2. Методы получения нанокристаллических твердых тел

Для получения НКМ могут быть использованы различные способы, которые удобно разделить на три большие группы со­гласно исходному агрегатному состоянию, из которого они фор­мируются: методы получения из газообразного, жидкого и твер­дого состояния. Наиболее часто используются модифицирован­ные методы осаждения материалов из газовой среды. В этом случае материал испаряется в атмосфере инертного газа (гелий, аргон) при давлении 1,3*10²—1,3*10³ Па. Естественно, ионно-плазменное, электронно-лучевое, лазерное испарение также могут быть использованы для распыления материала. В резуль­тате взаимодействия с атомами инертного газа испарен­ные атомы теряют кинетическую энергию и конденсируются в виде малых кристаллов, которые накапливаются на вертикаль­но расположенном золотом пальце (рис. 2). Затем инертный газ откачивается до Р = 1,3*10^-4 Па. Образовавшийся на золотом пальце слой микрокристалликов материала соскабливают скрайбером в объем, где материал подвергается компактированию под давлением 2 ГПа. Приготовленные таким способом образ­цы представляют собой диск диаметром 8 — 10 мм и толщи­ной 0,1 — 1,0 мм с плотностью от 70 до 95 % от кристалличес­кой плотности. Основной недостаток таких образцов — это их пористость, которую не удается уменьшить до стандартных ве­личин при компактировании.

Для получения беспористых нанокристаллических материалов более приемлема методика ионно-плазменной конденсации ма­териала на подложке с регулируемой температурой, позволяющая получать как аморфные сплавы, так и НКМ. Для по­лучения нанокристаллических сплавов используется установ­ка четырехэлектродного ионно-плазменного распыления. Схема установки представлена на рис. 3. Безмасляная система откачки должна создавать вакуум с давлением не более 10^-4 Па. В качестве рабочего тела используется аргон высокой чистоты при рабочем давлении в камере 0,66—1,0 Па. Расстояние мишень - подложка — порядка 3 — 4 см, что соответствует при данном давлении длине свободного пробега атомов аргона. Для распыления можно использовать два вида мишеней: сплавные и со­ставные. В качестве подложек служат пластины кремния, алюминия, стекла, ситалла, которые располагаются на медном поддоне с регулируемой температурой. Температура, при которой на подложке формируется структура НКМ, определяется экспериментально. Она зависит от химического состава распыляемого материала и может варьироваться в широких пределах. Образ­цы получают в виде фольги толщиной от 1 до 100 мкм с плот­ностью, равной плотности исходного распыляемого материала.

В последнее время НКМ стали получать путем управляемой рекристаллизации из твердого аморфного состояния. К сожалению, у большинства аморфных сплавов скорость кристаллизации настолько велика (она близка к скорости звука), что практически за тысячные доли секунды вырастают довольно крупные зерна. Чтобы управлять процессом зарождения и роста кри­сталликов, в состав сплава, предназначенного для получения аморфного состояния, вводят медь и ниобий в количестве 1— 3 атомных процента. Последние два способа позволяют получать НКМ с нулевой пористостью.

Следующим способом получения нанокристаллических материа­лов из твердого состояния является интенсивная пластическая деформация. В основе этого метода лежит принцип форми­рования сильно фрагментированной и разориентированной структуры за счет больших деформаций. Для достижения боль­шой деформации материала используются различные методы: кручение под квазигидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование, прокатка, всесторонняя ковка. Сущность этих методов заключается в многократной интенсивной пластической деформации сдвига обрабатываемых материалов. Использование интенсивной пластической деформации позво­ляет наряду с уменьшением среднего размера зерен получить массивные образцы с практически беспористой структурой материала, чего не удается достичь компактированием высоко­дисперсных порошков.

Основная особенность структуры нанокристаллических мате­риалов, полученных деформационными методами, заключается в наличии неравновесных границ зерен, которые являются ис­точниками больших упругих напряжений. Другим источником напряжений служат тройные стыки границ зерен. Неравновесные границы зерен содержат большое количество дислокаций, а в стыках зерен существуют некомпенсированные дисклинации. Плотность дислокаций в нанокристаллических материалах, полученных интенсивной пластической деформацией, составляет ~ 10¹⁵ м^-2, при этом плотность дислокаций внутри зерен су­щественно меньше, чем на границах. Дислокации и дисклинации создают дальнодействующие поля напряжений, концентрирующихся вблизи границ зерен и тройных стыков, и являются причиной избыточной энергии границ зерен.

Также на практике используется метод получения нанокристаллических сплавов путем осаждения из жидких растворов. Но он применяется редко, поэтому подробно на нем останавливаться не будем.