ГОУ ВПО
ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Физико-технический факультет
Кафедра физики твердого тела
Курсовая работа
по дисциплине: Физическое материаловедение
Тема: Нанокомпозиты
Выполнил студент ТФ-071 Н.В.Геращенко
Руководитель Л.И. Янченко
Нормконтроль Л.И. Янченко
Защищена Оценка
Воронеж
2009
Содержание
Задание…………………………………………………………………………….2
Введение…………………………………………………………………..……....4
Структура и проводимость композитов…………………………..…....6
Получение композиционных наноструктур……………………………...8
Электрические свойства и магнитосопротивление гранулированных композитов металл –диэлектрик………………………………………...12
Применение нанокристаллических материалов………………………..16
2. Анализ фазовой структуры диаграммы состояния трехкомпонентной системы Bi – Pb – Sn …….………………………………………..……..18
Заключение…………………………………………………….……..…..24
Список литературы…………………………………………………....….25
Введение.
Успехи физического материаловедения связаны с достаточно длительным и детальным изучением структуры и свойств часто сложных по составу макроскопических объемов материалов, содержащих до 1021 — 1025 атомов. Как правило, такие материалы состоят из макроскопических (5 — 50 мкм) зерен или являются монокристаллами. Кроме того, они обладают дальним порядком расположения атомов и в случае поликристаллов 10-9 — 10-4 всего объема занимают границы зерен.
Транспортные, магнитные, сверхпроводящие, полупроводниковые, механические, коррозионные и другие свойства для материалов, находящихся в макроскопическом объеме, достигли своих максимальных значений и вряд ли можно добиться улучшения каких-то характеристик за счет более тщательной технологии или изменения концентрации составляющих элементов.
В последние 25 — 30 лет стали успешно получать материалы, обладающие ближним порядком расположения атомов. Это аморфные металлические сплавы (металлические стекла). В этом направлении достигнуты значительные успехи, позволяющие создать, например, ферромагнетики с такими магнитными свойствами, которые не могут быть получены в материалах с дальним порядком расположения атомов.
Дальнейший прогресс в получении материалов с новыми свойствами связан с такими изменениями в структуре, которые оказывают влияние на фундаментальные свойства, характерные для макроскопических объектов. На мой взгляд, достаточно перспективное научное направление в области физического материаловедения связано с созданием и изучением структуры и свойств материала, который сконденсирован из малых кристалликов, фрагментов, имеющих объем, равный 102 — 104 атомов. Материал с такой структурой можно считать наноструктурным композитом. Наноструктурное состояние может быть реализовано в материалах, где имеется дальний порядок расположения атомов, путем создания нанокристаллической структуры, где размер кристаллических зерен не превышает 10 — 15 нм; путем создания аморфных многослойных структур с толщиной слоя не более 5 — 10 нм (в слоях реализуется структура ближнего порядка). Наноструктурное состояние материала может быть также реализовано в виде фрактальных структур, к изучению которых привлечено значительное число ученых-материаловедов.
В последние годы было обнаружено, что уменьшение размера кристалликов в материале (в первую очередь в металлах) может приводить к существенному изменению их свойств. Такие изменения появляются, когда средний размер кристаллических зерен не превышает 100 нм, и наиболее заметны при размере зерен менее 10 нм. На практике мы всегда имеем дело с материалами, средний размер зерна которых находится в пределах 1 — 100 мкм и более. Поликристаллические мелкозернистые материалы со средним размером зерен от 40 до 150 нм обычно называют субмикрокристаллическими; если средний размер зерна менее 40 нм, — нанокристаллическими.
Достаточно давно известно, что свойства малых частиц вещества в значительной степени отличаются от свойств массивного материала. С другой стороны, макроскопический объемный материал, имеющий сверхмелкозернистую или нанокристаллическую структуру, приобретает целый ряд свойств, которые невозможно получить в материалах с обычной поликристаллической и даже монокристаллической структурой.
Известно, что нанокристаллическое состояние оказывает сильное влияние на многие физические свойства твердых тел. Поэтому уменьшение размеров зерна рассматривается как эффективный метод управления многими свойствами твердых тел. Для таких прогнозов имеются весьма веские основания. Малый размер зерна приводит к большим изменениям структуры твердого тела. Если считать в грубом приближении форму зерна сферической с диаметром d и толщиной границы раздела h, то доля межзеренных границ раздела в общем объеме зерна равна
. (1.1)
При толщине границы h, равной 3 — 4 атомным монослоям (0,5 — 1,5 нм), на поверхностный слой приходится до 50 % всего вещества. Кроме того, существенно изменяется и структурное состояние самого зерна. Дефекты, типичные для крупных зерен (вакансии, дислокации, дефекты упаковки), часто не могут удержаться внутри зерна и выходят на поверхность, делая структуру зерна бездефектной. С другой стороны, межзеренная граница является нестабильной структурой и поэтому нанокристаллические материалы отличаются высокой диффузионной подвижностью атомов, которая на 5 — 6 порядков выше, чем в обычных поликристаллических материалах.
Учитывая вышесказанное, можно считать, что уменьшение размера зерна является эффективным средством изменения свойств твердого тела. Нанокристаллические материалы — особый тип конденсированного состояния вещества, в котором необычные свойства обусловлены как особенностями малых кристаллитов, так и коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами.