книги / Нанотехнологии и специальные материалы

УДК 620.22

С601

Ре ц е н з е н т ы :

1.Доктор технических наук, проф. Ю. В. Шахназаров.

2.Кафедра ”Материаловедение и технология материалов” СанктПетербургского государственного Морского технического уни­ верситета

Солнцев Ю. IL, Пряхин Е. И.

С 601 Нанотехнологии и специальные материалы: Учеб­ ное пособие для вузов. — СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007 - 176 с.: ил.

ISBN 978-5-93808-154-3

Развитие материаловедения во многом определяет' прогресс совре­ менного машиностроения. Создание новых материалов и разработка пе­ редовых технологий не только позволяют уменьшить массу машин, при­ боров и конструкций, но и дают возможность разработать новые, не имею­ щие аналогов механизмы. Разработка материалов стимулирует появление новых технических идей и проектов, с прогрессом материаловедения свя­ зано развитие традиционных отраслей промышленности: машинострое­ ния, химии, строигельства, транспорта, судостроения. Научно-техническая революция и пояатение таких новых отраслей техники, как ракетострое­ ние, энергетика, управление термоядерными процессами, освоение кос­ моса, физика высоких энергий, также обязаны прогрессу материаловеде­ ния. Известно, что революционную роль в электронике и радиотехнике, в авиации и ракетостроении сыграли разработанные в последние годы сверхпроводники, аморфные и нанокристаллические сплавы.

В учебном пособии рассмотрены свойства и области применения со­ временных материалов специального назначения: сверхпроводящих, ме­ таллов с памятью формы, аморфных, нанокристаллических, а также по­ рошковых и композиционных материалов. Изложена технология изго­ товления и принципы выбора материалов для конкретных изделии и с учетом рабочих условий их применения.

Для студентов и аспирантов машиностроительных и общетехниче­ ских вузов. Может* быть полезно студентам, обучающимся по смежным специальностям, а также преподавателям, инженерно-техническим ра­ ботникам заводов, научно-исследовательских и проектных организаций.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Аморфные сплавы получают из жидкого состояния при ультравысокой скорости затвердевания. Их характеризуют не­ обычно высокие механические, особые физические и высокие коррозионные свойства.

В учебном пособии приведены основные методы получения аморфных материалов, их химический состав, структура и виды заготовок, нашедших промышленное применение. Приведены ос­ новные области использования аморфных материалов.

Наноструктурные материалы появились в конце прошлого века. К классу этих материалов относятся материалы с разме­ рами морфологических элементов порядка нанометров (1 нм = = 10-9 м). Нанометровый масштаб материи открывает принци­ пиально новые свойства вещества, прежде всего кардинально меняя существующие представления о его физико-химических и механических характеристиках.

При уменьшении размеров зерен или частиц существенно увеличивается доля атомов, находящихся на их границах. Как следствие, поведение ультрадисперсных материалов определяет­ ся процессами, происходящими не только в теле, но и на грани­ цах зерен.

Уменьшение размеров зерен с 10 мкм до 10 нм дает много­ кратное повышение прочности при сохранении или даже повы­ шении пластичности. Наноструктурная керамика может дефор­ мироваться при низких температурах, что противоречит хруп­ кому поведению обычной керамики.

Синтезированы нанокристаллические наполнители, приме­ нение которых в резинотехнических изделиях позволяет увели­ чить их износостойкость в десятки раз, срок безотказной служ­ бы по всему комплексу свойств —в 5—7 раз.

Разработка биосовместимых наноматериалов и покрытий по­ казала перспективность их использования в медицине.

Особую роль играет применение наноматериалов в военных технологиях, разработках брони и средств защиты от пораже­ ния.

Перечень возможных областей применения наноматериалов охватывает практически все отрасли современной науки и тех­ нологии.

Использование наноматериалов является современной про­ мышленной революцией. Поэтому подготовка специалистов в этой перспективной области знаний необходима в системе инже­ нерного образования.

К особым материалам в машиностроении, позволившим соз­ дать принципиально новые конструкции, относятся сверхпрово­ дящие порошковые, композиционные материалы и металлы с памятью формы. Поэтому авторы сочли целесообразным вклю­ чить их в настоящее учебное пособие.

Прогресс в области теоретического материаловедения опира­ ется на соответствующие разделы химии, физики твердого тела и механики материалов. Однако следует отметить, что наука о материалах и рациональных областях их применения в основ­ ном развивается экспериментальным путем. Поэтому развитие современного материаловедения в значительной степени обу­ словлено разработкой новых методов исследования строения и физико-механических свойств материалов.

Г л а в а 1

АМОРФНЫЕ СПЛАВЫ

Аморфные н нанокристаллическне сплавы находят все более широкое применение в различных областях науки и техники. Объединение их в одном учебном пособии и совместное рассмот­ рение целесообразно, так как нанокристаллическая структура во многих случаях формируется на основе трансформации аморфно­ го состояния.

Аморфными называют вещества, в которых, в отличие от кристаллических, отсутствует дальний порядок в расположении атомов. Долгое время считали, что металлы нельзя перевести в аморфное состояние. В I960 г. появилась первая публикация: в лаборатории проф. П. Давеза в Калифорнийском Технологическом Институте было получено ’’некристаллическое состояние" сплава золото—кремний эвтектического состава (Au7sSi2s) при затверде­ вании капли расплава в условиях интенсивного теплоотвода. Был использован "метод выстреливания”, при котором скорость ох­ лаждения в результате расплющивания капли в чешуйку толщи­ ной 10—20 мкм имела порядок 106 К/с.

Полученные в этой и других последующих работах сплавы были названы аморфными металлическими сплавами или метал­ лическими стеклами.

Отсутствие дальнего порядка в расположении атомов и де­ фектов структуры предопределяют комплекс особых физических, химических и механических свойств аморфных металлических сплавов, многие из которых превосходят свойства соответствую­ щих кристаллических аналогов.

Прочность и сопротивление растяжению этих материалов при­ мерно в два раза, а ударная вязкость даже в три раза выше соот­ ветствующих показателей стали. Более того, их вязкость разру­ шения возрастает с увеличением скорости деформации, что может быть использовано для получения материалов с повышенным со­ противлением взрывному воздействию. В некоторых случаях у таких материалов наблюдаются также повышенная износостой­ кость и сопротивление коррозии.

1.1. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ АМОРФНОЙ СТРУКТУРЫ

Переход в аморфное состояние в металлических системах возможен из исходных жидкого, газообразного и даже твердого состояний. Механизмы аморфизации при этих процессах различ­ ны. Однако общим для них является одно и то же условие: обра­ зование аморфной фазы происходит в том случае, когда исходное состояние очень далеко от равновесного. Это может быть сильно переохлажденный расплав, газовая металлсодержащая фаза, да­ лекая от состояния равновесия, или термически (или термобари чески) закаленная твердая кристаллическая фаза. Наиболее пол но исследованы условия образования аморфных металлических сплавов при быстрой закалке из расплава.

Аморфные металлические сплавы (АМС) обычно получают быстрой закалкой расплавов при скоростях охлаждения жидкого металла 104—10е К /с и при условии, что сплав содержит доста точное количество элементов-аморфизаторов. Аморфизаторами мо­ гут быть металлы и неметаллы: бор, фосфор, кремний, углерод. Соответственно аморфные металлические сплавы разделяются на две группы: ’’металл —неметалл” и ’’металл —металл”

Широкое промышленное применение имеют магнитомягкие сплавы системы ’’металл — неметалл” Их получают на основе ферромагнитных металлов — железа, никеля, кобальта, исполь­ зуя в качестве аморфизаторов различные сочетания неметаллов.

Структура аморфных сплавов подобна структуре заморожен­ ной жидкости. Затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали, будучи в жидком состоянии. Аморфная структура характеризуется отсутствием дальнего порядка в рас­ положении атомов, благодаря чему в ней нет кристаллической анизотропии, отсутствуют границы блоков, зерен и другие дефек­ ты структуры, типичные для поликристаллических сплавов.

Склонность к переходу в аморфное состояние оценивают по критической скорости охлаждения или по критической (макси­ мальной) толщине, которая обратно пропорциональна скорости охлаждения. Одним из последних достижений в области исследо­ ваний АМС является обнаружение многокомпонентных сплавов с низкими значениями критической скорости охлаждения 1—500 К /с и соответственно большой критической толщиной — до 40 мм. Эти сплавы называют объемными АМС. Они получены в систе­ мах на основе Zr, Ti, а также А1 или Mg с La и переходными ме­ таллами.

Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и коррозион-

скорости охлаждения порядка 10° К/c . Известны методы ката­ пультирования капли на холодную пластину, распыления струи газом пли жидкостью, центрифугирования капли или струн, рас­ плавления тонкой пленки поверхности металла лазером с быст­ рым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрого ох­ лаждения из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, прово­ локу и порошки.

Получение ленты. Наиболее эффективными способами про­ мышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) пли внут­ ренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся ба­ рабанов или прокатка расплава между холодными валками, изго­ товленными из материалов с высокой теплопроводностью.

На рис. 1.1 приведены принципиальные схемы этих методов. Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается ней­ тральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит том, что в методах центробежной закалки и за­ калки на диске расплав охлаждается только с одной стороны. Основной проблемой является получение достаточной степени чис­ тоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодиль­ ником. 1Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затверде­ вания, и в аппаратурном оформлении методов.

Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более. Ме­ тод закалки на диске, для которого требуется более простая ап­ паратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты

Рнс. 1.1. Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава:

а — центробежная закалка; б —закалка на диске; в — прокатка расплава; г — цен­ тробежная закалка; б —планетарная закалка