Классификации и типы структур наноматериалов

Содержание.

1.Введение…………………………………………………………………...1

2.Что такое наноматериалы.  Классификации  и типы структур наноматериалов……………………………………………………………..2

3. Основные технологии получения наноматериалов……………………5

3.1. Методы порошковой металлургии…………………………….6

3.2. Методы с использованием  аморфизации…………………….8

3.3. Методы с использованием  интенсивной пластической деформации………………………………………………………………...11

3.4. Методы с использованием  технологий обработки поверхности……………………………………………………………….14

3.4.1. Технологии, основанные  на физических процессах…….15

 

1. Введение

Разработку новых материалов и технологий их получения и обработки  в настоящее время общепризнанно  относят к т.н. «ключевым» или  «критическим» аспектам основы экономической  мощи и обороноспособности государства. Одним из приоритетных направлений развития современного материаловедения являются наноматериалы и нанотехнологии.

К наноматериалам условно  относят дисперсные и массивные  материалы, содержащие структурные  элементы (зерна, кристаллиты, блоки, кластеры), геометрические размеры которых  хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками. К нанотехнологиям можно отнести технологии, обеспечивающие возможность контролируемым образом создавать и модифицировать наноматериалы, а также осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

 

2. Что такое наноматериалы.  Классификации и типы структур наноматериалов.

Наноматериалы -  разновидность продукции наноиндустрии в виде материалов, содержащих структурные элементы с нанометровыми размерами, наличие которых обеспечивает существенное улучшение или появление качественно новых механических, химических, физических, биологических и других свойств, определяемых проявлением наномасштабных факторов.[1]

Материалы, созданные с  использованием наночастиц  или посредством нанотехнологий, обладающие уникальными свойствами.

Наномир населён мельчайшими объектами, размер которых хотя бы в одном из измерений не превышает примерно 100 нано - метров.

Один нанометр (нм) — это  одна миллиардная часть метра, или 1 · 10–9 м. Слово «нанометр» произошло  от греческих слов «нанос» — карлик и «метро» — мера. В одном нанометре помещается всего от трёх до шести атомов. Любые целенаправленные преобразования вещества на нано-метровом уровне составляют фундамент нанотехнологий (термин впервые использовал в 1974 г. японский учёный Норио Танигучи). Материалы с заранее заданными составами, размерами и структурой, которые получают с использованием нанотехнологий и свойства которых существенно зависят от входящих в их состав нанообъектов, называются наноматериалами.

Нанонаука — ( изучает устройство наномира) междисциплинарная область знаний, объединяющая физику, химию, биологию, медицину, материаловедение, электронную и компьютерную технику. Таким образом, нанонаука — это совокупность всех знаний о свойствах вещества на нанометровом уровне. Выделяют также наноинженерию, занимающуюся поиском эффективных методов использования наноматериалов. Именно нанонаука, наряду с информатикой и молекулярной биологией, является важнейшим направлением развития науки и технологии XXI в. [2]

Наноматериалы и их основные категории.

Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100 нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна., очень тонкие пленки (толщиной менее 100 нм), нанотрубки и т.п... Такие материалы могут содержать от одного структурного элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде наноизделий

Вторая категория включает в себя материалы в виде малоразмерных изделий с характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм…1 мм. Обычно это проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат уже значительное число структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалов с большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в виде микроизделий.

Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные) наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более нескольких мм). Такие материалы состоят из очень большого числа наноразмерных элементов (кристаллитов) и фактически являются

поликристаллическими материалами  с размером зерна 1…100 нм. В свою очередь третью категорию наноматериалов можно разделить на два класса..

В первый класс входят однофазные материалы (в соответствие с терминологией  микроструктурно однородные материалы), структура и/или химический состав которых изменяется по объему материала только на атомном уровне. [3] Их структура, как правило, находится в состоянии далеком от равновесия. К таким материалам относятся, например, стекла, гели, пересыщенные твердые растворы. Ко второму классу можно отнести микроструктурно неоднородные материалы, которые состоят из наноразмерных элементов (кристаллитов, блоков) с различной структурой и/или составом. Это многофазные материалы, например, на основе сложных металлических сплавов.

Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие определения нанокристаллических или нанофазных материалов [4 ].

К четвертой категории  относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов. При этом в качестве компонентов могут выступать наноматериалы, отнесенные к первой категории (композиты с наночастицами и/или нановолокнами, изделия с измененным ионной имплантацией поверхностным слоем или тонкой пленкой) и второй категории (например, композиты упрочненные волокнами и/или частицами с наноструктурой, материалы с модифицированным наноструктурным поверхностным слоем или покрытием). Можно выделить также композиционные материалы со сложным использованием нанокомпонентов.

Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых они состоят. В связи с этим  целесообразно классифицировать структуры наноматериалов по этим признакам (рис. 1). По форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на слоистые (пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные [3]. Разумеется толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна при этом принимают значения порядка 100 нм и менее. Исходя из особенностей химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют четыре группы наноматериалов[4]. К первой относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов  и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными. Примерами таких материалов

 

Рис. 1. Основные типы структуры наноматериалов [5].

 

являются чистые металлы  с нанокристаллической равноосной структурой и слоистые поликристаллические полимеры. Ко второй группе относят материалы, у которых состав кристаллитов различается, но границы являются идентичными по своему химическому составу. Третья группа включает наноматериалы, у которых как кристаллиты, так и границы имеют различный химический состав. Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей другой химический состав. К этой группе относятся в частности дисперсно-упрочненные материалы.

 

3. Основные технологии получения наноматериалов.

Основные методы получения  наноматериалов можно разделить на ряд технологических групп (рис. 2): методы на основе порошковой металлургии, методы, в основе которых лежит получение аморфных прекурсоров, поверхностные технологии (создание покрытий и модифицированных слоев с наноструктурой), методы, основанные на использовании интенсивной пластической деформации, и комплексные методы, использующие последовательно или параллельно несколько разных технологий. 

 

Рис. 2. Основные методы получения наноматериалов.

 

3.1. Методы порошковой металлургии.

 Порошковая металлургия существовала в Египте в III веке до н. э. Древние инки из драгоценных металлических порошков делали украшения и другие артефакты. Массовое производство изделий порошковой металлургии начинается с середины 19-го века.

Порошковая металлургия развивалась  и позволила получить новые материалы — псевдосплавы из несплавляемых литьём компонентов с управляемыми характеристиками: механическими, магнитными, и др.

Изделия порошковой металлургии сегодня  используется в широком спектре  отраслей, от автомобильной и аэрокосмической  промышленности до электроинструментов  и бытовой техники. Технология продолжает развиваться

Существует несколько способов получения металлических порошков. Физические, химические и технологические  свойства порошков, форма частиц зависит  от способа их производства. Вот  основные промышленные способы изготовления металлических порошков:

1. Механическое измельчение металлов в вихревых, вибрационных и шаровых мельницах.
2. Распыление расплавов (жидких металлов) сжатым воздухом или в среде инертных газов. Метод появился в 1960-х годах. Его достоинства — возможность эффективной очистки расплава от многих примесей, высокая производительность и экономичность процесса.
3. Восстановление руды или окалины. Наиболее экономичный метод. Почти половину всего порошка железа получают восстановлением руды.
4. Электролитический метод.
5. Использование сильного тока приложенного к стержню металла в вакууме. Применяется для производства порошкового алюминия.

В промышленных условиях специальные  порошки получают также осаждением, науглероживанием, термической диссоциацией летучих соединений (карбонильный метод) и другими способами.

Изготовление порошковых изделий.

Типовой технологический процесс  изготовления деталей методом порошковой металлургии состоит из следующих  основных операций: смешивание, формование, спекание и калибрование.

Приготовление смеси. Смешивание — это приготовление с помощью смесителей однородной механической смеси из металлических порошков различного химического и гранулометрического состава или смеси металлических порошков с неметаллическими. Смешивание является подготовительной операцией. Некоторые производители металлических порошков для прессования поставляют готовые смеси.

Формование порошка.Формование изделий осуществляем путем холодного прессования под большим давлением (30-1000 МПа) в металлических формах. Обычно используются жёсткие закрытые пресс-формы, пресс-инструмент ориентирован, как правило, вертикально. Смесь порошков свободно засыпается в полость матрицы, объёмная дозировка регулируется ходом нижнего пуансона. Прессование может быть одно- или двусторонним. Пресс-порошок брикетируется в полости матрицы между верхними и нижним пуансоном (или несколькими пуансонами в случае изделия с переходами). Сформированный брикет выталкивается из полости матрицы нижним пуансоном. Для формования используется специализированное прессовое оборудование с механическим, гидравлическим или пневматическим приводом. Полученная прессовка имеет размер и форму готового изделия, а также достаточную прочность для перегрузки и транспортировки к печи для спекания.

Спекание.Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре ниже температуры плавления металла. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность, и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме. Прессовка превращается в монолитное изделие, технологическая связка выгорает (в начале спекания).

Калибрование. Калибрование изделий необходимо для достижения нужной точности размеров, улучшается качество поверхности и повышается прочность.

Иногда применяются  дополнительные операции: пропитка смазками, механическая доработка, термическая, химическая обработка и др.[3,4,6]

 

3.2. Методы с использованием аморфизации

Аморфные металлические  сплавы являются новым перспективным классом материалов. Аморфное состояние сплава характеризуется отсутствием дальнего порядка в расположении атомов упаковки. Такое состояние достигается сверхбыстрым охлаждением материала из газообразного, жидкого или ионизированного состояния. Существуют следующие методы полученя аморфных сплавов [7]:

• высокоскоростное ионно-плазменное и термическое напыление материала на охлаждаемую жидким азотом подложку (позволяет получать слои толщиной до 5 мм);
• химическое или электролитическое осаждение ионов металлов на подложку;
• оплавление тонких поверхностных слоев деталей лазерным лучом;
• Лазерная обработка смеси порошков при быстром отводе тпла от расплава;
• закалка из жидкого состояния.