МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
Значительный интерес к объемным нанокристаллическим материалам обусловлен тем, что конструкционные и функциональные свойства этих материалов сильно отличаются от свойств их крупнозернистых аналогов.
Нанокристаллические материалы получают в основном методами порошковой металлургии, кристаллизацией из аморфного состояния и интенсивной пластической деформацией. Особенности структуры нанокристаллических материалов (размер зерен, значительная доля границ раздела и их состояние, пористость и другие дефекты структуры) определяются методами их получения и существенно влияют на конечные свойства. С уменьшением размера зерна повышается прочность с сохранением пластичности, проявляется эффект низкотемпературной и высокоскоростной сверхпластичности, наблюдается изменение физических свойств.В настоящее время становится возможным формировать наноструктуры, которые позволяют существенно (в несколько раз, а в ряде случаев на порядок и более) улучшить свойства материалов. Этим, в свою очередь, обеспечивается возможность создания принципиально новых устройств, конструкций и приборов с такими характеристиками эксплуатационных свойств, которые не достигаются при использовании традиционных материалов.
Например, повышение конструкционной прочности и износостойкости материалов при сохранении достаточной пластичности позволит увеличить надежность и долговечность инструмента, деталей, машин и конструкций, уменьшить расход металла на их изготовление, увеличить полезную грузоподъемность разного вида транспорта и скорость движения машин, уменьшить расход топлива, а следовательно, загрязнение окружающей среды. Использование наноматериалов с повышенными физико-механическими свойствами имеет существенное значение при создании ряда новых изделий для нужд космической техники и медицинского оборудования. Титановые наноматериалы и ни- келид титана являются весьма перспективными для применения в медицине вследствие их полной биосовместимости с живой тканью человеческого организма.
Для получения объемных нанокристаллических материалов используют ряд методов, которые по основному физическому процессу можно разделить на четыре группы: компактирование нанопорошков (метод порошковой металлургии); кристаллизация из аморфного состояния; интенсивная пластическая деформация; формирование высокопористых структур (слоистые гидроксиды, мезопористые молекулярные сита и др.).
Слоистые наноматериалы получают методами физического и химического осаждения из газовой фазы, электроосаждения, многократной прокатки и др.
Полученный методом физического осаждения многослойный наноламинат Mo-W толщиной 50 мкм состоит из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм. Твердость и предел прочности этого материала в 15 раз превышают аналогичные характеристики сплава соответствующего состава.
Для получения наноструктурных покрытий также используют разные методы: плазменное нанесение покрытий, физическое осаждение из газовой фазы, магнетронное напыление, химическое осаждение из газовой фазы, электролитическое осаждение и др.
Новые проблемы и задачи создания материалов с заданными физико-химическими и механическими свойствами успешно решаются методами порошковой металлургии, впервые предложенными П.Г. Соболевским в 1827 г. Он осуществил метод переработки губчатой платины в плотные ковкие заготовки путем ее прессования в нагретом состоянии. В современной порошковой металлургии этот способ получил название горячего прессования. К важным преимуществам порошковой металлургии относится возможность создания композиционных материалов с особыми свойствами и безотходность производства.
Наиболее распространенными являются традиционные методы порошковой технологии, т. е. различные виды прессования и спекания, модифицированные применительно к нанопорошкам. Модификация сводится к выбору оптимальных параметров компактирования и спекания нанопорошков. Такими параметрами являются давление прессования и способы его приложения, температурный режим спекания, среда и скорость проведения процесса.
Компактирование нанопорошков можно проводить холодным статическим прессованием с односторонним или двухсторонним приложением давления; горячим аксиальным прессованием; холодным или горячим изостатическим прессованием в гидро- или газостатах; формованием литьем из коллоидных гелей с последующим спеканием; магнитно-импульсным, ударным и взрывным прессованием; ультразвуковым прессованием.К порошковой технологии можно отнести также предложенный немецким профессором Г. Глейтером метод вакуумного компактирования наночастиц, полученных конденсацией из газовой фазы.
Основная трудность, возникающая при использовании порошковых технологий для получении беспористых (или с минимальной пористостью) изделий из нанопорошков, связана с интенсивной рекристаллизацией и остаточной пористостью. Сокращая продолжительность воздействия высокой температуры, можно уменьшить рекристаллизацию и рост зёрен при спекании. Использование высокого статического или динамического давления для прессовании нанопорошков при комнатной или высокой температуре позволяет уменьшить остаточную пористость и увеличить относительную плотность получаемых материалов. Порошковая технология применима к химическим элементам, соединениям и сплавам.
Нанесение плёнок и покрытий позволяет получать беспористые материалы толщиной не более нескольких микрометров. Пленки как наноструктурные материалы универсальны по составу, а размер кристаллитов в них может меняться в широком интервале, включая аморфное состояние и многослойные структуры (сверхрешетки). Это обеспечивает большие возможности для применения плёнок в инструментальной промышленности и электронной технике. Действительно, несмотря на малую толщину, покрытия существенно повышают механические свойства изделий.
Беспористые наноструктурированные материалы можно получить также кристаллизацией из аморфного состояния, но этот метод пригоден только для сплавов, которые можно закалить из расплава в аморфное состояние. Кристаллизацию аморфных сплавов проводят при обычном и высоком давлении, совмещая с деформационной обработкой.
Интенсивная пластическая деформация (ИПД) позволяет получать беспористые металлы и сплавы с размером зерна около 100 нм. Она применима, в основном, к пластически деформируемым материалам.
Формирование наноструктуры в нестехиометрических соединениях типа карбидов, нитридов и оксидов переходных металлов и в твёрдых растворах замещения возможно с помощью атомного упорядочения. Этот метод применим, если превращение беспорядок-порядок является фазовым переходом первого рода и сопровождается скачкообразным изменением объема.
Размер зерен, морфология и текстура объемных наноматериалов могут меняться в зависимости от соответствующих технологических параметров процесса получения (табл. 1).
Метод | Основные физические процессы | Получаемые материалы |
Компактирование нанопорошков | Прессование и спекание; спекание под давлением | Металлические, керамика, керметы, композиционные, полимеры |
Кристаллизация аморфных сплавов | Кристаллизация аморфных сплавов; консолидация аморфных порошков с последующей кристаллизацией | Аморфизирующиеся металлические |
Интенсивная пластическая деформация | Равноканальное угловое прессование; деформация кручением при высоких давлениях; всесторонняя ковка | Металлические |
Формирование высокопористых структур | Слоистые гидроксиды; мезо- пористые молекулярные сита и др. | Композиционные, керамика, металлокерамика |
Таблица 1
Методы получения объемных нанокристаллических материалов
Измеряемые механические свойства зависят от размеров используемых образцов. На примере монокристаллов олова экспериментально было доказано влияние размеров образцов на вид диаграмм растяжения. На рис. 4 представлены графики зависимости ств образцов нитрида кремния от размеров образцов.
Видно, что с уменьшением размеров образцов прочность может возрасти в 2 раза.
Еще по теме МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ:
- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАНОТЕХНОЛОГИЙ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
- Наноматериалы, их классификация
- МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ
- Методы получения нанопорошков
- Методы получения объемных наноматериалов
- СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ОБЪЕМНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ
- Механические свойства наноматериалов
- Теплофизические свойства наноматериалов
- МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОПОРОШКОВ И НАНОМАТЕРИАЛОВ
- ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОУСТРОЙСТВА НА ИХ ОСНОВЕ