Глава 8

8 Наноструктурированные материалы. Кристаллизация пленок из растворов-расплавов

Объемные наноструктурированные материалы — это твердые тела с наноразмерной микроструктурой. Их основными элементами являются наномасштабные структурные единицы или наночастицы. Эти элементы структуры могут быть ра-зупорядочены друг по отношению к другу, иначе говоря, их оси симметрии ори­ентированы случайно, а положение в пространстве не обладает никакой симмет­рией. Частицы также могут быть и упорядоченными, создавая решетку, обладаю­щую симметрией. На рис. 8.1а показана гипотетическая двумерная решетка наночастиц А1₁₂, а на рис. 8.16 — двумерная неупорядоченная структура из тех же наночастиц.

8.1 Разупорядоченные твердотельные структуры

8.1.1 Методы синтеза

В этом параграфе будут обсуждаться некоторые способы изготовления разупорядо-ченных наноструктурированных твердых тел. Один из методов называется компак-тированием. В качестве примера такого процесса рассмотрим способ изготовле­ния наноструктурированного сплава Сu—Fe. Смесь медного и железного порош­ков с составом Fe₈₅Cu₁₅ перемалывается в шаровой мельнице в течение 15 часов при комнатной температуре, затем материал уплотняется в штампах из карбида вольфрама при давлении 1 ГПа в течение 24 часов. Эта прессовка далее обраба­тывается горячим обжимом в течение 30 минут при температуре вблизи 400°С и давлении 870 МПа.

Рис. 8.1. (а) Схема гипотетической двумерной квадратной решетки наночастиц Аl₁₂, и (б) двумерного объемного тела из кластеров А1₁₂, в котором наноча­стицы упорядочены друг по отношению к другу.

Окончательная плотность составляла 99,2% от макси­мально возможной для материала без пор. На рис. 8.2 представлено распре­деление размеров зерен в таком мате­риале, показывающее, что он состоит из частиц с размерами от 20 до 70 нм с максимумом в распределении вблизи 40 нм. На рис. 8.3 приведена диаграмма нагружения такого материала. Его мо­дуль Юнга, получаемый из этого гра­фика как наклон кривой в начальной линейной области, близок к значению для обычного железа. Отклонение от линейности кривой напряжение-удлиннение показывает наличие области пластической деформации перед раз­рушением, в которой материал вытяги­вается. Приведенные данные свиде­тельствуют, что разрушение происхо­дит при 2,8 ГПа, что примерно в 5 раз превышает предел прочности железа с обычным размером зерен 50—150 ми­крон. Существенное изменение меха­нических свойств разупорядоченных поликристаллов с наноразмерными зернами является одним из наиболее важных свойств таких материалов. Производство нанокристаллических металлов и сплавов может обеспечить существенное увеличение предела те­кучести и имеет множество полезных применений, например, таких, как бо­лее прочные материалы для изготовле­ния кузовов автомобилей. Причина изменения механических свойств обсуждает­ся далее. Наноструктурированные материалы можно получить при быстром отвердева­нии. Один из методов, показанный на рис. 8.4, называется охлаждением распла­ва спинингованием. Металл расплавляется с помощью радиочастотных нагрева­тельных катушек и выдавливается через форсунку с образованием потока жидко­сти. Этот поток непрерывно набрызгивается на охлаждаемый изнутри металлический барабан, вращающийся в атмосфере инертного газа. В таком про­цессе образуются полосы или ленты толщиной от 10 до 100 микрон. На структуру материала влияют размер форсунки, расстояние от форсунки до барабана, давление расплава в форсунке и ско­рость вращения металлического бара­бана. Потребность в легких высоко­прочных материалах привела к созда­нию таким способом сплавов, состоящих из 85 — 94 % алюминия и добавок других металлов, например, Y, Ni и Fe. Полученный спинингованием сплав А1—Y— Ni—Fe, состоящий из 10 — 30 нанометровых частиц алю­миния, встроенных в аморфную мат­рицу, может иметь напряжение на раз­рыв, превышающее 1,2 ГПа. Такое вы­сокое значение объясняется наличием бездефектных наночастиц алюминия. Другой способ получения наноструктурированных материалов, называе­мый газовой атомизацией, состоит в охлаждении расплава металла с по­мощью высокоскоростного потока инертного газа. Установка для его осу­ществления показана на рис. 8.5. При взаимодействии струи газа с металлом кинетическая энергия газа передается расплаву, и образуются тонкодисперсные капли. Этот метод можно использовать для крупномас­штабного производства наноструктурированных порошков, из которых впоследствии методом горячего компактирования можно получить объем­ные образцы.

Рис. 8.3. Кривая нагружения объемного компактированного наноструктурирован-ного Fe-Cu сплава, разрушение которого происходит при напряжении 2.8 ГПа.

Рис. 8.2. Распределение размеров наночас-тиц Fe-Cu, полученных методом горячего компактирования, описанного в тексте.

Наноструктурированные матери­алы можно получить и гальваничес­ким способом. Например, лист нано-структурированной меди можно получить, помещая два электрода в электро­лит из медного купороса CuSO₄ и прикладывая напряжение между электродами. Медь, выделяющаяся на отрицательном электроде из титана, об­разует наноструктурированный слой. Таким способом можно получить лист меди толщиной 2 мм со средним размером зерна 27 нм и пределом текучести 119МПа.

Рис. 8.4. Схема установки для получения наноструктурированного материала по­средством быстрого охлаждения и отверде­вания расплава на холодном вращающемся барабане.

Рис. 8.5. Схема установки для получения капель металлических наночастиц газовой атомизацией.