硬度。研究人员在《ACS纳米》杂志上发表了这一研究成果。文章称，他们对晶粒尺寸在3.6~37.5纳米之间的全致密纳米晶陶瓷进行了研究，发现18.4纳米时的硬度最高，而随后晶粒尺寸在向5纳米的下降过程中，将出现负面（或逆转）的霍尔佩奇效应，使得材料硬度减弱。若再往后降低晶粒尺寸，硬度则趋于平稳。应变率研究表明，霍尔佩奇关系失效、逆转及逐步平稳的背后，主要机理不在于扩散作用。在晶粒尺寸的下降过程中，密度的降低及耗散能的增加与晶界体积分数的增加有关。文章表示，鉴于晶粒尺寸与硬度、弹性、能量耗散等的依赖关系，可以通过改变晶粒尺寸来调整纳米晶陶瓷的强度，这可能会对陶瓷防护材料的设计带来革命性改变。

NRL获得上述发现，关键是NRL拥有一种纳米烧结技术，即“环境受控的压力辅助烧结”（EC-PAS），能够用来制成大型的固态纳米构件。烧结是一种通过加热或加压形成固体物质的工艺。运用这种特有的烧结方法，NRL将晶粒尺寸降到了3.6纳米，这相当于人体头发丝厚度的三万分之一，打破了致密性陶瓷在晶粒尺寸上的世界纪录。NRL研究人员称，EC-PAS纳米烧结技术是NRL在纳米晶陶瓷领域未来创新的关键，为探索纳米材料领域诸多现象的极限提供了机会，防护材料只是这种探索的开始。