9.4. Получение компактных нанокристаллических материалов

Металлические, керамические, полимерные и композиционные материалы составляют основную часть всех конструкционных мате­ риалов. Выбор их использования в конструкциях во многом опреде­ ляется соотношением между прочностью и пластичностью. Метал­ лические материалы обладают наилучшим соотношением этих свойств. Керамические и полимерные материалы менее пластичны, нежели металлические, а композиционные по указанным характери­ стикам занимают промежуточное положение между керамическими и металлическими материалами. Оптимальное соотношение прочно­ сти и пластичности у металлических материалов определило их ре­ шающую роль (выше 90 %) в общем объеме конструкционных мате­ риалов. К настоящему времени в России разработано и используется около 2000 марок сталей и выпускается более 15 млн вариантов ме­ таллопродукции, включающих металлы массового назначения (ста­ ли, алюминиевые сплавы, титановые сплавы и др.), высокопрочные стали и сплавы, жаропрочные сплавы, хладостойкие стали, коррози­ онно-стойкие стали и сплавы, износостойкие стали, радиационно стойкие стали и сплавы, литейные чугуны и др. Прирост прочност­ ных свойств конструкционных материалов за последние десятилетия был обусловлен в основном разработкой сплавов с новым химиче­ ским и фазовым составом. Этот путь уже исчерпал свои возможно­ сти. В последние годы наметились новые пути повышения свойств конструкционных материалов за счет целенаправленного формиро­ вания микро- и нанокристаллической структуры.

Интерес к использованию сверхмелкозернистых материалов во всех областях техники возрастает с каждым годом, так как обнару­ жилось, что уменьшение размеров кристаллитов ниже некоторого порогового значения приводит к значительному изменению свойств материалов. У частиц нанометровых размеров были обнаружены особые механические, оптические, электрические и магнитные свой­ ства. Хрупкие керамические материалы с наноразмерным строением становятся пластичными.

Отличие свойств малых частиц от свойств массивного материа­ ла известно достаточно давно и используется в разных областях тех­

ники. Наиболее известно применение аэрозолей. Добавки наночастиц железа в моторное масло позволяют восстанавливать детали двига­ телей в процессе работы. Малые частицы и наноразмерные материа­ лы уже используются для производства авиационных материалов.

Керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены тонкодисперсные металлические частицы, обладают радиопоглощающими свойствами, помогают сделать самолеты неви­ димыми для радаров. Нитевидные монокристаллы (усы) и поликри­ сталлы (волокна) обладают высочайшей прочностью. Усы графита имеют прочность около 24,5 ГПа, что в десять раз превышает проч­ ность стальной проволоки. Их используют в качестве наполнителя легких композиционных материалов для аэрокосмической промыш­ ленности. Решение важнейшей проблемы увеличения ресурса работы лопаток авиационных двигателей связывают с получением нанокристаллической структуры. У наноматериалов высокая прочность все­ гда сочетается с высокой пластичностью. Наноматериалы обладают сверхпластичностью, высочайшими магнитными свойствами и др.

Благодаря уникальным свойствам наноматериалов новый век начинается под знаком приоритетного развития нанотехнологий.

9.4.1.Основные понятия о наночастицах

инаноматериалах

Технически значимые изменения физико-механических свойств наноматериалов обнаруживаются в интервале размеров от 1 до 100 нм. Следуя тому, что в системе СИ приставка нано используется для образования дольных единиц - 10'9, в качестве наночастиц сле­ дует рассматривать только частицы размером от 1 до 10 нм. К части­ цам с размерами до 100 нм более подходит определение ультрадисперсных частиц. Чаще всего предметом исследований на наноуровне являются металлические, точнее, металлосодержащие наночастицы.

Металлическая трехмерная наночастица - это объект сферои­ дальной формы, состоящий из 101—10 3 атомов, имеющий диаметр 1-10 нм и соотношение между количествами поверхностных частиц и частиц в объеме, равное единице и более (Nn0JN0Q> 1). Если из та­ ких частиц образуется компактный наноматериал, то доля поверхно­ стей раздела составляет примерно 50 % и более. Считается [22], что

многочисленные поверхности раздела в наноматериалах играют ре­ шающую роль в существенном изменении их свойств. На рис. 103 приведена схема, иллюстрирующая различие между наначастицами и ультрадисперсными частицами.

Рис. 103. Геометрические параметры наночастиц (слева) и дисперсных частиц

Левее границы раздела (сдвоенная линия) показаны наночасти­ цы, которые состоят из атомов, количество которых приведено

вкруглых скобках. Правее в том же масштабе показаны более круп­ ные дисперсные системы. Наночастицы металлов с диаметром 10 нм

вобщем случае могут содержать до 2110 атомов, при этом доля по­

верхностных частиц может составлять только 15%, а не 50 %, как указывалось выше. Такие ограничения размеров наночастиц (до 10 нм) установлены на основании изменения физических свойств в зависимости от размеров. Если рассматривать всю совокупность свойств и физических параметров металлосодержащих частиц [22], то для произвольной частицы, содержащей более 103 атомов, этот комплекс свойств уже не отличается от свойств компактного метал­ ла. Однако существуют и менее жесткие, в отношении размеров, оп­