Раздел 1. Состояние проблемы получения керамик на основе оксидов алюминия

1.1 Привлекательность наноструктурных керамических материалов для перспективных применений

Непрерывно нарастающий во всем мире интерес к наноматериалам, безусловно, связан с уникальными свойствами этого класса веществ, и с открывающимися перспективами резко расширить границы возможностей технологий материалов. Например, тенденция к постоянному уменьшению характерного размера в микроэлектронике, сопровождается повышением быстродействия и уменьшением энергопотребления устройств. Более 20 лет назад на примере многих наноматериалов на основе металлов и интерметаллидов (Ni, Fe, Си и т.д.) было показано, что при характерном структурном размере менее 100 нм наблюдается существенное, часто немонотонное, изменение фундаментальных, обычно структурно- нечувствительных характеристик, таких как модули упругости, температуры Кюри и Дебая, намагниченность насыщения и др. Это открывает перспективы улучшения существующих и создания принципиально новых конструкционных и функциональных материалов.

К наноструктурным материалам, согласно терминологии, введенной международным журналом «Наноструктурные материалы» («Nanostructured materials»), относят кристаллические материалы со средним размером зерна или других структурных единиц, приблизительно в диапазоне 1-100 нм. По геометрическим признакам наноструктурные материалы (наноматериалы) можно разделить на ноль-мерные атомные кластеры и частицы,

одно- и двумерные мультислои, покрытия и ламинарные структуры, трехмерные объемные нанокристаллические и нанофазные материалы (рис. 1.1.1).

Рис. 1.1.1. Схематическое представление четырех типов наноструктурных материалов, различающихся размерностью структурных единиц

0—атомные кластеры и частицы

I —мультислои

2—ультрадисперсные покрытия

3—объемные нанокристаллические материалы

В ыбор приблизительной пороговой величины 100 нм обусловлен характерным корреляционным масштабом некоего физического явления, например, диффузии или дислокационной ползучести. При уменьшении зерна в материале до величин, сравнимых с характерным размером определенного свойства, происходит скачкообразное его изменение. Для керамических материалов конструкционного назначения таким явлением может быть образование дислокаций, которое невозможно в кристаллах нанометрового масштаба. При этом появляется эффект сверхпластичности и снижается вероятность хрупкого разрушения. Таким образом, свойства наноструктурных материалов прямо связаны с их необычной структурой, особенностями которой является большое количество сильно разориентированных границ. На примере ZnO впервые была отмечена зависимость свойств наноструктурных керамик от размера зерна. Например, очень сильно изменяются спекаемость и ползучесть при уменьшении размера зерна в нанометровом диапазоне, так как скорость уплотнения dp/dt и деформации de/dt содержат степенную зависимость от размера зерна в виде {1/г}^q, где 2 q 4. Применение этих соотношений к нанометровому диапазону показывает, что dp/dt и de/dt возрастут более чем в 10⁹ раз при уменьшении размера зерна на три порядка от 10 мкм до 10 нм. Таким образом, становится возможным управлять механическими свойствами веществ посредством контролируемого роста зерна. Одним из наиболее впечатляющих свойств нанокерамик является их сверхпластичность при температурах намного ниже температур спекания и рекристаллизации.

В частности, для оксида циркония в тетрагональной модификации наблюдалась пластическая деформация до 300 % при температурах порядка 800 °С , Это дает возможность ковать керамику, подобно металлам, в формы с точными размерами.

Особенно интересны в наноструктурном состоянии такие перспективные керамические материалы, как карбиды, нитриды, оксиды и подобные им, характеризуемые высокой температурой плавления. Замечательные свойства этих соединений (высокие значения твердости, модуля упругости и прочности; химическая инертность и низкая скорость испарения; широкий спектр электрических свойств и др.) уже давно привлекли к себе внимание широкого круга специалистов в области физической химии и технологии материалов.