книги / Нанотехнологии и специальные материалы

Рис. 3.12. Зависимость твердости фуллеритов от температуры синтеза при двух значениях давления. Пунктирные линии соответствуют твердости алмаза, нитрида бора и сапфира

На рис. 3.12 приведена зависимость твердости фуллеритов, образованных при давлениях 9,5 ГПа и 13 ГПа и разных темпе­ ратурах.

Значения твердости и упругости превышают те же значения для алмаза. Такие материалы с уникальными механическими свойствами уже нашли применение для изготовления инденторов в устройствах для измерения твердости и трибологических харак­ теристик твердых материалов, включая наноструктурные пленки.

Однако реализации многих уникальных возможностей кера­ мики препятствует ряд ее недостатков, в частности хрупкость, ма­ лая надежность, плохая воспроизводимость свойств и трудность обработки. Существующие технологические процессы изготовле­ ния керамических изделий весьма трудоемки и при этом не все­ гда обеспечивают требуемый уровень эксплуатационных свойств.

Наноструктурное состояние керамики позволяет преодолеть многие из этих недостатков. Для наноструктурной керамики воз­ можно использовать эффект сверхпластичности, который позво­ ляет осуществлять ее пластическую деформацию (прокатку, штам­ повку и др.)

Сверхпластпчность определяется как вязкопластическая де формация материала в особом, ультрамелкозернистом структур­ ном состоянии. Это проявляется в способности материала дефор­ мироваться с большими удлинениями до разрушения и высокой скоростью деформации. В поликристаллических металлических материалах сверхпластичность проявляется при размерах зерен менее 10 мкм. Современные нанокристаллические керамики име­ ют размер структурных составляющих до 10 им, что способствует проявлению их сверхпластичности.

Помимо размеров структурных составляющих не менее важ ной является стабильность структуры керамического материала в процессе деформирования. Рост зерен, инициируемый деформа­ цией, должен быть минимальным. Керамические материалы, у которых наблюдается сильный рост зерен (например, в чистом оксиде алюминия), не проявляют сверхпластичности (или эффект очень ограничен). Однако введение даже малого количества при­ месей, тормозящих рост зерен, например смеси порошков АЬОз с А1, резко повышает показатели сверхпластнчности.

Технология получения керамических деталей с использова­ нием эффекта сверхпластнчности состоит из четырех основных этапов:

—выбор и получение исходного материала в виде нанокрнсталлического порошка заданного химического, фазового и гра­ нулометрического состава;

—изготовление исходной заготовки нужной формы; —изготовление штамповой оснастки и сверхпластическое де­

формирование; —финишная обработка поковки, включая обработку поверх­

ности и контроль готовой детали.

Оксид алюминия является одним из наиболее перспективных керамических материалов для широкого спектра конструкцион­ ных применений с энергонапряженными условиями эксплуатации благодаря сочетанию высокой твердости, термостойкости, хими­ ческой инертности., с одной стороны, и доступности — с другой. Керамики на основе АЬОз целесообразно разрабатывать для из­ готовления ответственных износостойких деталей машин, подвер­ гающихся интенсивному воздействию эрозионного, абразивного и ударного характера, в том числе в агрессивных средах при высо ких температурах. Однако использование керамики на основе АЬОз с мелкозернистой структурой характеризуется хрупкостью и низкой трещиностойкостью.

Композитная керамика, полученная из смеси нанопорошка оксида алюминия с металлической фракцией (АЬОз + А1), прак­ тически свободна от этих недостатков, использование такого ком-

позI ira с 15% Al позволяет получать изделия сложной формы в виде толстостенных труб.

Разрабатывают керамические биологически активные материа­ лы медицинского назначения для реконструкции дефектов кост­ ных тканей, изготовления имплантатов, несущих физиологические нагрузки. Например, прочность фиксации титановых импланта­ тов с фосфатно-кальциевым покрытием в 4 раза выше, чем тако­ вая для имплантатов без покрытия. Фосфатно-кальциевые цемен­ ты уже широко применяются в стоматологии и костной хирургии.

Керамики на основе алюминидов титана являются перспек­ тивными материалами для применения в авиакосмической про­ мышленности благодаря высоким жаропрочности и модулю упру­ гости, однако недостаток алюминидов титана заключается в низкой пластичности (1—3%). Методом всесторонней изотермической ковки получены интерметаллиды с размером зерен 100—500 нм, обладающие высокой пластичностью при комнатной температуре (10—20%). Рост пластичности таких алюминидов титана при ком­ натной и повышенной температурах обусловлен повышенной ре­ лаксационной способностью границ зерен, которые благодаря это­ му способны обеспечить релаксацию напряжений в вершине дис­ локационных скоплений. Это значительно облегчает прокатку сплавов при комнатной температуре для изготовления листовых и фольговых заготовок.

3.6.6. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Металлополимеры —композиционные материалы, содержащие частицы металла в полимерной матрице, — получают нескольки­ ми методами: термическим разложением металлсодержащих соеди­ нений в растворе—расплаве полимера, конденсацией паров металла на полимерную подложку, капсулированием наночастиц политет­ рафторэтиленом, электрохимическим осаждением металлических наночастиц в полимерах. На основе металлополнмерных компо­ зитов уже производятся коммерческие продукты, например элек­ тропроводящие композиционные материалы для нагревательных панелей.

Введение в полимерную матрицу металлических частиц с размерами большими, чем расстояние между цепями, сшивками и кристаллическими блоками, приводит к нарушению структуры полимера и ухудшению свойств композита. С уменьшением раз­ меров частиц металла и полимера меняются свойства как исход­ ных компонентов, гак и композиционного материала. Изменение доли границ раздела позволяет менять свойства материала. Ме­ таллические наночастицы наполнителя приводят к реорганизации надмолекулярной структуры полимерной матрицы.

Механические и трибологические свойства модифицированного оксидами ПТФЭ

Композиты на основе политетрафторэтилена, модифицирован­ ные оксидными нанопорошкамн, имеют большую износостойкость, нежели традиционные антифрикционные материалы (табл. 3.5). Например, композиционные материалы на основе алюминиевых сплавов, упрочненные наночастицами высокомодульных тугоплав­ ких веществ, характеризуются высокими антифрикционными свой­ ствами и износостойкостью.

Слоистые наноматериалы получают различными методами фи­ зического осаждения из газовой фазы (PVD) и химического оса­ ждения из газовой фазы (CVD). Полученный методом CVD мно­ гослойный наноламинат Mo—W толщиной 50 мкм состоял из слоев молибдена и вольфрама толщиной 4 нм. Твердость и предел проч­ ности этого материала в 15 раз превышают аналогичные характери­ стики сплава соответствующего состава. Многократным повторением цикла ’’вакуумная диффузионная сварка—прессование—прокатка” получены наноламинаты Fe—Ag и Fe—Си с т о л щ и н о й слоев 20 нм.

Для получения наноструктурных покрытий используют раз­ личные методы: плазменное нанесение покрытий, физическое осаждение из газовой фазы (PVD), магнетронное напыление, хи­ мическое осаждение из газовой фазы (CVD), электролитическое осаждение и другие методы.

Исследования трибологических характеристик детонационных покрытий из наноструктурных (с размером зерна карбида вольф­ рама 17 нм) и крупнозернистых порошков твердых сплавов на основе карбида вольфрама с кобальтом показали, что для нано­ структурного покрытия предельная нагрузка, при которой наблю­ дается катастрофическое разрушение поверхности, на 20 % выше, чем у крупнозернистого покрытия. Коэффициент трения нано­ структурного покрытия на 40—50 % меньше, чем для крупнозер­ нистого покрытия.

Методом плазменного нанесения и лазерного оплавления полу­ чены износостойкие металлокерамические покрытия с ультрадисперсной упрочняющей фазой оксида алюминия для тяжелонагруженных узлов трибосопряжений. По критериям износостойкости, задиростойкости и антифрикиионностн разработанные покрытия значительно эффективнее твердого электролитического хромиро­ вания, а по экономическим показателям в условиях серийного производства и по экологии процесса —существенно лучше. На­ пример, нанесение таких покрытий на внутреннюю цилиндриче­ скую поверхность корпуса роторно-пластинчатого насоса для пе­ рекачки травящего раствора в производстве печатных плат по­ зволило в условиях серийного производства повысить ресурс работы насосов более чем в 20 раз.

3.7.ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ

3.7.1.СВЕРХПРОЧНЫЕ НАНОСТРУКТУРНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Вобычных кристаллических материалах рост прочности со­ провождается падением пластичности, в материалах нанометрово­ го диапазона такая зависимость отсутствует. Благодаря увеличе­ нию поверхностей раздела зерен и интенсивным зернограничным процессам наноматериалы обладают не только высокой прочно­ стью, но и значительной пластичностью. Наноструктурные компо­ зиты Cu/Nb характеризует полное подавление механизма хрупкого разрушения проволоки, растягиваемой при температуре жидкого гелия. Этот факт является неожиданным, поскольку известно, что металлы с ОЦК-структурой, в частности Nb, подвергаются хруп­ кому разрушению при низких температурах. Наноструктурные композиты Cu/Nb демонстрируют значительное повышение проч­ ности и пластичности при деформировании (деформационное уп­ рочнение). Их предел прочности при растяжении составляет око­ ло 2 ГПа, а относительное удлинение равно 10 %.

Высокопрочное состояние с пределом прочности более 800 МПа было реализовано в наноструктурных алюминиевых сплавах, что позволяет получать характеристики прочности более высокие, чем

усталей.

Эти результаты показывают, что при переходе к нанострук­ турным материалам отношение прочность/пластичность может стать значительно большим, чем у современных конструкционных ма­ териалов (рис. 3.13).

Развитие космической техники сдерживается высокой стои­ мостью вывода грузов на орбиту, особенно для полетов на большие расстояния (например, за пределы Солнечной системы).

эксплуатации устройств благодаря повышению их качества, соз­ дать принципиально новые виды оборудования, основанные на новых принципах.

Перспективным направлением использования наноматериалов является введение их в жидкий расплав, а также добавка ультрадисперсных порошков к обычным порошкам при их прессовании и спекании.

При получении порошковой ннкель-молибденовой стали в твердом состоянии замена карбонильного никеля на его ультрадисперсный порошок повысила прочность изделий в 1,5 раза, а их пластические свойства —в 4 раза. Добавка ультрадисперсного порошка состава 0,5 % Ni + 0,5—1 % Си + 0,3 % С к порошку стали ПХ17Н2 позволяет получать порошковую сталь с ударной вязкостью 1,1—1,15 МДж/м", что приближается к уровню литой стали и в 1,5 раза превышает уровень ударной вязкости для ко­ ваной стали Х17Н2. Пористость стали снижается при введении такой добавки с 10 до 5—6%, твердость растет в 1,5 раза, дости­ гая значений 1,2—1,6 ГПа.

Процесс измельчения структурных составляющих сплавов на макро- и микроуровне называют модифицированием. Процесс мо­ дифицирования предусматривает два механизма введения в ме­ таллический расплав частиц: по первому механизму —либо слу­ жащих самостоятельными центрами кристаллизации, либо обра­ зующих таковые в результате взаимодействия с расплавом; по второму механизму — блокирующих рост кристаллических обра­ зований, возникающих в охлаждающемся расплаве.

Результатом модифицирования неметаллических композиций является улучшение технологических свойств на стадии получе­ ния изделий, а также увеличение прочностных и пластических характеристик готовых изделий, особенно в случае применения для этой цели нанопорошковых материалов.

Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей. Наноматериалы ис­ пользуют в качестве сверхпрочных конструкционных материалов и износостойких покрытий. Пленочные наноматериалы плоской и сложной формы из магнитомягких сплавов применяются для ви­ деоголовок видеомагнитофонов, существенно превосходя по слу­ жебным свойствам традиционные материалы.

Наноматериалы широко используются в защитных системах поглощения ВЧ и рентгеновского излучений, в качестве ка­ тализаторов (чему способствует огромная, порядка 5—107 м-1 удельная поверхность нанопорошков). В атомной энергетике таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порош­ ков UO2.

По прогнозу Ассоциации полупроводниковой промышленно­ сти США к 2012 г. линейные размеры самых миниатюрных ком­ понентов вычислительных устройств должны снизиться до 50 нм.

Согласно так называемому ’’закону Мура”, сформулирован­ ному в 1965 г. основателем фирмы ’’Интел” Гордоном Муром, размеры микроэлектронных устройств должны уменьшаться вдвое каждые четыре года. При таком темпе уменьшения уже к 2020 г. устройства должны были бы иметь размеры порядка 10 нм, а к 2035 г. —порядка атомов. В действительности, по мнению X. Эверитта (H. Everitt, U. S. Army Research Office), совершенствова­ ние логических устройств по этому закону (т. е. исключительно посредством уменьшения размеров) должно прекратиться раньше вследствие нарастания квантовых эффектов при уменьшении раз­ меров. Поэтому для дальнейшего наращивания вычислительных возможностей ЭВМ необходимо развивать новые методы обра­ ботки информации.

Наиболее перспективным направлением в этой области явля­ ются, по-видимому, квантовые вычислительные устройства, идею которых Ричард Фейнман предложил еще в начале 1980-х гг. В таких компьютерах квантовые эффекты не ограничивают, а расширяют возможности проведения вычислений и позволяют на­ много увеличить быстродействие. В обычных, цифровых ЭВМ информация сохраняется в виде последовательности символов ”0” и ”1” (бит информации соответствует выбору одной из этих цифр). Информация в квантовых элементарных ячейках записы­ вается суперпозицией состояний ”0” и ”1”, точное значение кото­ рых одновременно определяется в момент измерения. Последова­ тельность из N цифровых битов может представлять любое число в интервале от 0 до 2N~ \ в то время как N квантовых ячеек мо­ гут представить все эти 2'v чисел одновременно. Поэтому кванто­ вые компьютеры могут решать гораздо более сложные задачи, чем любая цифровая ЭВМ.

Уже разработаны квантовые алгоритмы вычисления факто­ риалов больших чисел, которые по быстродействию намного пре­ восходят алгоритмы для цифровых компьютеров. При поиске данных в массиве из N элементов скорость квантовых компьюте­ ров в N u ~ раз превосходит скорость цифровых ЭВМ. Сейчас проводятся лишь простейшие квантовые логические операции в устройствах с небольшим числом атомарных квантовых ячеек, и ясно, что этот подход не приведет к крупномасштабным кванто­ вым вычислениям. Однако именно нанотехнология может решить проблему изготовления большого числа квантовых ячеек и вывес­ ти вычислительную технику к пределам действия закона Мура.

Нанотехнологии подходят к решению задач по созданию мат­ риц из сверхпроводящих квантовых ячеек (так называемых ’’ис­ кусственных атомов”), которые могут применяться в качестве квантовых ячеек. Необходимо, чтобы они были наноразмерными и в них могли проявляться квантовые эффекты. Для сохранения квантовых эффектов они должны быть изолированы от окру­ жения.

Время, за которое передовые научные открытия созревают до использования в технологии, составляет 10—15 лет. Прогресс в области нанонауки и нанотехнологии обеспечит в ближайшее вре­ мя ускоренное развитие разных областей техники.

Наглядным примером может служить ситуация с магнитными запоминающими устройствами. В течение 10 лет после открытия, в результате фундаментальных исследований физического явле­ ния гигантского магнитосопротивления (ГМС), основанная на этом явлении нанотехнология полностью вытеснила старые методы в области производства головок для компьютерных дисков.

Использование нанотехнологий в электронике и компьютер­ ной технике может привести к прогрессу в следующих областях:

•Производство экономичных наноструктурных микропроцес­ соров с низким энергопотреблением и значительно более высокой производительностью.

•Создание малоразмерных запоминающих устройств с мультитерабитным объемом памяти (1 тера T = 1012) даст возможность в тысячи раз увеличить эффективность работы компьютеров.

•Совершенствование вычислительной техники увеличит про­ пускную способность каналов связи и повысит эффективность обмена информацией.

•Использование более высоких частот передачи позволит не менее чем в 10 раз расширить диапазон частот и послужит про­ грессу в бизнесе, образовании, индустрии развлечений, системах вооружения.

3.7.3. МАГНИТНЫЕ И ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Исследование свойств наноматериалов, полученных контроли­ руемой кристаллизацией из аморфного состояния, позволило япон­ ским ученым создать новый класс магннтомягких материалов. Такие материалы обладают более высоким уровнем статических и динамических магнитных свойств по сравнению с аналогичными по назначению кристаллическими и аморфными сплавами.

Новый класс материалов представлен сплавами на основе Fe— Si—В с небольшими добавками Nb, Си, Zr и некоторых других переходных металлов. После закалки из расплава эти сплавы аморфны, а оптимальные параметры достигаются после частичной

кристаллизации при температуре 530 —550 °С, когда выделяется упорядоченная нанокристаллическая фаза Fe —Si (18 —20%) с размером частиц около 10 нм. Объемная доля наночастиц в аморфной матрице составляет 60 —80 %. Сплавы обладают низ­ кой коэрцитивной силой (5 —10 А/м) и высокой начальной маг­ нитной проницаемостью при обычных и высоких частотах при малых потерях (200 кВт/м3) на перемагничивание. Это обуслов­ ливает их широкое применение в электротехнике и электронике в качестве трансформаторных сердечников, магнитных усилителей и импульсных источников питания, а также в технике магнитной записи и воспроизведения и т. д., обеспечивая значительную ми­ ниатюризацию этих устройств и стабильную работу в широком диапазоне частот и температур. Мировой выпуск сплавов оцени­ вается на уровне 1000 т в год.

Для головок высокоплотной магнитной записи используют нанокристаллические пленки на основе железа с добавками туго­ плавких соединений типа ZrN, AIN и др. Пленки получают маг­ нетронным распылением мишеней из сплавов Fe в азотной плазме. Благодаря наноструктуре индукция насыщения у таких сплавов высока (1,6—1,8 Т), а коэрцитивная сила мала (4 —6 А/м); на­ личие в структуре тугоплавких ианочастиц обеспечивает доста­ точную термическую стабильность и высокую износостойкость.

Широкое распространение находят и нанокристаллические магнитотвердые материалы на основе Fe—Nd —В и Fe—Sm —N, получаемые методами механохимического синтеза. Высокие зна­ чения коэрцитивной силы (2000 кА /м) и магнитной энергии ((ВЮ 1Пах =175 кДж/м3) обусловливают их эффективное приме­ нение для изготовления постоянных магнитов небольших раз­ меров, что важно в целях миниатюризации во многих областях техники.

Магнитные свойства ультрадисперсных порошков исполь­ зуются в ферромагнитных жидкостях, применяемых в качестве вакуумных уплотнений, глушителей колебаний и в других об­ ластях.

Проводящие материалы. Сочетание высокой электропровод­ ности и прочности необходимо при создании материалов для крупных магнитных систем с большой напряженностью магнит­ ного поля. Перспективными в этом плане считаются проволочные нанокомпозиты типа Си —Nb, технология изготовления которых заключается в совместном холодном волочении медных и ниобиевых прутков. Технология изготовления таких композитов рассмот­ рена в гл. 4 настоящей книги. В конечной структуре композита Си —Nb (18 % мае.) средний поперечный размер ниобиевых воло­ кон составляет около 100 нм; прочность на растяжение достигает