12. Твердотельные нанокластеры и наноструктуры

Твердотельные кластеры формируются в результате различных превращений в твердой фазе. Можно выделить следующие основные способы получения нанокластеров и наноструктур:

1)твердотельные химические реакции, в частности реакции термического разложения солей металлов и комплексов металлов;

2)механохимический синтез;

3)детонационный синтез и электровзрыв ;

4)наноструктурирование под действием давления со сдвигом;

5) кристаллизация аморфных сплавов и выделение нанофаз;

6)компактирование и консолидация кластеров с образованием наноструктур.

Твердотельные химические реакции. Реакции термического разложения соединений металлов приводят к созданию активного атомного фона, на котором происходит нуклеация атомов и образование зародышей новой фазы в виде нанокластеров.

Механохимические превращения. Метод осуществляется обычно с помощью шаровых или планетарных мельниц . Механическое воздействие в области контактов вещества с инициаторами, например металлическими шарами, приводит к возникновению напряжений на поверхности контактов. Последующая релаксация, которая ведет к снятию этих напряжений и уменьшению свободной энергии, может сопровождаться выделением тепла, образованием новой поверхности, зарождением дефектов и прохождением хим.реакций. Механохимические превращения включают в себя несколько стадий: истирание и сдвиги атомов на поверхности, дробление вещества до нанодиапозона и проведение механохимических реакций, далее возможное дальнейшее измельчение нанокластеров и укрупнение нанокластеров за счет спекания.

Ударно-волновой синтез. Действие ударной волной создает условия для синтеза продуктов и для их диспергирования. Происходящие процессы очень быстры и могут рассматриваться в адиабатическом режиме.С помощью ударно-волновой обработки смесей графита с металлами при давлении во взрыве до нескольких десятков ГПа получаются нанокластеры алмаза со средним размером 4нм. Другой метод получения наноалмазов с помощью взрыва состоит в применении детонации взрывчатых веществ с недостатком кислорода, который приводит к выделению свободного углерода, из кот.образуется алмазная нанофаза. Еще один детонационный способ синтеза связан с образованием нанокластеров металлов с помощью воздействия контактного заряда взрывчатого вещества.

Наноструктурирование под действием давления со сдвигом .Для достижения больших пластических деформаций используются обычно сдвиг под действием гидростатического давления, равноканальное угловое прессование, прокатка и ковка материала. Здесь происходит сравнительно медленное накопление напряжений, вызывающих дробление вещества и генерацию большого количества дефектов. Действие давления с многократным накаливанием сдвига приводит к формированию наноструктур с очень высокой плотностью дислокаций. Температурный отжиг таких структур приводит сначала к релаксации напряжений и залечиванию дефектов, затем при повышении температуры происходит укрупнение кластеров за счет спекания.

Наноструктурирование путем кристаллизации аморфных структур. Для получения нанокристаллической структуры аморфные сплавы подвергаются температурному отжигу. Отжиг должен проходить так, чтобы возникло наибольшее число центров кристаллизации и скорость увеличения размеров нанокластеров должна быть низкой. Этого можно достичь предварительной прокаткой перед отжигом аморфного сплава.

Компактирование( консолидация) нанколастеров. Компактирование с помощью прессования и последующего высокотемпературного спекания приводит к образованию наноструктур.Наиболее плотно организованныенаноструктуры получаются из наиболее малых и монодисперсных кластеров. Для эффективной консолидации структур применяется магнитно-импульсный метод - прессование осуществляется под действием импульсных волн сжатия и сопровождается локальным разогревом за счет быстрого выделения энергии при трении нанокластеров в процессе упаковки.

Также для твердотельныхнанокластеров и наноструктур необходимо отметить высокую твердость и высокую пластичность.