3. Наноструктурные материалы

Наноструктурные материалы, или сокращенно наноматериалы (НМ), -это разновидность материалов, которым именно присутствие наноразмерных элементов (морфологических единиц) придает желаемые свойства. Данное оп­ределение также требует некоторого комментария.

Общеизвестно, что любое вещество - это совокупность атомов или моле­кул, которые представляют собой распространенные в природе нанообъекты. Однако констатация этого факта не очень конструктивна в обсуждаемом кон­тексте, поскольку она не может служить основанием для отнесения материала к НМ. Иначе любые материалы пришлось бы считать наноструктурными. В каче­стве НМ целесообразно выделить лишь те, которые содержат специфические группировки атомов (молекул) нанометровых размеров, благодаря чему и созда­ется качественно новый объект, существенно отличающийся по свойствам от не имеющих таковых структурных единиц (даже если химический состав первых и вторых, полностью тождествен).

Среди наноматериалов можно выделить несколько основных типов (рис 7.)

Рис. 7 Основные типы наноматериалов

3.1 Классификация наноматериалов

Возвращаясь к наноматериалам и их классификации, напоминаем, что для отнесения объекта к наномиру достаточно хотя бы одного размера, лежащего в нанометровом диапазоне.

Так, Г. Гляйтер предлагает выделить всего три класса НМ: наночастицы; нанослои, пленки, приповерхностные структуры; объемные наноструктурные материалы (табл.1)

Таблица 1 Классификация нанокристаллических материалов, учитывающая состав,
	распределение и форму структурных составляющих

3.2 Объемные наноструктурные материалы

Объемные материалы можно разделить на три основных класса: 1) строи­тельные, 2) конструкционные и 3) функциональные.

Как следует из названия, основное назначение конструкционных материа­лов - выдерживать механическую нагрузку в течение определенного времени в заданных условиях эксплуатации и удовлетворять требованиям минимизации массы конструкции, ее функциональности, надежности, экономичности.

Основными характеристиками конструкционных материалов являются: мо­дуль Юнга, предел текучести, предел прочности, предел усталости, износостой­кость, вязкость разрушения (критический коэффициент интенсивности напря­жений для острых концентраторов и трещин К_1с). В отличие от модуля Юнга, который мало зависит от структуры материала, все остальные характеристики структурочувствительны, т.е. могут управляться посредством целенаправленно­го изменения структуры, в частности изменением номенклатуры и концентра­ции структурных дефектов, размером зерен, ячеек и других субструктурных единиц.

Типичная обобщенная зависимость прочностных показателей от концен­трации структурных дефектов показана на рис. 8

	Объемная плотность структурных дефектов

Рис. 8 Схематическая зависимость прочности материалов от концентрации атомарных дефектов, демонстрирующая два принципиально возможных пути улучшения прочностных характеристик: за счет уменьшения и за счет увеличения числа дефектов структуры. G–модуль сдвига

Она имеет вид кривой с минимумом в области, где, к несчастью, располага­ется большинство традиционных конструкционных материалов (стали, чугуны, бронзы, алюминиевые сплавы и т.д.). Из этого следует, что для улучшения фи­зико-механических характеристик можно использовать обе восходящие ветви этой зависимости, т.е. или резко уменьшать число атомарных дефектов в решет­ке, приближаясь к идеальному порядку (монокристаллы, усы, нанотрубки), или, напротив, увеличивать их число, стремясь к нанокристаллическому или аморф­ному состоянию материала.

Повышение предела текучести и прочности обычно приво­дит к охрупчиванию материала, т.е. к снижению К_1с или деформации до разру­шения. Поэтому основная задача дизайна нового материала – обеспечение одно­временно высоких характеристик прочности и трещиностойкости.

Наноструктурные материалы могут обеспечить оптимальное соче­тание этих свойств, причем положительный эффект достигается не благодаря дорогостоящим легирующим компонентам, а только путем изменения структу­ры. Это улучшает многие технико-экономические показатели изделия одновре­менно.