толщина слоя, диаметр волокна или зерна меньше некоторого зна­ чения, например 100 нм. По химическому составу кристаллитов можно выделить четыре группы наноматериалов. Для наиболее про­ стого варианта (первая группа) химический состав кристаллитов и границ раздела одинаков. Это, например, слоистые поликристаллические полимеры или чистые металлы с нанокристаплической равно­ осной структурой. Вторая группа представляет наноструктурные ма­ териалы с кристаллитами различного химического состава, в частно­ сти многослойные структуры. Для материалов третьей группы химический состав зерен и границ раздела различен. Материалы, в которых наноразмерные компоненты структуры (слои, волокна или равноосные кристаллиты) диспергированы в матрице сплава другого химического состава, составляют четвертую группу.

9.4.2. Методы получения наноматериалов

Существуют четыре группы получения компактных наномате­ риалов: порошковая технология, интенсивная пластическая дефор­ мация (ИПД), контролируемая кристаллизация из аморфного состоя­ ния и пленочная технология.

Широко известен метод получения компактных нанокристаплических материалов путем прессования нанокристаплического по­ рошка. Наночастицы получают методом испарения с последующей конденсацией пара на холодной поверхности вращающегося цилинд­ ра. Схема такого процесса приведена на рис. 104. Испарение и кон­ денсация осуществляются в атмосфере разреженного инертного газа, обычно гелия. Осажденный конденсат специальным скребком сни­ мается с поверхности и собирается в коллектор. После откачки инертного газа в вакууме под давлением примерно 1 ГПа проводится предварительное, а затем под давлением до 10 ГПа и окончательное прессование нанокристаплического порошка. По такой технологии получают пластинки диаметром 5-15 мм и толщиной 0,2-3,0 мм. Плотность пластинок достигает 70-90 % от теоретической прочности соответствующего материала. Компактные наноматериалы, получен­ ные порошковой технологией, состоят из частиц со средним разме­ ром от 1-2 нм до 80-100 нм.

Метод ИПД, заключающийся в обжатии с большими степеня­ ми деформации при относительно низких температурах (ниже

Для достижения больших деформаций материала используются нетрадиционные методы - кручение под гидростатическим давлени­ ем, равноканальное угловое прессование, знакопеременный изгиб, позволяющие деформировать заготовку без изменения сечения

иформы и достигать необходимых высоких степеней деформации

иизмельчения зерна. К настоящему времени нано- и субмикрокри­ сталлическая структуры в ходе ИПД получены в алюминии, железе, магнии, вольфраме, никеле, титане и их сплавах. Такая структура приводит к изменению физических и механических свойств (значи­ тельное повышение прочности при сохранении пластичности, повы­ шение износостойкости, проявление высокоскоростной и низкотем­ пературной сверхпластичности).

Формирование аморфного состояния рассмотрено в разделе 9.1. Аморфное состояние твердого тела в значительной степени отражает структуру жидкого расплава. В аморфных сплавах в той или иной степени наблюдается ближний порядок, который характерен для расплавленных металлов и при большом переохлаждении расплава наследуется металлическим стеклом. Образование аморфной струк­ туры возможно только в условиях резкого охлаждения расплава. Для каждого материала можно найти критическую скорость охлаждения. Если скорость охлаждения будет выше критической, то достигается переохлаждение, достаточное для получения аморфной структуры, если ниже - образуется кристаллический сплав. Для получения аморфно-нанокристаллической структуры необходима указанная критическая скорость охлаждения, при которой начинают расти за­ родыши кристаллов, но затем рост останавливается. Оставшийся расплав затвердевает с образованием аморфной фазы. Структурная модель такой аморфно-нанокристаллической структуры приведена на рис. 105.

Вней выделяются нанокристаллы 1 с размерами 8-10 нм, по

границам которых располагаются переходные области 2. Нанокри­ сталлы разделены прослойками аморфной фазы 3. В центральной части каждого нанокристалла существует идеальный порядок, кото­ рый постепенно теряется и на периферии переходит в аморфное со­ стояние. Такое структурное состояние характеризуется аномально высокой прочностью, превышающей прочность аморфного или кри­ сталлического состояния.

Рис. 105. Модель структуры аморфно-нано- кристаплического состояния: а - нанокри­ сталл; б- переходные области; в - прослой­ ки аморфной фазы

Получение такой структуры затрудняется подбором критиче­ ской скорости охлаждения.

Нанокристаллическая структура может быть получена и из чис­ то аморфного сплава путем его кристаллизации в ходе отжига. Тон­ кие ленты аморфных сплавов получают путем спиннингования, то есть быстрого (со скоростью не менее 10б °С/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана. Этот метод сей­ час активно развивается для получения ферромагнитных сплавов систем Fe - Си - М - Si - В, где под символом М понимается Nb, Та, W, Mo, Zr.

Пленки и покрытия, т.е. непрерывные слои нанокристаллического материала, получают путем осаждения на холодную или по­ догретую подложку из паров, плазмы или коллоидных растворов.

Разработка новых методов получения объемных (массивных) нанокристаллических заготовок с равномерной структурой по сече­ нию заготовки без пор, микротрещин и других дефектов структуры - актуальная задача, решение которой позволит расширить примене­ ние наноматериалов конструкционного назначения.

Вопросы для самоконтроля

1. Какая скорость охлаждения достигается при охлаждени мелких капель?