Другие области применения фуллеренов

Среди других интересных приложений следует отметить аккумуляторы и электрические батареи, в которых так или иначе используются добавки фуллеренов. Основой этих аккумуляторов являются литиевые катоды, содержащие интеркалированные фуллерены. Фуллерены также могут быть использованы в качестве добавок для получения искусственных алмазов методом высокого давления. При этом выход алмазов увеличивается на ≈30 %. Фуллерены могут быть также использованы в фармации для создания новых лекарств. Кроме того, фуллерены нашли применение в качестве добавок в интумесцентные (вспучивающиеся) огнезащитные краски. За счёт введения фуллеренов краска под воздействие температуры при пожаре вспучивается, образуется достаточно плотный пенококсовый слой, который в несколько раз увеличивает время нагревания до критической температуры защищаемых конструкций. Так же фуллерены и их различные химические производные используются в сочетании с полисопряжёнными полупроводящими полимерами для изготовления солнечных элементов. Наконец, фуллерены могут найти применение в медицине.

Лекция 11 (2ч.) Нанотрубки

В 1991 японский профессор Сумио Иидзима обнаружил длинные углеродные цилиндры, получившие название нанотрубок.

Нанотрубка - это молекула из более миллиона атомов углеро­да, представляющая собой трубку с диаметром около нанометра и длиной несколько десятков микрон. В стенках трубки атомы угле­рода расположены в вершинах правильных шестиугольников (рис.26).

Рис.26.

Эти изумительные нанотруб­ки в 100 тыс. раз тоньше человеческого волоса и оказались на ред­кость прочным материалом! Нанотрубки в 50-100 раз прочнее стали и имеют в шесть раз меньшую плотность! Модуль Юнга ~ уровень сопротивления материала деформации - у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критичес­кие, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не "рвутся", не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются!

Рис. 27 Диаграмма прочности нанотрубок по сравнению с высокопрочной сталью

Модуль Юнга – уровень сопротивления материала деформации – у нанотрубок вдвое выше, чем у обычных углеродных волокон. То есть трубки не только прочные, но и гибкие, и напоминают по своему поведению не ломкие соломинки, а жесткие резиновые трубки. Под действием механических напряжений, превышающих критические, нанотрубки ведут себя довольно экстравагантно: они не “рвутся”, не “ломаются”, а перестраиваются!

Эти необычные свойства нанотрубок можно использовать для создания искусственных мускулов, которые при одинаковом объеме могут быть вдесятеро сильнее биологических, не боятся высоких температур, вакуума и многих химических реагентов.

Из нанотрубок можно создать сверхлегкие и сверхпрочные композиционные материалы, чтобы шить из них одежду, не стесняющую движений, для пожарных и космонавтов. Нанокабель от Земли до Луны из одиночной трубки можно было бы намотать на катушку размером с маковое зернышко. Небольшая нить диаметром 1 мм, состоящая из нанотрубок, могла бы выдержать груз в 20 т, что в несколько сотен миллиардов раз больше ее собственной массы!

Правда, в настоящее время максимальная длина нанотрубок составляет десятки и сотни микрон – что, конечно, очень велико по атомным масштабам, но слишком мало для повседневного использования. Однако длина получаемых нанотрубок постепенно увеличивается сейчас ученые уже вплотную подошли к сантиметровому рубежу. Получены многослойные нанотрубки длиной 4 мм. Поэтому есть все основания надеяться, что в ближайшем будущем ученые научатся выращивать нанотрубки длиной в метры и даже сотни метров. Безусловно, это сильно повлияет на будущие технологии: ведь невидимый невооруженным взглядом “трос” в тысячи раз тоньше человеческого волоса и способный удерживать груз в сотни килограмм найдет бесчисленное множество применений.

Это открывает возможность создания материалов для авиационно-космического комплекса с уникальными механическими свойствами.

Нанотрубки бывают самой разной формы: однослойные и многослойные, прямые и спиральные. Кроме того, они демонстрируют целый спектр самых неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств.

Разновидности нанотрубок (рис.28):

Рис. 28.

Например, в зависимости от конкретной схемы сворачивания графитовой плоскости (хиральности) нанотрубки могут быть как проводниками, так и полупроводниками электричества. Электронные свойства нанотрубок можно целенаправленно менять путем введения внутрь трубок атомов других веществ.

Рис. 29. Матрица нанотрубок

Пустоты внутри фуллеренов и нанотрубок давно привлекали внимание ученых. Эксперименты показали, что если внутрь фуллерена внедрить атом какого-нибудь вещества (этот процесс носит название “интеркаляция”, т.е. “внедрение”), то это может изменить его электрические свойства и даже превратить изолятор в сверхпроводник.

Таким же образом можно изменить свойства нанотрубок. Ученые смогли поместить внутрь нанотрубки целую цепочку из фуллеренов с уже внедренными в них атомами гадолиния. Электрические свойства такой необычной структуры сильно отличались как от свойств простой, полой нанотрубки, так и от свойств нанотрубки с пустыми фуллеренами внутри. Интересно отметить, что для таких соединений разработаны специальные химические обозначения. Описанная выше структура записывается как Gd@C60@SWNT, что означает “Gd внутри C60 внутри однослойной нанотрубки (Single Wall NanoTube)”.

На рис. 30 приведено СЭМ изображение Ru-Pt Nafion композитных нанотрубок:

Рис. 30.

Спектр возможного применения нанотрубок очень широк.

Из нанотрубок можно делать, например, уникальные провода для микроприборов. Уникальность их заключается в том, что ток протекает по ним практически без выделения тепла и достигает громадного значения – 107 А/см2. Классический проводник при таких значениях мгновенно бы испарился.

Разработано также несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Уже в 2006 году появятся эмиссионные мониторы с плоским экраном, работающие на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, другой конец начинает испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!

Рис. 31 Ковер из нанотрубок	Рис. 32. Нанотекстиль

Другой пример – использование нанотрубки в качестве иглы сканирующего микроскопа. Обычно такое острие представляет собой остро заточенную вольфрамовую иглу, но по атомным меркам такая заточка все равно достаточно грубая. Нанотрубка же представляет собой идеальную иглу диаметром порядка нескольких атомов. Прикладывая определенное напряжение, можно подхватывать атомы и целые молекулы, находящиеся на подложке непосредственно под иглой, и переносить их с места на место. Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники. На их основе изготовлены новые элементы для компьютеров. Эти элементы обеспечивают уменьшение устройств по сравнению с кремниевыми на несколько порядков. Сейчас активно обсуждается вопрос о том, в какую сторону пойдет развитие электроники после того, как возможности дальнейшей миниатюризации электронных схем на основе традиционных полупроводников будут полностью исчерпаны (это может произойти в ближайшие 5-6 лет).

И нанотрубкам отводится, бесспорно, лидирующее положение среди перспективных претендентов на место кремния.

Еще одно применение нанотрубок в наноэлектронике создание полупроводниковых гетероструктур, т.е. структур типа “металл/полупроводник” или стык двух разных полупроводников (нанотранзисторы).

Теперь для изготовления такой структуры не надо будет выращивать отдельно два материала и затем “сваривать” их друг с другом. Нужно лишь в процессе роста нанотрубки создать в ней структурный дефект (а именно _ заменить один из углеродных шестиугольников пятиугольником) просто надломив его посередине особым образом. Тогда одна часть нанотрубки будет обладать металлическими свойствами, а другая свойствами полупроводников.

Нанотрубки – идеальный материал для безопасного хранения газов во внутренних полостях. В первую очередь это относится к водороду, который давно стали бы использовать как топливо для автомобилей, если бы громоздкие, толстостенные, тяжелые и небезопасные баллоны для хранения водорода не лишали водород его главного преимущества – большого количества энергии, выделяемой на единицу массы (на 500 км пробега автомобиля требуется всего около 3 кг Н2).

Ввиду того, что запасы нефти на нашей планете не бесконечны, автомобиль на водородном топливе был бы эффективным решением многих экологических проблем. Поэтому, возможно, скоро вместо традиционного бензина новые водородные “бензобаки” с нанотрубками будут заполнять водородным топливом стационарно под давлением, а извлекать – небольшим подогревом такого “водородобака”. Чтобы превзойти обычные газовые баллоны по плотности запасенной энергии, нужны нанотрубки с полостями относительно большого диаметра – более 2–3 нм.

В нанотрубки можно не только “загонять” атомы и молекулы поодиночке, но и буквально “вливать” вещество. Как показали эксперименты, открытая нанотрубка обладает капиллярными свойствами, то есть как бы втягивает вещество в себя.

Таким образом, нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки и хранения химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов.

Попав внутрь нанотрубки, атомы или молекулы уже не могут выйти наружу: концы нанотрубок надежно “запаяны”, а углеродное кольцо слишком узко для того, чтобы большинство атомов "пролезло" через него. В таком виде активные атомы или молекулы можно безопасно транспортировать. Попав в место назначения, нанотрубки раскрываются с одного конца и выпускают свое содержимое в строго определенных дозах. Эксперименты такого рода уже сейчас проводятся во многих лабораториях, а операции “запаивания” и “распаивания” концов нанотрубок вполне под силу современной технологии. Уже создана нанотрубка с одним закрытым концом.

Также не исключено, что через 10-15 лет на базе этой технологии будет проводиться лечение заболеваний: скажем, больному вводят в кровь заранее приготовленные нанотрубки с очень активными ферментами, эти нанотрубки собираются в определенном месте организма некими микроскопическими механизмами и “вскрываются” в определенный момент. Современная технология уже практически готова к реализации такой схемы через 3-5 лет. Основной проблемой является отсутствие эффективных методов “открывания” таких механизмов и их интеграции в белковые маркеры для поиска клеток-мишеней.

Возможно, создадут и более эффективные методы доставки лекарств на основе вирусов и нанокапсул. На основе нанотрубок также создан конвейер, способный точно транспортировать отдельные атомы с большими скоростями вдоль нанотрубки.

Лекция 12 (2ч.). Самосборка. Ультрадисперстные объемные материалы

Ассемблер — это молекулярная машина, которая может быть запрограммирована строить практически любую молекулярную структуру или устройство из более простых химических строительных блоков.

Рис. 33. Внешний вид ассемблера

Главная задача ассемблера - соединение атомов и молекул в заданном порядке. Он должен уметь строить наносистемы любого назначения - двигатели, станки, вычислительные устройства, средства связи и т.д.

Эрик Дрекслер, пионер нанотехнологии, назвал подобные машины «ассемблерами», т.е. сборщиками. Соответственно, подобный робот должен быть изготовлен из частей с атомарной точностью. Сделать это можно будет с помощью управляемого механосинтеза — формирования химических связей за счет механического приближения электронных оболочек атомов друг к другу.

Ассемблеры могут быть простые и сложные. Простая система состоит из руки робота и контроллера, который обрабатывает входящие сигналы (Ральф Меркле, 1996). Другая – более сложная – состоит из приблизительно 100 молекулярных «заводов», производящих части наномашин (редукторы, моторы, дифференциалы, подшипники, и др.). Архитектура такого репликатора предполагает наличие транспортировочных конвейеров и манипуляторов для крупноузловой сборки

Макрокомпьютер с поставленной задачей управляет ассемблером до тех пор, пока задача не будет реализована. После этого ассемблер переходит в режим ожидания. Реплицируется (размножается путём создания своей копии) ассемблер или по команде от макрокомпьютера или в зависимости от окружения. Для выполнения некоторых задач (например, восстановление озонового слоя планеты) для устранения всех веществ, разлагающих озон, ассемблеров необходимо строго определенное количество на кубический метр (концентрация), и, в зависимости от содержания вредных веществ в атмосфере, ассемблеры будут регулировать свое количество. Таким образом, эта система не будет зависеть от человека, а восстановление озонового слоя будет протекать в автоматическом режиме.

Ассемблеры помогут инженерам синтезировать вещи; их родственники, дизассемблеры, помогут ученым и инженерам анализировать вещи. Что касается ассемблеров, они опираются на способность ферментов и химических реакций формировать связи и способность машин управлять процессом. Дизассемблеры же опираются на способность ферментов и химических реакций разрушать связи, и машин - управлять процессом. Ферменты, кислоты, окислители, металлы, щелочи, ионы и реагирующие группы атомов, называемые свободными радикалами, - все могут разрушать связи и удалять группы атомов. Поскольку нет ничего, что было бы абсолютно невосприимчивым к коррозии, по-видимому, молекулярные инструменты будут способны что-либо разбирать, по нескольким атомам за раз. Что более существенно, наномашина могла бы (в случае необходимости и подходящего случая) также применять и механические силы, в результате освобождая группы атомов.

Наномашина, способная это делать, записывая, что она удаляет слой за слоем, - это дизассемблер. Ассемблеры, дизассемблеры и нанокомпьютеры будут работать вместе. Например, нанокомпьютерная система будет способна направить разборку объекта, записать его структуру, и потом управлять сборкой идеальной копии. И всё это ещё только некоторые намёки на реальную мощь нанотехнологии.

Пройдут годы, пока появятся ассемблеры, но их появление кажется почти неизбежным: хотя путь к ассемблерам имеет много шагов, каждый шаг сделает следующий досягаемым, и каждый принесет непосредственный выигрыш. Первые шаги под названием "генная инженерия" и "биотехнология" уже предприняты. Кажутся возможными и другие пути к получению ассемблеров. Исключая разрушение мира или мировое господство, гонка технологий будет продолжаться, независимо от того, хотим мы этого или нет. И по мере того как успехи в проектировании с помощью ЭВМ будут ускорять развитие молекулярных инструментов, продвижение к ассемблерам будет ускоряться.

Самореплицирующаяся структура - это такая структура, которая может производить собственные копии, построенные из того же материала, что и сам репликатор. Если не разработать технологию самореплицирующихся структур, молекулярное производство ограничится только микроскопическими продуктами. Поэтому для применения нанотехнологии в конструировании макроскопических продуктов необходимо наличие технологии создания и управления реплицирующимися структурами. Фундаментом теории самореплицирующихся структур является теория фон Неймана, написанная в 1940 году. Природа использует репликаторы повсеместно - как в клеточной машинерии клетки, так и при репликации живых организмов. Давно созданы компьютерные программы, способные к репликации, одни из них, в особенности "вирусные" программы, ведут себя подобно настоящим вирусам. Поэтому нет причин полагать, что самовоспроизводящиеся структуры создать невозможно.

Ультрадисперсные наноматериалы.

Рассмотренные выше фуллерены и нанотрубки из-за своих сверхмалых размеров относятся к ультрадисперсным.

Дисперсность – это степень раздробленности вещества на частицы. Чем меньше размер отдельной частицы, тем выше дисперсность. Большинство веществ окружающего нас мира существуют в виде дисперсных систем, например, грунты и почвы, многие технические материалы (песок, различные порошки и т.д.), некоторые продукты (соль, сахар, крупа). По степени дисперсности частицы можно разделить на грубодисперсные, высокодисперсные (или коллоидные, размер которых колеблется в пределах от 10-5 – 10-7м) и ультрадисперсные (соответственно, нанометрового порядка).

Еще в XIX веке Майкл Фарадей, впервые создав коллоидную суспензию золота, состоящую из крошечных частиц этого металла, обнаружил, что ее цвет менялся на фиолетовый, что свидетельствует об изменении отражающих свойств суспензии при уменьшении размеров частиц.

В последнее время стало известно, что наночастицы серебра оказывают антибактериальное действие, что делает их полезными для лечения многих болезней. Это свойство серебра еще в древности заметили служители церкви, используя серебро для приготовления “святой воды”. Но в виде наночастиц антибактериальная активность серебра повышается в тысячи раз!

Необычные механические свойства нанотрубок могут быть использованы при создании композиционных материалов. Так например, замена углеродного волокна углеродными нанотрубками обеспечивает существенное упрочнение композитов. Для полимерного композиционного материала с полипропиленовой матрицей введение 11 % весовых многослойных углеродных нанотрубок приводит к удвоению его прочности на разрыв. Так же вдвое повышается прочность на разрыв при создании композита на металлической основе, когда в алюминий вводят 5 % нанотрубок. Но промышленное производство нанотрубок к настоящему времени еще не освоено.

Объёмные наноструктуры, получаемые из аморфных сплавов имеют более высокую пластичность и усталостную прочность, чем поликристаллические сплавы; в 1000 раз более высокую коррозионную стойкость (стали); в 2-2,5 раза более высокое временное сопротивление разрыву (алюминиевые и титановые сплавы); в 2-3 раза более высокие демпфирующие свойства в широком диапазоне частот; на порядок лучшие магнитные свойства (Fe-Zr-B-Cu). Такие материалы используют для изготовления сотовых конструкций, гироскопов, датчиков в космической технике, медицине, в приборостроении.

Объёмные материалы, получаемые при интенсивной пластической деформации (ИПД), имеют скорее субмикроскопическую структуру (до 100-1000 нм). При этом степень повышения механических характеристик зависит от степени измельчения зерен. Так, в стали 09Г2С при размере зерен 250-350 нм достигается в 2 раза более высокий предел текучести и в 3 раза более высокая ударная вязкость, чем при традиционных способах обработки.

Очень перспективен метод ИПД с последующим отжигом для получения наноматериалов с особыми свойствам, такими как эффект запоминания формы (ЭЗФ). Наноматериалы на основе сплавов и нанопленки перспективны с точки зрения повышения коррозионной стойкости. К настоящему времени достигнут существенный прогресс в получении наноматериалов с уникальными магнитными свойствами.

Такие углеродные наночастицы, как фуллерены и нанотрубки, своими удивительными свойствами тоже подтверждают тот факт, что многие вещества в наноформе не ведут себя так же, как в привычном для нас виде. Это объясняется тем, что с уменьшением размеров частиц увеличивается интенсивность их взаимодействия с окружающей средой, что приводит к изменению их газонасыщенности, окисленности, токсичности, взрывоопасности, плотности и т.д. по сравнению со свойствами тех же материалов в обычной форме.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материала известно уже достаточно давно и используется в разных областях техники. Примерами могут служить широко применяемые аэрозоли, красящие пигменты, получение цветных стекол благодаря окрашиванию их коллоидными частицами металлов.

Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены ультрадисперсные металлические частицы. Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или меди) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы. Ультрадисперсные материалы обычно не встречаются в природе в свободном состоянии, а представляют собой искусственный продукт.

В настоящее время существует большое количество способов измельчения веществ, например: механическое дробление (для получения различных порошков), резание (получение стружки), измельчение в шаровых, вибрационных и вихревых мельницах, измельчение ультразвуком и др.

Лекция 13 (2ч.). Энергетика. Машиностроение.

Нанотехнологии в энергетике это - прежде всего альтернативная энергетика.

1. Наноэнергетика позволит значительно повысить эффективность систем преобразования и аккумулирования солнечной энергии. Это обеспечит отказ от использования невозобновляемых энергоресурсов, таких как уголь и нефть. Нанотехнология позволяет повысить эффективность нефтеперерабатывающей промышленности, но она ведёт и к полному отказу от этой отрасли. Возможен полный отказ от импорта нефти через огромные запасы замороженного натурального газа (газогидрата) на дне океана и его восстановления с помощью органических нанокатализаторов. Нанотехнологии могут сделать солнечные батареи чрезвычайно эффективным источником электричества.

2. Создание газопоглощающих элементов даст возможность возможностью массового выпуска экологически безопасных средств транспорта.

3. Распространения дешёвых и эффективных солнечных батарей разрушит монополию централизованных энергетических систем, чем начнет процесс формирования нового, более эффективного, экологически безопасного и более децентрализованного энергохозяйства.

Многие возлагают надежды на нанотехнологии в решении проблемы энергетического кризиса. Нанотехнологии могут повысить эффективность солнечных батарей, помочь в улучшенном катализе нефти, создать новые источники хранения энергии и улучшить старые (аккумуляторы, батарейки, топливные элементы). Благодаря нанотехнологиям уже сделаны солнечные батареи, толщина которых не превышает толщины оберточной бумаги. Это поколение солнечных батарей отличается от аналогичных источников питания неизмеримо меньшим весом, большей гибкостью и долговечностью. Не забудем и про топливные ячейки. Эксперименты по переходу на экологически чистое водородное топливо в развитых странах проводятся уже сейчас.

Машиностроение.

Дешевые, легкие и прочные наноматериалы со временем вытеснят большинство металлов и пластмасс. Углеродные нанотрубки в сто раз прочнее стали при том, что в десять раз легче ее и в тысячи раз электропроводнее. Toyota уже добавляет их в бамперы автомобилей, но массового применения пока еще нет. Это связано тем, что пока нанотрубки получают примитивными, малопроизводительными методами, что обусловливает их слишком высокую для повседневного применения цену: 50-100 за грамм. Однако в лабораториях Концерна “Наноиндустрия” созданы образцы промышленного оборудования, производящего высококачественные нанотрубки себестоимостью на порядок меньше.

Конструкционные, инструментальные и триботехнические материалы.

1. 1982 – 89 г. Немецкий профессор Г. Глятер предложил концепцию твердого тела и практически реализовал способ получения компактных материалов с зёрнами (кристаллитами), ввел термин нанокристаллиты (1981 г.)

2. Конструкционные машиностроительные наноматериалы

общего назначения пока не получили широкого распространения.

Объясняется это:

• ограниченность размеров порошковых изделий,

• трудность сохранения наноструктуры при спекании,

• низкая текучесть и прессуемость,

• остаточная пористость (для порошковых).

Однако есть и положительные примеры:

• Создан высокопрочный алюминиевый сплав σв = 1.4 ГПа (Al85Ni5V8Co2) Полученный из распыленных аморфных порошков путем горячего (T ≈ 400°C) прессования под давлением 1,2 ГПа. В структуре сплава кристаллические наночастицы размером 30-100 нм, а относительное удлинение около 1%.

• Циркониевые сплавы с добавками Al, Ni, Ag, Cu, полученные контролируемой кристаллизацией из аморфного состояния, так же показали высокие механические свойства при испытаниях на растяжение и на сжатие с удовлетворительной пластичностью.

На рис. 34 приведено влияние объемного содержания V икосаэдрической нанофазы на твердость Нv (а), модуль нормальной упругости Е (б), разрушающее напряжение σ (в) и относительное удлинение ε (г) циркониевых сплавов Zr65Al0,5Ni10Cu12,5Ag5 закристаллизованных при температуре 460 °С при различном времени выдержки.

Рис. 34.

3. Несомненно, технология равноканального углового прессования широко развиваемая в России (Р.3. Валиев, С. В. Добаткин и сотр.) и в других странах, перспективна для получения высокопрочных и пластичных металлов, сплавов и интерметаллидов, которые могут найти применение не только как конструкционные материалы в машиностроении но и в качестве функциональных компонентов, например в медицине.

Механические свойства обычной и наноструктурной никелевой ленты при комнатной температуре (фирма «Ontario Hydro Technologies») (табл. 2):

Характеристика	Крупнокристаллический образец	Нанокристаллический образец
		L ~ 100 нм	L ~ 10 нм
Предел текучести, MПa	103	690	>900
Предел прочности, MПa	403	1100	>2000
Относительное удлинение, %	50	>15	1
Модуль упругости, ГПа	207	214	204
Твердость по Виккерсу, ГПа	1,4	3,0	6,5
Усталостная прочность, МПа	241	275	—
Износ, мкм2	1330	—	7,9
Коэффициент трения	0,9	—	0,5

Табл. 2.

На рисунке 35 показаны диаграммы напряжение–деформация для образцов меди, полученных при комнатной температуре методом интенсивной пластической деформации путем равноканального углового прессования. Исходная крупнозернистая медь (L ~ 30 мкм) Характеризуется низкими показателями прочности и высокой пластичностью( кривая 1). Обычная прокатка с 60%-м уменьшением толщины значительно увеличивает прочность, одновременно существенно снижая пластичность (кривая 2). Два прохода равноканального углового прессования приводят к росту показателей прочности и пластичности, а после 16 проходов (размер зерна около 100 нм) увеличивается как прочность, так и, что особенно важно пластичность. Аналогичные результаты получены и для других металлов (например, титана).

Рис.35

1- исходная крупнозернистая медь;

2 - то же после холодной прокатки;

3, 4 - то же после соответственно 2 и 16 проходов равноканального углового прессования.

В целом, можно отметить, что характеристики прочности и твердости металлических наноматериалов выше таковых для обычных материалов примерно в 4 - 6 раз (см. табл. 1, 2), но параметры пластичности ниже, и зачастую металлические наноматериалы ведут себя как хрупкие материалы. В связи с этим важную роль при их применении играет конструктивное оформление, которое должно обеспечивать эксплуатацию изделий преимущественно в условиях сжатия (а не растяжения), что будет затруднять распространение хрупких трещин и повышать допустимый уровень разрушающих напряжений в несколько раз.

Таким образом, предпосылки для применения металлических наноматериалов в качестве конструкционных изделий имеются.

Керметные нанокомпозиты на основе А1203 с добавками Fe и FeCr (размер кристаллитов 40 — 60 нм) могут быть изготовлены механохимическим синтезом с последующим горячим изостатическим прессованием. Эти материалы, обладая твердостью 10—15 ГПа и трещиностойкостью 7-9 МПа · м0,5 могут рассматриваться как перспективные для изготовления низко- и высокотемпературных узлов трения. Многофазные оксидные и безоксидные нанокомпозиты рассматриваются также как перспективные жаропрочные материалы. Эвтектические композиты типа Al203-(Y3Al5O12)-ZrO2 с размером зерен менее 100 нм характеризуются высокой стабильностью механических свойств: при 20 °С - σB = 1,2 ГПа, при 1200 °С - σB = 1 ГПа. Высокая температурная прочность нанокомпозитов на основе SiC с различными добавками позволяет использовать их для создания газотурбинной техники.

Продолжаются исследования других объемных (bulk) наноматериалов для выявления областей их применения при изготовлении конструкционных изделий (например, материалов, полученных обработкой давлением наноструктурных металлических и керамических заготовок в режиме сверхпластичности).

Условия эксплуатации изделий из наноматериалов в инструментальной промышленности, а также в разнообразных областях общего и специального машиностроения предполагают в большинстве случаев (за исключением ударных и знакопеременных нагрузок) схему сжимающих напряжений, т.е. снижение пластических характеристик здесь не так катастрофично.

В общем случае повышение твердости влечет за собой увеличение износостойкости режущего инструмента и узлов трения в антифрикционных и фрикционных изделиях.

Высокими эксплуатационными свойствами обладает разработанный в Институте проблем материаловедения Академии наук УССР в 1970 -1980-х гг. нанокристаллический материал гексанит на основе нитрида бора (КIC = 15-18 МПа • м0,5), получаемый методом высоких давлений при высоких температурах и используемый для высокочистовой обработки резанием. Достижения и перспективы в области разработки новых сверхтвердых наноструктурных материалов на основе тугоплавких соединений рассматриваются в обзоре.

Проводятся исследования в области инструментальных наноматериалов (твердые сплавы, быстрорежущие стали, чистовой инструмент из нанокристаллов алмаза, новые сверхтвердые материалы и др.). Добавки нанопорошков карбида вольфрама (5 - 8 %) к стандартным твердым сплавам повышают однородность структуры и снижают разброс значений прочности . Широко разрекламированная в начале 1990-х гг. американская технология твердых сплавов с нанокристаллической структурой, обеспечивающая повышение эксплуатационных свойств в четыре раза (при всего лишь двукратном увеличении стоимости), до сих пор, насколько известно не получила широкого промышленного распространения, так как не всегда удается сохранить исходную наноструктуру твердых сплавов.

Лекция 14 (2ч.). Электроника, медицина, экология.