Классификации и типы структур наноматериалов

Последний метод в настоящее  время наиболее отработан и исследован и является основным методом получения  аморфных сплавов [7]. Производство лент, фольг и проволок (толщиной до 100 мкм и шириной до 200 мм) проводится по схеме подачи струю жидкого металла на вращающийся водоохлаждаемый барабан (как правило медный) с гладкой поверхностью (рис. 3.). Иногда используют также схему извлечения жидкого металла из ванны расплава быстро вращающимся водоохлаждаемым диском, погруженным вертикально торцом в расплав. Еще один способ заключается в расплавлении сплава токами высокой частоты, вытягивании и быстром охлаждении аморфной нити толщиной до 200 мкм жидкой средой [91]. В случае нанесения на нить перед охлаждением стеклообразного покрытия способ используют для получения стеклометаллических аморфных композиционных материалов. 

Возможность получения аморфного  состояния определяется химическим составом и скоростью охлаждения. Последняя обычно составляет 10⁵-10^{10 о}С/с [7]. С точки зрения выбора химического состава сплава существуют два подхода.

При первом подходе для  получения аморфной структуры в  состав сплавов вводят специальные  легирующие элементы–аморфизаторы в количестве до 30 %. В качестве аморфизаторов обычно используют бор, углерод, кремний, азот и др.. Другой подход связан с выбором сплавов имеющих определенную базовую эвтектику, которая образуется при взаимодействии ряда фаз-аморфизаторов. Данные фазы легируют с целью понижения температуры плавления и подавления образования зародышей кристаллов при затвердевании сплава. Этот подход позволяет получать кроме микроизделий (лент, фольг, проволок) также и объемные материалы толщиной до 5-10 мм [3,7,8].

Аморфное состояние сплавов  является метастабильным, поэтому после  аморфизации часто проводят отжиг, в процессе которого частично происходит переход к более стабильному состоянию. Однако метастабильность остается, и при нагреве до (0,4-0,65) Т_пл материал переходит в кристаллическое состояние. В связи с этим наряду с аморфным большой интерес стал проявляться и к нанокристаллическому состоянию аморфизирующихся сплавов.

 

Рис. 3. Принципиальные схемы  получения аморфных лент и проволок методом быстрого охлаждения: а) закалка  на вращающемся барабане, б) экстракция расплава вращающимся барабаном, в) охлаждение тонкой струи расплава жидкостью. [7]

В ряде случаев для получения  аморфного состояния проводят предварительную  обработку (например высокоскоростную закалку) заготовок, а такие заготовки часто называют «прекурсорами».

Для ряда объемно-аморфизирующихся сплавов, например для сплавов на основе железа, возможно получение нанокристаллической или аморфно-нанокристаллической структуры непосредственно при закалке расплава со скоростью охлаждения немного ниже критической скорости образования аморфного состояния [3]. Однако для большинства сплавов при таком подходе получается неоднородная, нестабильная структура. Поэтому для получения наноструктуры используется контролируемая кристаллизация сплавов из аморфного состояния при термообработке [9]. В качестве перспективы рассматривается получение нанокристаллической структуры путем инициации процессов кристаллизации в процессе деформирования  аморфного материала.

 

3.3. Методы с использованием интенсивной пластической деформации

Эта группа методов получения  наноструктурных материалов основана на проведении пластической деформации с большими степенями деформации в условиях высоких приложенных давлений при относительно низких температурах. В таких условиях деформирования происходит сильное измельчение микроструктуры в металлах и сплавах до наноразмерного диапазона [3]. При разработке этих методов существует ряд требований: преимущественное формирование ультрамелкозернистых структур с большеугловыми границами зерен (именно в этом случае наблюдаются качественные изменения свойств материалов), необходимость обеспечения стабильности свойств материала за счет однородного формирования наноструктур по всему объему материала, отсутствие механических повреждений и трещин несмотря на интенсивное пластическое деформирование материала. Эта группа методов позволяет получать объемные безпористые металлические наноматериалы. Следует однако отметить, что диапазон размеров зерен материалов, получаемых рассматриваемыми методами, как правило, составляет все же более 100 нм. Структура, получаемая при интенсивной пластической деформации, отличается сильной неравновесностью из-за малой плотности свободных дислокаций и преимущественно большеугловом характере границ зерен. Поэтому для обработанных изделий применяют дополнительную термообработку или дополнительное пластическое деформирование при повышенных температурах и большой степени деформации [3].

В настоящее время наиболее отработаны два следующих метода

(рис. 4).

Метод кручения под  высоким давлением основан на принципе наковален Бриджмена, в которых образец помещается между бойками и сжимается под приложенным давлением в несколько ГПа, а затем прилагается деформация с большими степенями (10 и более). Нижний боек вращается, и силы поверхностного трения заставляют образец деформироваться сдвигом. Образец имеет геометрическую форму в виде диска диаметром 10-20 мм и толщиной 0,2-0,5 мм, что обеспечивает условия гидростатического сжатия для основного объема материала и выполнение условия неразрушения образца. Структура материала начинает измельчаться уже после деформации на пол-оборота образца. Образование ультрамелкозернистой структуры достигается после деформации в несколько оборотов образца. Средний размер зерен может достигать 100-200 нм (рис 4. 1а) и определяется условиями деформации – давлением, температурой, скоростью деформации и видом обрабатываемого материала.

 

Рис. 4. Схема методов интенсивной  пластической деформации: а- метод кручения под высоким давлением, б- метод равноканального углового прессования, 1- пуансон, 2- образец, 3- суппорт, 4- заготовка .

Метод равноканального углового прессования обеспечивает получение более крупных размеров деталей с диаметром до 60 мм и длиной до 200 мм  (рис. 4.15) . Этот метод также основан на использовании деформации сдвигом. Для этого заготовка многократно продавливается в специальной оснастке через два пересекающихся канала с одинаковыми поперечными сечениями. Чаще всего используется угол между каналами равный 90^о, при котором за одно продавливание материала обеспечивается степень истинной деформации »1. Температура процесса в зависимости от обрабатываемого материала выбирается комнатной или слегка повышенной. Важной проблемой является сохранение целостности получаемых образцов для малопластичных и трудно деформируемых материалов. Метод позволяет формировать ультамелкозернистую структуру со средним размером зерен в диапазоне от 200 до 500 нм (рис 4. 1а) .

Разрабатываются также другие методы интенсивной пластической деформации, например, всесторонняя ковка и специальная  прокатка.

 

Рис. 4.1. Наноструктуры меди, полученной разными методами: а- методом кручения под высоким давлением, б- методом равноканального углового прессования [4].

 

Рис. 4.2.  Объемные заготовки из наноструктурного титана [8].

 

3.4. Методы с использованием технологий обработки поверхности

 

Технологии обработки  поверхности материалов к настоящему времени представляют собой одну из наиболее развивающихся областей науки о материалах. Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологии, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано и микроизделий.

Примерная классификационная  схема наноориентированных технологий обработки поверхности показана на рис. 4.16. Данные методы можно условно подразделить на две большие группы – технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (т.н. PVD и CVD технологии). Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы как правило минимальное. Анализ литературных данных, проведенный в работе, показал, что размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм.[8,9]

 

3.4.1. Технологии, основанные на физических процессах

 Методы физического  осаждения из паровой фазы

Данная группа методов  часто обозначается английской абревеатурой PVD (Physical Vapour Deposition). Сначала материал для покрытия переводится из конденсированного состояния в состояние пара, затем проводится его транспортировка к подложке (материалу на который наносится покрытие), где происходит осаждение материала покрытия из паровой фазы и формирование покрытия. Использование вакуума облегчает перевод материала в паровую фазу.

Рис. 4.3. Примерная классификационная схема наноориентированных технологий обработки поверхности. [8]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1.http://nanodigest.ru/stati/entciklopediia-nanotekhnologii

2. http://www.museion.ru/prev.pdf

3. (7) Алымов М.И., Зеленский В.А. Методы получения и физико-механические свойства объемных нанокристаллических материалов. - М.: МИФИ, 2005. – 52 с.

4.Новые материалы. Под ред.  Ю.С. Карабасова – М.: МИСИС, 2002 – 736 с.

5. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. – М.: Изд-во «Машиностроение –1», 2003 – 112 с.

6. Алымов М.И. Механические свойства нанокристаллических материалов. – М.: МИФИ, 2004. – 32 с.

7. Конструкционные материалы/ Под  общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990. 688 с.

8. Ковнеристый Ю.К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы. – М.: Наука, 1999.

9. Ковнеристый Ю.К. Объемно-аморфизирующиеся металлические сплавы и наноструктурные материалы на их основе // Металловедением и термическая обработка, 2005. №7. С.