Что такое конструкционные наноматериалы

Наноматериалы конструкционного и функционального класса.

Наноматериалы конструкционного и функционального назначения на сегодняшний день является одной из наиболее востребованной областью нанотехнологий для решения различных проблем техники [33,42,43]. Основные материалы данного класса – это металлические, керамические, полимерные и композиционные. Для получения наноматериалов в консолидированном виде в основном используется четыре метода: порошковая металлургия (компактирование нанопорошков), кристаллизация из аморфного состояния, интенсивная пластическая деформация и различные методы нанесения наноструктурных покрытий. Исследования по созданию конструкционных наноматериалов, пригодных для широкого практического применения, находятся на начальной стадии развития и требуют использования разнообразных нанотехнологий.

Применимость того или иного материала определяется комплексом свойств, включающим соотношение между прочностью, пластичностью, а также вязкостью. Значительный интерес к объемным наноматериалам обусловлен тем, что их конструкционные и функциональные свойства существенно отличаются от свойств крупнозернистых аналогов. В этом плане перспективными являются исследования по усовершенствованию существующих и разработке новых сталей и сплавов с нанокристаллической структурой.

Прирост прочностных свойств сталей и сплавов за последние десятилетия достигался главным образом за счет легирования и изменения фазового состава. В последние годы для улучшения механических характеристик сталей и сплавов стали использоваться и другие подходы, основанные на формировании у материалов микро- и нанокристаллической структуры.

Прочность нанокристаллических материалов при растяжении существенно превышает прочность крупнокристаллических аналогов и при этом сохраняется лучшее соотношение между прочностью и пластичностью (рис.22).

Рис.22. Соотношение между прочностью и пластичностью для крупнокристаллических и нанокристаллических материалов [33].

Для получения в сталях и сплавах нанокристаллической структуры в основном используются методы интенсивной пластической деформации. Например, широко известная нержавеющая аустенитная сталь 12Х18Н10Т после равноканального углового прессования при комнатной температуре с размером зерна 100 нм имеет предел текучести 1340 МПа практически в 6 раз превышающей предел текучести этой стали после термообработки. При этом пластичность сохраняется на достаточно высоком уровне (δ=27 %). Прочность низкоуглеродистых малолегированных сталей с субмикрокристаллической структурой при комнатной температуре в 2-2,5 раза выше, чем серийно выпускаемых, при сохранении пластичности и высокой вязкости [33].

В последнее время большое внимание уделяется разработкам т.н. ДУО-сталям, к которым относят стали дисперсионно упрочненные нанооксидными частицами. Такие стали характеризуются повышенными значениями длительной прочности и радиационной стойкости при высоких температурах, что позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов ядерных реакторов нового поколения.

При переходе к наноструктурному состоянию наблюдается улучшение механических характеристик и у различных сплавов. Наноструктурный чистый титан, полученный интенсивной пластической деформацией, имеет более высокие прочностные свойства (σ_В = 1100 МПа) и близкие значения пластичности по сравнению с широко используемым сплавом Ti-6Al-4V. Титановые сплав типа ВТ1, ВТ8 и др. в наноструктурном состоянии (размер зерна ≤ 100 нм) имеют прочностные характеристики в 1,5 ÷ 2 раза выше при сохранении пластичности по сравнению с крупнозернистыми аналогами. Такая же картина наблюдается и для известного жаропрочного сплава RSR Rene 80 при переходе к субмикроскопической структуре.

Уменьшение размера зерна способствует проявлению сверхпластичности. Например, относительное удлинение до разрушения никеля с размером зерна 35 нм при температуре 420 0 С составило около 1000%, а в субмикрокристаллическом сплаве Al-3%Mg-0,2%Se при температуре 400 0 С получено удлинение 2280%. У алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой значительно повышается износостойкость.

В последнее время все более широкое применение находят керамические материалы в наноструктурном состоянии. В широком смысле к керамическим материалам относят класс материалов, получаемых спеканием дисперсных порошков достаточно тугоплавких и хрупких в обычных условиях веществ различной физико-химической природы: оксиды, нитриды, карбиды, бориды, силициды и др. керамические материалы иногда делят на две группы: конструкционную и функциональную. К первой группе относят материалы, используемые для создания механически стойких конструкций и изделий. Ко второй – керамику со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и др. свойствами. Важнейшими компонентами современной керамики являются: оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния; нитриды кремния, бора, алюминия; карбиды тугоплавких металлов, кремния, бора и др.

Применение конструкционной керамики обусловлено такими характеристиками как высокая температура эксплуатации, твердость, прочность, коррозионная стойкость и др. Слабое место керамики – низкая трещиностойкость и пластичность. Для нанокерамики обнаружено повышение пластичности при низких температурах, а при повышенных температурах нанокристаллические материалы могут проявлять свойства сверхпластичности.

Среди конструкционной керамики следует выделить карбиды и нитриды тугоплавких металлов (W, Ti, V, Ta и др.) и сплавов на их основе. Основные области их применения – это износостойкие инструменты и различные детали (сверла, фрезы, прокатные валки, штампы и др.). Объем их производства постоянно возрастает. Так только в 2000 г. было произведено более 12000 тонн субмикрокристаллических и нанокристаллических твердых сплавов [33].

Многие материалы конструкционного назначения базируются на основе оксидной нанокерамики, в частности на основе ZrO₂, Al₂O₃, V₂O₃, TiO₂ и др. Среди оксидной нанокерамики особое место занимает диоксид циркония. Нанокерамика на основе ZrO₂ обеспечивает высокую стойкость изделия в агрессивных средах, имеет повышенную жаропрочность, износостойкость, термостойкость, стойкость к радиационному воздействию. Так, срок службы плунжеров шахтных насосов из ZrO₂ в десять раз превышает время эксплуатации плунжеров из легированной стали [31].

Нанокерамика из диоксида циркония может способствовать созданию новых альтернативных источников энергии. Уже сейчас создаются топливные элементы с керамическим оксидным электродом (SOFC) из диоксида циркония. Эти элементы позволяют непосредственно превращать химическую энергию топлива в электрическую с коэффициентом эффективности 50-60 %.

К конструкционным и фкнкциональным наноматериалам можно отнести и многослойные композиты с наноразмерными величинами отдельных слоев. Подобные нанокомпозиты получают различными физико-химическими методами осаждения, толщина слоев в которых изменяется от нескольких до десятков нанометров. Многослойный нанокомпозит Mо-W толщиной 50 мкм, состоящий из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм, имеет твердость и прочность в 15 раз выше по сравнению аналогичными характеристиками соответствующих сплавов. Более высокие значения прочности и характеристики проводимости имеют многослойные нанокомпозиты на основе Fe-Al, Fe-Cu с толщиной слоев

Одно из новых направлений использования наноматериалов – это водородная энергетика, в частности, получение, накопление и хранение водорода. С этой целью разрабатывается ряд новых наноматериалов для решения задачи каталитического преобразования углеводородов в водородосодержащее топливо. Использование материалов с нанокристаллической структурой в качестве катализаторов гетерогенных химических процессов приводит к увеличению каталитической активности 2,5 – 4 раза, что позволяет повысить степень конверсии углеводородного сырья в водородное топливо. Например, на основе системы Ni-Al могут быть изготовлены каталитические покрытия с образованием интерметаллидов Ni₃Al с нанокристаллической структурой и высокой удельной поверхностью (до 10 м 2 /г), обеспечивающей высокую каталическую активность катализатора. Испытания показали, что степень конверсии водородного топлива увеличивается до 75%, что 10-15% выше, чем у известных аналогов [42].

Нанокомпозиты являются также эффективным материалом для создания конструкций накопителей и хранения водорода. Одним из эффективных материалов- геттеров являются интерметаллиды системыTi –Al. Дополнительное введение ниобия в систему Ti–Al приводит к повышению адсорбции водорода за счет образования наноразметных фаз типа Ti₂AlNb c орторомбической решеткой, в результате чего происходит увеличение в пять раз водородопоглощение [43].

Следует отметиь, что в магнитных материалах (например, сплав типа Finemet), с нанокристаллической структурой достгаются наивысшие значения магнитной проницаемости и индукции насыщения Одно из объяснений возникновения высоких магнитных свойств в нанокристаллических материах вкратц сводится к следующему. Если размер зерна магнитных включений в материале меньше критического (≤ 100 нм), то их можно считать однодоменными. В этом случае происходит когерентное вращение векторов намагниченности, что приводит к увеличению коэрцитивной силы. Однако при дальнейшем уменьшении размера зерна магнитных частиц происходит уменьшение коэрцетивной силы. Зерно такого размера называют супермагнитным. Наноматериалы подобного магнитного класса находят применение для создания магнитных экранов, обеспечивающих эффективную защиту от постоянных и переменных внешних магнитных полей [33,42].

Дата добавления: 2014-11-13 ; просмотров: 30 ; Нарушение авторских прав

Источник

Нанотехнологии и наноматериалы (стр. 3 )

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4

4. Виды наноматериалов, их свойства и применение

Как отмечалось ранее, можно выделить в основном четыре группы технологических методов получения консолидированных НМ: порошковая металлургия, интенсивная пластическая деформация, кристаллизация из аморфного состояния и пленочная технология. Классификация эта довольно условная и резкой границы между этими методами не всегда можно провести.

НМ можно классифицировать по химическому составу, форме кристаллитов и расположению границ раздела. Один из вариантов подобной классификации был предложен Глейтером и показан в табл. 2.

Классификация НМ по составу, распределению и форме структурных составляющих [13]

Как видно, предлагаются четыре разновидности НМ по химическому составу и распределению структурных особенностей (однофазные, многофазные с идентичными и неидентичными поверхностями раздела и матричные композиции) и три категории форм структуры (слоистая, столбчатая и равноосная). В действительности, разнообразие структурных типов может быть больше за счет смешанных вариантов. Наиболее простой вариант – это, когда химический состав нанокристаллитов и границ зерен одинаков. Например, чистые металлы с нанокристаллической равноосной структурой. Вторая группа представляет НМ с нанокристаллитами различного химического состава, в частности, многослойные структуры. Для материалов третьей группы химический состав зерен и границ различен. НМ, в которых наноразмерные компоненты диспергированы в матрице сплава другого химического состава, составляют четвертую группу. В зависимости от структурного и химического состава НМ будут иметь различные свойства и различные области применения.

4.1 Наноматериалы конструкционного и функционального класса.

Наноматериалы конструкционного и функционального назначения на сегодняшний день является одной из наиболее востребованной областью нанотехнологий для решения различных проблем техники [33,42,43]. Основные материалы данного класса – это металлические, керамические, полимерные и композиционные. Для получения наноматериалов в консолидированном виде в основном используется четыре метода: порошковая металлургия (компактирование нанопорошков), кристаллизация из аморфного состояния, интенсивная пластическая деформация и различные методы нанесения наноструктурных покрытий. Исследования по созданию конструкционных наноматериалов, пригодных для широкого практического применения, находятся на начальной стадии развития и требуют использования разнообразных нанотехнологий.

Применимость того или иного материала определяется комплексом свойств, включающим соотношение между прочностью, пластичностью, а также вязкостью. Значительный интерес к объемным наноматериалам обусловлен тем, что их конструкционные и функциональные свойства существенно отличаются от свойств крупнозернистых аналогов. В этом плане перспективными являются исследования по усовершенствованию существующих и разработке новых сталей и сплавов с нанокристаллической структурой.

Прочность нанокристаллических материалов при растяжении существенно превышает прочность крупнокристаллических аналогов и при этом сохраняется лучшее соотношение между прочностью и пластичностью (рис.22).

Рис.22. Соотношение между прочностью и пластичностью для крупнокристаллических и нанокристаллических материалов [33].

Для получения в сталях и сплавах нанокристаллической структуры в основном используются методы интенсивной пластической деформации. Например, широко известная нержавеющая аустенитная сталь 12Х18Н10Т после равноканального углового прессования при комнатной температуре с размером зерна 100 нм имеет предел текучести 1340 МПа практически в 6 раз превышающей предел текучести этой стали после термообработки. При этом пластичность сохраняется на достаточно высоком уровне (δ=27 %). Прочность низкоуглеродистых малолегированных сталей с субмикрокристаллической структурой при комнатной температуре в 2-2,5 раза выше, чем серийно выпускаемых, при сохранении пластичности и высокой вязкости [33].

В последнее время большое внимание уделяется разработкам т. н. ДУО-сталям, к которым относят стали дисперсионно упрочненные нанооксидными частицами. Такие стали характеризуются повышенными значениями длительной прочности и радиационной стойкости при высоких температурах, что позволяет использовать их в качестве конструкционных материалов ядерных реакторов нового поколения.

При переходе к наноструктурному состоянию наблюдается улучшение механических характеристик и у различных сплавов. Наноструктурный чистый титан, полученный интенсивной пластической деформацией, имеет более высокие прочностные свойства (σВ = 1100 МПа) и близкие значения пластичности по сравнению с широко используемым сплавом Ti-6Al-4V. Титановые сплав типа ВТ1, ВТ8 и др. в наноструктурном состоянии (размер зерна ≤ 100 нм) имеют прочностные характеристики в 1,5 ÷ 2 раза выше при сохранении пластичности по сравнению с крупнозернистыми аналогами. Такая же картина наблюдается и для известного жаропрочного сплава RSR Rene 80 при переходе к субмикроскопической структуре.

Уменьшение размера зерна способствует проявлению сверхпластичности. Например, относительное удлинение до разрушения никеля с размером зерна 35 нм при температуре 420 0С составило около 1000%, а в субмикрокристаллическом сплаве Al-3%Mg-0,2%Se при температуре 400 0С получено удлинение 2280%. У алюминиевых сплавов с нанокристаллической структурой значительно повышается износостойкость.

В последнее время все более широкое применение находят керамические материалы в наноструктурном состоянии. В широком смысле к керамическим материалам относят класс материалов, получаемых спеканием дисперсных порошков достаточно тугоплавких и хрупких в обычных условиях веществ различной физико-химической природы: оксиды, нитриды, карбиды, бориды, силициды и др. керамические материалы иногда делят на две группы: конструкционную и функциональную. К первой группе относят материалы, используемые для создания механически стойких конструкций и изделий. Ко второй – керамику со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и др. свойствами. Важнейшими компонентами современной керамики являются: оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния; нитриды кремния, бора, алюминия; карбиды тугоплавких металлов, кремния, бора и др.

Применение конструкционной керамики обусловлено такими характеристиками как высокая температура эксплуатации, твердость, прочность, коррозионная стойкость и др. Слабое место керамики – низкая трещиностойкость и пластичность. Для нанокерамики обнаружено повышение пластичности при низких температурах, а при повышенных температурах нанокристаллические материалы могут проявлять свойства сверхпластичности.

Среди конструкционной керамики следует выделить карбиды и нитриды тугоплавких металлов (W, Ti, V, Ta и др.) и сплавов на их основе. Основные области их применения – это износостойкие инструменты и различные детали (сверла, фрезы, прокатные валки, штампы и др.). Объем их производства постоянно возрастает. Так только в 2000 г. было произведено более 12000 тонн субмикрокристаллических и нанокристаллических твердых сплавов [33].

Многие материалы конструкционного назначения базируются на основе оксидной нанокерамики, в частности на основе ZrO2, Al2O3, V2O3, TiO2 и др. Среди оксидной нанокерамики особое место занимает диоксид циркония. Нанокерамика на основе ZrO2 обеспечивает высокую стойкость изделия в агрессивных средах, имеет повышенную жаропрочность, износостойкость, термостойкость, стойкость к радиационному воздействию. Так, срок службы плунжеров шахтных насосов из ZrO2 в десять раз превышает время эксплуатации плунжеров из легированной стали [31].

Нанокерамика из диоксида циркония может способствовать созданию новых альтернативных источников энергии. Уже сейчас создаются топливные элементы с керамическим оксидным электродом (SOFC) из диоксида циркония. Эти элементы позволяют непосредственно превращать химическую энергию топлива в электрическую с коэффициентом эффективности 50-60 %.

К конструкционным и фкнкциональным наноматериалам можно отнести и многослойные композиты с наноразмерными величинами отдельных слоев. Подобные нанокомпозиты получают различными физико-химическими методами осаждения, толщина слоев в которых изменяется от нескольких до десятков нанометров. Многослойный нанокомпозит Mо-W толщиной 50 мкм, состоящий из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм, имеет твердость и прочность в 15 раз выше по сравнению аналогичными характеристиками соответствующих сплавов. Более высокие значения прочности и характеристики проводимости имеют многослойные нанокомпозиты на основе Fe-Al, Fe-Cu с толщиной слоев

Одно из новых направлений использования наноматериалов – это водородная энергетика, в частности, получение, накопление и хранение водорода. С этой целью разрабатывается ряд новых наноматериалов для решения задачи каталитического преобразования углеводородов в водородосодержащее топливо. Использование материалов с нанокристаллической структурой в качестве катализаторов гетерогенных химических процессов приводит к увеличению каталитической активности 2,5 – 4 раза, что позволяет повысить степень конверсии углеводородного сырья в водородное топливо. Например, на основе системы Ni-Al могут быть изготовлены каталитические покрытия с образованием интерметаллидов Ni3Al с нанокристаллической структурой и высокой удельной поверхностью (до 10 м2/г), обеспечивающей высокую каталическую активность катализатора. Испытания показали, что степень конверсии водородного топлива увеличивается до 75%, что 10-15% выше, чем у известных аналогов [42].

Следует отметиь, что в магнитных материалах (например, сплав типа Finemet), с нанокристаллической структурой достгаются наивысшие значения магнитной проницаемости и индукции насыщения Одно из объяснений возникновения высоких магнитных свойств в нанокристаллических материах вкратц сводится к следующему. Если размер зерна магнитных включений в материале меньше критического (≤ 100 нм), то их можно считать однодоменными. В этом случае происходит когерентное вращение векторов намагниченности, что приводит к увеличению коэрцитивной силы. Однако при дальнейшем уменьшении размера зерна магнитных частиц происходит уменьшение коэрцетивной силы. Зерно такого размера называют супермагнитным. Наноматериалы подобного магнитного класса находят применение для создания магнитных экранов, обеспечивающих эффективную защиту от постоянных и переменных внешних магнитных полей [33,42].

4.2. Нанотехнологии в атомной энергетике

Нанотехнологии для атомной отрасли начали применяться в бывшем СССР уже в 70-80 годы XX столетия [44]. Ученые в то время еще не использовали приставку «нано», хотя разработанные материалы были основаны на качественно изменении свойств при переходе к нанометровому размеру. Можно выделить ряд наиболее важных достижений в этом направлении.

40 нм [44]. В результате снижается температура спекания топливной керамики, повышается плотность и увеличивается размер зерна (рис. 23)

Рис. 23. Стандартная микроструктура (а) и микроструктура ядерного топлива, полученная с использованием нанодобавок (б) [44].

Активация процессов спекания за счет нанодобавок может явиться одним из направлений создания технологии новых видов уран-плутониевых оксидов и нитридов ядерного топлива для инновационных ядерных реакторов на быстрых нейтронах.

Нанодисперсные ДУО-стали. Увеличение эффективности работы и срока службы перспективных реакторов на быстрых нейтронах требует, прежде всего, повышения степени выгорания топлива до 18-20% без снижения параметров теплоносителя. Это в свою очередь предъявляет повышенные требования к материалам оболочек тепловыделяющих элементов, которые должны удовлетворять следующим характеристикам [44,47]:

— иметь высокий предел прочности и низкую ползучесть при температурах до 700ºС;

— обладать высоким сопротивлением коррозии по отношению к теплоносителям при повышенных температурах и химическую совместимость с топливом;

— обладать высокой радиационной стойкостью к нейтронному облучению.

Один из путей решения данной проблемы – это упрочнение нового класса ферритно-мартенситных сталей частицами оксидов нанометрового размера (ДУО-стали). Данное направление интенсивно развивается в странах, имеющих развитую инфраструктуру атомной энергетики (Россия, США, Япония, Китай, Франция и др.).

В России разработан ряд ДУО ферритно-мартенситных сталей для ядерных реакторов на быстрых нейтронах, в том числе и на основе стали ЭП-450 (Fe-13Cr-2Mo-Nb-V-B-O,12C), которая используется в качестве штатного материала тепловыделяющих сборок реактора БН-600 46. Некоторые результаты высокотемпературных испытаний сталей ЭП-450 и ЭП-450 ДУО представлены в табл. 3.

Результаты испытаний сталей ЭП-450 и ЭП-450 ДУО

Источник

Описание наноматериалов: структура, свойства, технологии

Концепция нанотехнологии впервые была введена в научную практику американским физиком и лауреатом Нобелевской премии Ричардом Фейнманом в 1959 году. Последующее развитие науки и техники подтвердило актуальность теории Фейнмана – наноматериалы стали одним из ключевых разделов современного материаловедения. Фейнман описал также своё видение использования машин, предназначенных для создания оборудования меньших размеров вплоть до молекулярного уровня.

В определении японского учёного Норио Танигучи, нанотехнология состоит из целенаправленной совокупности методов обработки, разделения, консолидации и деформации вещества на уровне и с помощью одного атома или одной молекулы.

Структура нанокристаллических материалов

Продукты нанотехнологий с типичным размером зерна менее 100 нм благодаря своим новым свойствам и разнообразным возможностям применения привлекает возрастающий интерес во всем мире. Эти структуры традиционно подразделяются на:

Одно- и и двумерные структуры широко исследуются для нанесения покрытий в электронных компонентах, а с трёхмерными равноосными структурами ведутся эксперименты по их использованию в объёмных изделиях. Из-за небольшого размера зерна и, как следствие, большой объёмной доле атомов на границах зерен (или вблизи них), наноматериалы демонстрируют свойства, которые часто превосходят свойства обычных крупнозернистых материалов.

Установлено, что структура кристаллитов по существу такая же, как у крупнозернистых наноматериалов, с той разницей, что параметры решётки в нанокристаллическом состоянии немного увеличены (от 0,2% до 0,8%). Впрочем, это касается только изделий, которые получены путём кристаллизации аморфной фазы.

Классификация наноматериалов

Большинство современных нано материалов можно разделить на четыре типа:

Материалы на основе металлов включают квантовые точки, нанозолото, наносеребро и оксиды металлов, например, диоксид титана. Квантовая точка представляет собой плотно упакованный кристалл полупроводника, состоящий из сотен или тысяч атомов, размер которого составляет от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров. При изменении размера квантовых точек их оптические свойства также меняются.

Способы получения

Производственные подходы к синтезу различных наноструктур подразделяются на две категории: нисходящие и восходящие, которые различаются по степени качества, скорости и стоимости.

Технология наноматериалов базируется на основе синтеза, при этом исходный образец может находиться в парообразном, жидком или твёрдом состоянии. Исторически первым методом, который был использован для синтеза нанокристаллических металлов и сплавов был метод конденсации инертного газа, при которой испаряющееся вещество закаливается на холодную подложку.

Впоследствии также использовались плазменная обработка и другие методы физического и химического осаждения из паровой фазы. При электроосаждении и быстром затвердевании в качестве исходного сырья используется жидкое состояние веществ.

Механическое легирование, сварка трением с перемешиванием, сильная пластическая деформация, искровая эрозия, износ при скольжении и многократная холодная прокатка также приводят к образованию нанокристаллических структур. Некоторые из этих методов используются в достаточно крупных производственных масштабах для конденсации инертного газа, расположения электродов и при механическом легировании

Остальные пока не вышли из стадии лабораторных исследований.

Выбор метода синтеза нанокристаллических материалов определяется следующими факторами:

Большинство упомянутых технологий производят нанокристаллическую заготовку в форме порошка. Применение таких структур требует, чтобы порошки были уплотнены до максимально возможных значений, когда пористость практически отсутствует. Уплотнение с полным связыванием частиц требует воздействия на порошок высоких температур и давлений в течение продолжительных периодов времени, что приводит к укрупнению микроструктурных особенностей. Однако сохранение материала в сверхплотном состоянии возможно лишь при условии, что порошок не подвергается воздействию высоких температур в течение длительных периодов времени. Таким образом, успешное уплотнение до полной плотности требует инновационных методов уплотнения.

Известно, что рассматриваемые вещества имеют преобладающую долю атомов на границах зерен, поэтому эффективный коэффициент диффузии нанокристаллических материалов намного выше, чем у крупнозернистых структур того же состава. Это будет способствовать достижению полной консолидации наноматериалов при температурах на 300…400 ° C ниже, чем те, которые требуются для крупнозернистых материалов. Успешное уплотнение нанокристаллических порошков может достигаться:

Уплотнение не требуется, если порошок может использоваться в исходном состоянии, например, в виде суспензии.

Свойства наноматериалов

При выяснении свойств данных веществ решающим фактором оказывается их термоустойчивость. Из-за своего малого размера зерна, нанокристаллические материалы с большой площадью поверхности обладают сильной потенциальной энергией роста зёрен. Знание термической стабильности важно как по научным, так и по технологическим причинам. С технологической точки зрения термостойкость важна для консолидации нанокристаллического порошка без огрубления микроструктуры. С научной точки зрения было бы полезно проверять, отличается ли поведение роста зёрен в нанокристаллических материалах от подобных процессах, протекающих в крупнозернистых структурах.

Энергию активации роста зёрен в нанокристаллических материалах обычно сравнивают с энергией активации решёточной, либо межзёренной диффузии в крупнозернистых веществах. Отмечено, что энергия активации роста зерен в нанокристаллических материалах более выгодна по сравнению с межзёренной диффузией. При этом рост зёрен в нанокристаллических материалах, полученных любым способом, очень мал до достаточно высокой температуры. Это сопротивление росту зёрен объясняется такими факторами, как узким распределением зёрен по своим размерам, равноосной морфологией зёрен, низкоэнергетической границей зёрен.

Из-за очень маленького размера зерна и, как следствие, высокой плотности поверхностей раздела, нанокристаллические материалы обладают множеством свойств, которые отличаются (и часто превосходят) от свойств обычных крупнозернистых образцов. К ним относятся:

Следует отметить, что первые результаты исследования свойств нанокристаллитов не очень надёжны, в основном из-за значительной пористости, присутствующей в исследуемых образцах. Например, в керамических образцах при комнатной температуре не удаётся воспроизвести пластичность. Некоторые исследователи утверждают, что коэффициент теплового расширения увеличивается с уменьшением размера зерна. В то же время другие сообщают о том, что данный параметр примерно одинаков как для нанокристаллических, так и для крупнозернистых материалов. Аналогичным образом, уменьшение модуля упругости может быть связано с пористостью и трещинами, присутствующими в консолидированном продукте.

Таким образом, важно сравнивать между собой свойства только полностью плотных материалов, не имеющих пористости, трещин или неоднородностей.

Наиболее важными для практического применения являются механические свойства. Достоверно устанавливать их сложно из-за отсутствия достаточно больших и бездефектных образцов, необходимых при испытаниях. Поэтому наиболее распространенным показателем для оценки механических свойств нанокристаллических материалов является твёрдость.

В результате испытаний установлено, что увеличение твёрдости и предела текучести связано с уменьшением размера зерна. Поскольку существующие экспериментальные методики разработаны на основе активности дислокаций в крупнозернистых образцах, допустимо считать, что в нанокристаллических материалах активность дислокаций минимальна и, следовательно, упрочнения не происходит. Приравнивая силу отталкивания дислокаций к приложенному усилию силе, можно вычислить критический размер зерна, ниже которого будет наблюдаться размягчение размера зерна. По расчетам, это значение составляет около 10…30 нм для большинства материалов.

Прочность нанокристаллитов намного выше, чем у крупнозернистых материалов. Однако другой подход к синтезу высокопрочных продуктов, по-видимому, заключается в создании нанокристаллических композитов с частицами, размерная фаза которых диспергирована в аморфной матрице. Это может быть достигнуто путём получения полностью аморфной фазы такими методами, как быстрым затвердеванием из расплава, механическим легированием, а также низкотемпературной первичной кристаллизацией, которая воздействует на образование нанокристаллической фазы.

Области применения

Широкое использование и поиск технологических приложений требуют экономичного производства хорошо изученных нанокристаллитов в промышленных масштабах и с воспроизводимыми свойствами.

В настоящее время нановещества используются:

Получение наноматериалов может способствовать созданию более прочных, легких, чистых и «умных» поверхностей и систем. Например, прозрачные наночастицы оксида титана, используемые в солнцезащитных кремах, имеют тот же химический состав, что и более крупные частицы белого оксида титана. Наночастицы оксида сурьмы и олова обеспечивают устойчивость к царапинам и прозрачную защиту от ультрафиолетового излучения, которую невозможно увидеть с частицами большего размера.

Наноматериалы, которые используются в качестве наполнителя в шинах, могут улучшить сцепление с дорогой, уменьшая тормозной путь во влажных условиях, а жёсткость кузова автомобиля можно повысить за счет использования стали, упрочненной нановеществами. Новые методы гель-напыления позволяют экономично наносить просветляющие слои диоксида кремния или других материалов нанометровой толщины на дисплеи или панели. Ультратонкие прозрачные слои на серебряной основе можно использовать для обогреваемых оконных стекол, которые очищаются от запотевания и льда.

Установлено, что использование нанотехнологий перспективно в производстве, переработке, обеспечении безопасности и упаковке пищевых продуктов. Не исключено, что нанотехнологии позволят манипулировать молекулярными формами пищевых продуктов, чтобы обеспечить больше возможностей повышения качества и пищевой ценности, а также более низкие затраты.

Источник