3. Нанокристаллические материалы

Кристаллы с размерами менее 10 нм ( 1 нм = 10^-9 м) по комплексу свойств существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава [ 2 ]. Это связано с сильным влиянием поверхностного (граничного) слоя. В нанокристаллических материалах доля граничного слоя быстро возрастает при измельчении зерен от 100 до 4-5 нм. Считая, что зерна имеют сферическую форму, и полагая толщину слоя 1 нм (это соответствует 2-3 атомным слоям для большинства металлов), получим следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:

Диаметр зерна, нм 100 50 25 20 10 6 4

Объемная доля

поверхностного слоя, % 6 12 24 30 60 100 150

Таким образом, в нанокристаллических материалах, начиная с диаметра зерен 6 нм, объем граничного слоя становится больше объема кристаллов. Такое положение влечет за собой следующие свойства нанокристаллических материалов.

Нанокристаллические материалы обладают повышенной прочностью: твердость в 2-7 раз, предел текучести в 2-3 раза, а временное сопротивление в 1,5-8 раз выше, чем у соответствующих аналогов. Нанокристаллические материалы имеют высокие демпфирующие свойства, т. к. из-за различия модулей упругости самих зерен и граничных слоев упругие колебания распространяются неоднородно и существенно рассеиваются. При 20-25 ⁰С в нанокристаллических материалах с заметной скоростью развиваются процессы рекристаллизации ( о рекристаллизации см. раздел 7.1).

Теплоемкость нанокристаллических сплавов при низких температурах в 1,2-2 раза выше, чем у соответствующих аналогов из-за высокой теплоемкости граничного слоя. Нанокристаллические сплавы сильно расширяются при нагреве из-за более интенсивного (в 2-2,5 раза) расширения граничного слоя по сравнению с зернами. У нанакристаллической меди при размерах зерен 8 нм коэффициент теплового расширения вдвое превышает его значение у поликристаллической меди.

Удельное электросопротивление у нанокристаллических материалов выше, чем у соответствующих аналогов, т. к. электроны проводимости сильнее рассеиваются на границах зерен. Так, например, у нанокристаллических меди, никеля и железа с размерами зерен 100-200 нм удельное электросопротивление при 20 ⁰С возрастает соответственно на 15, 35 и 55%. Уменьшение диаметра зерна меди до 7 нм повышает удельное электросопротивление в несколько раз.

Имеются и другие особые свойства нанокристаллических материалов.

Нанокристаллические порошки металлов, карбидов, нитридов, оксидов и других материалов получают физическими и химическими методами: испарением материалов в инертной или активной газовой среде; размолом с интенсивным подводом энергии в зону измельчения; синтезом порошка с использованием плазмы, лазерного нагрева, термического разложения веществ электролизом.

Частицы получаемых порошков являются неравновесными, в них запасена избыточная энергия по сравнению с обычным крупнозернистым материалом. Значительная доля упругой энергии порошковых частиц обусловлена, во-первых, вкладом поверхностного слоя, во-вторых, под влиянием поверхностного слоя материал частиц испытывает сжатие, и кристаллическая решетка оказывается упруго искаженной (в частности, при диаметре зерна менее 10 нм и поверхностном натяжении 2 н/м давление достигает 1 ГПа).

Нанокристаллические порошки плохо прессуются. В формованном изделии остаточная пористость по объему достигает 10%, у металлических нанокристаллических материалов ее удается сократить до 3% (об.), в керамических материалах (у которых порошки прессуются еще хуже) остаточная пористость составляет 15% (об.). Из-за пористости свойства порошковых нанокристаллических материалов непостоянны. В то же время получение и переработка нанокристаллических порошков является наиболее универсальным методом создания нанокристаллической структуры в различных материалах.