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 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 ~20 нм.

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].

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].