Глава 14.Объемные наноструктурированные материалы: разупорядоченные и кристаллизованные

Объемные наноструктурированные материалы – твердые тела с наноразмерной микроструктурой. Основным элементом их структуры являются наномасштабные комплексы или наночастицы. Такие элементы могут быть как разупорядочены по отношению друг к другу (т.е. оси их симметрии ориентированы случайным образом, а положение в пространстве не обладает никакой симметрией), так и создавать упорядоченные структуры.

14.1. Методы синтеза разупорядоченных структур

Одним из методов синтеза разупорядоченных материалов является компактирование. Рассмотрим данный метод на примере изготовления наноструктурированного сплава Cu-Fe. Смесь медного и железного порошков с составом Fe₈₅Cu₁₅ перемалывается в шаровой мельнице в течение 15 часов при комнатной температуре, затем материал уплотняется в штампах из карбида вольфрама при давлении ~1 ГПа в течение 24 часов. Далее продукт прессовки обрабатывается горячим обжимом примерно 30 минут при 400⁰С и давлении Р = 870 МПа. В результате получаем материал, в котором распределение зерен по размерам имеет вид, изображенный на рис. 14.1. Заметим, что описанным методом получают материал с основным размером зерна ~40 нм.

Рассмотрим кривую нагружения такого материала. Его модуль Юнга в принципе близок по значениям к обычному материалу. Однако в случае повышения нагрузки предел прочности (т.е. разрушение) наступает при ~2,8 ГПа, что примерно в пять раз превышает предел прочности макроматериала аналогичного химического состава с обычным размером зерна (50-150 мк).

Существенное изменение механических свойств разупорядоченных поликристаллов с наноразмерными зернами является одним из наиболее важных свойств таких материалов.

Рис. 14.1. Распределение нанозерен в материале по размерам

Наноструктурированные материалы можно получить при быстром отвердевании исходных компонентов. Одним из наиболее эффективных методов такого типа – спиннингование. Металл расплавляется с помощью радиочастотных нагревателей и выдавливается через форсунку с образованием потока жидкости, который непрерывно набрызгивается на охлаждаемый изнутри металлический барабан, вращающийся в атмосфере инертного газа. В результате такого процесса формируются полосы (ленты) толщиной от 10 до 100 мк.

Рис. 14.2. Схема установки для спиннингования

На структуру полученного методом спиннингования материала влияют размер сопла форсунки, давление расплавов в форсунке (т.е. давление выдавливания) и скорость вращения барабана.

В результате данным методом создаются высокопрочные легкие сплавы, состоящие из 85-94% алюминия с добавками других металлов: Y, Ni и Fe. Так, например, полученный спиннингованием сплав Al-Y-Ni-Fe, состоящий из 10-30 нанометровых частиц Al, встроенных в аморфную матрицу, имеет напряжение на разрыв ≥1,2 ГПа. Как уже отмечалось ранее, такие высокие значения объясняются наличием в структуре сплава бездефектных нанокластеров Al.

Другим способом получения наноструктурированных материалов является газовая атомизация. Суть метода состоит в охлаждении расплава металла с помощью высокоскоростного потока инертного газа. При взаимодействии струи газа с металлом кинетическая энергия частиц газа передается расплаву и в результате образуются мелкодисперсные капли нанометалла.

Рис. 14.3. Схема установки для газовой атомизации

Данный метод подходит для крупномасштабного производства наноструктурированных порошков, из которых впоследствии методом горячего компактирования получают конечный продукт.

Наноструктурированные материалы можно синтезировать и гальваническим способом. Например, лист наноструктурированной меди можно получить, помещая два электрода в электролит из CuSO₄. Медь, выделяющаяся на отрицательном электроде из титана, образует наноструктури-ованный слой толщиной ~2 мм со средним размером зерна ~ 27 нм.