Нанокристаллические материалы

Нанокристаллическими называют материалы с размерами кристаллов менее 100 нанометров. По комплексу свойств они существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава, даже если структура последних является мелкозернистой с размером зерен в поперечном направлении не более 5-10мкм.

Свойства нанокристаллических материалов определяются размерами отдельных зерен, свойствами граничного слоя, взаимодействием основных составляющих структуры с поверхностными слоями частиц. В нанокристаллических материалах доля граничного слоя быстро возрастает при измельчении зерен от 100 до 4-5 нм:

Диаметр зерна, нм
Объемная доля поверхностного слоя, %

Таким образом, в нанокристаллических материалах начиная с диаметра зерна 6 нм, объем граничного слоя больше объема кристаллов.

Нанокристаллические материалы получают 3 способами:

1. Переработкой частиц размером больше 100нм методами порошковой технологии в компактный материал;

2. Кристаллизацией аморфных металлических сплавов (АМС) в контролируемых условиях;

3. Рекристаллизационным отжигом интенсивно деформированных металлических сплавов.

Порошки металлов, карбидов, нитридов, оксидов и других керамических материалов получают физическими и химическими методами: испарением материалов в инертной или активной газовой среде; размолом с подводом энергии в зону измельчения, и др.

Порошки образуются в условиях, далеких от равновесия, поэтому их частицы являются неравновесными, в них запасена избыточная энергия по сравнению с обычным крупнозернистым материалом.

Они с трудом прессуются, остаточная пористость в нанокристаллических материалах достигает 10%, в металлических нанокристаллических материалах - 3%, в керамических материалах - 15%.

При сравнении свойств этих материалов с микрокристаллическими аналогами обращает на себя внимание вклад граничных слоев.

Модуль упругости Е и термодинамический потенциал G у нанокристаллических материалов на 30% ниже, а твердость при температуре меньше 0.4-0.5 температуры плавления в 2-7 раз выше, чем у соответствующих аналогов.

Однако при 20-25^оС твердость понижается из-за увеличения вклада диффузионной подвижности пограничных слоев. Несмотря на это твердость нанокристаллических материалов в несколько раз превышает твердость микрокристаллических аналогов.

Нанокристаллические материалы отличаются повышенной прочностью: предел текучести в 2-3 раза, а временное сопротивление в 1.5-8 раз выше, чем у соответствующих аналогов.

Теплоемкость нанокристаллических сплавов ниже, чем у соответствующих аналогов, они сильнее расширяются при нагреве из-за более сильного расширения граничного слоя по сравнению с зернами. У нанокристаллической меди при размере зерен 8 нм коэффициент теплового расширения вдвое выше, чем у поликристаллической меди.

Удельное сопротивление нанокристалических материалов выше, чем у соответствующих аналогов, т. к. электроны проводимости сильнее рассеиваются на границах зерен. Уменьшение диаметра зерна меди до 7 нм повышает удельное сопротивление в несколько раз.

Нанокристаллические материалы только начинают использовать. Так, керамические материалы, содержащие нанокристаллические частицы металла, используют для поглощения электромагнитного излучения в радиодиапазоне длин волн. Суспензии частиц железа с размерами от 30 нм до 1-2 мкм в смазочном масле восстанавливают изношенные детали ( не прерывая работы) двигателя.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему при кристаллизации выделяется теплота?
2. Из чего образуются центры кристаллизации в жидком сплаве?
3. Почему слиток получается неоднородным по структуре?
4. Где скапливаются примеси?
5. Как получить мелкокристаллическую структуру металла при кристаллизации? Крупнокристаллическую структуру?
6. Что такое ликвация? Назовите виды ликваций, образующиеся при кристаллизации.
7. Как получить монокристалл?
8. Какие свойства отличают поликристаллическую и монокристаллическую структуру одинакового химического состава?
9. Можно ли получить аморфные материалы из металлов? Как?
10. Какие свойства отличают аморфные металлы от их кристаллических химических аналогов?
11. Как получают нанокристаллические материалы?
12. Какие свойства отличают нанокристаллические материалы от их поликристаллических аналогов?