1«Современные технологии, основанные на новых наноматериалах наноструктурах (металлы и сплавы)

Свойства наночастиц металлов и возможности их применения

Большой интерес к нано и микро материалам вызван тем, что их физико-механические свойства существенно отличаются от свойств обычных поликристаллов. В частности, их твердость и предел текучести в 3-5 раз выше, чем у крупнокристаллических металлов. Обнаружен целый ряд аномалий в их электрических, магнитных, тепловых, упругих и демпфирующих свойствах. Кроме того, установлено, что НМК металлы и сплавы обнаруживают эффект низкотемпературной и высокоскоростной сверхпластичности, дающей ключ к принципиально новым высокотехнологичным промышленным методам формообразования.

Разработаны фундаментальные основы технологии деформационного нанострутурирования цветных металлов и сплавов – технологии равноканального углового прессования, с использованием которой получены массивные образцы нано- и микрокристаллических алюминиевых, магниевых и титановых сплавов с эффектом одновременного повышения прочности и пластичности при комнатной температуре, а также эффектом высокоскоростной сверхпластичности при повышенных температурах.

Использование технологии РКУП и специально разработанных режимов термомеханической обработки позволило одновременно повысить прочностные и пластические свойства алюминиевых и магниевых сплавов при комнатной температуре – для нано- и микрокристаллического сплава АМг6, полученного с использованием технологии РКУП, величина предела прочности (450 МПа) и относительного удлинения (25%) при комнатной температуре в два раза превышает аналогичные показатели для стандартного крупнозернистого материала.

Разработан способ и определены режимы обработки модельных и промышленных алюминиевых и магниевых сплавов, позволяющий формировать в них однородную нано- и микрокристаллическую структуру с размером зерна ~ 0.5-1 мкм. Определены режимы сверхпластической деформации этих материалов, позволяющие достичь рекордных (высоких) удлинений – для магниевых сплавов: ~600% при низких температурах деформирования (~250 ^оС) (эффект «низкотемпературной сверхпластичности»), для алюминиевых сплавов: ~880% при температурах 450 ^оС и высоких скоростях деформации (1 с^-1) (эффект «высокоскоростной сверхпластичности»).

Впервые в заэвтектических сплавах системы Al-Si реализован эффект сверхпластичности с рекордными значениями удлинения до разрушения (для мирокристаллического сплава Al-18%Si пластичность составляет 135% при температуре 350 ^оС и 770% при температуре 520 ^оС). Создание по технологии равноканального углового прессования микрокристаллического поршневого сплава и получение в нем эффекта сверхпластичности открывает принципиально новые возможности и в технологии изготовления поршней, и в получении поршней с уникальными эксплуатационными характеристиками.

Новые материалы специального назначения

1. С использованием технологии электроимпульсного плазменного спекания разработаны новые нано- и ультрадисперсные вольфрамовые псевдосплавы с уникально высокими механическими свойствами – прочностные свойства нанодисперсного псевдосплава в 3.5-4 раза превосходят аналогичные показатели для стандартного крупнозернистого материала, полученного методом порошковой металлургии (свободного спекания).

Разрабатываемые вольфрамовые сплавы могут быть использованы как материалы для изготовления изделий и конструкций со специальными свойствами, силовых конструкций повышенной надежности (ударных стержней и кумулятивных облицовок), а также элементов броневой защиты для изделий специального назначения. Кроме того, новые сплавы могут использоваться при изготовлении контейнеров биологической защиты, устройств для утилизации ядерных отходов, устройств для защиты от радиоактивного и рентгеновского излучений и других объектах специального и двойного назначения.

2. Разработаны и исследованы новые НМК медные сплавы с эффектом динамической прочности и динамической сверхпластичности, используемые при изготовлении облицовок кумулятивных снарядов с повышенной пробивной способностью.

Применение полученных НМК материалов возможно в элементах кумулятивных боеприпасов и, для решения задач, связанных с разработкой новых элементов и конструкций, а также повышения эффективности использования существующих боеприпасов. Новые сплавы с НМК структурой могут быть использованы для электротехнических приложений. Важно также отметить, что представляется весьма перспективным использование полученных результатов для создания нового класса нано- и микрокристаллических медных сплавов для облицовок кумулятивных зарядов промышленных нефтегазовых перфораторов нового поколения, которые в настоящее время активно используются предприятиями нефтегазового комплекса РФ, проводящими работы в области бурения и нефтедобычи

Сверхпрочная наноструктурированная сталь

Металлы и их сплавы приобретают ковкость при высоких температурах и становятся более ломкими и хрупкими при охлаждении. Японские ученые выявили обратную зависимость для слаболегированных сталей при низких температурах. Полученные образцы имеют зернистую структуру, ориентированную вдоль направления прокатки, с вкраплениями наноразмерных сферических частиц карбидов.

Новый метод термомеханической обработки, использованный в работе, авторы назвали температурной формовкой или темпформингом. В качестве модельного сплава использовалась низколегированная сталь, содержащая 0.4% C, 2% Si, 1% Cr, and 1% Mo. Формовка образцов производилась с эквивалентной деформацией порядка 1,7 после отпуска стали при 500°C. В частности, значение ударной прочности по Шарпи для образцов после температурной формовки (TP-образец) составляет 226 Дж, что почти в 16 раз больше, чем в аналогичном испытании с обычной сталью.

Сталь без температурной формовки (QT) разламывается в месте V-образного надреза, образуя ровный скол. Образцы после темпформинга при ударе расслаиваются, причем полного разрушения в некоторых случаях не происходит. Измерения показателя ударной прочности при различных температурах дают интересную зависимость. Для TP-образцов наблюдается максимум в интервале температур от -60°C до -20°C, при дальнейшем повышении температуры ударная прочность уменьшается. После темпформинга происходит удлинение зерен вдоль кристаллографического направления, которое совпадает с направлением прокатки. Средний поперечный размер зерен металла составлял порядка 260 нм, размер сферических карбидных частиц, диспергированных в железной матрице не более 50 нм.

В заключении авторы отмечают, что комбинация наноразмерной зернистой структуры материала и контролируемой текстуры прокатки позволяет повысить как прочность, так и ковкость стали при низких температурах. Кроме того, описанный подход может быть применен и для мартенситностареющих сталей, которые являются наиболее прочным материалом, использующимся на сегодняшний день.

2 Магнитные материалы

Актуальность исследования магнитных нанокластеров различной геометрии на изоляторных и металлических поверхностях, служащих основой для создания совершенно новых устройств записи и хранения информации, связана с характеристиками, которых будут на порядки превосходить современные аналоги. Уникальность подобных систем определяется способностью исследователей контролировать и изменять магнитные взаимодействия на атомном масштабе. Это стало возможным благодаря развитию в последнее десятилетие экспериментальных методов сканирующей туннельной микроскопии.

Дальнейшее развитие нанотехнологий необходимо осуществлять не только на уровне наноматериалов, но и также на уровне наноустройств. Одной из актуальных задач здесь является определение электронных и магнитных характеристик комплексов магнитных молекул (молекулярных магнетиков) на различных поверхностях. Благодаря существованию большого собственного магнитного момента, а также значительной магнитной анизотропии, молекулярные магнетики идеально подходят в качестве квантовых битов для проведения квантовых вычислений. Типичные представители класса молекулярных магнетиков содержат в своем составе порядка 15-20 атомов переходных металлов, которые составляют ядро молекулярного магнетика, и 100-150 атомов водородных, углеродных и углеродных комплексов, образующих периферию молекулы. Корректное описание корреляционных эффектов таких нульмерных систем представляет собой сложную физическую и вычислительную задачу, решение которой может быть получено с использованием современных многочастичных методов теории динамического среднего поля и систем с числом ядер не менее 1000. Определение, понимание и контроль магнитных взаимодействий между магнитными молекулами на поверхности – это те задачи, без решения которых невозможно технологическое построение и эффективное использование наноустройств на базе молекулярных магнетиков. Это в свою очередь требует объединения современных первопринциных методов и многочастичных модельных подходов, максимально эффективно реализованных на суперкомпьютерных платформах.

Магнитные свойства наночастиц определяются многими факторами, среди которых следует выделить химический состав, тип кристаллической решетки и степень ее дефектности, размер и форму частиц, морфологию (для частиц с комплексной структурой), взаимодействие частиц с окружающей их матрицей и соседними частицами. Изменяя размеры, форму, состав и строение наночастиц, можно в определенных пределах управлять магнитными характеристиками материалов на их основе. Однако контролировать все эти факторы при синтезе примерно одинаковых по размерам и химическому составу наночастиц удается далеко не всегда, поэтому свойства однотипных наноматериалов могут сильно различаться.

Методы

Современные методы получения наночастиц магнитных материалов можно разделить на две группы – основанные на получении наночастиц из компактных материалов или же в противоположность, основанные на сборке наночастиц из атомов, ионов, молекул.

1. ГИДРОЛИЗ, СООСАЖДЕНИЕ

Магнитные НМК частицы в виде феррожидкостей были известны исследователям примерно с середины 60-х годов. Широкое внимание к ним с точки зрения нанохимии было привлечено, в частности, после работы Рене Массарта посвященной синтезу и стабильности коллоидного магнетита в водных растворах при различных значениях pH. В первую очередь такой всплеск интереса к водным дисперсиям магнетита был вызван перспективой его широкого применения в биологии, диагностике и медицине, из-за его низкой токсичности и высокой намагниченности насыщения.

2. МИЦЕЛЛЫ

В начале прошлого десятиления появились первые статьи посвященные использованию обратных мицелл как микро- и нанореакторов для осуществления в них химических реакций, и в частности, приготовлению высокодисперсных частиц. Обратные мицеллы возникают в результате самоорганизации бифункциональных молекул, классических ПАВ, содержащих в своем составе ионогенную гидрофильную (-СOONa) и гидрофобную (углеводородный фрагмент, например алкильный радикал) группы. При интенсивном перемешивании с небольшим количеством воды и избытком неполярного растворителя (гексан, толуол) происходит самоорганизация молекул ПАВ в сферические образования, полярными хвостами внутрь, вокруг микро- или нанокапелек воды. В зависимости от соотношения вода/растворитель можно изменять размеры мицелл в диапазоне от 4 до 18 нм

3. ТЕРМОЛИЗ

У каждого из рассмотренных методов получения магнитных наночастиц существуют ограничения, сужающие возможности синтеза наночастиц. В силу электростатических, ионных и других взаимодествий, присутствие воды в реакционных системах существенно осложняет контроль степени монодисперсности наночастиц, и как видно из примеров, управлять процессами нуклеации и роста наночастиц можно добавляя дополнительные стабилизирующие вещества и используя двухфазные системы. Наиболее гибким и эффективным в настоящее время методом получения магнитных наночастиц в растворах является термолиз металлсодержащих соединений в высококипящих некоординирующих растворителях в присутствии стабилизирующих веществ. Как было отмечено, широкое распространение и последующее развитие этот метод получил после успешной адаптации технологии синтеза полупроводниковых наночастиц на магнитные материалы.

ПРИМЕНЕНИЕ

Биология и медицина:

Противораковые пептидные группы, имитирующие гормоны

Томографы

Адсорбенты , удаляющие загрязнения окружающей среды

Сепарация вирусов и бактерий

Техника и технологии:

Сверхмалые записывающие устройства

Суперпарамагнетизм

Сверхтонкие пленки для получения гигантского магнитосопротивления

Другое :

Ультратонкие дисплеи

Создание дифракционной решетки с управляемым периодом

Временное сцепление между ферромагнитными движущимися деталями

Герметизация люфтов между вращающимися деталями и корпусом

3 Оксиды и порошки

Оксид — бинарное соединение химического элемента с кислородом в степени окисления −2, в котором сам кислород связан только с менееэлектроотрицательным элементом.

Новый эффективный способ получения микросфер из оксида железа для очистки воды

Исследователи из Китая разработали простой и эффективный способ синтеза получения микросфер из оксида железа, которые могут применяться для очистки загрязненной воды.

Хонгжи Жанг (Hongjie Zhang) с коллегами из Института прикладной химии Чаньгунь разработал простой метод получения магнитных микросфер Fe3O4, которые могут применяться для обработки сточных вод. В отличие от ранее разработанных методов получения частиц такого типа в гидротермическом методе Жанга не применяются поверхностно-активные вещества и сополимеры, которые после получения микросфер необходимо удалять из реакционной смеси.

Микроразмерные металлооксидные частицы отличаются большой площадью поверхности, что позволяет им обрабатывать большие количества воды за короткий промежуток времени. После очистки воды железооксидные частицы с адсорбированными на них загрязнениями могут быть извлечены с помощью магнита, после чего нагревание восстанавливает их адсорбционную способность, что позволяет неоднократно использовать эти адсорбенты для очистки воды.

Нанопорошки – только один из многих существующих на сегодняшний день наноматериалов. Большинство из них, такие как, например, дендримеры, фуллерин, нанотрубки, нанопрокладки и нанопоры, производятся из ограниченного количества видов сырья. А нанопорошки можно производить из сотен различных материалов. Все наноматериалы, которые производятся в настоящее время, подразделяются на четыре группы: оксиды металлов, сложные оксиды (состоящих из двух и более металлов), порошки чистых металлов и смеси.

Физико-химические параметры оксидных нанопорошков.

Химическая чистота: Содержание основного вещества – не менее 99,95-99,99% в зависимости от вида оксидного нанопорошка и области применения.Гранулометрический состав: Размер кристаллитов в нанопорошке – 10 – 80 нм. (нанометров), в основном 20 – 40 нм. и зависит от вида материала и области применения. Оксиды металлов составляют не менее 80% всех производимых нанопорошков.Нанопорошки чистых металлов составляют значительную и все больше возрастающую долю общего объема производства. Сложные оксиды и смеси имеются в ограниченном количестве.

Три нанопорошка составляют около 80% всех порошков оксидов металлов:

- Оксиды металлов

SiO2

Диоксид кремния, или кремнезем, — это нанопорошок, которого в мире производится больше всего. Широко используемый в электронике и оптике диоксид кремния также широко применяется в обрабатывающей промышленности как абразив, краска и пластический наполнитель, покрытие и грунтовка для строительных материалов, а также как водоотталкивающее средство.

TiO2

Диоксид титана используется в основном в обрабатывающей промышленности для производства красок, защитных покрытий, абразивов и полировки, этот материал играет важную роль в оптике как фотокатализатор и покрытие линз, задерживающее ультрафиолетовое излучение. Диоксид титана все больше и больше используется в области экологии, например, при очистке сточных вод, в воздушных фильтрах. Кроме того, он применяется при производстве строительных материалов, косметики, пластмасс, печатных красок, стекла и зеркал, а также для уничтожения боеголовок химических ракет.

Al2O3

Оксид алюминия, или глинозем, в основном используется в обрабатывающей промышленности как абразив, для струйной очистки, притирки и полировки, особенно в электронике и оптике. Кроме этого, он используется для очистки воздуха, в качестве катализатора, в конструкционной керамике и для производства конденсаторов.

- Порошки чистых металлов

Почти все твердые металлические элементы выпускаются серийно в виде нанопорошков чистых металлов. Промышленное применение многих из них нуждается в дальнейшем развитии. Затраты на производство однородных порошков металлов с высокой степенью чистоты значительно выше, чем на производство оксидов металлов. По объему производства лидируют пять нанопорошков — железа, алюминия, меди, никеля и титана.

Ag

Металлическое серебро находит широкое применение во многих отраслях. Раньше оно использовалось в электрических контактах и проводящих пастах в электронике. Антибактериальные и антивирусные свойства серебра сделали его привлекательным для использования в косметологии и фармацевтике, а также в текстильной отрасли, в чистящих прокладках, стоматологии и в качестве санитарных покрытий, в воздушных фильтрах и в качестве катализатора.

Au

Хотя золото составляет лишь небольшую часть общего объема мирового производства нанопорошков в год, оно широко используется в электронике в качестве покрытия проволочных контактов, гальванопокрытий и защиты от инфракрасного излучения. В области энергетики и экологии золото используется в химических элементах питания и в качестве катализатора. В последнее время золото стало применяться в медицине в качестве маркеров ДНК.

Pt

Платина в основном используется в электронике и в качестве катализатора. Она играет важную роль в топливных элементах, деталях автомобилей, переработке нефти, медицине и производстве стекловолокне.

Si

Кремний широко используется в электронике в качестве основного компонента полупроводников, микросхем и солнечных элементов. Он также играет важную роль в металлургии как отвердитель железа и сплавов, а также добавка для повышения жаропрочности. Кроме того, он используется в керамике, сварочных прутках, пиротехнике, артиллерии, производстве цемента и абразивов.