Необычные свойства наноструктурных материалов и области их применения

Специфические микроструктуры в объемных наноматериалах определяют их необычные свойства, многие из которых уникальны и весьма привлекательны для практического использования. Эти специфические качества связаны с изменением некоторых фундаментальных свойств материала при уменьшении размера частиц или зерна, а также с изменением соотношения некоторых объемных и поверхностных свойств.

К уникальным особенностям наноматериалов относятся отличия их температур плавления и размеров кристаллических решеток от соответствующих величин в материалах с обычной структурой. Наноструктурные металлы и сплавы могут обладать высокой коррозионной стойкостью. В частности, эксперименты демонстрируют возможность получения обычных углеродистых сталей в наноструктурном состоянии с более высокими коррозионными свойствами, чем у специальных нержавеющих сталей.

Однако особый интерес представляют механические свойства объемных наноструктурных материалов. Как свидетельствуют теоретические оценки, с точки зрения механического поведения формирование наноструктур в различных металлах и сплавах может привести к высокопрочному состоянию в соответствии с соотношением Холла–Петча, а также к появлению низкотемпературной и/или высокоскоростной сверхпластичности. Реализация этих возможностей имеет непосредственное значение для разработки новых высокопрочных и износостойких материалов, перспективных сверхпластичных сплавов, металлов с высокой усталостной прочностью.

Формирование метастабильных состояний позволяет получить особо прочные материалы после последующих отжигов, что связано не только с наличием очень мелкого зерна, но также со специфической дефектной структурой границ зерен, морфологией вторых фаз, повышенным уровнем внутренних напряжений, кристаллографической текстурой и т.д.

Например, исходная крупнозернистая медь с размером зерен около 30 мкм проявляет типичное поведение, связанное с низким пределом упругости, незначительным деформационным упрочнением и высокой пластичностью. После холодной прокатки наблюдается существенное повышение прочности меди, но значительно снижается пластичность. При этом, чем больше величина деформации при прокатке, тем выше прочность, но ниже пластичность. Однако ситуация принципиально меняется для меди, подвергнутой интенсивной деформации методом равноканального углового прессования. Здесь заметен не только дальнейший рост прочности, достигающей рекордных значений для меди, но и значительное увеличение пластичности.

Испытания других материалов также показали, что под воздействием интенсивной пластической деформации, как кручением под высоким давлением, так и равноканальным угловым прессованием, их поведение качественно меняется, и они демонстрируют не только очень высокую прочность, но и пластичность. Такое поведение материалов принципиально отличается от поведения металлов и сплавов после большой пластической деформации, например, прокаткой или вытяжкой, где увеличение прочности обычно коррелирует с уменьшением пластичности.

Для понимания природы данного эффекта важно, что в условиях ИПД происходит формирование наноструктур, имеющих очень малый размер зерен (около 100 нм). Наноструктуры, формирующиеся в результате интенсивной пластической деформации, качественно отличаются от ячеистых или фрагментированных микроструктур, образующихся после обычных больших деформаций. Очевидно, вследствие формирования наноструктур может происходить изменение механизмов деформации в условиях растяжения образцов, когда наряду с движением решеточных дислокаций активное участие начинают принимать процессы на границах сформировавшихся при интенсивной пластической деформации нанозерен, в частности, зернограничное проскальзывание.

Как известно, сочетание прочности и пластичности является необходимым условием для разработки перспективных материалов. В этой связи достижение очень высокой прочности и пластичности в металлах и сплавах, подвергнутых интенсивной пластической деформации, открывает пути создания принципиально новых конструкционных материалов, микроструктуры которых являются наноразмерными.

Высокопрочное состояние с пределом прочности более 800 МПа было реализовано в наноструктурных алюминиевых сплавах, демонстрируя возможность достижения в них прочности выше, чем даже у сталей.

В объемных наноматериалах изменяются не только механические свойства. В ферромагнитных материалах, в которых размеры зерен становятся соизмеримыми с размерами доменов, существенно (в 10 раз) возрастает коэрцитивная сила, а доменная структура по своему характеру отличается от структуры в обычных материалах. В объемных наноструктурных кремнии и германии изменяются оптические свойства.

Весьма существенно могут изменяться магнитные свойства наночастиц по сравнению с массивным материалом. Это видно из сопоставления свойств массивного материала и наночастиц из этого материала на примере ряда металлов: для типичных ферромагнетиков переход в суперпарамагнитное состояние возможен, когда размер частиц становится менее 1...10 нм.

Изменение магнитных свойств наноматериалов отражает изменения самой кристаллической структуры твердых тел. При уменьшении размера ферромагнетика замыкание магнитных потоков внутри него оказывается все менее выгодным энергетически. При достижении некоторого критического размера (d_кp), частицы становятся однодоменными, что сопровождается увеличением коэрцитивной силы до максимального значения. Дальнейшее уменьшение размера частиц приводит к резкому падению коэрцитивной силы до нуля, вследствие перехода в супермагнитное состояние.

Наряду с металлическими объемными наноматериалами получены также и неметаллические. Примером могут служить полинанокристаллические алмазы, т.е. поликристаллические алмазы с нанометровым размером составляющих их кристаллов. Сверхтвердое вещество получается при обработке давлением кристаллов-фуллеритов, образованных фуллеренами – сфероподобными молекулами углерода С₆₀, в которых атомы углерода располагаются по сфере, образуя на ее поверхности пяти- и шестиугольники. Кроме чистых фуллеренов известны также и металлофуллерены, в частности фазы типа Fe_xC₆₀, обладающие высокими механическими свойствами, которые были обнаружены при спекании смеси порошков железа и чугуна в вакууме.

Особой разновидностью компактных наноматериалов являются тонкие пленки, представляющие собой двумерные наноматериалы. Используемые главным образом в электронной технике, эти пленки получают конденсацией из паровой фазы, осуществляя, например, электроннолучевое или магнетронное распыление.

Резюме. Наноструктурированные материалы – одна из важнейших целей нанотехнолологии на современном этапе. Некоторые такие материалы уже появились на рынке товаров. Огромное число исследований и разработок обещают создать новые наноматериалы с самыми необычными характеристиками в самое ближайшее время.

Простые наноструктурированные материалы – это материалы первого поколения. Именно простые наноструктурированные материалы будут доминировать в сфере производства наноструктурированных материалов в ближайшие годы.

Сложные наноструктурированные материалы можно определить как многокомпонентные и иерархически организованные материалы. Такие материалы пока практически отсутствуют на рынке товарной продукции, но именно такие материалы в будущем будут основными.

Контрольные вопросы

По разделу 1.

1. Перечислите основные свойства магния.

2. Назовите преимущества и недостатки магниевых сплавов.

3. Какими элементами легируют магниевые сплавы и каковы их основное влияние?

4. Дайте характеристику сверхлегким магниевым сплавам.

5. Каковы основные виды термической обработки магниевых сплавов и как они обозначаются?

6. В чем особенность гомогенизационного отжига магниевых сплавов?

7. Какие магниевые сплавы подвергаются естественному старению?

8. В чем сущность термомеханической обработки магниевых сплавов?

9. Приведите классификацию магниевых сплавов по технологии производства, по плотности, по температурам эксплуатации.

10. В чем различие между деформируемыми и литейными магниевыми сплавами?

По разделу 2.

1. Назовите особенности механических свойств бериллия.

2. Как влияет чистота бериллия на его свойства? Назовите причины такого влияния.

3. Объясните природу низкой пластичности бериллия.

4. Какими элементами легируют бериллий и каково влияние легирующих элементов на структуру и свойства бериллиевых сплавов?

5. Чем обусловлена анизотропия свойств бериллия и его сплавов?

6. Приведите режимы рекристаллизационного отжига деформированного бериллия.

7. Какие факторы влияют на механические свойства бериллия, полученного методом порошковой металлургии?

8. Какова технология получения бериллиевой проволоки?

9. Назовите структурные составляющие Al – Be сплавов.

10. Перечислите области применения бериллия и его сплавов.

По разделу 3.

1. Дайте характеристику первичному алюминию (марки, чистота, свойства).

2. Как маркируются алюминиевые сплавы?

3. Приведите классификацию алюминиевых сплавов на основе диаграммы состояния Al – легирующий элемент.

3. Какие сплавы являются нетермоупрочняемыми и почему?

4. Объясните природу упрочнения алюминиевых сплавов при термической обработке.

5. В чем особенность состава и строения силуминов?

6. Каковы особенности порошковых алюминиевых сплавов типа САП?

7. Как обозначают режимы термической обработки алюминиевых сплавов?

8. Дайте характеристику дуралюминам.

9. Какие факторы обеспечивают жаропрочность алюминиевых сплавов?

10. Структура и состав сверхлегких алюминиевых сплавов.

По разделу 4.

1. Каковы основные характеристики титана?

2. Полиморфное превращение в титане.

3. Какие преимущества и недостатки у титановых сплавов?

4. Приведите классификацию титановых сплавов.

5. В чем различие α- и псевдо α- сплавов?

6. Дайте характеристику сплавам серии ОТ4?

7. Объясните сущность упрочняющей термической обработки α+β титановых сплавов.

8. Объясните принцип легирования титанового сплава ВТ18У.

9. В чем преимущества сплавов с сплавов с преобладанием α-фазы?

10. Какие сплавы используются для конструкций, работающих при высоких нагрузках и умеренно высоких температурах?

По разделу 5.

1. Дайте определения жаропрочности и жаростойкости.

2. Каковы основные характеристики никеля?

2. Объясните принцип маркировки никелевых сплавов.

3. Дайте характеристику сплаву ЭИ437Б.

4. Каковы предельные рабочие температуры нагрева деформируемых никелевых сплавов?

5. В чем особенность жаропрочных литейных никелевых сплавов по сравнению с деформируемыми?

6. Какова роль γ'-фазы в никелевых сплавах?

7. Сплавы с монокристаллической структурой – особенности свойств, применение.

8. Применение сплавов с низким содержанием углерода и повышенным содержанием рения и тантала.

9. Какие преимущества дает метод направленной кристаллизации никелевых сплавов?

10. Преимущества и недостатки порошковых никелевых сплавов. Приведите примеры.

По разделу 6.

1. Какие фазы относятся к интерметаллическим соединениям?

2. Назовите преимущества и недостатки интерметаллидных сплавов.

3. Дайте определение бертоллидам, дальтонидам и фазам Курнакова.

4. Как зависят прочностные свойства сплавов от состава для систем с дальтонидом, бертоллидом и сверхструктурами Н.С. Курнакова?

5. Какие методы используют для повышения пластичности интерметаллидов?

6. Каковы основные характеристики алюминидов никеля и титана?

7. Дайте характеристику α2 сплавам.

8. Сущность механизма эффекта памяти формы.

9. Что такое термоупругий мартенсит?

10. Каковы области применения сплавов с эффектом памяти формы?

По разделу 7.

1. Дайте определение композиционным материалам.

2. Что такое матрица и армирующий компонент в композиционных материалах?

3. Приведите классификацию композиционных материалов.

4. Что такое дисперсно-упрочненные композиты?

5. Дайте характеристику волокнистым композиционным материалам.

6. Назовите основные характеристики борных волокон.

7. Что такое борсик и какова технология его получения?

8. Охарактеризуйте свойства нитевидных кристаллов. Каковы методы их получения?

9. Приведите сравнительные данные по композиционным материалам с неметаллической и металлической матрицей.

10. Какова природа строения композитов с неметаллической матрицей?

По разделу 8.

1. Что такое пластмассы?

2. Какие компоненты входят в пластмассы.

3. Приведите классификацию платмасс.

4. Дайте характеристику фенолоформальдегидной смоле.

5. Каковы основные характеристики термопластов?

6. Какие марки химостойких и уплотнительных пластмасс Вы знаете?

7. Какие стекла применяются для остекленения летательных аппаратов?

8. Какими методами получают газонаполненные пластмассы?

9. Объясните процесс старения полимерных материалов.

10. Свойства и методы получения каучуков.

По разделу 9.

1. Какая керамика называется технической?

2. Какие оксидные системы являются основой для технических керамик? Приведите примеры.

3. Дайте характеристику оксиду алюминия.

4. Опишите фазовые превращения в диоксиде циркония.

5. Опишите метод получения реакционно-связанного нитрида кремния.

6. Какие керамики получают с использованием реакций с участием газовой фазы?

7. Какие керамики получают с использованием реакций с участием жидкой фазы?

8. Какие требования предъявляются к границам зерен керамических материалов?

9. Назовите условия перевода керамик в сверхпластическое состояние.

10. Что такое реакционное спекание?

По разделу 10.

1. Какие материалы относятся к нанокристаллическим?

2. Какие методы получения наноструктур Вы знаете?

3. В чем особенность нанокристаллических материалов?

4. Какие химические методы синтеза используются для получения наноматериалов?

5. В чем сущность метода получения наночастиу методом испарения – конденсации?

6. Какие методы интенсивной пластической деформации позволяют сформировать наноструктурное состояние?

7. Опишите известные модели наноструктур.

8. Каково влияние структуры на физические и механические свойства материалов?

9. Чем объяснить влияние наноструктурного состояния веществ на их фундаментальные характеристики?

10. Приведите примеры применения наноструктурных материалов.

Список литературы

1. Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В. А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. М.: МИСИС, 2005 .- 432 с.

2. Батаев А.А., Батаев В.А. Композиционные материалы: строение, получение, применение. М.: Логос, 2006 .- 400 с.

3. Костиков В.И., Варенков А.Н. Сверхвысокотемпературные композиционные материалы М.: Интермет Инжиниринг, 2003 .- 560 с.

4. Кербер М. Полимерные композиционные материалы. Структура, свойства, технологии. Издательство «Профессия», 2008. – 560 с.

5. Прокофьева В.В., Багаутдинов З.В., Котова В.Г. Керамика. Сырье и материалы для керамической промышленности. Том 1. СПб.: Ютас, 2007. - 224 с.

6. Поздняков В.А. Физическое материаловедение наноструктурных материалов: Учебное пособие. М.: МГИУ, 2007. - 424 с.

7. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии. М.: Физматлит, 2007 .- 414 с.

8. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ «Академкнига», 2007. - 398 с.

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

Учебное издание

ЗАРИПОВ Наиль Гарифьянович

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

ДЛЯ АВИАЦИОННОЙ ТЕХНИКИ

Редактор

Подписано в печать .2008. Формат 60х84 1/6

Бумага офсетная. Печать плоская. Гарнитура Times New Roman Cyr.

Усл. печ. л. . Усл. кр.-отт. . Уч.-изд. л. .

Тираж 100 экз. Заказ №

ГОУ ВПО Уфимский государственный авиационный технический университет

Редакционно-издательский комплекс УГАТУ

450000, Уфа-центр, ул. К. Маркса, 12